常夢潔，劉　俊

(西安科技大學材料科學與工程學院，陜西　西安　710054)

?

《天然高分子材料》教學實踐與體會*

常夢潔，劉俊

(西安科技大學材料科學與工程學院，陜西西安710054)

由于來源豐富且無毒、可以完全生物降解、能再生循環(huán)利用等優(yōu)點，天然高分子材料越來越引起人們廣泛的研究興趣。本文介紹了筆者在《天然高分子材料》教學中的實踐與體會，提出通過拓展教學內(nèi)容，豐富授課手段，開放性教學，強化實驗環(huán)節(jié)等方式充分激發(fā)學生的學習積極性，發(fā)散思維，培養(yǎng)學生主動學習的意識，加深對理論知識的理解及應用，以實現(xiàn)良好的教學效果。

天然高分子材料；教學改革；學習興趣；開放式教學

當今社會，人們逐漸認識到只有充分利用自然界生成的、可循環(huán)再生的動植物資源才是實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的可靠出路?？稍偕烊桓叻肿硬牧洗嬖谟谧匀唤绲膭游铩⒅参锛拔⑸镏?。由于來源豐富且無毒、可以完全生物降解、能再生循環(huán)利用等優(yōu)點，天然高分子在減少污染、保護環(huán)境、節(jié)約資源與能源方面產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，在化工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領域越來越凸顯其重要性[1]。為了加深學生對天然高分子材料的認識，加強學生對天然高分子材料結(jié)構(gòu)和性能的了解，培養(yǎng)天然高分子材料領域的專業(yè)人才，我們開設了《天然高分子材料》課程。希望通過這門課程的學習，為學生在天然高分子材料領域就業(yè)或繼續(xù)深造打下基礎，啟發(fā)開放式思維，提高交叉學科應用能力。

《天然高分子材料》課程主要介紹了纖維素、淀粉、甲殼素和殼聚糖、蛋白質(zhì)纖維、木質(zhì)素等幾類重要的天然高分子材料，以天然高分子材料的結(jié)構(gòu)、物理化學性質(zhì)、功能化方法為主線，特別介紹了典型的天然高分子材料及其衍生物、應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。課程內(nèi)容與《有機化學》、《高分子化學》、《功能高分子材料》緊密相關，其內(nèi)容與化學、能源環(huán)境、生物醫(yī)藥等學科相互交叉。本課程涉及知識面較廣，教學知識點多，內(nèi)容分散而零亂[2-3]。因此，如何在較少的學時內(nèi)激發(fā)學生的學習興趣，提取出代表性強且適合本科的教學內(nèi)容，達到拓寬學生視野、培養(yǎng)學生主動學習的能力成為教學的關鍵[4]。筆者擬介紹在《天然高分子材料》教學過程中提高學生學習興趣的體會與探索。

1　拓展教學內(nèi)容，激發(fā)學生興趣

課堂教學中適當拓展教學內(nèi)容來激發(fā)學生的學習興趣，對啟發(fā)學生主動學習有積極的作用。例如，在學習《蛋白質(zhì)纖維》的羊毛章節(jié)時，我們以生活實例羊毛制品的穿著特點(易產(chǎn)生刺癢和不適感)出發(fā)，告訴大家這都是由其特殊結(jié)構(gòu)決定的，激發(fā)學生的好奇心，講述羊毛的鱗片層結(jié)構(gòu)及化學組成特點，即羊毛纖維是具有天然卷曲，縱面呈鱗片狀覆蓋的圓柱體，而正是這些結(jié)構(gòu)特點決定了羊毛制品的性質(zhì)。接下來講述羊毛細度的概念，學生就會很容易理解細支羊毛舒適昂貴的原因。為了滿足市場的需求，我們需要將羊毛改性，而羊毛纖維的鱗片層結(jié)構(gòu)是改性的主要對象，羊毛在溶解改性制成黏膠纖維過程中分子鏈間的二硫鍵和氫鍵遭到破壞，我們拓展至燙發(fā)染發(fā)的秘密和自來卷的形成原因，這特別容易引起學生的興趣，也能實現(xiàn)師生間的良好互動。如此類比拓展與生活貼近，很容易加深學生的記憶并更好地理解講授內(nèi)容，達到鞏固知識點的效果。

2　充分發(fā)揮學生為主體，教師為主導的雙主體課堂

2.1黑板教學與多媒體教學相結(jié)合，夯實基礎知識

天然高分子材料這門課的教學需牢牢把握“材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能，材料的性能反映材料的結(jié)構(gòu)”這條主線，從結(jié)構(gòu)單元，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)出發(fā)，先明確結(jié)構(gòu)，進而學習性質(zhì)，同時注意比較不同天然高分子結(jié)構(gòu)間的區(qū)別。盡管多媒體教學可以使教學內(nèi)容更加豐富，傳遞更多的信息，但在《天然高分子材料》中涉及許多相對抽象的內(nèi)容，如分子結(jié)構(gòu)式，聚合物改性的過程等。若用多媒體呈現(xiàn)，速度較快，且不能與學生很好的互動，不利于體現(xiàn)學生的主體地位，不利于學生的理解。因此，我們選用多媒體和傳統(tǒng)板書相結(jié)合，層層深入，提高教學效果。以纖維素的教學為例，纖維素是地球上最古老和最豐富的可再生資源。課本給出定義“纖維素是由纖維二糖重復單元通過1,4β-苷鍵連接而成的線性高分子”。定義看似簡潔，涉及的知識點很多，同時又與有機化學、高分子化學緊密相關，如什么是糖，什么是纖維二糖，什么是重復結(jié)構(gòu)單元，什么是糖苷鍵，什么是β-糖苷鍵，什么是1,4β-苷鍵，還有聚合度等知識點的回顧。我們在課堂中，通過黑板板書依次給大家列出葡萄糖構(gòu)型，葡萄糖三種結(jié)構(gòu)式的表達(Fischer結(jié)構(gòu)式，Haworth式，構(gòu)象結(jié)構(gòu)式)，以及碳原子的編號，α，β異構(gòu)體的定義等，有了以上背景知識，我們就不難理解纖維素的定義及組成。我們在講述結(jié)構(gòu)過程中請同學一起在紙面畫出結(jié)構(gòu)，也可以請同學上講臺共同完成碳原子編號等。學生也很容易參與到教學過程中，充分保證其主體地位。纖維素分子間形成聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是因為纖維素分子鏈內(nèi)和分子鏈間存在數(shù)量眾多的氫鍵，這也是纖維素加工性能差的原因，由此進入纖維素性質(zhì)(溶解，改性，降解等)的學習。所有材料的性質(zhì)的理解都必須從結(jié)構(gòu)出發(fā)，我們層層深入，板書清晰直觀，容易把復雜抽象的問題直觀化，同時非常利于和學生的互動；多媒體形象生動，展示更豐富的信息。二者緊密結(jié)合，夯實學生對知識點的理解和記憶。

2.2合理利用Chem Office 軟件，增加可視性思維

Chem Office是一款由CambirdgeSoft研發(fā)的一款綜合性應用軟件，其組成主要有Chem Draw化學結(jié)構(gòu)繪圖，Chem 3D分子模型及仿真，Chem Finder化學信息搜尋整合系統(tǒng)等。Chem Office軟件不僅可以繪制分子式，還可以看到立體結(jié)構(gòu)和最優(yōu)構(gòu)象。天然高分子材料(如淀粉，纖維素，甲殼素等)結(jié)構(gòu)復雜，天然高分子材料的分子鏈結(jié)構(gòu)，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)一直是授課的重點，也是學生理解的難點。本課程中我們主要使用Chem Draw模塊和Chem 3D模塊，借助多媒體工具幫助學生展開形象思維取得了較好的教學效果。例如，纖維素的結(jié)構(gòu)式是較為復雜的，我們在上文中提到了結(jié)合黑板板書和PPT學習纖維素分子鏈結(jié)構(gòu)的過程，但其空間構(gòu)象學生理解相當困難。我們用Chem Draw 模塊建立纖維素的分子鏈結(jié)構(gòu)，再利用Chem 3D 模塊將其轉(zhuǎn)化為三維模型并進行構(gòu)型優(yōu)化。三維模型可以動態(tài)旋轉(zhuǎn)，全方位的向?qū)W生展示不同角度的立體構(gòu)象，非常利于學生的理解纖維素的繩索狀結(jié)構(gòu)。在教學中，我們始終貫穿結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這條主線，Chem Office 軟件還能更好地幫助學生理解結(jié)構(gòu)對性質(zhì)的影響。例如，淀粉可以分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，二者的物理，化學性質(zhì)均有著顯著的差異，這些都是由結(jié)構(gòu)決定的。我們通過Chem Draw 模塊繪制直鏈淀粉(D-葡萄糖殘基以α-1,4-苷鍵鏈接)和支鏈淀粉(D-葡萄糖殘基以α-1,4-苷鍵和α-1,6-苷鍵鏈接鏈接)的分子結(jié)構(gòu)，并對分子結(jié)構(gòu)式進行優(yōu)化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw分子模型進行動態(tài)展示，我們很容易觀察到直鏈分子的右手螺旋結(jié)構(gòu)和支鏈分子的高粱穗狀結(jié)構(gòu)，有了結(jié)構(gòu)的顯著差異，我們不難解釋二者性質(zhì)的不同。我們也很容易理解盡管淀粉和纖維素的水解產(chǎn)物都是D-葡萄糖，但二者具有完全不同的性質(zhì)。這都是由于其構(gòu)型不同，糖苷鍵不同(前者主鏈中為α-1,4糖苷鍵， 而后者為β-1,4糖苷鍵)引起的。Chem Office 軟件和多媒體配合，能較好地滿足教學的需求，增加可視性思維，使天然高分子材料教學中抽象的分子結(jié)構(gòu)變得更加直觀生動，易于學生的理解和記憶，提高教學效果。

3　開放性教學，引導主動思維

因纖維素，淀粉等材料的結(jié)構(gòu)相對復雜，學生易產(chǎn)生畏難情緒，課堂相對枯燥、乏味，學生尚不明確畢業(yè)所從事工作與天然高分子課程的關聯(lián)性，不容易調(diào)動學生的積極性。我們提出教師講述核心知識點，學生分組調(diào)研，選擇自己感興趣的一類天然高分子材料，小組同學共同查閱文獻和書籍，結(jié)合教師講述的基礎理論和課后查閱的資料，團隊協(xié)作制作PPT，并在課堂做短時間PPT演講，其他同學和老師均可提問、討論。通過“轉(zhuǎn)換角色”的方式做專題介紹，深化對天然高分子材料的了解。我們在課程設計中，教師重點講述化學結(jié)構(gòu)，性能，化學改性，加工方法等，讓學生結(jié)合課堂所講述的性質(zhì)重點調(diào)研該類天然高分子材料的應用和發(fā)展前景。學生準備課件過程中不僅鞏固了基礎知識，還需設計并回答講述過程中可能遇見的問題。這不僅有助于促進學生調(diào)研文獻，接觸天然高分子材料科學前沿，培養(yǎng)對學科的興趣，也能提高學生的語言表達與總結(jié)歸納能力，加強團隊協(xié)作能力，同時，還能提升應變能力、分析與解決問題的能力。如我們介紹了纖維素的常見溶解方法后，讓學生調(diào)研搜集武漢大學張俐娜院士開創(chuàng)的低溫溶解體系，再和我們講述的傳統(tǒng)溶解體系作比較，學生更容易理解新型溶解方法的優(yōu)異性，同時培養(yǎng)科學素養(yǎng)[5-6]。讓我們非常驚喜的是，學生在搜集資料過程中，能積極關注科研課題的最新研究進展，搜集了與天然高分子材料相關的企業(yè)和研究機構(gòu)，不僅大大拓寬了學生的知識面和視野，又了解了行業(yè)發(fā)展動態(tài)，讓學生在學習中感受到天然高分子材料在社會生活中的應用價值，同時這也為未來就業(yè)或者繼續(xù)深造打下了基礎和創(chuàng)造了條件，提高了學生的主動性和自學能力。這種開放式教學的方法大大活躍了課堂氛圍，讓學生主動參與到課堂教學學習中來，更能深刻理解課本及課本外知識。

4　強化實驗教學，理論與實踐相結(jié)合

《天然高分子材料》課程是一門將基礎理論知識和實驗緊密結(jié)合在一起的專業(yè)課程，因此，實驗教學在天然高分子材料的學習過程中有著非常重要的作用。課程實驗的開設不僅可以加深學生對所學知識的理解，還可以培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生的實驗技能，學生在撰寫實驗報告的過程中必定會對實驗的意義、計劃、方案以及具體實施方法進行仔細思考并加以實踐，從而鍛煉他們獨立研究和綜合分析問題的能力，有利于創(chuàng)造性思維的形成。幫助學生建立起研究型學習方式，并靈活運用所學知識的能力。

5　基礎知識與學科研究前沿相結(jié)合，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

截止目前，纖維素、淀粉、甲殼素、木質(zhì)素等從動植物中提取的天然高分子材料，在組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)方面研究的比較清楚，且在生產(chǎn)、生活產(chǎn)品中的應用生產(chǎn)工藝也相對成熟。如果我們在教學過程中，只是單純針對目前已有的知識進行講授，難免會給學生造成一種按部就班的錯覺。為此，我們在課堂上引入學科前沿的研究動態(tài)，拓寬學生對于天然高分子材料的未知部分的認識，進而培養(yǎng)激發(fā)學生的想象與創(chuàng)新能力。例如，在講解明膠(gelatin)這種天然高分子材料時，我們以作者在日本京都大學研究工作時的課題為例，說明了明膠納米纖維作為誘導全能型干細胞(iPS cells)及胚胎干細胞培養(yǎng)基底中的作用，明膠材料易于獲得、且價格低廉，如果對其適當?shù)募庸ぁ⑿揎?，其是一種重要的生物材料。而誘導全能型干細胞的研究獲得了2012年諾貝爾生理學獎。通過這樣的引導，可以讓學生對于各種天然高分子材料的應用潛力產(chǎn)生無限的憧憬與遐想，這樣教學既可以加深對天然高分子材料的認識，同時還可以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

《天然高分子材料》的教學過程中也是老師們不斷學習與

提升自身科學素養(yǎng)的過程，要靈活的運用教學方法和手段，積極在教學中引入天然高分子的前沿研究成果、提高學生的學習積極性和主動性，引導學生主動思維，增強課堂的互動性，以提升教學效果。通過上述一些方法的優(yōu)化改革，取得了較好的教學效果。在今后的教學過程中，還要隨時進行教學探索，不斷優(yōu)化教學方法和手段，更新書本知識，將教學與科研緊密相關，讓學生真正面的掌握課程知識和技能，主動學習、終生學習。

[1]汪懌翔.天然高分子材料研究進展[J].高分子通報,2008(7):66-76.

[2]鄧萌,程捷,羅云杰.能力導向教學模式在《天然高分子材料》課程中的應用[J].高分子通報,2015(6):80-84.

[3]鄭學晶.在《天然高分子材料》教學中專業(yè)知識與中華傳統(tǒng)文化的恰當結(jié)合[J].高分子通報,2008(7):99-103.

[4]劉石林.淺談《天然高分子材料》教學實踐[J].廣東化工,2011,38(11):164-165.

[5]汪懌翔,張俐娜.天然高分子材料研究進展[J].高分子通報,2008(7):66-76.

[6]呂昂,張俐娜.纖維素溶劑研究進展[J].高分子學報,2007,1(10):937-944.

Practice and Experience forNaturalPolymericMaterialsTeaching*

CHANGMeng-jie,LIUJun

(College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Shaanxi Xi’an 710054, China)

Natural polymer materials have attracted widely attention due to its advantages such as abundant sources, non toxicity, complete biodegradation and recycling. To ensure the teaching effectiveness ofNaturalPolymericMaterials, a series of methods were introduced to the teaching with our own practice. It improved the teaching quality by extending teaching contents, enriching teaching modes, opening teaching and emphasizing the practice process, which greatly excited the interest and activity of the students, deepened the understanding and application of theoretical knowledge, as well as cultivated the consciousness of active learning. Good teaching effects and quality were achieved by our teaching reforming.

NaturalPolymericMaterials; teaching reform; learning interest; opening teaching

陜西省教育廳項目(No: 15JK1453, 14JK1468)；西安科技大學博士啟動金(No: 2014QDJ052, 2014QDJ051)。

常夢潔(1987-)，女，講師，理學博士。

G642

A

1001-9677(2016)012-0189-03