中国科大功能高分子课程教学四十年
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功能高分子出现于上世纪中叶,以离子交换树脂和螯合树脂为代表,派生出化学功能型高分子,催生了固相合成的诞生。上世纪中后期,功能高分子在电学、光学和生物学等领域得到了广泛研究和应用。时至今日,功能高分子不仅有着广泛的实际应用,而且也成为高分子、材料以及其他学科的重要研究对象,成为促进国家高水平持续发展的关键材料。为推动我国功能高分子领域的基础研究和应用开发的创新性发展,加强并做好该领域的人才培养,功能高分子课程教学是不可或缺的环节。
1 课程教学内容的演变
1958年,我校建校之际就有了高分子化学与高分子物理系,其重要使命是服务国家在核原料和稀土方面的战略需求。在本科生教学中,除基础课程外,中科院化学研究所的老师还讲授高分子专题,介绍高分子学科的最新进展。1981年,我校高分子化学与物理专业被国务院学位办批准为首批硕士学位授予点,随之开始了高分子研究生课程教学。
1979年,竹本喜一教授来我校进行“功能高分子”系列讲座,根据他的讲座整理的论文《功能高分子》发表于1979年12月的《高分子通讯》上。对外交流促进了我校功能高分子的学术研究,高分子教研组的老师开展了相关研究,如宗慧娟和潘才元(高分子催化剂)、马德柱和罗筱烈(多相高分子)、史天义和方月娥(光刻胶和医用高分子)、潘才元(膨胀聚合)、何平笙(聚二炔和LB膜)和韩哲文(有机锡高分子)等。在教学方面,高分子专业最初开设了“特种高分子”和“多相高分子”等相关研究生课程;1985年春季学期起,开设“功能高分子”研究生课程,由潘才元老师主讲;1990年春季学期,因潘才元老师去日本交流访学,该课程由宗慧娟老师主讲,还特邀时任上海有机化学研究所研究员的闻建勋老师来讲授专题。笔者对当时的授课场景记忆犹新,宗慧娟老师讲授了离子交换树脂、高分子试剂和催化剂、光刻胶、光导电高分子、高分子药物等内容;闻建勋老师授课时值梅雨季,他常常冒雨往返东、西两个校区,集中授课两周,介绍了非线性光学、有机固体和有机氟材料等内容,极大地拓展了同学们的见识。
1990年秋天,笔者去上海购置5-氟尿嘧啶等试剂,专门去上海市新华书店,幸运地购买到陈义镛老师主编、王葆仁先生题序的、1988年出版的《功能高分子》,这应该是国内第一本功能高分子教材。全书分五章,以三个独立章节分别介绍“高分子试剂”、“高分子催化剂”以及“高分子螯合剂和高分子分离膜”,仅用一章介绍“光活性高分子”、“导电性高分子”和“生物医用高分子”。在第一章中陈义镛老师特别强调了“高分子效应”的功能体现。随着国内功能高分子研究的蓬勃发展,许多高校陆续开设相关课程,与功能高分子相关的教材和专著也相继出版,不断促进了课程教学内容的优化和深化。在我系,潘才元老师综合多年的教学实践,结合当时功能高分子领域的发展,编写出《功能高分子》教材,于2006年8月由科学出版社出版,遗憾的是该教材对电学功能高分子未有涉及,光-电等能量转换功能高分子的篇幅也很少。
2005年秋季学期,潘才元教授退休,由刘世勇教授和何卫东副教授接替教学工作。两位新授课老师根据潘老师的备课笔记和教材大纲,对章节和授课内容进行了调整。在第一章绪论中,强调了功能高分子的构效关系,以明确结构设计和制备途径的基本依据,讲解了高分子基体的重要作用。第二至第五章仍为功能高分子的经典内容,依次为高分子催化剂、离子交换树脂、高分子膜和高分子试剂,沿用了潘老师教材的基本内容,更深入地解析了高分子结构对化学功能发挥的影响。第六章为医用高分子,包括用于体外和体内的两类医用高分子材料以及高分子药物,重点介绍高分子药物的设计思路、合成及应用。第七章为光敏高分子,介绍感光高分子的光化学反应、制备方法、结构和性能,重点为光刻胶,还涉及光致变色、酸敏变色和光导电高分子。此时,依然未介绍电功能高分子。
2012年,课程组重新编制了教学大纲,教学章节变更为十章。前五章为绪论、吸附分离高分子、高分子分离膜、高分子催化剂和高分子试剂,这四类高分子是功能高分子最经典的内容,构成了功能高分子的基础,涵括了功能高分子结构设计、结构控制和功能实现的基本原理和研究思路,教学关键是基础知识和基本原理的解析,以及如何取得突破性的研究成果。后五章为电功能高分子、光功能高分子、生物医用高分子、纳米功能高分子和智能高分子,相关的研究领域具有“高大上”、“新富热”的特点,易催生高水平研究论文,教学重点是结合最新研究成果、以构效关系作为依据、解析实现高功能化和多功能化的思路。
2018年,课程组为国务院学位办起草功能高分子的《化学一级学科(专业学位类别)研究生核心课程指南》,再次审视教学内容和教学目标。功能高分子是一类具有特殊化学、物理和生物等性能,并具备独特应用能力的高分子材料;它是多组分体系,功能组分和高分子基体的多样性组合体现出两者之间的完美结合和相得益彰。功能高分子学科是高分子化学和高分子物理、物理学、材料学、生物与医学以及其他化学学科的多学科综合。功能高分子的研究内容应包含:(1)功能高分子的制备方法;(2)功能高分子结构和性能的研究方法;(3)功能高分子的结构和性能关系;(4)功能高分子的应用开发。在章节上,将吸附分离高分子和高分子分离膜合并为吸附分离功能高分子,将高分子催化剂和高分子试剂合并为化学功能型高分子。在专家组的指导下,将光、电功能高分子整合成光功能高分子、光电共轭高分子材料和其他电功能高分子这三章。光功能高分子除光刻胶这个重点外,还介绍光致变色、光致折变、塑料光纤和光敏涂料等;光电共轭高分子着重介绍共轭高分子的电致发光和光伏发电,以及高分子基的光-电器件;其他电功能高分子则介绍高分子在介电、热电、压电和电磁屏蔽等方面的新进展。纳米功能高分子和智能高分子作为最后两章。然而,在我校的功能高分子教学中,依然沿用往年的章节安排。
随着课程教学的持续,教学内容也日益丰富,需要对繁杂的教学内容进行更合理的整理,提炼共性问题,优化章节布局,紧贴学科基础,跟进研究进展。2022年,课程组讨论商定出课件和教材的编写提纲,并在秋季学期以新课件进行教学。第一章为绪论,依据高分子的结构层次,重点解读功能高分子的构效关系和结构控制原理,展示高分子结构效应在化学功能以及其他功能方面的体现。第二章为吸附分离功能高分子,由吸附分离树脂和高分子分离膜两部分构成,共性问题是吸附分离的原理和多孔结构的控制,难点在于材料类型的众多和新进展的融入,新颖点有电池隔膜(即离子交换膜)、吸附分离与其他功能的组合(如光热水蒸发和膜反应器)。第三章为化学功能型高分子,包括高分子催化剂和高分子试剂,共性问题是官能团的引入和高分子结构效应,后者指的是高分子因其结构特性表现出的与小分子、低聚物不一样的化学特性及其他功能特点,难点在于进一步科学的材料分类与精炼的实例列举,新颖点有固相合成与用于信息存储的序列明确高分子的结合、固定化酶向生物合成技术的发展。第四章为电功能高分子,既包含高分子电学性质的内容,又融入了电功能高分子的新进展,共性问题有介电极化、载流子的分离-迁移-复合、分子的能级结构和器件结构,难点在于p-n结纳米结构的演化,应结合新进展解析相结构调控以及功能增强的基本原理,同时解读介电和导电在能量转换、柔性传感等领域的新应用。第五章为光功能高分子,其重点内容是光刻胶,结合其发展历史解读光刻胶类型的演化,共性问题还是光化学反应的构效关系,新颖点有高分子微相分离在光刻胶领域的应用;其他内容包括光致变色、光致折变、光致导电以及光子晶体、塑料光纤等,前三种属于智能型高分子,共性问题是光诱导的化学结构、链结构或相结构的变化;后两种涉及到光的传输。第六章为生物功能高分子,它是古老而活力十足的领域,从高分子药物、组织工程高分子材料、基因转递高分子材料和高分子检测成像制剂四个方面进行介绍,共性问题是生物相容性、生物降解性以及仿生设计,难点在于对生理学知识的介入深度,可结合转基因植物、肿瘤诊治和新冠病毒讲解结构设计和材料制备的思路。第七章和第八章分别为纳米功能高分子和智能高分子,相关问题在第二至第六章中也有不同程度的体现,应关注教学内容的前后呼应。单组分的纳米功能高分子以高分子微相分离为理论基础,包括本体和溶液的自组装,共性问题是相分离结构对分子结构和环境因素的依赖性,包括受限空间的微相分离,这些基础问题与光-电器件的相结构控制、光刻胶和药物载体密切相关;杂化高分子纳米功能材料以高分子为基体、结合纳米金属或纳米无机物,共性问题是物理复合型功能高分子的基础问题,即相容性的改善和分散性的增强。智能高分子的共性问题是环境响应性高分子的结构和响应性的关联,是实现功能高分子智能化和多功能化的关键。
2 课程团队和教学对象
潘才元老师是我校功能高分子课程的首位授课教师,他秉持了我校的办学理念,奠定了课程教学的基本思想,重视基本原理的讲解和基础知识的运用。在此之前,史天义老师和罗筱烈老师分别教授过与功能高分子相关的课程:特种高分子和多相高分子。1990年春,宗慧娟老师主讲,闻建勋研究员讲授专题。此后,潘才元老师一直承担该课程的教学工作,直至退休。
2005年秋季学期,刘世勇和何卫东两位老师接过课程教学工作。因为潘老师的《功能高分子》教材仍在编写中,他将自己的备课笔记借阅给两位新授课教师,并交流分享了他二十年的教学经验,对后续教学给出建设性建议,包括增加电功能高分子的内容。2005~2009年,刘世勇老师讲授绪论、吸附分离树脂、高分子分离膜、高分子催化剂和高分子试剂,何卫东老师讲授光功能高分子、电功能高分子和医用高分子。2010年,两位授课老师互换教学章节,并编写出教学PPT课件,优化了教学内容,授课方式也变更为多媒体和板书结合,提高了教学效率。
2015年秋季,我校的苏州纳米所科教融合学院研究生开始修读该课程;2017年秋季,长春应化所的科教融合学院研究生也选修该课程,修读学生首次超过百人,达到165人。2018年秋季,胡进明教授和张国颖副教授加入教学团队,增设第二个教学课堂,共用一套教学课件,共同研讨,同步教学,统一考核。随后几年,我校选修功能高分子这门课程的研究生不断增加,到2021年修读人数皆接近教室容量,达到455人,2021年年底时课程组就商议2022学年增设新课堂,开始物色新的授课老师。2022年秋季,李闯和陈殿峰两位老师各自开设了新课堂,课程组再一次讨论课程教学,确定课件和教材的编写计划,分工合作重新编写课件,并用于当年的教学。
从修读学生的专业分布看,早期修读功能高分子课程的学生是应用化学系高分子专业(1985~1987年)、材料科学与工程系高分子专业(1987~1997年春季)和高分子科学与工程系(1997年秋季~2005年秋季)的硕士研究生,课程修读人数长期维持在三位数以下,基本为我系的学生。到2005年秋季学期,已经有非高分子科学与工程系的硕士研究生修读功能高分子课程,除代培研究生外,还有化学物理系和化学系、微尺度国家实验室(筹)以及两个国家重点实验室的学生,但是他们的导师多是高分子专业的老师。
随着学科交叉的持续深入,课题组研究内容不断拓展,校、院鼓励跨学科的研究生培养,功能高分子课程也有幸被学院列入研究生硬核课程之列,加上2017年我校所系融合学院的研究生都到本部接受课程学习,同学们的选课需求激增,课程组多次申请上调课堂容量,该年度的修读学生增加了一倍,而且学籍不在我系的研究生占总人数的四分之三。经授课老师的了解和询问,非我系研究生中有许多是高分子专业的,但是非高分子专业的学生依然有不少,包括物理和工科专业的学生,有的学生甚至没有高分子乃至化学的本科基础。2020年,修读学生总数以及非我系学生占比再次迈上各自的新台阶。2022年,功能高分子课程的修读人数超过500,是我校继“化学实验安全知识”(918人)、“材料合成化学”(705人)之后修读人数最多的课程。
2019年之前,修读的博士研究生长期维持在个位数,他们基本上隶属于高分子领域。2019年秋季学期,修读的博士研究生显著增加,绝大多数是融合学院和代培的高分子专业的博士生。2020年秋季,开始有学院其他四个系的博士生修读该课程,这与新修订的研究生培养要求相关。2021年和2022年的秋季学期,修读功能高分子课程的博士生人数分别达到84和68,其中我系学籍博士研究生分别仅为2人和7人。2015年和2017年秋季学期,因学校试行本-硕-博课程贯通,分别有11位和1位本科生修读功能高分子课程。得益于高校国际化进程的推进,2015年起陆续有留学生修读,但是中文能力制约了更多留学生修读该课程。
3 教学研究和课程建设
在近四十年的课程教学过程中,课程组始终秉持我校人才培养理念,不断完善教学内容,持续改进教学方法,取得了优良的教学效果,得到大多数学生的肯定。
在教学内容方面,从最初的“抄教材”到后期的“抄文献”,从实例的列举到共性问题的提炼;在不断跟进学科发展的同时,注重讲解多学科的交叉融合和新进展的创新思路;在讲授基本原理的同时,解析科研的基本规律;在传授知识的同时,注重学生综合分析和知识运用能力的培养。除“抄教材”和“抄文献”外,课程组还将院系和国内科研团队的最新成果以及“卡脖子技术”等引入到教学内容中,以鲜活的实例讲解功能高分子领域的科研要点和发展趋势,引导学生聚焦国家需求与关键技术、夯实科研基础和提升创新能力。
在教学中,课程组持续注重学生综合素质的培养。在吸附分离树脂和高分子分离膜章节中,介绍了冯新德老前辈开创我国离子交换树脂和分离膜的感人事迹,也介绍了他的学生徐铜文教授在该领域潜心攻关的学术之路。在电学功能高分子章节,讲解了三位科学家因导电高分子获得诺贝尔奖的前因后果,阐述了科研协作和学科交叉的重要性;通过电磁屏蔽材料和隐形飞机的故事,讲解基础研究成果保密的重要性和科学家热爱祖国的情怀;通过李永舫院士在有机光电材料领域的学术历程,讲解学习和科研应具备的基本素质,鼓励学生做到“干一行、爱一行”,并干好这一行。在讲解智能高分子和能量转化高分子时,分别回顾了PVA薄膜的化学能-机械能的转换和高分子的介电性质,解读了智能凝胶和热电材料的新进展,教导学生应善于从老现象中抽提出新问题、发展出新成果。
在教学形式上,教师的课程授课是主体,还结合不同形式的师生互动交流。修读学生的文献报告分为口头和书面两种形式,授课老师认真聆听口头报告、仔细评阅书面报告,在肯定和鼓励的同时,指出同学们在学术、逻辑和叙述等方面的不足,授课老师也将好的文献报告补充到教学内容中。不少同学很重视老师的意见,提交文献报告的修改稿,授课老师也一一回复。针对每一章节的授课内容,从背景、要点和细节等方面给出思考题,最近三年每周设一个课时的交流课,就思考题进行交流互动,进一步加深了学生对授课内容的理解。由于有不少非高分子、非化学专业的修读学生,课程组在给出延后选课的建议后,还利用其他时间为无基础的修读生补上高分子的本科课程,至今已经坚持了六个学年。
4 后 语
我校功能高分子课程教学的37年历史,既反映出课程组教师和修读学生对功能高分子领域的理解在不断深入,也体现出研究生培养能力不断增强,同时也是我国研究生培养和科学研究持续发展的一个缩影。在今后的课程教学中,在重视基本原理和基础知识的同时,将更广度地融合领域的新进展;在讲授专业知识的同时,更深度地注重科研规律和研究思路的讲解;在培养学术能力的同时,更高度地重视思政素质的提高。只有这样,才能培养出更多优秀的青年人才,持续促进我国功能高分子领域的发展。
计量
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