［摘要］环境和可持续发展理念培养在工程教育认证标准中具有重要地位。在课程教学中，结合基本理论教学培养学生环境和可持续发展理念，是该认证要求有效达成的重要保障。实现环境保护和可持续发展是高分子材料与工程领域的重大课题。在高分子物理课程的理论教学过程中，结合与环境和可持续发展理念相关的具体案例开展教学实践，引导、启发学生理解环境和可持续发展理念的具体内涵，有助于实现工程教育认证毕业要求的“环境和可持续发展”指标点的有效达成。
［关键词］工程教育认证；环境和可持续发展；高分子物理
近几十年来，保护环境和实现可持续发展，已成为人类社会的共识。因而加强环境保护，促进生态文明建设，实现可持续发展成为人类活动的基本准则。开展环境和可持续发展教育，是构建环境和可持续发展理念、实现环境保护和可持续发展的重要措施。我国不仅在科技、经济及社会发展规划中，将环境保护和可持续发展作为重大战略，也将开展环境保护与可持续发展教育放在战略高度予以重视。工程教育认证标准顺应人类文明发展趋势，将环境和可持续发展理念教育放在极为重要的位置[1-2]。因此，开展环境与可持续发展教育，具有重大的战略意义和现实意义。
一、高分子物理课程开展环境和可持续发展理念教学的必要性
工程教育认证通用标准关于毕业要求的核心思想是培养学生获得解决复杂工程问题所需工程知识，具备分析、研究、解决复杂工程问题的能力。与此同时，要求学生关注“工程与社会”的关系，评价工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律、文化及环境的影响，要求学生必须建立环境和可持续发展的理念[2]。工程教育认证通用标准（2018版）中的“3.毕业要求”，对“环境和可持续发展”极为重视。毕业要求“3.3设计/开发解决方案”中，要求学生“能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素”。毕业要求“3.6工程与社会”，要求学生“能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的社会责任”。毕业要求“3.7环境和可持续发展”要求学生“能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响”，对环境与可持续发展提出了明确、具体的要求。鉴于此，有必要将环境和持续发展的理念融入具体的工程教育实践。因为毕业要求指标点的达成需要教学活动（又称为课程）的支持，其衡量也是基于课程来实现[2]。所以，在课程教学活动中，采用理论讲解结合具体案例分析的模式，培养学生构建环境和可持续发展的理念，是该项毕业要求达成的重要措施和保障。高分子材料与工程专业的毕业生，主要在塑料、橡胶、纤维、涂料及胶粘剂等行业从事生产管理、质量管理及技术开发工作。高分子材料的大量生产和广泛使用，给人类生活带来了极大的便利，同时也产生了很多严重的问题。很多高分子材料在生产和使用过程中，引起了严重的环境问题。此外，高分子材料大多为石化产品，其原材料多来自石油和煤炭等不可再生的资源，存在资源、能源消耗的问题，不符合可持续发展的要求。环境保护和可持续发展，在高分子材料领域是一个重大课题。因此，高分子材料与工程专业的学生，更应该通过课程理论学习，掌握环境和可持续发展的具体内容，以满足工程教育认证以产出导向的人才培养观要求[3]。将环境和可持续发展理念融入高分子材料与工程专业的课程教学活动，通过高分子科学理论结合与环境和可持续发展理念相关的具体案例进行教学，培养高分子材料与工程专业学生建立环境和可持续发展的理念，有助于高分子材料与工程专业毕业要求指标点“环境和可持续发展”的有效达成。现有的高分子材料与工程专业的相关课程，极少系统性地将环境和可持续发展理念培养融入专业理论教学的具体案例。本文介绍在高分子物理课程的理论教学过程中，如何结合与环境和可持续发展理念设计相关的具体案例，开展环境和可持续发展理念培养的教学实践。
二、环境和可持续发展理念培养的教案内容
（一）高分子物理课程特点
高分子物理是高分子材料与工程专业的专业基础课，主要内容是聚合物结构、分子运动与转变的基本概念、基本理论和基本研究方法，为相关专业课程的学习及从事相关专业工作奠定理论基础。这门课程的特点是，广泛涉及数学、物理及化学等基础理论知识，概念多，理论叙述多，内容涉猎繁杂，知识点之间的关系繁杂，不易梳理课程脉络。学生往往感觉课程知识零乱，难记忆，难理解[4]。分析其原因，主要是课程是基于数学、物理及化学等基础理论构建的全新的理论体系，理论抽象，而涉及的实际应用少；尤为重要的是，现今的高分子物理课程教学，一般只注重理论的讲授，而极少将理论与当今环境保护和可持续发展的潮流做具体的关联进行讲授，让学生认为课程仅仅是一门抽象的理论课，实际应用价值不大，从而导致他们缺乏学习兴趣。基于此，如果能在教学过程中，将理论讲授结合环境和可持续发展的时代要求，收集课程基本理论与环境和可持续发展相关的具体教学案例，开展高分子物理的教学，不仅有助于提高学生学习高分子物理的积极性，提高课堂教学质量，而且有助于工程教育认证标准“毕业要求”的“环境和可持续发展”指标点的有效达成。更为重要的是，此举将赋予高分子物理课程理论教学新的内涵和鲜明的时代标志。
（二）教案设计
本文以高分子物理的“溶液”教学为基础，在完成高分子溶液理论的讲解之后，结合高分子溶液及高分子链段运动的基本理论，增加环境和可持续发展理念培养的教学内容。高分子溶液产品广泛用于涂料、胶粘剂及纺丝等领域，其应用的基础是，将高聚物溶于一定的溶剂制成高分子溶液，在高分子溶液使用时，溶剂挥发，高聚物以分子间力相互作用形成凝聚态，获得具有高强度的高分子材料[5]。高分子溶液在使用过程中存在的问题是，绝大多数的高分子溶液所采用的溶剂为有机溶剂，包括苯类、酮类、酯类、胺类、酰胺类等。这些有机溶剂挥发到大气中，造成两方面的问题。一方面，会引起环境污染。持续的、系统的有机溶剂排放到大气中，会引起严重的环境破坏和生态灾难，给人类的身体健康和生存环境带来危害。另一方面，因大多数的有机溶剂来自石油化工和煤炭化工行业，而石油和煤炭为不可再生的资源，大量有机溶剂挥发到大气中，是巨大的能源、资源浪费，不符合可持续发展的要求。为了符合环境保护和可持续发展的要求，科技界、产业界多年来对改进高分子溶液相关产品做了持续而有成效的努力，推出了大量的绿色环保产品。高分子溶液绿色环保产品的基本策略是水基化，包括水溶液和水乳液产品。水溶液产品的构成是：以水为溶剂，溶解高聚物制成高分子溶液，产品在使用时，溶剂水挥发到大气中，不污染环境；水可循环利用，符合可持续发展的要求。水乳液产品的基本构成是：以水为分散剂，高聚物以乳胶粒的形式分散于水中，组成高聚物乳液，在使用过程中，水分挥发，乳胶粒通过一定的相互作用相互聚集成为具有一定强度的高分子材料。尽管在涂料、胶粘剂及纺丝液等领域，水基化高分子产品被认为是绿色环保产品，取代传统的有机溶剂型高分子溶液产品已取得很大的进步，但是，水基化高分子产品还存在许多不足，在很多领域还不能完全取代传统的有机溶剂型高分子溶液产品。水基化高分子产品的性能，在很多指标上还不能满足要求。导致此问题的根本原因是，要使高聚物能溶于水中形成高聚物水溶液，则高聚物分子链中需有足够多的亲水基团，这会使高聚物的抗水性大幅下降。同样的道理，高分子乳液产品为了使高聚物乳胶粒能够稳定地分散于水中，其分子链上需有足够的亲水基团，同时还需加入一定量的亲水性物质，这会使高聚物的耐水性能下降。所以，水基化高分子产品的应用范围有限，目前主要是在建筑胶粘剂和建筑涂料行业得到大量的应用，在木器及金属涂料等领域，水基化高分子产品的应用极有限。
三、课堂教学实践
在完成高分子溶液的理论讲授之后，结合高分子溶液理论开展环境和可持续发展理念培养的教学互动。具体安排是：将课堂讨论的问题作为课后作业布置，让学生通过学习教材的理论和查阅文献寻找答案，到课堂上对所提问题进行具体讨论，通过启发式教学，让学生理解高分子溶液的理论与环境和持续发展理念的联系。课堂讨论的问题包括：第一，从分子结构的角度说明，高分子水溶液产品的缺陷是什么？第二，从分子结构的角度说明，高分子乳液产品的缺陷是什么？第三，高分子乳胶粒能够聚集成为整体材料的条件是什么？这会引起哪些具体的问题？第四，如果高分子乳胶粒的玻璃化温度较高，在常温下施工是否可聚集成为整体材料？如何保证其能够聚集成为整体材料？这会引起什么问题？第五，从施工环节来说，水基化高分子产品有哪些缺陷？产生这些缺陷的分子机理是什么？在讨论之前，先板书讨论上述问题所需理论知识：要使高聚物能溶于水，其分子链上需有足够的亲水基团，如羟基、羧基、氨基、磺酸基、胺盐、羧酸盐等；要使高聚物乳胶粒能够稳定地存在于水中，其乳液体系中需含有足够的亲水的乳化剂，其乳胶粒中部分分子链上需含有一定量的亲水基团；高聚物浓溶液理论（高聚物增塑理论）；高聚物分子链段运动及分子间作用力的理论。每个问题在讨论时，先依次由2~4人起立阐述其答案或观点，再征询学生意见，看看是否需对前面几位同学的答案、观点做补充。在每个问题讨论结束后，授课教师进行评价、分析。当所有列出的问题讨论结束后，授课教师对此次讨论课的讨论内容进行总结，并板书结合讲解，给出问题的参考答案（板书要点）：（1）高分子溶液产品，在水挥发后形成的高聚物整体材料，因其聚合物分子链上含有亲水基团，所以在空气湿度较大时，空气中水分子易渗入，形成高分子浓溶液，水分子起增塑剂作用，导致高聚物整体材料的耐水性差，综合性能下降。所以，在实际应用中，高分子溶液产品的应用范围很有限，目前用得最多的是内墙腻子胶水。（2）高分子乳液产品，其所含高聚物分子中亲水基含量相对于水溶性高聚物所含亲水基少，因此其耐水性相对要好。但是，高分子乳液产品在使用时聚集成为高聚物整体材料的机理与高分子水溶液产品不同。高分子乳液聚集成整体材料的基材是乳胶粒，而不是直接由聚合物分子聚集而成。在这种情况下，乳胶粒在室温下聚集成为整体材料的前提是乳胶粒的玻璃化温度较低，这会导致其整体材料的硬度低，耐玷污性差、耐热性差等。当高分子乳液所含高聚物的玻璃化温度较高时，在常温下乳胶粒并不能有效地聚集成整体材料（为什么？），因而不具有力学强度，没有使用价值。要使玻璃化温度较高的乳胶粒在常温下能够有效地聚集成膜，工业上采用的技术是，往高分子乳液产品中加入助溶剂（俗称为成膜助剂，如醇酯12）。该助溶剂的沸点较高，与乳胶粒相容性好。当乳液的水分挥发后，该助溶剂与高聚物形成浓溶液，起增塑作用，使聚合物分子间作用力降低，从而使乳胶粒形成整体材料。随着时间的延长，该助溶剂缓慢挥发，使高聚物分子间力增大，从而使高聚物整体材料的玻璃化温度提高，硬度增加，综合性能如耐玷污性等提高。所以，从本质上而言，要使高分子乳液产品获得性能良好的整体材料，其本质上仍然采用了有机溶剂型产品聚集成整体材料的原理。如高分子乳液的高聚物玻璃化温度高，则助溶剂添加量大，这其实已不符合环保与可持续发展的要求。综上所述，水基化高分子产品，其性能还存在许多不足，还不能大规模取代传统的有机溶剂型高分子溶液产品。
四、结束语
基于环境和可持续发展的理念，设计高分子物理授课教案，将理论讲解与实际应用案例有机结合，有助于学生提高对高分子物理理论的具体认识，明白高分子物理的理论并非空洞、抽象的理论，而是具有重要而实际的应用价值，从而提高学生学习高分子物理基本理论的积极性。同时，将高分子物理的理论与实际应用案例用于环境和可持续发展理念培养的教学，可赋予并丰富环境和可持续发展理念的具体内容，让学生理解环境和可持续发展的理念不是抽象、空洞的理念，而是具有具体而丰富的时代内涵，这有利于工程教育认证标准的指标点“环境和可持续发展”的有效达成，有利于培养高素质高分子材料与工程专业人才。
［参考文献］
［1］中国工程教育专业认证协会编.工程教育一点通［M］.北京:教育科学出版社,2015：7.
［2］中国工程教育专业认证协会秘书处.工程教育认证通用标准解读及使用指南［Z］.2018.
［3］杨燕，陈智栋，刘春林，张洪文.工程教育认证背景下高分子材料与工程应用型人才培养研究［J］.产业与科技论坛，2016（19）：122-124.
［4］王德海,杨晋涛.高分子物理课程知识体系的构建革新［J］.高分子通报,2012（11）:101-103.
［5］华幼卿,金日光.高分子物理［M］.北京:化学工业出版社,2013：7.
作者:戴培邦 陈国华 单位:桂林电子科技大学材料科学与工程学院
