面向创新能力培养的两性聚电解质合成与水凝胶功能化综合实验设计

《Journal of Chemical Education》：A Comprehensive Laboratory Design for Amphoteric Polyelectrolyte Synthesis and Hydrogel Functionalization toward the Development of Innovation Competence

　　

摘要

针对高分子化学实验课程中验证性实验占据主导、探究性训练机会有限的现状，本研究开发了一套综合教学实验，引导高年级本科生参与真实的科学探究活动。该实验涵盖"分子设计—可控合成—结构表征—性能调控—功能拓展"的完整序列，分三个实验周期进行。在第一周期中，学生通过丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）以及2-(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵（DMC）或2-(丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵（DAC）的水溶液自由基共聚，制备线性两性聚丙烯酰胺。采用"分组协作、聚焦变量"的策略，不同小组分别研究反应温度、阳离子单体结构、反应时间和引发剂用量对产品表观粘度的影响。在第二周期中，采用第一周期确定的优化条件，以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）为交联剂制备水凝胶，并研究交联剂含量、网络结构与吸水性能之间的关系。在第三周期中，引入三种荧光染料制备发光水凝胶，将材料向潜在的光学应用方向拓展。最终，全班整合各组共享数据，构建"合成条件—结构—性能—功能"关系图谱，并通过实验报告论证基于证据的结论。从教育角度看，学生从跟随规定步骤操作转变为主动提出假设、控制变量并解析FT-IR和¹H NMR光谱，同时积累了学术研究及工业开发中常用的合成、表征和性能测试方法经验。基于与三个学习目标相一致的评估量规进行评估，达标值为0.78–0.84，超过0.70的基准线，表明在多变量实验设计、数据整合、科学推理和团队合作方面取得了有效提升。各模块可根据可用课时、实验室资源和学生准备情况进行调整或简化，使该实验适用于三年级及以上本科生，并可适应不同教学层次的高分子实验课程。

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