關于《高分子物理》點、面立體教學新模式的思考和探索

楊文明 聶儀晶

（江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

《高分子物理》是一門新興的學科，是在長期的生產實踐和科學經驗的基礎上逐漸發展起來的，是高等工科院校高分子材料科學與工程專業的核心主干課程，是研究高分子結構與性能間關系的科學，也是研究聚合物分子運動規律的科學[1]。通過本課程的學習使學生掌握聚合物的多層次結構分子運動及主要物理機械性能的基本概念理論和研究方法。為高分子設計、改性、加工、應用奠定基礎，對學生深入掌握專業知識有深遠影響。然而《高分子物理》概念多、抽象、結構紛繁且性能多變，被視為高分子專業最難講授和最難學的專業課程。不少同學認為，高分子物理理論性強、推導多、在課堂教學中缺乏學習興趣，同學們在學習過程中普遍感到無從下手，力不從心[2]。

針對以上問題對該課程教學方法進行研究，以增強教學效果、調動學生的學習積極性。對現有的教學模式進行改革，采用點、面立體教學模式，讓學生充分了解各個知識點，通過引入多種、全面的教學方法，讓學生從整體上了解高分子物理的基本概率和理論知識。

1 點、面立體教學模式

以課本上的知識點中心，發散到和這個知識點相關的各個知識面，采用不同教學手段相結合。首先課本上理論講授知識點，結合當前的科研相關成果，講解這個知識點的應用，結合計算機模擬技術建立形象的思維，通過實體的圖形數據深入的理解知識點，達到能夠熟悉掌握并靈活應用的效果。

教學初期讓學生對高分子物理這門課程有個總體的認識，大概理解這個課程是做什么用，和我們以前學習的高分子課程有什么不同，在整個高分子專業課程中的地位和重要性。從總體的面上，幫助學生理順各章節之間的內在聯系，明確課程前后內容的邏輯關系，完善高分子物理知識體系框架結構，強化高分子結構內涵，重視高分子運動機制描述，突出高分子性能與結構和運動之間關系的關聯[3]。高分子物理學的主要內容包括結構、分子運動及性能，結構包括高分子鏈結構、聚集態結構；性能包括力學性能、熱性能、電學性能、光學性能及表面與界面性能等；分子運動則包括高分子的三種狀態及松弛轉變[4]。授課時應將各個知識點的內容詳細的講解、推導，讓學生真正從隨著教學過程的深入，學生在基本理解高分子物理的研究內容和特點后，需要讓學生深入理解高分子物理中基本術語，高分子物理課程中有許多內涵相近、相關或相互對應的術語。如高分子、大分子，非晶態、無定形態，銀紋、裂紋等是內涵相近的術語，構造、構型、構象，高彈性、黏彈性，滯后、力學損耗、損耗因子，蠕變、應力松弛，松弛時間、推遲時間，屈服強度、極限強度、拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度等是內涵相關的術語，近程結構、遠程結構，結晶態、非晶態，動態模量、動態柔量，應變軟化、應變硬化，有規立構聚合物、無規立構聚合物，取向、解取向等可視為內涵相對的術語[5]。在高分子物理課程的教學中，對眾多基本術語的深入講解是一個首要和基本的任務。對于這些基本術語是否理解和掌握，意味著對有關基本概念是否理解和掌握，在理解基本概率的基礎上，結合當前和這個知識點相關的科研成果，讓學生能夠真實的感受這個知識點很有用。

在仔細理解各個知識點后，將知識點發散到各個面，結合當前的研究熱點或研究進展，全面的介紹和講授的知識點相關的研究工作。真正做到能夠即學即用，達到事半功倍的效果。

2 實例講授高分子物理非晶態聚合物的玻璃化轉變

2.1 課本知識點講授

玻璃化轉變現象是非常復雜的，至今還沒有比較完善的理論可以解釋實驗事實。現有的玻璃化轉變理論包括：自由體積理論、熱力學理論、動力學理論、模態耦合理論、固體模型理論等。每一種理論只能解決玻璃化轉變中部分實驗現象，課本中重點討論自由體積理論。

自由體積理論最初由Fox 和Flory 提出來的，主要工作是由Turnbull 和Cohen 完成。自由體積理論認為：液體或固體的體積由兩部分組成，一部分是被分子占據的體積，稱為已占體積；另一部分是未被占據的體積，稱為自由體積。后者以“空穴”的形式分散于整個物質之中，自由體積的存在為分子鏈通過轉動和位移調整構象提供可能性。當高聚物冷卻時，自由體積先逐漸減小，到達某一溫度時，自由體積達到最低值，維持不變。此時，高聚物進入玻璃態。因而高聚物的玻璃態可視為等自由狀態[1]。

在玻璃態下，聚合物溫度隨溫度升高發生的膨脹，只是由于正常的分子膨脹過程造成的，包括分子振動振幅的增加和鍵長的變化。到玻璃化轉變點，分子熱運動已具有足夠的能量，而且自由體積也開始解凍而參加到整個膨脹的過程中去，因而鏈段獲得了足夠的運動能量和必要自由空間，從凍結進入運動。

2.2 玻璃化轉變知識點推導演示

理論知識點講授之后，需要給學生推導理論的由來和公式的演算過程，雖然大部分的推導書本上有，但是有些省略的步驟，可能讓學生不能獨自的完全推導出來。結合自由體積理論示意圖推導，可以將Doolittle 方程和WLF 方程做個簡單的介紹，然后推導得到自聚合物的自由體積分數等于2.5%，直接在黑板上板書整個過程，讓學生能夠體會到公式是有根據，同時增強學生學習高分子物理學中公式的信心，應該會有很好的效果。

實驗中研究玻璃化轉變，主要方法是聚合物發生玻璃化變化時，測量發生急劇變化的物理性能，主要有測比容、線膨脹系數、折光率、溶劑在聚合物中的擴散系數、比熱容、動力學損耗等隨溫度的變化，可以重點講述比較典型的幾類，如圖1、圖2、圖3：

圖1 聚苯乙烯的比容-溫度[1]

圖2 膨脹系數-溫度[1]

圖3 聚甲基丙烯酸丙酯的折光率-溫度[1]

通過課本上的部分實驗數據，讓學生能夠直觀的理解玻璃化轉變溫度的客觀性，加深對玻璃化轉變溫度公式的理解。

2.3 玻璃化轉變知識點發散到知識面

結合當前玻璃化轉變的研究熱點，將知識點發散到面，使學生更加全面的理解知識點。近些年來，非晶態聚合物玻璃化轉變研究的熱點比較多，在給學生講授的時候，可以選擇一個熟悉的研究熱點進行講解。如大分子物質如聚合物、蛋白質分子等受限于納米孔洞的玻璃化轉變，Schonhals[6]發現聚二甲基硅氧烷(PDMS)受限于2.5～20nm 孔洞中的鏈段運動性均較本體強，隨著孔徑的減小受限體系的溫度依賴性由VFT 行為轉變為Arrhenius 行為；Russell[7]等人應小角X 射線散射(SAXS)和中子散射的方法發現，聚苯乙烯鏈(PS)受限于比其本體狀態鏈尺寸小的氧化鋁孔洞中時，由于高分鏈之間纏結的減少，鏈整體的運動性增強，粘度降低。DSC 實驗表明鏈段運動的分布變寬，但其運動性并沒有發生明顯變化；Richterli[8]等人應用中子自旋回波的方法研究了聚二甲基硅氧烷受限于26nmAAO 孔洞中的動力學行為，第一次發現了在分子受限于納米孔洞，在緊鄰孔壁表面的強吸附層與孔中心本體層之間存在一個中間相，它的鏈松弛行為受到固定在孔壁上鏈的影響(如圖4 所示)。Kinimicht[9]等人應用NMR 的方法研究受限的高分子熔體，發現高分子熔體即使在比其自身尺度大得多的受限空間中，其tube-reptation 模型算得的有效管徑都小r 本體狀態，“緊縮效應”(corest effect)的概念被用來解釋這一實驗現象。

圖4 受限于AAO 納米孔洞中高分子鏈的三層模型

教師在講課時，可以重點講解一個受限條件下玻璃態轉變研究成果，讓學生從目前的科研中感受到學習的知識點很有必要，而且研究的前景十分寬廣，激發學生學習的動力和興趣。

3 思考和探索

高分子物理的總體課時并不多，所以不是所有的章節都需要采用點、面結合的教學方式，需要合理分配教學課時，盡量在有限的教學課時里，讓學生充分掌握學習知識的方法，提高興趣。首先使學生明確學習高分子物理的意義，將術語真正地講透徹，在教學過程中牢牢地把握住教學主線，注意方式方法，例如從某個知識點強化理論概念，然后立體的發散到和知識點相關的面，并通過運用多種教學方法，形成一個知識的空間網絡結構，使學生牢固掌握高分子物理中的知識。結合現有的一些科研熱點，調動學生的積極性，使其主動參與到教學活動中來，培養創新意識。我們主要是激發學生學習興趣，只有這樣才能提高運用知識的能力，開拓眼界，啟發思維，使認知過程不斷充實提高，達到提升教學質量的目的。

4 體會

高分子物理是一門難學難教的課程，作為高分子材料與工程本科專業重要的基礎課，對學生后續學習其它專業課有深遠的影響。總之，在高分子物理的教學過程中，應突出重要知識點的詳細講解、推導，然后有這個知識點發散到相關的知識面，形成以這個知識點為中心的空間知識網，對學生牢固的掌握知識將會有很大的幫助，提高學生對課程內容的理解，培養和提高學生分析、解決問題的能力。但是在講授的過程中，由于受到教學課時的限制，需要整體把握，不能對每個知識點面面俱到，需要有篩選的進行該方法的教學。

［1］何曼君，張紅東，陳維孝，等.高分子物理[M].北京：復旦大學出版社，2007.

［2］張煥芝.《高分子物理》課程教學改革的探索[J].科技信息，2013(17)：177-177.

［3］付文，王麗.高分子物理教學改革探討[J].化工高等教育，2010，27(5)：69-71.

［4］余若冰，徐世愛，張德震.高分子物理教學幾點思考和體會[J].化工高等教育，2014，31(3)：93-95.

［5］侯維敏，詹世平.提高高分子物理課堂教學效果的實踐與探索[J].長春教育學院學報，2014，30(13).

［6］Dobriyal P.Enhanced mobility of confined polymers[J].Nature Materials，2007，6(12)：961-965.

［7］Krutyeva M，Wischnewski A，Monkenbusch M，et al.Effect of nanoconfinement on polymer dynamics：surface layers and interphases.[J].Physical Review Letters，2013，110(10)：1214-1222.

［8］Schonhals A，Goering H，Schick C，et al.Polymers in nanoconfinement：What can be learned from relaxation and scattering experiments?[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2005，351(33-36)：2668-2677.

［9］Kausik R，Mattea C，Kimmich R，et al.Chain dynamics in mesoscopically confined polymer melts.A field-cycling NMR relaxometry study[J].The European Physical Journal Special Topics，2007，141(1)：235-241.