“高分子鏈的構象”教學設計與實踐

安會勇+司薇薇+史春薇+趙立平+李端陽

摘要：“高分子鏈的構象”是高分子物理的重要知識點，是正確理解高分子鏈形態的基礎。“高分子鏈的構象”教學設計以構象為中心，將“鏈段”、高分子鏈的柔順性、構象統計以及等效自由連接鏈有機結合，建立直觀的高分子鏈的形態“圖像”，為后續高分子物理的學習奠定基礎。實踐證明，“高分子鏈的構象”教學設計提高高分子物理考試成績。

關鍵詞：高分子物理；構象；構象統計；柔順性；教學設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）14-0200-02

一、“高分子鏈的構象”在高分子物理中的地位

高分子鏈的構象是指由于C—C單鍵內旋轉而產生的高分子鏈在空間的不同形態[1]。深刻理解高分子鏈的構象才能正確描繪高分子鏈的形態和大小，從而對高分子鏈的結構有具體而直觀的感受，為全面掌握高分子結構這一具有多層次性的復雜結構奠定基礎。作為《高分子物理》課程的重要知識點，高分子鏈的構象在一般教材中卻介紹的不多[1-5]。一方面，“構象”的概念在《有機化學》中作為重要知識點講解，不宜占用較大篇幅重復介紹；另一方面，大部分教材從高分子鏈的構象與小分子構象區別進行講解，但教學效果僅局限于理解高分子鏈的構象，無法體現“高分子鏈的構象”這一知識點在高分子鏈遠程結構中承上啟下的重要作用。

在多年的教學實踐過程中，愈發感受到“高分子鏈的構象”知識點的重要性。只有使學生真正理解高分子鏈的構象，并進一步在腦中形成具體的高分子形態的“圖像”[6]，進而深刻理解高分子鏈的柔順性，為柔順性的影響因素、高分子鏈的構象統計以及柔順性表征等重要理論奠定基礎。因此，通過對構象（conformation）的講解，使學生掌握高分子鏈的模型，并進行構象統計計算，最終闡明“鏈段”和等效自由連接鏈這兩個重、難點內容，使學生具有高分子鏈形態的直觀感受。通過上述教學設計，將“高分子鏈的構象”這一知識點與相關重要知識點和基礎理論有機結合，擴充“高分子鏈的構象”的教學內容，樹立其在高分子鏈結構中的重要地位。教學效果證明，按照上述教學設計進行的教學實踐，取得了一定的教學效果。

二、“高分子鏈的構象”教學設計

（一）導入

1.以乙烷為例，復習小分子構象的相關知識；2.提出問題：①高分子鏈的真實狀態是什么樣的？②高分子構象與小分子的構象的區別與聯系。

（二）講授

1.采用對比教學法，提出自由連接鏈、自由旋轉鏈和受阻旋轉鏈三個高分子鏈結構模型，重點講解理論模型與現實情況的差別。

2.以自由旋轉鏈為例，說明第i個鍵的決定的第i+1個C原子的位置與第一個鍵的位置無關。此時，高分子鏈的構象數無窮多，所以高分子鏈的形態是無規線團。

3.以受阻旋轉鏈為例，采用對比教學法，說明現實情況的高分子鏈的構象。與自由旋轉鏈相比，實際的高分子鏈構象數相當多，且存在不同的概率，所以高分子鏈的形態是“瞬息萬變”的無規線團。

4.采用啟發教學法，通過上述兩個模型的分析，啟發學生思考，從而引出“鏈段”的定義。

5.“瞬息萬變”的無規線團需要用均方末端距衡量其尺寸。采用圖表教學法，使學生掌握自由連接鏈和自由旋轉鏈計算均方末端距的方法。記住■=nl■和■=nl■（■）。

6.受阻鏈的構象存在穩定與不穩定之分，呈穩定構象的概率大。其均方末端距需由內旋轉位能函數確定，即■=nl■■·■。（推導部分自學）。

7.根據鏈段的定義，以化學鍵為統計單位研究高分子鏈，需要考慮鍵角；而以鏈段為統計單位，則不需要考慮鍵角。這樣就可用鏈段長度Z和鏈段數b，替代鍵長l和鍵的數目n，采用自由連接鏈的形式表示實際的高分子鏈尺寸，即等效自由連接鏈。采用聯想教學法，重點講解等效自由連接鏈的本質（以鏈段為統計單位）和應用（通過自由連接鏈的均方末端距公式計算ne和le）。

（三）總結

1.圍繞高分子鏈的構象，總結相關概念和理論之間的關系。圖1將與“高分子鏈的構象”有關的知識點和相關理論進行了整合。按照圖1對本知識點進行總結，使學生直觀、全面地掌握“高分子鏈的構象”教學過程和重、難點，便于學生厘清內旋轉、構象、鏈段、均方末端距、等效自由連接鏈、鏈段長度等重要知識點的關系，利于學生記憶和掌握。

2.回答導入部分提出的二個問題。（1）高分子鏈的真實狀態是什么樣的？答：高分子主鏈雖然很長，但通常并不是伸直的，它可以蜷曲起來，使分子采取多種形態，這些形態可以隨條件和環境的變化而變化。用一句話描述高分子鏈的形態就是“瞬息萬變”的無規線團。（2）高分子構象與小分子的構象的區別與聯系。答：高分子構象是很多小分子的構象的疊加。高分子構象數相當多，要復雜得多。因此，高分子鏈具有獨特的“柔順性”。

3.與構型（configuration）與構造（architecture）進行辨析，加深對高分子鏈的“構象（conformation）”的理解。

三、教學效果評價

按照上述方法、方式講授本知識點，通過多種教學方法，將各主要知識點進行有效銜接，具有較好的教學效果。

表1是采用“高分子鏈的構象”教學設計前后對高分子結構部分試題及全卷的成績分析。表1分析表明，相對于2005級學生，2013級本科生的高分子結構部分試題及全卷得分率大幅提升，且此兩套試題均具有較好的信度（>0.7）。其中高分子結構試題得分率提高幅度遠遠高于全卷得分率的增幅，說明高分子結構部分內容的考核成績是制約全卷成績的重要部分，成績分析結果部分證實“高分子鏈的構象”教學設計及實踐一定程度地提高了教學效果。

參考文獻：

[1]華幼卿，金日光.高分子物理（第四版）[M].北京：化學工業出版社，2013：2.

[2]劉鳳岐等.高分子物理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004：140.

[3]焦劍等.高聚物結構、性能與測試[M].北京：化學工業出版社，2003：420.

[4]馬德柱，何平笙，徐種德，周漪琴.高聚物的結構和性能（第二版）[M].北京：科學出版社，1999：3.

[5]David I.Bower.An Introduction to Polymer Physics[M].Cambridge，England：the Press of the University of Cambridge，2002：p206.

[6]安會勇，段林海，韓向艷，李海英，雷良才.“高分子物理”圖表教學法初探[J].高分子通報，2011，（8）：103-106.

Abstract：Macromolecular conformation is an important content in polymer physics and is the foundation of proper comprehension of macromolecular form.Instructional design of conformation of macromolecular chains centered about conformation and integrated the"segment"，flexibility，conformational statistics and equivalent free-jointed chains.Conformation of macromolecular chains created the intuitive image of forms of macromolecular chains.Instructional design and teaching practice on conformation of macromolecular chains improved the test performance of polymer physics.

Key words：Polymer physics；conformation；conformational statistics；flexibility；instructional design