基于問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用
——以勻膠法制備聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜為例

（北京石油化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 102617）

引言

啟發(fā)式教學(xué)內(nèi)涵為“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”，在實(shí)驗(yàn)課中采用基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)是將實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題與啟發(fā)式教學(xué)有機(jī)結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)課模式，既強(qiáng)調(diào)問(wèn)題的解決，也注重分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。

在實(shí)際的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，總會(huì)出現(xiàn)這樣、那樣的問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題，最終找到解決問(wèn)題的方法，是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)工程人才的有效途徑。[1]

勻膠法制備PVDF薄膜，是高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生的選修實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，深化學(xué)生對(duì)高分子薄膜認(rèn)識(shí)方面有很重要的作用。[2]

PVDF薄膜疏水性好，易剝離，可轉(zhuǎn)移，在器件封裝領(lǐng)域有潛在用途；PVDF介電常數(shù)高，可用做場(chǎng)效應(yīng)晶體管的介電層，實(shí)現(xiàn)低電壓操作；同時(shí)，PVDF具有鐵電性，可用于制備鐵電存儲(chǔ)器。PVDF易溶液加工，柔性好，在低成本、柔性電子器件方面有廣泛的用途。

一、問(wèn)題的提出

聚偏氟乙烯（PVDF）在加熱條件下可溶解于極性溶劑，N， N’-二甲基甲酰胺（DMF），通過(guò)溶液旋凃法得到薄膜。溶液旋凃法，是將準(zhǔn)備好的溶液在勻膠機(jī)上根據(jù)需要設(shè)定一定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，然后進(jìn)行旋涂。很多時(shí)候得到的薄膜連續(xù)、均一性好、透明、易剝離。但是有時(shí)得到的薄膜連續(xù)性差，不透明，無(wú)法剝離。這是什么原因？學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于做的實(shí)驗(yàn)次數(shù)較多，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)薄膜質(zhì)量不均一的問(wèn)題。為了增加實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，就要找到影響實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的因素。

二、問(wèn)題的分析與解決

在出現(xiàn)這樣的問(wèn)題后，就要引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題的原因。薄膜質(zhì)量變差的原因是粗糙度變大，粗糙度增加是結(jié)晶增強(qiáng)的結(jié)果。結(jié)晶為什么增強(qiáng)。以下就引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，找出原因。

首先考慮不變的是什么？在實(shí)驗(yàn)中，每次制備薄膜的轉(zhuǎn)速都是3000 rpm。所以，可以排除轉(zhuǎn)速對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。溶液濃度也都維持在3 wt%，溶液在兩次制備期間也沒有揮發(fā)。溶液濃度的影響也被排除了。

那么，是什么因素影響了聚合物的成膜。由外及內(nèi)，從聚合物溶液本身出發(fā)，考慮問(wèn)題。聚合物溶液包含PVDF溶質(zhì)和DMF溶劑。首先考慮PVDF溶質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中所用PVDF為同一批次的高分子量聚合物，配置一瓶溶液可使用多次。在初次制備薄膜時(shí)，薄膜質(zhì)量很好，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)加熱使得聚合物溶解很充分，聚合物鏈處于充分伸展?fàn)顟B(tài)，在旋凃成膜時(shí)，溶劑快速揮發(fā)，聚合物分子間相互作用大，聚合物鏈段來(lái)不及折疊彎曲，形成亞穩(wěn)態(tài)的平整薄膜。而溶液放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，冷卻后，可能會(huì)導(dǎo)致溶液中，聚合物本身鏈段折疊，更容易自聚集，導(dǎo)致成膜質(zhì)量差。因此決定每次旋凃制備薄膜之前，都對(duì)溶液進(jìn)行加熱處理，以確保聚合物鏈充分伸展。

然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)這種薄膜表面粗糙情況時(shí)，學(xué)生將聚合物溶液放在熱臺(tái)上加熱，再在同樣條件下制備薄膜，薄膜的質(zhì)量沒有明顯改善。這使得我們進(jìn)一步思考問(wèn)題，聚合物一旦形成溶液，就意味著聚合物溶質(zhì)和溶劑之間形成了穩(wěn)定的作用，很難再自發(fā)返回到折疊狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，排除了聚合物在溶液中團(tuán)聚的問(wèn)題。

究竟是什么原因？后來(lái)又引導(dǎo)學(xué)生考慮溶劑DMF。DMF是一種透明液體，能和水及大部分有機(jī)溶劑互溶。然而，PVDF不溶于水，DMF吸水后，導(dǎo)致PVDF結(jié)晶析出。結(jié)合考慮到空氣濕度RH＜40%時(shí)，薄膜質(zhì)量好，RH＞40%時(shí)，薄膜質(zhì)量較差。遵循這樣的思路，考慮到，盛放PVDF溶液的樣品瓶，蓋子擰得很緊，不會(huì)吸收空氣中的水分。那么，最可能的情況是在旋涂成膜的過(guò)程中，DMF吸收空氣中的水分后，導(dǎo)致PVDF析出。[3]

為防止DMF旋涂成膜時(shí)吸收水分，遂決定將勻膠機(jī)內(nèi)的氛圍置換為DMF。采取的做法是將盛放DMF溶劑的小容器放置于勻膠機(jī)中（勻膠機(jī)可加蓋，密封），待其自然揮發(fā)30 min。然而，薄膜質(zhì)量沒有改善。認(rèn)真思考其中的原因，DMF沸點(diǎn)很高，mp= 152.8℃，20℃時(shí)飽和蒸氣壓僅為 2.7 mmHg，這樣做并沒有起到置換將勻膠機(jī)中的空氣的作用。因?yàn)樵诖髿庵校瑢⒖諝庵脫Q出來(lái)，是一件比較難的事情。

所以需要進(jìn)一步思考更本質(zhì)的問(wèn)題。PVDF是從下表面開始析出，還是上表面開始析出，答案是都有可能。因?yàn)楫?dāng)濕度較大時(shí)，與聚合物溶液下表面接觸的玻璃，也會(huì)吸附空氣中的水分。當(dāng)將聚合物涂在玻璃上時(shí)，便形成溶液下表面和水分接觸的界面，聚合物可能在此析出。因此，在玻璃上涂覆聚合物溶液之前，首先使用DMF溶劑對(duì)表面進(jìn)行潤(rùn)洗，然而成膜效果并沒有改善。那么，PVDF是不是從上表面析出呢。上表面直接和空氣中的水分接觸，因此，也是有可能的。因此，在玻璃上涂覆聚合物溶液之后，又滴加了DMF，在旋涂過(guò)程中，不斷在薄膜表面滴加DMF。最后發(fā)現(xiàn)，玻璃表面沒有成膜（形成），原因是滴加的DMF溶解了PVDF，而甩出片子。

那么，用什么方法可以降低薄膜表面的濕度，得到高質(zhì)量的薄膜呢？對(duì)，用N2，當(dāng)將溶液涂覆在玻璃片上后，在表面通入N2，以降低局部濕度，使用這種方法制備的薄膜，連續(xù)、均一性好、透明、易剝離。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)勻膠法制備薄膜中出現(xiàn)的薄膜連續(xù)性差，不透明，無(wú)法剝離的問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最終找到在高濕度氛圍中制備高質(zhì)量PVDF薄膜的方法是通入N2，降低局部適度。

實(shí)驗(yàn)課中采用基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)，能幫助學(xué)生找準(zhǔn)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入思考、分析問(wèn)題，提出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終解決問(wèn)題。不僅能夠取得好的實(shí)驗(yàn)效果，深化學(xué)生對(duì)原有知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力；還能培養(yǎng)學(xué)生從表及里，從現(xiàn)象到本質(zhì)，去偽存真的邏輯思維能力。

[1] 張偉,李 芊,王 勇,高 云,方志剛.問(wèn)題教學(xué)法在化工原理教學(xué)改革中的探索 廣州化工 [J] 2017，5.

[2]吳翊.啟發(fā)式教學(xué)再認(rèn)識(shí) 中國(guó)大學(xué)教學(xué) [J]2011，1.

[3]何得桂.基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)實(shí)踐研究——以“管理學(xué)原理”本科教學(xué)為例.黑龍江教育（高教研究與評(píng)估）[J] 2017，6.