基于問題啟發式教學模式在實驗課中的應用

馬蘭超　魏瑤　梁永日　戴玉華　陳飛

摘 要：文章以“勻膠法制備PVDF薄膜”實驗中，PVDF薄膜質量參差不齊的問題為切入點，啟發學生層層深入，思考問題原因，提出假設，通過實驗驗證，最終找到影響成膜質量的因素為空氣濕度。實驗課中采用基于問題的啟發式教學能有效激發學生探索能力，培養學生科學思維，提高學生分析問題、解決問題的能力，有利于工程人才的培養。

關鍵詞：啟發式教學 偏氟乙烯薄膜 實驗條件

引言

啟發式教學內涵為“教師為主導，學生為主體”，在實驗課中采用基于問題的啟發式教學是將實驗中遇到的問題與啟發式教學有機結合的新型實驗課模式，既強調問題的解決，也注重分析問題、解決問題的過程。

在實際的生產、實驗過程中，總會出現這樣、那樣的問題。引導學生發現問題，啟發學生思考問題，最終找到解決問題的方法，是激發學生創造性思維，培養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學生的選修實驗，該實驗在培養學生動手能力，深化學生對高分子薄膜認識方面有很重要的作用。[2]

PVDF薄膜疏水性好，易剝離，可轉移，在器件封裝領域有潛在用途；PVDF介電常數高，可用做場效應晶體管的介電層，實現低電壓操作；同時，PVDF具有鐵電性，可用于制備鐵電存儲器。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），通過溶液旋凃法得到薄膜。溶液旋凃法，是將準備好的溶液在勻膠機上根據需要設定一定的轉速和時間，然后進行旋涂。很多時候得到的薄膜連續、均一性好、透明、易剝離。但是有時得到的薄膜連續性差，不透明，無法剝離。這是什么原因？學生在做實驗時，由于做的實驗次數較多，有時會出現薄膜質量不均一的問題。為了增加實驗的可重復性，就要找到影響實驗重復性的因素。

二、問題的分析與解決

在出現這樣的問題后，就要引導學生思考問題的原因。薄膜質量變差的原因是粗糙度變大，粗糙度增加是結晶增強的結果。結晶為什么增強。以下就引導學生分析問題，找出原因。

首先考慮不變的是什么？在實驗中，每次制備薄膜的轉速都是3000 rpm。所以，可以排除轉速對薄膜質量的影響。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。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，從聚合物溶液本身出發，考慮問題。聚合物溶液包含PVDF溶質和DMF溶劑。首先考慮PVDF溶質，實驗中所用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，薄膜質量很好，這是因為通過加熱使得聚合物溶解很充分，聚合物鏈處于充分伸展狀態，在旋凃成膜時，溶劑快速揮發，聚合物分子間相互作用大，聚合物鏈段來不及折疊彎曲，形成亞穩態的平整薄膜。而溶液放置時間過長，冷卻后，可能會導致溶液中，聚合物本身鏈段折疊，更容易自聚集，導致成膜質量差。因此決定每次旋凃制備薄膜之前，都對溶液進行加熱處理，以確保聚合物鏈充分伸展。

然而，實驗過程中，出現這種薄膜表面粗糙情況時，學生將聚合物溶液放在熱臺上加熱，再在同樣條件下制備薄膜，薄膜的質量沒有明顯改善。這使得我們進一步思考問題，聚合物一旦形成溶液，就意味著聚合物溶質和溶劑之間形成了穩定的作用，很難再自發返回到折疊狀態。通過實驗，排除了聚合物在溶液中團聚的問題。

究竟是什么原因？后來又引導學生考慮溶劑DMF。DMF是一種透明液體，能和水及大部分有機溶劑互溶。然而，PVDF不溶于水，DMF吸水后，導致PVDF結晶析出。結合考慮到空氣濕度RH<40%時，薄膜質量好，RH>40%時，薄膜質量較差。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，不會吸收空氣中的水分。那么，最可能的情況是在旋涂成膜的過程中，DMF吸收空氣中的水分后，導致PVDF析出。[3]

為防止DMF旋涂成膜時吸收水分，遂決定將勻膠機內的氛圍置換為DMF。采取的做法是將盛放DMF溶劑的小容器放置于勻膠機中（勻膠機可加蓋，密封），待其自然揮發30 min。然而，薄膜質量沒有改善。認真思考其中的原因，DMF沸點很高，mp= 152.8℃，20℃時飽和蒸氣壓僅為 2.7 mmHg，這樣做并沒有起到置換將勻膠機中的空氣的作用。因為在大氣中，將空氣置換出來，是一件比較難的事情。

所以需要進一步思考更本質的問題。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。因為當濕度較大時，與聚合物溶液下表面接觸的玻璃，也會吸附空氣中的水分。當將聚合物涂在玻璃上時，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溶劑對表面進行潤洗，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，在旋涂過程中，不斷在薄膜表面滴加DMF。最后發現，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，得到高質量的薄膜呢？對，用N2，當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、均一性好、透明、易剝離。

結語

針對勻膠法制備薄膜中出現的薄膜連續性差，不透明，無法剝離的問題，啟發學生思考，并設計實驗進行驗證。最終找到在高濕度氛圍中制備高質量PVDF薄膜的方法是通入N2，降低局部適度。

實驗課中采用基于問題的啟發式教學，能幫助學生找準問題，引導學生逐步深入思考、分析問題，提出假設，設計實驗進行驗證，最終解決問題。不僅能夠取得好的實驗效果，深化學生對原有知識的認識，提高學生的動手能力；還能培養學生從表及里，從現象到本質，去偽存真的邏輯思維能力。

參考文獻

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

[2]吳翊.啟發式教學再認識 中國大學教學 [J]2011，1.

[3]何得桂.基于問題的啟發式教學實踐研究——以“管理學原理”本科教學為例.黑龍江教育（高教研究與評估）[J] 2017，6.