專題講座教學在高分子物理課程中的實踐與探索

張麗華 謝海波 魯圣軍 董福平 陳沁

【摘 要】“高分子物理”課程在高分子材料與工程專業的課程體系中具有非常重要的地位，是核心課程之一。筆者在“高分子物理”課程的教學過程以及帶領本科生進行“SRT”項目（Student Research Training）的科研訓練過程中，發現學生在課堂學習和科研實踐中存在不少問題，如理論知識不扎實，缺乏將理論知識轉化為科研能力的思維訓練等。針對目前課堂教學中的理論知識繁雜、教學方式單一、科研思維欠缺等問題，筆者結合自身的教學經歷、科研經歷以及學生培養經歷，將專題講座教學法應用于課程教學，在已經傳授理論知識的基礎上從前沿的國內外文獻報道入手，對課程中難度高的內容進行融會貫通，以期學生既能掌握高分子物理學科的理論知識，又能提升思考能力以及科研探索能力，達到學以致用、學用結合的目的。專題講座教學方法的探索與實踐對“高分子物理”課程教學改革提供了有價值的參考。

【關鍵詞】高分子物理；專題講座教學；動態黏彈性

中圖分類號： O56；O413 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0168-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.076

【Abstract】The course of polymer physics plays a very important role in the curriculum system of polymer materials and engineering， and is one of the core courses. In the course of the teaching of the course of “high polymer physics” and the scientific research and training course of the “SRT” project （Student Research Training）， the author finds that there are many problems in the students learning and research practice in class， such as the lack of theoretical knowledge and the lack of thinking training that transforms theoretical knowledge into scientific research ability. Practice and so on. In view of the problems of complicated theoretical knowledge， single teaching method and lack of scientific research thinking in the present classroom teaching， the author applies the teaching method of special lecture to the course teaching in combination with his own teaching experience， scientific research experience and the training experience of the students， and reports from the advanced domestic and foreign literature on the basis of teaching theoretical knowledge. Starting with the high degree of difficulty in the course， it is expected that the students can not only grasp the theoretical knowledge of polymer physics， but also improve the ability of thinking and research and exploration， so as to achieve the purpose of combining learning and learning. The exploration and practice of special lecture teaching methods provide valuable reference for the teaching reform of polymer physics.

【Key words】Polymer physics；Special lecture teaching；Dynamic viscoelasticity

1 現階段課程教學存在的問題

高分子物理是高分子材料與工程專業的一門主干課程，此課程的教學目標之一即建立高分子的結構、性能及兩者之間的內在聯系和規律[1]。但是課程內容體系龐雜，理論概念抽象，課程講述局限于理論，學生缺乏必要的科研實踐，這使學生對理論知識的理解造成了困擾，并且隨著課程深度的增加，學生的學習積極性嚴重下降。筆者在帶領本科生進行“SRT”項目（Student Research Training）的科研訓練過程中，發現學生不能將課堂學習的理論知識和科研探索結合起來，達不到融會貫通的目的。因此，提出行之有效的教學模式以實現知識傳授與科研能力培養的有機結合，是高分子物理課程教師必須深入思索的一個問題。

2 專題講座教學方法的引出

專題講座是在常規課堂教學之外，教師可具體針對課程教學內容中的某個或若干個重點、難點和熱點問題，開展針對性強的講座，結合國內外研究進展，從理論知識出發，以提高學生的積極性和實踐能力[2]。在專題講座教學中，應強調學生的主動參與，讓學生成為課堂的主體，在互動中學習知識、提出和解決問題。高分子物理課程教學內容龐大，概念眾多，前后聯系緊密，部分知識抽象難懂。因此，如果能具體地針對課程教學內容中某一重要內容，結合教師的科研經歷以及國內外前沿成果，將專題講座教學模式及課堂理論學習結合，帶領學生進行詳盡深入的學習討論，既可以加深學生對某一專題的熟悉程度，加深對高分子結構、性能及兩者相互關系的理解，也可以提高學生運用理論知識解決實際問題的科研能力，最終實現“學用結合，學以致用”的目的，養成學生的科學思維能力以及創新精神。

3 “高分子物理”課程中專題講座模式的課堂實施

筆者以“動態黏彈性”章節為例，具體介紹專題講座教學的實施過程。動態黏彈性涉及到高分子物理、高分子分析方法以及聚合物成型原理等高分子專業的基礎課程[3]。聚合物樣品在實際應用時，往往受到交變的應變作用，這是動態力學松弛過程，黏彈性行為表現得更為充分。這部分內容生澀抽象難以理解，為此，筆者采取專題講座的形式帶領學生探索高分子的前沿領域，由此加深學生對高分子動態黏彈性的理解，并初步掌握測試與分析方法，為今后的科研工作打好基礎。

首先，設置了一篇生動形象、和現實生活密切相關的文獻“儲藏溫度對庫爾勒香梨動態粘彈特性的影響”作為開場[4]，消除學生對于難理解內容的“敬畏感”，吸引學生的注意力，培養學生的興趣和勇氣。針對庫爾勒香梨極不耐機械損傷的特點提出儲藏溫度如何確定的疑問。通過簡單的介紹吸引學生的注意力，讓學生明白水果的儲存也可以和高分子物理的知識建立聯系：果蔬材料受力時所表現出的黏彈特性有助于找到改善果蔬機械耐損性能的方法，從而消除學生對理論知識的“敬畏感”。根據線性黏彈區的判定確定應變率（圖1a），然后在此應變率下，在0.1～10 Hz頻率范圍進行頻率掃描，獲得儲能模量G、損耗模量G（圖1b）和損耗角正切tanδ（圖1c）的動態頻譜曲線，以探討溫度對香梨果肉組織動態黏彈力學特性的影響。G表示果肉的彈性；G表示果肉的黏性，可說明果肉沖擊變形過程能量的儲存和損耗，直接反應果品抗沖擊損傷性能；tanδ反映果肉總體的黏彈特性。在0.1～10Hz的掃描范圍內，三者均沒有明顯的變化；G在任意頻率下均高于G，tanδ均小于0.1，這說明香梨果肉的彈性特征具有主導性。隨著儲藏溫度的提高，G和G同時呈現下降的趨勢，說明香梨果肉在-2oC時較脆硬，在30℃時則較軟，一方面是因為30oC是香梨呼吸躍變的關鍵溫度，纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性上升，使細胞壁發生酶解，可溶性果膠含量增加，果肉軟化；另一方面-2℃是香梨組織水的冰點溫度，細胞液形成冰晶，細胞收縮，造成細胞壁的剛度增大。選擇此文獻的原因有三：第一，文獻探索內容和生活貼切，以此為切入點可以最大程度提高學生學習的積極性；第二，高分子物理知識的應用不僅僅局限于學生的現有認知領域，多個學科如食品學、制藥學、應用化學等領域都可應用；第三，使學生對確定線性黏彈區方法和必要性有更為直觀的認識。

接著，筆者帶領學生學習如何通過動態黏彈性的溫度掃描譜圖確定聚合物的玻璃化轉變溫度。玻璃化轉變溫度是高分子材料的一個重要特性參數，是高分子物理課程學習的主要內容之一。當頻率固定時，可以得到G、G和tanδ對溫度作圖的三條曲線，聚合物的玻璃化溫度恰恰可以通過從tanδ-T譜圖上最大的峰值確定[5]。以梳形支化聚苯乙烯（PS）聚合物為例6，在確定線性黏彈區后測量溫度譜，如圖2所示。隨著溫度的升高，G-T和tanδ-T曲線都依次經歷了具有不同黏彈行為的區域：玻璃態區、玻璃橡膠轉變區、橡膠平臺區以及末端黏流區。梳形支化聚合物（C系列）具有和線型聚合物（L-PS-1）形狀類似的G-T和tanδ-T曲線，但是梳形支化聚合物具有較高的儲能模量。梳形支化PS的Tg高于線型PS，而且在支鏈長度一定的情況下，隨著支化密度的增加，Tg逐漸升高，這是由于梳形支化的分子線團內部鏈段密度比較大，排列堆砌比較緊密，鏈段所處的有限空間環境給鏈段運動帶來了一定的阻礙。雖然支鏈鏈段的運動能力較強，可以貢獻較多的自由體積，但是支化鏈的阻礙作用對主鏈運動的限制占主導地位，導致梳形支化PS的玻璃化溫度高于線型PS。

4 對本科學生開展專題講座教學的體會

在對本科學生高分子物理課程開展專題講座教學的過程中我們體會到，部分學生對專題講座的認識程度不夠深刻，停留在“短暫記憶”應付考試的層次，所以在課堂上的參與程度不夠。為了盡量避免這種情況，教師必須認真做好教學鋪墊工作，讓學生建立“學以致用”的正確心態，循循善誘。專題講座教學的時間不宜過長，一般在0.5-1學時為宜；文獻不宜過多，選擇和知識點緊密相關的2-3篇即可，這樣既保證了在有限的學時內將知識傳授給學生，又保證了學生對重點、難點內容的理解和掌握。

在專題講座教學的實施中，首先應該選擇和生活密切相關的問題或者文獻來激發學生的興趣點，最終“淺入深出”地探討理論知識在科學研究中的具體應用，這樣可促使學生深入理解學習高分子物理理論知識的目的，并初步掌握在科研過程中實驗儀器的運用以及數據結果的分析，對培養學生靈活運用知識的能力和提高科研興趣有著積極作用。

【參考文獻】

[1]何曼君，張紅東，陳維孝，董西俠.高分子物理，復旦大學出版社，上海，2007.

[2]董文明，李凌飛，唐卿雁and高斌.教育教學論壇，2012， 90-91.

[3]焦明立，曹健，秦琦，曲良俊，裴海燕and張旺璽.廣東化工，2014，254-255.

[4]吳杰，葛云，王虎挺and李凡.石河子大學學報（自然科學版），2010，781-784.

[5]勵杭泉，張晨，張帆.高分子物理，中國輕工業出版社，北京，2009.

[6]蔣姍，徐曉梅，王美玉，朱夢冰，王克敏and俞強.高分子材料科學與工程，2016，63-67.