形象化教學方法在構象概念等高分子物理教學中的應用

孫鵬飛 范曲立

[摘 要] 高分子物理的教學過程有眾多的晦澀概念，其中高分子鏈的構象是貫穿整個高分子物理知識體系的一條主線，然而構象的理解較為困難。基于多年的教學經驗，讓學生作為高分子鏈中的鏈段，形象化的講述高分子物理的構象概念，并通過多個實驗讓學生理解高分子中構象的異同點。按照構象的教學主線，介紹形象化教學的實施過程以及如何加強學生的自主學習能力。

[關鍵詞] 高分子鏈;構象;形象化教學;主觀能動性

高分子物理課程是高分子專業及相關材料專業的一門重要基礎課程，是學習聚合物共混改性、高分子成型加工等高分子專業課程的理論基礎，也是學生從事高分子工作及研究的理論來源。高分子物理課程抽象概念較多且較難理解，單純依靠老師的講解往往不能取得滿意的教學結果。[1-3]如何改變傳統的“填鴨式”枯燥的教學模式，提高學生學習的主動性，讓學生能夠快速且形象化的理解高分子物理的知識體系，值得每位從事高分子物理教學人員思考。

一、形象化教學的提出

筆者注意到，高分子材料或者性能相對于小分子的最大區別就是其分子鏈較長。高分子所具有的眾多優越性能，如高彈性、粘彈性、使用的廣譜性均來源于高分子鏈的長度。[4，5]同時，在教學過程中一般都是以一個專業為單位進行教學，專業往往又由幾個班級組成，而每個班級又來源于各個宿舍，而宿舍又由學生組成。那么上課基本單位專業就可以和高分子鏈的結構能夠對應，可以講每個班級就是一條高分子鏈，每個宿舍可以對應于高分子的鏈段，而每個同學就對應于高分子鏈的重復單元。基于此，筆者利用專業和高分子鏈的相似性，提出形象化的教學方法。在進行課程教學之前先讓上課的同學作為一條條的高分子鏈或者高分子鏈段做形象化的實驗，然后再進行課程的講解。這種方法加深了學生對高分子基本概念的理解，增強了學生學習的積極性。

下面作者將對該教學方法在構象概念等高分子物理課程進行中的實施做簡單介紹及總結。

二、高分子鏈的構象概念

構象概念來源于有機化學，是指碳-碳單鍵的內旋轉造成空間電子云的分布發生變化。在高分子物理中，構型與構象概念同出現在高分子的近程和遠程結構中。如果單純的利用書本知識對學生講解兩個概念，對于學生來說難以理解。作者在教學過程中，選取一個宿舍的7～8位同學，讓同學站成一排，當每位同學的位置是前后固定的時候就表現出構型。而當一個宿舍的同學按照一定的順序排成一排，在手牽手的前提下可以自由運動的時候表現出來的就是構象的概念。當同學固定位置的時候前后順序是固定的，從這個角度說就是構型。當前后固定位置的同學在教室來回走動，在保持前后順序不變的前提下，讓學生的隊伍擺成各種形式，可以是直直的，可以首尾相連，還可以擺成S型，這樣構象就發生變化有了區別，但是構型不變。這樣學生就很容易理解構象和構型的區別。

三、不同狀態中高分子鏈構象的區別

高分子鏈在不同的狀態下，如溶液、結晶和無定型態下具有不同的構象。在良溶液中高分子鏈以無規線團的形式存在，在結晶中高分子鏈的構象又變成了鋸齒鏈或者螺旋鏈，而在無定型的玻璃態下高分子鏈的構象則是無規線團。為了讓學生對這些區別有形象的認識，筆者在教學過程中采用了同學參與的形象化教學模型。讓10個同學先在一起隨意排列成類似面條的狀態然后再前后手牽手，這就表現出無規線團的狀態。在高分子的結晶中不同的分子鏈結構形成結晶時的構象也有差別，如側基比較小的聚乙烯形成鋸齒狀構象，而側基比較大的聚丙烯由于甲基側基的排斥作用則形成螺旋鏈構象。在這里，可以先讓幾個身材比較瘦小的同學以一定的距離排列，由于體態較小排成了鋸齒狀構象，再選幾個身材比較胖的同學排列，由于體態較大，同學之間的排斥大，在小空間內同學無法同時站立，這樣讓學生改變位置形成大家都比較舒服但總能量不是最低的螺旋鏈構象。

四、高分子溶液中分子鏈的構象排列

在高分子溶液部分講述通過Flory-Huggins晶格模型推導高分子溶液的混合熵時，需要將高分子的鏈段排入到晶格模型中。為了讓學生能夠形象化的見到鏈段在晶格模型中的排列，作者在教學過程中將每個學生比作鏈段，讓一個宿舍的同學手牽手組成一條高分子鏈，將教室的座位比作晶格模型，讓宿舍的每個同學一次按照Flory-Huggins晶格模型理論坐到相應的位置。這樣學生就能非常形象化的理解，一條高分子鏈引起的熱力學的變化要大于相同數目的小分子，同時又小于同數目鏈段的熱力學。學生在真實位置排列中是能夠真實的感受鏈段直接的相互牽扯，從而對Flory-Huggins晶格模型的理解更為真實有效。

五、凝膠滲透色譜測試高分子的分子量

在凝膠滲透色譜（GPC）測試高分子的分子量時，需要讓學生理解GPC的測試原理是基于高分子在溶液中的體積來進行的，大分子量的高分子認為在柱子中走過的路程短流出體積小，小分子量的高分子則走過的路程長流出體積大。除了利用書本的GPC原理示意圖外，筆者在本部分教學時選擇了高矮胖瘦不等的同學，讓大家在教室排好的座位中穿梭，穿梭過程中學生就會發現很多較小的空間胖一點的同學無法穿過，而瘦小的同學則可以穿過，從而理解了高分子鏈體積的大小和GPC路程以及流程體積的關系。

總之，在高分子物理的教學過程中，對于分子鏈的構象、粘彈性等眾多繁雜的物理概念和模型單純通過講解不易取得良好的教學效果。利用形象化教學模式，將學生作為教學的主體融入到教學過程中有利于提高學生的積極性，較為輕松的讓學生對晦澀的概念容易理解。在高分子物理的教學過程應更為注重概念的理解，而不是概念和定義的死記硬背。可以讓學生從書本中走出來，又通過自身的實驗走入書本。

參考文獻

[1]黃增芳，馬軍現，王可，王毅.高分子物理課程中的互動教學探索和實踐[J].廣州化工，2015，43（13）：197-198.

[2]楊文明，聶儀晶.關于高分子點面立體教學新模式的思考和探索[J].科技視界，2015，34（05）：192-193.

[3]黃增芳，馬軍現，王可，王毅.材料化學專業高分子物理課程教學改革與探索[J].廣州化工，2015，43（22）：182-183.

[4]張勝文，楊成，劉曉亞.淺談提高高分子物理課堂教學效果的幾點體會[J].廣東化工，2010，37（10）：187-194.

[5]李奕國.材料化學專業高分子物理教學初探[J].科技經濟導刊，2016，7（7）：140-141.