思維導圖在《高分子物理》課程教學中的應用探討

栗 麗 伍一波 陳 飛

(北京石油化工學院 材料科學與工程學院，北京 102617)

《高分子物理》課程是高校高分子材料及相關專業的一門重要核心課程，主要研究聚合物材料結構與性能的關系及其分子運動的內在規律，是連接高分子材料的合成、制備與加工的理論基礎課，與高分子的生產和應用密切相關[1]。目前國內大部分高校對于《高分子物理》的教學和考核主要側重教師講授、作業、階段測評。基于高分子物理課程的重要性，從教學內容、教學方法和教學手段等方面進行了改革。比如，劉瓊瓊老師等以高分子的熱運動聯系結構與性能，對高分子物理課程進行了重組[2]。桂林電子科技大學的季蓉老師等提出通過互動式教學、將生活和科研實例引入課堂，開展專題學習模式，同時采用綜合型考核方式等進行課堂教學改革，提高學生的學習興趣和教學效果[3]。我們在教學過程中增加了小組討論環節，增加了學生的主動性和參與度，而且每章采用一張圖進行總結，令每一章的知識點清晰明了。

1 目前教學現狀及存在問題

目前《高分子物理》的教學和考核主要側重教師講授、作業、階段測評。實際教學過程中，存在學生們課后復習鞏固少，知識點掌握不牢，認為課程內容繁雜、毫無規律，存在知識點比較散的問題，前后很難聯系，導致課程結束之后沒有形成自己的知識體系，在具體分析問題的時候存在困難。

究其原因，主要在于《高分子物理》課程本身術語和概念繁多、公式推導繁雜，高分子結構涉及鏈結構(主鏈、側基)、構型、構象、共聚、分子量及其分布、有序態結構(結晶、取向)、增塑、共混、填充等。性能涉及溶解性、橡膠彈性、粘彈性、熱學性能、力學性能、流變學性能等。高分子物理課程的整體框架脈絡以及各知識點之間都有聯系，只是沒有形成系統、形成邏輯，沒有將其可視化展示出來。

2 思維導圖引入教學過程

受愛因斯坦做筆記方法的啟發，英國人托尼·布贊(Tony Buzan)于20世紀60年代提出思維導圖(Mind Mapping)，其具有放射性思考能力和多感官學習特性。研究表明，思維導圖對于促進學生邏輯思維和創新思維發展具有很好作用[4-6]。基于《高分子物理》課程的特點，可通過思維導圖將繁多的知識點呈現出來，在教學過程中引入思維導圖。對于教師，采用思維導圖形式構建更適合學生理解和掌握的知識體系；對于學生，采用分組學習、自己動腦的方式繪制思維導圖，從而激發學生的興趣，提高學習主動性，引發學生思考。

2.1 教師“教”過程中思維導圖的運用

高分子物理的任務是通過分析分子運動和結構的特點來最終指導分析高分子的性能。分子運動是結構與性能的內在橋梁，但是仍然很寬泛，在分析實際問題時仍然會感到無從下手。高分子物理中存在一根主線，即高分子與普通分子的區別在于鏈段，鏈段的柔性與后面章節中的彈性、玻璃化溫度、熔點、分子運動等等都有內在的聯系。我們通過采用思維導圖的方式，在總結每章節內容的基礎之上，貫通各章相關知識點間的聯系，建立知識點間的邏輯架構，使學生充分理解和掌握。如圖1所示，單鍵內旋轉帶來了分子鏈的三種穩定的構象變化。卷曲g構象為鏈卷曲的因素，g構象越多，鏈越卷曲，高分子鏈在自然狀態下為無規線團，也就是高分子鏈最自然的狀態，符合熵回復定律，橡膠彈性中主要為熵變。

圖1 通過內旋與構象關聯各章節內容的思維導圖示意

反式t構象為鏈伸展的因素。結晶的聚合物分子鏈構象，指分子鏈在晶格中的排列，取能量最低原則，t構象時側基間距離最遠能量最低，所以形成平面鋸齒構象。結晶與鏈的規整性和對稱性有關，結構規整對稱，容易結晶。另外，結晶和熔融是兩個相反的過程，但是聚合物的結晶溫度低于熔融溫度，從分子運動角度來講，結晶只有鏈段在晶格中的排列運動，而熔融涉及到整條分子鏈的運動，因此所需能量更高。單鍵內旋轉能力帶來了柔性，柔性取決于t和g之間的能壘，內旋越容易，鏈的柔性越好。兩個單鍵內旋轉中間的一段分子為鏈段，鏈段是高分子運動單元中的獨特存在。鏈段運動影響了聚合物的熱性能，是玻璃化轉變溫度的標志，鏈柔性是分析玻璃化轉變溫度Tg，熔點Tm大小的一個重要方面，鏈段運動的快慢與粘彈性中應力松弛、蠕變、滯后和內耗有關，在使用溫度接近Tg時這些現象最明顯。這樣，通過內旋與構象聯系起各章節相關內容，在具體分析問題過程中邏輯思路會更加清晰，可以使學生在對比理解中加深記憶。

2.2 學生“學”過程中思維導圖的運用

教學過程中通過將學生們分成學習小組，采用小組作業的方式，讓學生回顧相關的知識點，分組作業時讓學生們相互討論，互相提問，繪制出思維導圖，引發學生積極思考和討論，參與設計自己的學習架構，學以致用。在下節課上課前教師預留5～10分鐘時間，由一組學生的代表采用思維導圖的方式對預留的相關知識點進行回顧，通過學生講解回顧，將知識點由“新知”變“舊知”，達到對知識點的靈活掌握和深入理解。

3 結語

針對《高分子物理》課程的特點，依托思維導圖工具，構建更適合學生掌握的教與學的知識體系，以增強學生對各章相關聯知識點的理解和掌握，并通過學生的分組學習培養學生的學習能力以及團隊合作能力。