關于如何教好《高分子物理》緒論的一些思考和探討*

喻 鵬，趙吳樊，張 鈺，姚 楚，游 峰，江學良

(武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205)

高分子物理知識體系形成于20世紀50年代。它與高分子化學和聚合物工程一起，構成了高分子材料和工程的三個基本分支。高分子物理課程是在高分子材料、高分子成型等課程的基礎上同時建立起來的，是高校高分子材料科學與工程專業最重要的專業基礎課程之一。高分子物理是研究高分子的結構、性能及其相互關系的學科，其涵蓋了物理化學、有機化學、高分子化學、固體物理、材料的分析測試方法、材料力學、數學、高聚物合成工藝學等多學科的知識。本課程的教學任務是向學生傳授高分子結構和性能的基本理論知識，介紹高分子研究方法，高分子物理的學習將為高分子專業學生后續課程的進行、高分子研究的從事和高分子材料生產奠定基礎。而緒論課對該門課程有著“拋磚引玉”的重要作用。一節好的緒論課，不僅可對課程的學習起到引導作用，還可培養學生的學習興趣、提高學生的專業素養。教師應該將緒論課提高到“戰略”的高度。筆者根據自己的教學經驗和體會，對《高分子物理》的緒論教學提出一些教學建議，期待能給讀者一些啟發。

1 塑造良好教師形象和營造輕松的課堂氣氛

學生在第一次見到教師，往往會根據其儀表、談吐、衣著等信息形成“第一印象”[1]，因此，在高分子物理的第一次緒論課上，教師尤其要注意塑造良好的教師形象。教師形象的好壞對學生價值觀的樹立和審美觀的形成有著重要的影響。教師尤其要注意自身的形象，注重儀表儀態和言行，講究儀表干凈整潔、儀態大方、言行端莊，做到以身立教。良好的教師形象不僅是禮儀問題，也是教師的職業素養問題。教師形象塑造是教師專業成長的重要組成部分，是體現教師人格、影響教育教學質量的重要因素。教師要做到嚴謹、自然、富有激情。同時，教師和學生之間要有親和效應，教師要特別注意不要有過激的言論和行為。此外，在緒論課上，教師不必在意教學內容的多少，而要注重營造輕松的課堂氛圍，給學生留下一種友好、自然和受人尊重的印象。

2 認真準備授課內容，增加教學的時代氣息

開學第一節《高分子物理》的緒論課，應提前5～10 min走進教室，檢查電腦、網絡、激光筆、多媒體、揚聲器等教學設施。除此之外，更要在課前做好備課，如果沒有充分準備，教學工作難以達到預期效果。要上好高分子物理這門課，就要認認真真備課，以學生為中心，圍繞學生在學習過程中遇到的問題進行備課。教學目標的制定要明確并且內容選擇要合理，緒論部分計劃用時為2學時。如圖1所示，在講到相關部分時，尤其要精心準備，教師可將一些高分子科學的前沿、熱點事件適度地引入到緒論課中，以增加課堂的時代氣息。

圖1 緒論課的基本內容(a),課程考核(b),塑料發展簡史(c)

例如在講到高分子與諾獎時，諾獎中有7次頒發給了10位直接或間接對高分子科學發展做出巨大貢獻的科學家。在介紹諾獎成果Ziegler-Natta催化劑時，可以以在新冠疫情中發揮重要作用的“醫用口罩主要材料”——超細聚丙烯纖維熔噴材料為切入點，介紹Ziegler-Natta催化劑對聚烯烴材料的推動作用以及其對人類社會的貢獻。又如日本科學家白川英樹(Hideki Shirakawa)、美國科學家馬克迪爾米德(Alan MacDiarmid)與艾倫黑格(Alan Heeger)的研究使得共軛聚合物進入導電材料領域。聚合物的導電性大放異彩，其在柔性光伏組件、抗靜電涂料、植入式生物電子學、生物化學傳感器、有機發光板、光催化、太空探索等領域具有巨大的應用潛力，是當前重要的研究熱點之一。近期，美國普渡大學的科研人員在《Science》報道了一種由多晶共軛聚合物和一種高玻璃化轉變溫度的絕緣聚合物組成的高分子復合材料[2]，該材料所制備的晶體管在220 ℃的溫度下仍可保持穩定的性能，這可有效拓展有機電子器件在極端溫度工作環境(如飛機引擎、航空航天、鉆井等苛刻環境)下的應用。教師用簡潔生動的語言介紹這類頂級研究成果時，可有效地吸引學生的注意力和活躍課堂氣氛。

又如在講到高分子的發展與展望時，教師應該緊跟時代發展前沿，及時將高分子的發展的新動態傳授給學生。例如當今石化資源日益枯竭、環保問題日趨嚴重，在“雙碳”戰略目標下，國家大力支持生物基綠色高分子復合材料的發展，圖2為常見的生物基聚合物復合材料，將其替代(或部分替代)石油基高分子材料，既是改善生態環境的重要途徑，也是實現能源替代的有效手段，因此具有重要意義。同時大量生物基的科研論文相繼發表，例如蹇錫高院士團隊以生物質來源的愈創木酚和丁二酸酐為原料合成得到類雙酚的含氮芳雜環的生物基單體，以此單體得到的生物基環氧樹脂的綜合性能比當前應用廣泛的石油基雙酚A型環氧樹脂更加優異[3]，這些前沿動態可使得教學更加與時俱進。當然，教師也要讓學生了解我國的高分子物理學科的現狀，我國大多數高分子物理學的學者是化學背景，與其他學科的交流相對缺乏，從而對新的物理理論的接受有一定的不足，導致我國高分子物理學的研究水平與國際還有一定的差距。此外，我國尚未在高分子物理方面創造出具有深遠影響的重大成果[4]，讓學生認識到我國的高分子物理學科任重而道遠，正是我們奮起直追的動力。

圖2 生物基聚合物復合材料舉例[5]

緒論課上在講到高分子物理的學習方法時，需向學生強調好的方法事半功倍，并向學生講述高分子物理的學習方法和要求：(1)理解并牢記基本概念，高分子物理的概念復雜較多，例如鏈段、θ溶劑和松弛等概念，學生需要首先掌握這些基本概念；(2)預習與復習，學生要帶著高分子物理里面的問題聽課，做到有準備、有針對地聽課。課后要加強復習，以防止高物的知識被遺忘；(3)重視實驗課程，理論聯系實際，生動的實驗教學可鞏固學生的基礎知識、提高動手能力和創新能力，例如通過稀溶液黏度法測定分子量等實驗加深學生對聚合物分子量的理解；(4)獨立完成課外作業, 這一點十分重要，只有通過認真的完成作業，才能更深刻的理解高分子物理的知識點。在互聯網如此發達的今天，教師要向學生強調不能到網上去抄襲答案，切莫自欺欺人；(5)知之為知之，不知為不知, 一定要多想多問。高物里面有很多知識點，例如Flory-Huggins格子模型并不容易被立即理解，學生要勤于思考，切莫不懂裝懂。

在講到高分子物理的考核方法時，高分子物理的平時成績占40%，期中成績占10%，期末成績占50%，考核方法為筆試。教師要對學生強調學習高分子物理的功夫需用在平時，不能臨時抱佛腳。此外，鼓勵學生對感興趣的知識點、前沿科學問題要靈活運用課堂所學知識輔以文獻檢索進行深入探討，以“大作業”的方式訓練溝通和團隊協作能力。

3 緒論課的教學方法的談討

3.1 融入高分子科學的史料，使得緒論教學變得饒有趣味

高分子科學是一門年輕的學科，將高分子科學史融入到高分子科學的緒論教學中，不僅能讓學生了解高分子科學的發展歷史，使得課堂變得生動活潑，還能培養學生的科學精神。在講解“高分子之父——施陶丁格”提出了高分子是由長鏈大分子構成的觀點時，可重點講解施陶丁格的科學探索精神。施陶丁格原來從事有機化學的研究，在有機化學領域成績斐然，后來施陶丁格決定離開傳統的有機化學領域，轉戰當時頗具挑戰的新興的高分子科學。施陶丁格本人極具開拓創新的精神，他大膽突破了傳統有機化學思維的局限。教師在緒論課中融入高分子科學的史料，穿插講解高分子學家的生平軼事，讓學生學到善于思考和推理，擺脫傳統觀念的束縛，堅持自己主見，堅持真理，不懈努力是科學家必備的精神。又如在講到1930-1940年，尼龍剛剛問世時，可講述尼龍絲襪的受歡迎程度，杜邦公司宣稱：“尼龍絲襪像鋼一樣結實，像蜘蛛絲一樣精細”，杜邦公司首次發售尼龍絲襪時，銷量驚人，供不應求，二戰爆發后，由于尼龍可制備降落傘、尼龍繩等，美國優先保證戰爭需求，使得市場上的尼龍襪極度緊缺，以至于女性開始流行在腿上畫紋路冒充絲襪。再如在講到高分子材料的應用時，可介紹蘋果公司1998年發布的20世紀經典的iMac G3的塑料外殼，這種多彩斑斕的半透明果凍質感的塑料設計非常討喜，直接把蘋果公司從當時的低谷中拯救出來。教師在講述高分子歷史時，應該合理利用高分子的發展歷史趣事，這樣可使得課堂饒有趣味。

3.2 充分利用現代化的教學資源和軟件

互聯網技術把大學教育推向了新的發展階段。互聯網在教學模式、師生互動等多方面給大學教育帶來了新的契機。網絡上有大量的優質教育資源，例如慕課、B站上就有許多華南理工大學、北京化工大學、同濟大學等名校名師的高分子物理教學視頻，教師對這些觸手可及的教學資源的充分使用可顯著提高教學效果。在緒論課上，教師應該充分運用多媒體、筆記本電腦、平板電腦、微信以及智慧課堂、優學院等軟件來提高師生互動以及教學效果，例如使用優學院客戶端上的點名簽到功能，可有效提高點名效率。此外教師可借助互聯網來增加教學的趣味性和生動性，讓學習內容更加直觀清晰和直觀，例如在講解從小分子到大分子時，正烷烴同系物隨著碳原子數目的增大和分子鏈的增長和罐裝液化氣、汽油、柴油、潤滑油和潤滑脂、石蠟和蠟燭、紙板用膠粘劑或涂料、各種瓶或容器、外科手套、防彈衣等實物形象的關聯起來，加深學生對“結構上的改變，使大分子的性能發生了巨大的變化”的理解。此外，筆者認為學生多使用思維導圖等軟件可使得學生的思維更加有條理、更清晰、更有利于記憶，例如緒論課的思維導圖可建議學生課后繪制，以加強教學效果。

3.3 使用對比教學法

對比教學可以將兩個相互關聯又不同的事物，通過對比分析，來增加深刻的認知。教師可有意識的在《高分子物理》緒論中運用對比教學，例如可通過對比高分子、無機非金屬、金屬等幾類材料的特點，加深學生對高分子材料的理解。金屬材料：其包括晶體結構、相結構、顯微組織結構及其缺陷，其特點是具有金屬光澤、導電性、延展性等，往往可用作結構骨架材料。無機非金屬材料：其具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵，例如硅酸鹽類，特性包括絕緣性、耐高溫、耐低溫等，大量用于建筑材料。高分子材料：為鏈結構、聚集態結構，其主要是共價鍵、范德華力和氫鍵相互作用。高分子材料的特點是密度低，耐熱性相對較差，耐熱溫度多在300 ℃以下，其往往有良好的加工性能，應用十分廣泛。

圖3 常見的高分子及其代號(a),新興的Vitrimer(b)[7]

又如高分子種類較多，可對比常見的高分子種類的區別和其使用場景(圖3a)，講述常見高分子材料的其代號：1號PET，可用于礦泉水瓶、碳酸飲料瓶。2號HDPE，應用十分廣泛，可用于做管材。3號PVC：可用于做管材，當前很少用于包裝食品。4號LDPE，可用于做薄膜。5號PP：各種小瓶子，微波爐餐盒以及汽車保險杠。6號PS：發泡后可用于快餐盒。教師在講解常見的高分子時，還可與新興的Vitrimer(玻璃聚合物)對比(圖3b)，該聚合物是同時具備熱塑型和熱固型塑料優點的新型高分子材料，其材料內部存在交聯的化學鍵[7]，但在高溫下，這種化學鍵可以發生動態交換，改變高分子網絡的拓撲結構，使得玻璃聚合物在高溫下仍可以回收重塑，而在低溫下具有穩定的機械性能。此外，相比于傳統材料，Vitrimer在自修復、形狀記憶等領域有著潛在的用途。在緒論課中，通過對比教學，更能提高學生對傳統以及新興高分子材料的認識。

此外，在講述高分子物理緒論課時，教師不能蒼白的進行知識堆砌，教學不是教師的獨角戲，要積極開展互動環節，多鼓勵學生積極參與討論，活躍課堂氣氛，讓學生有參與感，努力的提高教學效果。

3.4 緒論教學融入思政元素

引入課程思政是大學教育改革的重要趨勢，《高分子物理》的緒論部分有諸多拋磚引玉、學科背景介紹、歷史回顧、未來發展趨勢的內容，可當作“思政點”，例如，(1)世界著名高分子科學家華萊士·卡羅瑟斯在聚脂、聚酰胺等高分子材料的開發領域有著卓越的貢獻，1936年當選為美國科學院院士，是第一個從工業界選為該院院士的化學家，卻因為抑郁癥在1937年自殺，可引入思政：“保持樂觀開朗的心態的重要性，學生要在生活和學習中建立良好的心態，培養積極向上的人生觀、價值觀和世界觀。”(2)諾獎得主Flory是高分子科學理論的重要開拓者和奠基人之一。Flory在我國改革開放之初兩度訪華，交流了最新成果，增進了兩國科學界的交流與合作，可引入思政：“讓思想碰撞和不同層次的學術交流充分發揮，培養學生開放的學術精神。”(3)美國著名的大學排行榜USNews，2021年推出Polymer Science學科排名，國內高分子學科榜上有名，可引入思政：“培養學生對專業的認識，樹立科學報國的遠大理想信念，成為有擔當的棟梁之才。”(4)光刻膠、高性能Kevlar纖維、碳纖維、含氟化合物、聚酰亞胺等高端工業品的生產現狀，西方國家在這些高端產品日益增加對中國的高新技術的管控，可引入思政：“樹立學生的民族危機感和使命感，明確歷史擔當和責任。”(5)傳統高分子廢棄后，難降解，形成白色污染，近年來，國家大力支持生物基高分子的發展，“十四五”國家重點研發計劃，生物基、生物降解材料入選，可引入思政：“增強學生的生態文明意識，增強綠色發展理念。”教師在上《高分子物理》緒論時可將思政元素和專業知識有機的結合，激發學生的家國情懷和人文素質的培養，達到全方位育人的目的。

4 結 語

教師要重視緒論課，精心準備一堂好的高分子物理的緒論課，不僅可激發學生學習熱情，還可增強學生學習的決心，教師應該開門見山地指出本課程的重要性，教師要注重儀表形

象，增加和學生的親近感，認真準備緒論的教學內容，適度介紹學科的熱點和前沿，采用現代化的教學方法，在教學中巧妙的引入思政元素，就一定能上好高物的緒論課。