高分子物理趣味性教學探索與實踐

摘" 要" 高分子物理是研究高分子材料結構與性能的一門科學，理論性強、概念抽象是該課程的主要特點。學生初學時會感覺枯燥，缺乏學習興趣，在教與學的過程中難以實現有效互動，因而教學效果不理想。趣味性教學能激發學生的學習積極性，通過術語形象化、實例生活化、視覺直觀化來增強高分子物理教學的趣味性，有效激發學生的內在學習興趣和動力，使學生從被動接受知識轉變為主動探索思考，從而更好地理解和掌握高分子物理知識，增強學習效果。

關鍵詞" 高分子物理；趣味性教學；學習興趣

中圖分類號：G642.3" " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）21-00-04

0" 引言

高分子物理是高分子材料與工程專業一門重要的專業基礎課，其主要任務是闡明高分子結構與性能之間的內在關系，揭示其基本規律，從而為高分子材料的合成、成型加工、性能測試和應用提供理論與實驗依據[1-11]。該課程具有理論抽象、概念繁多、多學科交叉等特點，需要把物理學、有機化學、物理化學、高分子化學、統計學等多門學科的知識點相互貫穿與融合，教學難度較大。

此外，高分子物理課程教學重點和難點眾多，內容的理論性及邏輯性較強，若采用照本宣科的教學模式，難以引起學生的學習興趣，因而教學效果常常不盡如人意。

現代心理學的研究表明，學習興趣對學習效果有直接影響[12]。愛因斯坦曾說過：“興趣是最好的老師。”孔子也說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”增強高分子物理課堂的趣味性無疑是引導學生主動學習的一劑良藥。只有讓教學環節充滿趣味性，才能激發學生的學習欲望，使學生從被動接受知識轉變為主動探索思考。筆者結合近幾年的授課體會，從三個方面談談如何增強高分子物理教學的趣味性，希望能對讀者的教學或學習有所幫助。

1" 趣味性教學途徑

1.1" 術語形象化

高分子物理課程中包含數量眾多的專業術語，對這些術語的講解是高分子物理課程教學的重要內容。對一些較為抽象的術語，將其形象化更有利于學生理解和掌握。比如在第一章“高分子的鏈結構”中，有一對相近的術語——構型與構象。構型是指分子中由化學鍵所固定的原子在空間的排列，而構象是指由于σ單鍵內旋轉而產生的分子在空間的不同形態。一個大分子鏈上有大量單鍵，每個單鍵都能發生內旋轉，因此大分子鏈就會呈現出各種不同的空間幾何形態，即各種不同的構象。需要強調的是，由于分子熱運動，聚合物分子鏈的空間形態會不斷地發生變化，大分子鏈的構象也就處于不斷的轉變之中。構象與構型不同，構象之間的轉換可以通過分子熱運動來實現，而構型是由化學鍵固定的，只有破壞和重組化學鍵才能夠改變構型。

以“老鷹捉小雞”游戲為例，以便于學生更好地理解并區分構型與構象這一對術語。游戲中，一人當老鷹，一人當母雞，其余的當小雞。小雞依次在母雞后牽著衣襟排成一隊。圖1給出了小雞的排列示意圖，假設黑色代表小公雞，灰色代表小母雞。可以看出，圖1a和圖1b中小雞的排列是不同的，這可以看作是大分子鏈兩種不同的構型；如果要把圖1b改為圖1a的排列方式，很明顯，小雞隊伍必須先斷開然后再重組，這很好地體現了構型的特性。游戲開始后，老鷹站在母雞對面捉其身后的小雞，眾小雞則在母雞身后左躲右閃，小雞隊伍的隊形會不斷地發生變化，如圖1c和圖1d所示，這可以看作是大分子鏈兩種不同的構象，構象之間的轉變可以通過小雞的“熱運動”來實現。

通過采用這樣趣味的比喻，一下子就使抽象的術語變得更為形象化，既活躍了課堂氣氛，又幫助學生在會心一笑之余更好地理解并掌握構型與構象這一對術語的定義和區別。在授課結束后，通過作業題“假若聚丙烯的等規度不高，能不能用改變構象的辦法提高等規度？”來考查學生對構型和構象概念的掌握情況。正確答案為：不能。提高聚丙烯的等規度必須改變構型，而改變構型與改變構象的方法不同。構象是圍繞單鍵內旋轉所引起的排列變化，改變構象只需克服單鍵內旋轉位壘即可實現；而改變構型必須經過化學鍵的斷裂及重組才能實現。通過統計答題結果發現，完全答對的學生占比高達90.8%，答錯的學生占比為9.2%。由此可見，將概念形象化有利于學生的理解和掌握。

1.2" 實例生活化

高分子物理的某些基本理論與日常生活密切相關，如果能夠從生活中挖掘豐富的實例來幫助學生發現問題，并充分應用高分子物理理論來分析問題和解決問題，就能較好地激發學生的學習興趣，切實提高教學效果。以第五章“聚合物的分子運動和轉變”中的“聚合物的力學狀態與玻璃化轉變”教學內容為例，典型的非晶態聚合物在不同的溫度范圍可以表現出三種力學狀態。溫度較低時，試樣呈剛性固體狀，在外力作用下只發生非常小的形變，顯示出較高的模量，這種力學狀態稱為玻璃態；當溫度升至某一范圍后，試樣的形變能力明顯增大，然后隨溫度增加，形變基本保持不變，成為柔軟的彈性體，這種力學狀態稱為橡膠態或高彈態；溫度進一步升高后，聚合物試樣的形變又隨之增大，試樣轉變為黏性流體，發生不可逆的黏性流動，這種力學狀態稱為黏流態。其中，玻璃態與高彈態之間的轉變稱為玻璃化轉變，相應的轉變溫度稱為玻璃化轉變溫度（Tg）。玻璃化轉變是高分子材料的一個重要物理性質。在講解完這部分內容后，向學生提出了兩個跟日常生活相關的問題：1）口香糖為何嚼軟了才能吹出泡泡？2）油炸花生米為何放涼了才會脆？引導學生帶著這兩個問題重新回視高分子物理中的相關知識點。

口香糖的膠基是聚醋酸乙烯酯（PVAc），其Tg為28℃，因而口香糖在室溫下處于玻璃態，沒有流動性，拉伸后不能產生大形變；而在嘴里咀嚼后，溫度就高于其Tg，口香糖發生了玻璃化轉變，進入橡膠態，就可以吹出泡泡了。

至于花生米，其中含有的蛋白質、碳水化合物及纖維都是天然高分子，當溫度在其Tg以上時（炸花生米剛出鍋的時候），高分子鏈段可以運動，因而花生米顯韌性（嚼起來不脆）；而在Tg以下（炸花生米放涼后），高分子鏈段被凍結，因而花生米顯脆性。此外，花生米中還含有一定的水分，水本身起增塑劑的作用，使高分子Tg降低，而油炸的本質是高溫除水的過程，花生米在油炸時水分被油包裹，很難跑出來，只有等撈出來控了油之后，花生米全暴露在空氣中，其中的水分才能大量揮發，花生米中的高分子Tg升高。隨著花生米溫度的降低，更容易發生玻璃化轉變，花生米就變脆了。

通過將生活中的高分子現象與高分子物理理論結合進行講解，使學生學會了觀察生活中的高分子現象，從而培養學生的觀察能力和思考能力。學生不僅較好地掌握了相關知識點，還學會了思考，學習效果得到了顯著改善。

1.3" 視覺直觀化

我們生活在信息化時代，互聯網以其豐富的資源為課堂教學改革提供了良好的平臺。不管是傳統的教學錄像，還是網絡上的熱門視頻，都可以成為教學資源的一部分，用其作為教學素材是很好的選擇。在教學過程中，通過播放與課程內容相關的小視頻，可以讓深奧晦澀的知識變得更通俗易懂，有助于激發學生的學習興趣。比如在講解非牛頓流體（如假塑性流體、脹塑性流體）時，我們選取了近年來網絡上的熱門小視頻“倒不出來的番茄醬”和“口香糖開椰子”。

在“倒不出來的番茄醬”視頻中，當你想從瓶子里取出番茄醬時，發現番茄醬不容易直接倒出來。這時應該怎么做？筆者將瓶裝的番茄醬帶到了課堂上，隨后通過實驗演示，比如搖晃或者擊打瓶子，發現番茄醬就容易倒出來。這時學生的注意力完全被現象所吸引，激發起了好奇心和求知欲，并產生疑問，為什么搖晃或者擊打瓶子有助于番茄醬倒出？這時候教師再因勢利導，引出“假塑性流體”這一教學內容。番茄醬是典型的假塑性流體，假塑性流體的特點是其黏度隨剪切速率的增加而降低。當你想從瓶子里取出番茄醬時，發現番茄醬不容易直接倒出來。通過搖晃或者擊打瓶子，可以使番茄醬的黏度降低，變得容易流動，就容易倒出來了。

椰子汁是人間美味，可是開椰子殼這一步卻讓不少人望而卻步。除了用刀以外，一個口香糖為何也能弄開椰子殼？這是學生在看完“口香糖開椰子”視頻后所提出的疑問。問題的回答同樣必須從口香糖所屬的流體類型出發。脹塑性流體的特點與假塑性流體正好完全相反，其黏度隨剪切速率的增加而增大。要想弄開椰子殼，只要把口香糖揉成尖錐形，把椰子快速用力地垂直砸上去，口香糖就能將椰子殼破開。這是因為口香糖屬于脹塑性流體，當突然受到較大的壓力時，尖錐形的口香糖會變得像固體一樣堅硬，便能破開椰子。

通過在課堂上播放這兩個小視頻，教學的趣味性明顯增強，學生獲得了更為直觀的感性認識，能帶著疑問去思考問題，加深了對非牛頓流體特性的理解，促進了對相關知識點的掌握；同時他們還意識到，高分子物理這門課是有用的，留心生活中有趣的高分子物理現象，學會探索并思考，才能做到舉一反三、觸類旁通、學有所用。

2" 教學實踐效果反饋

通過采用趣味性教學，筆者發現學生的課堂參與度明顯提高，學習效果有了顯著改善。以高分子專業2019級學生為調查對象，進行高分子物理課程目標達成度問卷調查（有效問卷數120份），部分調查題目和結果如表1所示。從結果來看，趣味性教學較好地調動了學生的學習熱情和積極性，有利于學生對高分子物理基本知識點的理解和掌握，較好地提升了學生的主觀能動性和工程實踐能力。

3" 結束語

高分子物理是研究高分子材料的結構與性能的一門科學，理論性強、概念抽象是該課程的主要特點。學生初學時會感覺枯燥，缺乏學習興趣，在教與學的過程中難以實現有效互動，因而教學效果不理想。通過術語形象化、實例生活化、視覺直觀化來增強高分子物理教學的趣味性，能有效激發學生的內在學習興趣和動力，使其更好地理解和掌握高分子物理知識，學習效果有了明顯改善；同時，高分子物理趣味性教學還能強化學生的工科思維意識，有效培養并增強其提出問題、分析問題和解決問題的能力。

此外，趣味性教學是一種新型的教學方法，教師要增強高分子物理教學的趣味性，在撰寫教案時勢必會花更多的精力去收集素材，并將其與高分子物理的相關理論知識聯系起來。在此過程中，教師的理論知識水平和教學能力也會得到進一步的提升，可以更好地實現教學相長。

4" 參考文獻

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[12] 左大利，李笑勉，張偉文，等.機械制造類專業趣味性教學改革實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（10）：146-148.

*項目來源：常州大學教育教學研究課題“同伴教學法在高分子物理實驗教學中的應用”（基金編號：JYC2023004）。

作者簡介：劉晶如，講師。