关于《高分子物理》点、面立体教学新模式的思考和探索

【摘 要】针对高分子物理现有的教学模式进行研究，探讨了点、面立体教学新模式，以课本上的知识点中心，发散到和这个知识点相关的各个知识面，采用不同教学手段相结合通过引入多种、全面的教学方法。

【关键词】点、面结合；知识点；教学新模式；探讨

0 引言

《高分子物理》是一门新兴的学科，是在長期的生产实践和科学经验的基础上逐渐发展起来的，是高等工科院校高分子材料科学与工程专业的核心主干课程，是研究高分子结构与性能间关系的科学，也是研究聚合物分子运动规律的科学[1]。通过本课程的学习使学生掌握聚合物的多层次结构分子运动及主要物理机械性能的基本概念理论和研究方法。为高分子设计、改性、加工、应用奠定基础，对学生深入掌握专业知识有深远影响。然而《高分子物理》概念多、抽象、结构纷繁且性能多变，被视为高分子专业最难讲授和最难学的专业课程。不少同学认为，高分子物理理论性强、推导多、在课堂教学中缺乏学习兴趣，同学们在学习过程中普遍感到无从下手，力不从心[2]。

针对以上问题对该课程教学方法进行研究，以增强教学效果、调动学生的学习积极性。对现有的教学模式进行改革，采用点、面立体教学模式，让学生充分了解各个知识点，通过引入多种、全面的教学方法，让学生从整体上了解高分子物理的基本概率和理论知识。

1 点、面立体教学模式

以课本上的知识点中心，发散到和这个知识点相关的各个知识面，采用不同教学手段相结合。首先课本上理论讲授知识点，结合当前的科研相关成果，讲解这个知识点的应用，结合计算机模拟技术建立形象的思维，通过实体的图形数据深入的理解知识点，达到能够熟悉掌握并灵活应用的效果。

教学初期让学生对高分子物理这门课程有个总体的认识，大概理解这个课程是做什么用，和我们以前学习的高分子课程有什么不同，在整个高分子专业课程中的地位和重要性。从总体的面上，帮助学生理顺各章节之间的内在联系，明确课程前后内容的逻辑关系，完善高分子物理知识体系框架结构，强化高分子结构内涵，重视高分子运动机制描述，突出高分子性能与结构和运动之间关系的关联[3]。高分子物理学的主要内容包括结构、分子运动及性能，结构包括高分子链结构、聚集态结构；性能包括力学性能、热性能、电学性能、光学性能及表面与界面性能等； 分子运动则包括高分子的三种状态及松弛转变[4]。授课时应将各个知识点的内容详细的讲解、推导，让学生真正从

随着教学过程的深入，学生在基本理解高分子物理的研究内容和特点后，需要让学生深入理解高分子物理中基本术语，高分子物理课程中有许多内涵相近、相关或相互对应的术语。如高分子、大分子，非晶态、无定形态，银纹、裂纹等是内涵相近的术语，构造、构型、构象，高弹性、黏弹性，滞后、力学损耗、损耗因子，蠕变、应力松弛，松弛时间、推迟时间，屈服强度、极限强度、拉伸强度、冲击强度、弯曲强度等是内涵相关的术语，近程结构、远程结构，结晶态、非晶态，动态模量、动态柔量，应变软化、应变硬化，有规立构聚合物、无规立构聚合物，取向、解取向等可视为内涵相对的术语[5]。在高分子物理课程的教学中，对众多基本术语的深入讲解是一个首要和基本的任务。对于这些基本术语是否理解和掌握，意味着对有关基本概念是否理解和掌握，在理解基本概率的基础上，结合当前和这个知识点相关的科研成果，让学生能够真实的感受这个知识点很有用。

在仔细理解各个知识点后，将知识点发散到各个面，结合当前的研究热点或研究进展，全面的介绍和讲授的知识点相关的研究工作。真正做到能够即学即用，达到事半功倍的效果。

2 实例讲授高分子物理非晶态聚合物的玻璃化转变

2.1 课本知识点讲授

玻璃化转变现象是非常复杂的，至今还没有比较完善的理论可以解释实验事实。现有的玻璃化转变理论包括：自由体积理论、热力学理论、动力学理论、模态耦合理论、固体模型理论等。每一种理论只能解决玻璃化转变中部分实验现象，课本中重点讨论自由体积理论。

自由体积理论最初由Fox和Flory提出来的，主要工作是由Turnbull和Cohen完成。自由体积理论认为：液体或固体的体积由两部分组成，一部分是被分子占据的体积，称为已占体积；另一部分是未被占据的体积，称为自由体积。后者以“空穴”的形式分散于整个物质之中，自由体积的存在为分子链通过转动和位移调整构象提供可能性。当高聚物冷却时，自由体积先逐渐减小，到达某一温度时，自由体积达到最低值，维持不变。此时，高聚物进入玻璃态。因而高聚物的玻璃态可视为等自由状态[1]。

在玻璃态下，聚合物温度随温度升高发生的膨胀，只是由于正常的分子膨胀过程造成的，包括分子振动振幅的增加和键长的变化。到玻璃化转变点，分子热运动已具有足够的能量，而且自由体积也开始解冻而参加到整个膨胀的过程中去，因而链段获得了足够的运动能量和必要自由空间，从冻结进入运动。

2.2 玻璃化转变知识点推导演示

理论知识点讲授之后，需要给学生推导理论的由来和公式的演算过程，虽然大部分的推导书本上有，但是有些省略的步骤，可能让学生不能独自的完全推导出来。结合自由体积理论示意图推导，可以将Doolittle方程和WLF方程做个简单的介绍，然后推导得到自聚合物的自由体积分数等于2.5%，直接在黑板上板书整个过程，让学生能够体会到公式是有根据，同时增强学生学习高分子物理学中公式的信心，应该会有很好的效果。

实验中研究玻璃化转变，主要方法是聚合物发生玻璃化变化时，测量发生急剧变化的物理性能，主要有测比容、线膨胀系数、折光率、溶剂在聚合物中的扩散系数、比热容、动力学损耗等随温度的变化，可以重点讲述比较典型的几类，如图1、图2、图3：

通过课本上的部分实验数据，让学生能够直观的理解玻璃化转变温度的客观性，加深对玻璃化转变温度公式的理解。

2.3 玻璃化转变知识点发散到知识面

结合当前玻璃化转变的研究热点，将知识点发散到面，使学生更加全面的理解知识点。近些年来，非晶态聚合物玻璃化转变研究的热点比较多，在给学生讲授的时候，可以选择一个熟悉的研究热点进行讲解。如大分子物质如聚合物、蛋白质分子等受限于纳米孔洞的玻璃化转变，Schonhals[6]發现聚二甲基硅氧烷（PDMS）受限于2.5～20nm孔洞中的链段运动性均较本体强，随着孔径的减小受限体系的温度依赖性由VFT行为转变为Arrhenius行为；Russell[7]等人应小角 X射线散射（SAXS）和中子散射的方法发现，聚苯乙烯链（PS）受限于比其本体状态链尺寸小的氧化铝孔洞中时，由于高分链之间缠结的减少，链整体的运动性增强，粘度降低。DSC实验表明链段运动的分布变宽，但其运动性并没有发生明显变化；Richterli[8]等人应用中子自旋回波的方法研究了聚二甲基硅氧烷受限于 26nmAAO孔洞中的动力学行为，第一次发现了在分子受限于纳米孔洞，在紧邻孔壁表面的强吸附层与孔中心本体层之间存在一个中间相，它的链松弛行为受到固定在孔壁上链的影响（如图4所示）。Kinimicht[9]等人应用NMR的方法研究受限的高分子熔体，发现高分子熔体即使在比其自身尺度大得多的受限空间中，其tube-reptation模型算得的有效管径都小r本体状态，“紧缩效应”（corest effect）的概念被用来解释这一实验现象。

图4 受限于AAO纳米孔洞中高分子链的三层模型

教师在讲课时，可以重点讲解一个受限条件下玻璃态转变研究成果，让学生从目前的科研中感受到学习的知识点很有必要，而且研究的前景十分宽广，激发学生学习的动力和兴趣。

3 思考和探索

高分子物理的总体课时并不多，所以不是所有的章节都需要采用点、面结合的教学方式，需要合理分配教学课时，尽量在有限的教学课时里，让学生充分掌握学习知识的方法，提高兴趣。首先使学生明确学习高分子物理的意义，将术语真正地讲透彻，在教学过程中牢牢地把握住教学主线，注意方式方法，例如从某个知识点强化理论概念，然后立体的发散到和知识点相关的面，并通过运用多种教学方法，形成一个知识的空间网络结构，使学生牢固掌握高分子物理中的知识。结合现有的一些科研热点，调动学生的积极性，使其主动参与到教学活动中来，培养创新意识。我们主要是激发学生学习兴趣，只有这样才能提高运用知识的能力，开拓眼界，启发思维，使认知过程不断充实提高，达到提升教学质量的目的。

4 体会

高分子物理是一门难学难教的课程，作为高分子材料与工程本科专业重要的基础课，对学生后续学习其它专业课有深远的影响。总之，在高分子物理的教学过程中，应突出重要知识点的详细讲解、推导，然后有这个知识点发散到相关的知识面，形成以这个知识点为中心的空间知识网，对学生牢固的掌握知识将会有很大的帮助，提高学生对课程内容的理解，培养和提高学生分析、解决问题的能力。但是在讲授的过程中，由于受到教学课时的限制，需要整体把握，不能对每个知识点面面俱到，需要有筛选的进行该方法的教学。

【参考文献】

[1]何曼君，张红东，陈维孝，等. 高分子物理[M]. 北京：复旦大学出版社， 2007.

[2]张焕芝. 《高分子物理》课程教学改革的探索[J]. 科技信息，2013（17）：177-177.

[3]付文， 王丽. 高分子物理教学改革探讨[J]. 化工高等教育， 2010， 27（5）：69-71.

[4]余若冰， 徐世爱， 张德震. 高分子物理教学几点思考和体会[J]. 化工高等教育， 2014， 31（3）：93-95.

[5]侯维敏， 詹世平. 提高高分子物理课堂教学效果的实践与探索[J]. 长春教育学院学报， 2014， 30（13）.

[6]Dobriyal P. Enhanced mobility of confined polymers[J]. Nature Materials， 2007， 6（12）：961-965.

[7]Krutyeva M， Wischnewski A， Monkenbusch M， et al. Effect of nanoconfinement on polymer dynamics： surface layers and interphases.[J]. Physical Review Letters， 2013， 110（10）：1214-1222.

[8]Schonhals A， Goering H， Schick C， et al. Polymers in nanoconfinement： What can be learned from relaxation and scattering experiments？[J]. Journal of Non-Crystalline Solids， 2005， 351（33-36）：2668-2677.

[9]Kausik R， Mattea C， Kimmich R， et al. Chain dynamics in mesoscopically confined polymer melts. A field-cycling NMR relaxometry study[J]. The European Physical Journal Special Topics， 2007， 141（1）： 235-241.

[责任编辑：曹明明]