專題講座教學(xué)在高分子物理課程中的實(shí)踐與探索

張麗華 謝海波 魯圣軍 董福平 陳沁

【摘 要】“高分子物理”課程在高分子材料與工程專業(yè)的課程體系中具有非常重要的地位，是核心課程之一。筆者在“高分子物理”課程的教學(xué)過程以及帶領(lǐng)本科生進(jìn)行“SRT”項(xiàng)目（Student Research Training）的科研訓(xùn)練過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)和科研實(shí)踐中存在不少問題，如理論知識(shí)不扎實(shí)，缺乏將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為科研能力的思維訓(xùn)練等。針對(duì)目前課堂教學(xué)中的理論知識(shí)繁雜、教學(xué)方式單一、科研思維欠缺等問題，筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)歷、科研經(jīng)歷以及學(xué)生培養(yǎng)經(jīng)歷，將專題講座教學(xué)法應(yīng)用于課程教學(xué)，在已經(jīng)傳授理論知識(shí)的基礎(chǔ)上從前沿的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道入手，對(duì)課程中難度高的內(nèi)容進(jìn)行融會(huì)貫通，以期學(xué)生既能掌握高分子物理學(xué)科的理論知識(shí)，又能提升思考能力以及科研探索能力，達(dá)到學(xué)以致用、學(xué)用結(jié)合的目的。專題講座教學(xué)方法的探索與實(shí)踐對(duì)“高分子物理”課程教學(xué)改革提供了有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】高分子物理；專題講座教學(xué)；動(dòng)態(tài)黏彈性

中圖分類號(hào)： O56；O413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0168-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.076

【Abstract】The course of polymer physics plays a very important role in the curriculum system of polymer materials and engineering， and is one of the core courses. In the course of the teaching of the course of “high polymer physics” and the scientific research and training course of the “SRT” project （Student Research Training）， the author finds that there are many problems in the students learning and research practice in class， such as the lack of theoretical knowledge and the lack of thinking training that transforms theoretical knowledge into scientific research ability. Practice and so on. In view of the problems of complicated theoretical knowledge， single teaching method and lack of scientific research thinking in the present classroom teaching， the author applies the teaching method of special lecture to the course teaching in combination with his own teaching experience， scientific research experience and the training experience of the students， and reports from the advanced domestic and foreign literature on the basis of teaching theoretical knowledge. Starting with the high degree of difficulty in the course， it is expected that the students can not only grasp the theoretical knowledge of polymer physics， but also improve the ability of thinking and research and exploration， so as to achieve the purpose of combining learning and learning. The exploration and practice of special lecture teaching methods provide valuable reference for the teaching reform of polymer physics.

【Key words】Polymer physics；Special lecture teaching；Dynamic viscoelasticity

1 現(xiàn)階段課程教學(xué)存在的問題

高分子物理是高分子材料與工程專業(yè)的一門主干課程，此課程的教學(xué)目標(biāo)之一即建立高分子的結(jié)構(gòu)、性能及兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律[1]。但是課程內(nèi)容體系龐雜，理論概念抽象，課程講述局限于理論，學(xué)生缺乏必要的科研實(shí)踐，這使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解造成了困擾，并且隨著課程深度的增加，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性嚴(yán)重下降。筆者在帶領(lǐng)本科生進(jìn)行“SRT”項(xiàng)目（Student Research Training）的科研訓(xùn)練過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生不能將課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)和科研探索結(jié)合起來(lái)，達(dá)不到融會(huì)貫通的目的。因此，提出行之有效的教學(xué)模式以實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與科研能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合，是高分子物理課程教師必須深入思索的一個(gè)問題。

2 專題講座教學(xué)方法的引出

專題講座是在常規(guī)課堂教學(xué)之外，教師可具體針對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容中的某個(gè)或若干個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題，開展針對(duì)性強(qiáng)的講座，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從理論知識(shí)出發(fā)，以提高學(xué)生的積極性和實(shí)踐能力[2]。在專題講座教學(xué)中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)參與，讓學(xué)生成為課堂的主體，在互動(dòng)中學(xué)習(xí)知識(shí)、提出和解決問題。高分子物理課程教學(xué)內(nèi)容龐大，概念眾多，前后聯(lián)系緊密，部分知識(shí)抽象難懂。因此，如果能具體地針對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容中某一重要內(nèi)容，結(jié)合教師的科研經(jīng)歷以及國(guó)內(nèi)外前沿成果，將專題講座教學(xué)模式及課堂理論學(xué)習(xí)結(jié)合，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行詳盡深入的學(xué)習(xí)討論，既可以加深學(xué)生對(duì)某一專題的熟悉程度，加深對(duì)高分子結(jié)構(gòu)、性能及兩者相互關(guān)系的理解，也可以提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的科研能力，最終實(shí)現(xiàn)“學(xué)用結(jié)合，學(xué)以致用”的目的，養(yǎng)成學(xué)生的科學(xué)思維能力以及創(chuàng)新精神。

3 “高分子物理”課程中專題講座模式的課堂實(shí)施

筆者以“動(dòng)態(tài)黏彈性”章節(jié)為例，具體介紹專題講座教學(xué)的實(shí)施過程。動(dòng)態(tài)黏彈性涉及到高分子物理、高分子分析方法以及聚合物成型原理等高分子專業(yè)的基礎(chǔ)課程[3]。聚合物樣品在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往受到交變的應(yīng)變作用，這是動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛過程，黏彈性行為表現(xiàn)得更為充分。這部分內(nèi)容生澀抽象難以理解，為此，筆者采取專題講座的形式帶領(lǐng)學(xué)生探索高分子的前沿領(lǐng)域，由此加深學(xué)生對(duì)高分子動(dòng)態(tài)黏彈性的理解，并初步掌握測(cè)試與分析方法，為今后的科研工作打好基礎(chǔ)。

首先，設(shè)置了一篇生動(dòng)形象、和現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)的文獻(xiàn)“儲(chǔ)藏溫度對(duì)庫(kù)爾勒香梨動(dòng)態(tài)粘彈特性的影響”作為開場(chǎng)[4]，消除學(xué)生對(duì)于難理解內(nèi)容的“敬畏感”，吸引學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)生的興趣和勇氣。針對(duì)庫(kù)爾勒香梨極不耐機(jī)械損傷的特點(diǎn)提出儲(chǔ)藏溫度如何確定的疑問。通過簡(jiǎn)單的介紹吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生明白水果的儲(chǔ)存也可以和高分子物理的知識(shí)建立聯(lián)系：果蔬材料受力時(shí)所表現(xiàn)出的黏彈特性有助于找到改善果蔬機(jī)械耐損性能的方法，從而消除學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的“敬畏感”。根據(jù)線性黏彈區(qū)的判定確定應(yīng)變率（圖1a），然后在此應(yīng)變率下，在0.1～10 Hz頻率范圍進(jìn)行頻率掃描，獲得儲(chǔ)能模量G、損耗模量G（圖1b）和損耗角正切tanδ（圖1c）的動(dòng)態(tài)頻譜曲線，以探討溫度對(duì)香梨果肉組織動(dòng)態(tài)黏彈力學(xué)特性的影響。G表示果肉的彈性；G表示果肉的黏性，可說(shuō)明果肉沖擊變形過程能量的儲(chǔ)存和損耗，直接反應(yīng)果品抗沖擊損傷性能；tanδ反映果肉總體的黏彈特性。在0.1～10Hz的掃描范圍內(nèi)，三者均沒有明顯的變化；G在任意頻率下均高于G，tanδ均小于0.1，這說(shuō)明香梨果肉的彈性特征具有主導(dǎo)性。隨著儲(chǔ)藏溫度的提高，G和G同時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明香梨果肉在-2oC時(shí)較脆硬，在30℃時(shí)則較軟，一方面是因?yàn)?0oC是香梨呼吸躍變的關(guān)鍵溫度，纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性上升，使細(xì)胞壁發(fā)生酶解，可溶性果膠含量增加，果肉軟化；另一方面-2℃是香梨組織水的冰點(diǎn)溫度，細(xì)胞液形成冰晶，細(xì)胞收縮，造成細(xì)胞壁的剛度增大。選擇此文獻(xiàn)的原因有三：第一，文獻(xiàn)探索內(nèi)容和生活貼切，以此為切入點(diǎn)可以最大程度提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；第二，高分子物理知識(shí)的應(yīng)用不僅僅局限于學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知領(lǐng)域，多個(gè)學(xué)科如食品學(xué)、制藥學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等領(lǐng)域都可應(yīng)用；第三，使學(xué)生對(duì)確定線性黏彈區(qū)方法和必要性有更為直觀的認(rèn)識(shí)。

接著，筆者帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)如何通過動(dòng)態(tài)黏彈性的溫度掃描譜圖確定聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是高分子材料的一個(gè)重要特性參數(shù)，是高分子物理課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容之一。當(dāng)頻率固定時(shí)，可以得到G、G和tanδ對(duì)溫度作圖的三條曲線，聚合物的玻璃化溫度恰恰可以通過從tanδ-T譜圖上最大的峰值確定[5]。以梳形支化聚苯乙烯（PS）聚合物為例6，在確定線性黏彈區(qū)后測(cè)量溫度譜，如圖2所示。隨著溫度的升高，G-T和tanδ-T曲線都依次經(jīng)歷了具有不同黏彈行為的區(qū)域：玻璃態(tài)區(qū)、玻璃橡膠轉(zhuǎn)變區(qū)、橡膠平臺(tái)區(qū)以及末端黏流區(qū)。梳形支化聚合物（C系列）具有和線型聚合物（L-PS-1）形狀類似的G-T和tanδ-T曲線，但是梳形支化聚合物具有較高的儲(chǔ)能模量。梳形支化PS的Tg高于線型PS，而且在支鏈長(zhǎng)度一定的情況下，隨著支化密度的增加，Tg逐漸升高，這是由于梳形支化的分子線團(tuán)內(nèi)部鏈段密度比較大，排列堆砌比較緊密，鏈段所處的有限空間環(huán)境給鏈段運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了一定的阻礙。雖然支鏈鏈段的運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)，可以貢獻(xiàn)較多的自由體積，但是支化鏈的阻礙作用對(duì)主鏈運(yùn)動(dòng)的限制占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致梳形支化PS的玻璃化溫度高于線型PS。

4 對(duì)本科學(xué)生開展專題講座教學(xué)的體會(huì)

在對(duì)本科學(xué)生高分子物理課程開展專題講座教學(xué)的過程中我們體會(huì)到，部分學(xué)生對(duì)專題講座的認(rèn)識(shí)程度不夠深刻，停留在“短暫記憶”應(yīng)付考試的層次，所以在課堂上的參與程度不夠。為了盡量避免這種情況，教師必須認(rèn)真做好教學(xué)鋪墊工作，讓學(xué)生建立“學(xué)以致用”的正確心態(tài)，循循善誘。專題講座教學(xué)的時(shí)間不宜過長(zhǎng)，一般在0.5-1學(xué)時(shí)為宜；文獻(xiàn)不宜過多，選擇和知識(shí)點(diǎn)緊密相關(guān)的2-3篇即可，這樣既保證了在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)將知識(shí)傳授給學(xué)生，又保證了學(xué)生對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的理解和掌握。

在專題講座教學(xué)的實(shí)施中，首先應(yīng)該選擇和生活密切相關(guān)的問題或者文獻(xiàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣點(diǎn)，最終“淺入深出”地探討理論知識(shí)在科學(xué)研究中的具體應(yīng)用，這樣可促使學(xué)生深入理解學(xué)習(xí)高分子物理理論知識(shí)的目的，并初步掌握在科研過程中實(shí)驗(yàn)儀器的運(yùn)用以及數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力和提高科研興趣有著積極作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]何曼君，張紅東，陳維孝，董西俠.高分子物理，復(fù)旦大學(xué)出版社，上海，2007.

[2]董文明，李凌飛，唐卿雁and高斌.教育教學(xué)論壇，2012， 90-91.

[3]焦明立，曹健，秦琦，曲良俊，裴海燕and張旺璽.廣東化工，2014，254-255.

[4]吳杰，葛云，王虎挺and李凡.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，781-784.

[5]勵(lì)杭泉，張晨，張帆.高分子物理，中國(guó)輕工業(yè)出版社，北京，2009.

[6]蔣姍，徐曉梅，王美玉，朱夢(mèng)冰，王克敏and俞強(qiáng).高分子材料科學(xué)與工程，2016，63-67.