高分子化學(xué)與物理課程中類比教學(xué)法的應(yīng)用研究

張宗勇，沈梁鈞，田小寧

(寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

《高分子化學(xué)與物理》是寧波工程學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的一門必修課程，擔(dān)負(fù)著為學(xué)生打開一扇高分子科學(xué)世界大門的任務(wù)，共48學(xué)時?！陡叻肿踊瘜W(xué)與物理》課程內(nèi)容繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是高分子物理部分概念抽象，理論枯燥，學(xué)生對很多知識點頗感遙不可及，短時間內(nèi)難以掌握，這對課堂教學(xué)提出了一個巨大的挑戰(zhàn)。如何讓抽象的概念形象起來，讓枯燥的理論生動起來，高效的去破解這些難題就成為提高該課程教學(xué)效果的一個重要因素。經(jīng)過近兩年不斷的思考和總結(jié)，主講教師發(fā)現(xiàn)很多知識點都可以從現(xiàn)實生活中找到它們的“影子”，以現(xiàn)實生活中這些生動的實例作為基本素材，將難以理解的知識通過形象的生活實例加以類比，在課堂教學(xué)中能夠收到良好的教學(xué)效果。

1 類比教學(xué)法

類比教學(xué)就是依據(jù)兩個對象的某些已知相似性，從一個對象的某些已知特征去推測另一事物的相應(yīng)特征的一種教學(xué)方法，從而獲得對后一對象的新的認(rèn)知[1]，類比教學(xué)可以把抽象的知識形象化，把復(fù)雜的問題簡單化。高分子化學(xué)與物理課程內(nèi)容與實際生活聯(lián)系密切，很多抽象的知識點可以應(yīng)用現(xiàn)實生活中生動的實例加以類比[2]，現(xiàn)列舉幾例教學(xué)中講授的例子。

2 類比教學(xué)法在高分子化學(xué)與物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 高密度聚乙烯和低密度聚乙烯

高密度聚乙烯，立體規(guī)整性好，屬于結(jié)晶性聚合物，密度較高。低密度聚乙烯，支化度較高，分子鏈不易整齊排列，密度較低。前者通常被稱為低壓聚乙烯，后者被稱為高壓聚乙烯，顧名思義，聚合過程中壓力不同。高壓聚合時密度低，很多學(xué)生為此都大惑不解，按常規(guī)思維壓力越高則材料致密性越好，密度就比較高。在此可以用和面來比喻，同一塊面團(tuán)攥在手里，用力擠壓時(高壓)，必然會從指縫中流出面片(支鏈)，體積變大，密度低；若用力較小時(低壓)，面團(tuán)的形狀較前者要規(guī)整很多，體積小，密度較高。

2.2 玻璃化轉(zhuǎn)變[3]

玻璃化轉(zhuǎn)變是高分子物理中一個很重要的概念，隨著溫度的升高，聚合物從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變即為玻璃化轉(zhuǎn)變。對于室溫下處于玻璃態(tài)的塑料及處于高彈態(tài)的橡膠，學(xué)生都容易理解；然而，溫度較高時塑料會變成橡膠態(tài)——大部分學(xué)生為此感到困惑，借助于口香糖入口前后的狀態(tài)可以輕而易舉的解釋這個現(xiàn)象?？谙闾堑闹饕煞譃榫垡宜嵋蚁?，該聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為27℃，室溫下處于玻璃態(tài)，具有一定硬度，難以拉伸。入口咀嚼后，該材料便可升至37℃，高于其玻璃化溫度，分子中鏈段開始運動，分子由玻璃態(tài)進(jìn)入高彈態(tài)，表現(xiàn)出橡膠的性能，成為形變量很高的材料(可以吹出大的泡泡)。司空見慣的“吹泡泡”蘊含了如此奇妙的高分子物理知識，枯燥的理論立即變得生動起來，學(xué)生的好奇心和求知欲自然會被調(diào)動起來，學(xué)習(xí)效果也得以提升。

2.3 結(jié)晶性能與透明度的關(guān)系

在講述聚合物的結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)時，會提到高分子材料透光性的問題。一提到晶體，很多學(xué)生都會想到“晶瑩剔透”，晶態(tài)聚合物透光性肯定很好，這當(dāng)然是一個誤區(qū)。塑料藥瓶一般由高密度聚乙烯制得，分子鏈排列規(guī)整，材料結(jié)晶性能好，透光性卻很差。聚甲基丙烯酸甲酯(即有機玻璃)，其分子鏈排列呈現(xiàn)無規(guī)狀態(tài)，不能結(jié)晶，但透光性能與玻璃媲美。再如由非晶態(tài)聚合物聚碳酸酯加工成型得到的眼鏡片，也是透明材料。這些實例都表明晶態(tài)高聚物不透明，非晶態(tài)高聚物透明。

2.4 增塑

增塑劑的加入可以降低聚合物的模量，提高抗沖擊性能。日常生活中學(xué)生難以感受到增塑前后聚合物物理性能的變化，而借助爆米花吸潮前后的變化則可以很好的回答這一問題?，F(xiàn)做的炸爆米花放置一段時間后會變軟，爆米花吸收空氣中的水分相當(dāng)于用小分子物質(zhì)對聚合物進(jìn)行增塑，很明顯其模量會降低；此時的爆米花吃起來不再是原來的“喀喀脆”，感覺其韌性明顯增強，這就相當(dāng)于增塑后高聚物的抗沖擊性能會得以提高。

2.5 高分子鏈的柔順性

高分子鏈能夠改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為高分子鏈的柔順性，產(chǎn)生的原因在于鏈段的運動，鏈段長度越小，鏈段數(shù)越多，高分子呈現(xiàn)出來的構(gòu)象數(shù)量就越多，則分子鏈柔順性就越好；鏈段長度越長，分子鏈剛性就越強[3]。學(xué)習(xí)高分子鏈柔順性最關(guān)鍵的一個點就是要理解鏈段，高分子鏈中能夠獨立運動的最小單元即為鏈段，初學(xué)者難以理解“最小”二字，難以判別一個高分子鏈的柔順性。其實，對剛性分子而言，其中的鏈段相當(dāng)于火車的一節(jié)車廂，車廂本身不能彎曲，需要通過車廂與車廂之間的鉸鏈連接后才能彎曲，并且彎曲的角度有限(呈現(xiàn)的構(gòu)象數(shù)較少)，所以鏈段越長，分子鏈越不易運動，表現(xiàn)為剛性較大。對于柔性分子，其中的鏈段相當(dāng)于項鏈中的一環(huán)，環(huán)與環(huán)的運動非常容易(呈現(xiàn)的構(gòu)象數(shù)較多)，因此鏈段越短，分子鏈越容易運動，高分子柔性越好。

2.6 應(yīng)力集中的應(yīng)用

如果材料存在缺陷，受力時材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布狀態(tài)將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，即為應(yīng)力集中[4]。缺陷會成為應(yīng)力集中點，成為破壞材料的薄弱環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)加工中應(yīng)避免應(yīng)力集中點的出現(xiàn)，否則就會“功虧一簣”。應(yīng)力集中的弊端不言而喻，但應(yīng)力集中也并非一無是處，某些時候還要利用應(yīng)力集中。如包裝餅干的塑料袋，封口處通常設(shè)計成鋸齒形狀或是在側(cè)面留有三角形缺口，沿著這些鋸齒或缺口撕塑料袋時，這些部位由于應(yīng)力集中從而會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，輕輕用力就可以將其撕開。如果塑料袋上沒有這種設(shè)計，撕開塑料袋就會很困難，這些鋸齒狀或缺口就是材料的缺陷即應(yīng)力集中點。

2.7 取向方式對高聚物力學(xué)性能的影響

在某種外力作用下，分子鏈沿外力作用方向擇優(yōu)排列即為取向，高聚物的取向分為單軸取向和雙軸取向，不同的取向方式對高聚物的物理性能具有不用的影響，教材中一般只講述基本原理，學(xué)生理解起來較為困難。教學(xué)中可以引入保鮮膜和打包帶來闡述，這兩種材料都可以通過聚乙烯來制得，但性能卻大不相同。保鮮膜成型中采取雙軸取向，各方向皆有分子鏈排列，因此無論從水平方向還是垂直方向都很難將其撕開。打包帶在成型中采取單軸取向，分子鏈傾向于沿外力方向排列，該方向分子鏈以共價鍵連接，作用力大，難以將其沿該方向撕開；垂直外力方向上幾乎不存在分子鏈，因此易將打包帶沿該方向撕裂。

2.8 數(shù)均分子量和重均分子量

數(shù)均分子量和重均分子量是表征高聚物分子量的兩種常用方法，分別以數(shù)量為統(tǒng)計權(quán)重和以重量為統(tǒng)計權(quán)重來計算[5]。學(xué)生初學(xué)時，往往不明白為什么要用兩種不同的分子量來表征高聚物，兩種分子量其意義如何，教學(xué)中若引入下述例子則問題便迎刃而解。質(zhì)量分別為1、10、1000 kg的石頭各一塊，可計算出它們的數(shù)均質(zhì)量為(1000+10+1)/3=337 kg，重均質(zhì)量為1000*1000/1011+10*10/1011+1*1/1011=989 kg。現(xiàn)將三塊石頭看做是三條高分子鏈，則其數(shù)均分子量約為300，即各種分子量的高分子同等重要時，不需任何加權(quán)即可得到數(shù)均分子量；其重均分子量約為1000，是以分子量本身做加權(quán)，若高分子量組分重要時，則關(guān)心重均分子量。實際上，高分子的很多性質(zhì)確實是由分子量較高的組分決定，即分子量越高的組分越重要。

2.9 旋光異構(gòu)對聚合物玻璃化溫度的影響

1,1-不對稱二取代烯類聚合物中，間同聚合物的玻璃化溫度比全同聚合物的玻璃化溫度要高很多，學(xué)生往往難以理解。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA即為此類聚合物，其Fisher投影式(M代表甲基，E代表酯基)如圖1所示?，F(xiàn)將主鏈看成具有一定硬度的鐵絲，甲基和酯基相當(dāng)于連接在鐵絲上的短鐵棒和長鐵棒。全同立構(gòu)中鐵絲易于向下彎曲(短鐵棒位于同一側(cè)，空間障礙相對較小)，而間同立構(gòu)中鐵絲難以彎曲(兩側(cè)都有長鐵棒，空間障礙較大)，全同立構(gòu)中呈現(xiàn)出的構(gòu)象數(shù)量要多一些，因此全同PMMA分子鏈柔順性較好，玻璃化溫度低。

A全同立構(gòu)，B間同立構(gòu)

3 結(jié)語

在近兩年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，類比教學(xué)在高分子化學(xué)與物理課程的教學(xué)過程中起到了非常重要的作用，能夠使學(xué)生易于理解抽象枯燥的內(nèi)容并且記憶深刻，能夠很好的吸引學(xué)生的注意力，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)高分子科學(xué)的熱情，取得了良好的教學(xué)效果。但是，需要注意的是類比法并不能完全精準(zhǔn)的描述高分子化學(xué)與物理的知識點，要學(xué)好高分子科學(xué)，還需花大力氣下苦功夫。