關(guān)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(xué)良

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

高分子物理知識(shí)體系形成于20世紀(jì)50年代。它與高分子化學(xué)和聚合物工程一起，構(gòu)成了高分子材料和工程的三個(gè)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(chǔ)上同時(shí)建立起來的，是高校高分子材料科學(xué)與工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。高分子物理是研究高分子的結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的學(xué)科，其涵蓋了物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、固體物理、材料的分析測試方法、材料力學(xué)、數(shù)學(xué)、高聚物合成工藝學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。本課程的教學(xué)任務(wù)是向?qū)W生傳授高分子結(jié)構(gòu)和性能的基本理論知識(shí)，介紹高分子研究方法，高分子物理的學(xué)習(xí)將為高分子專業(yè)學(xué)生后續(xù)課程的進(jìn)行、高分子研究的從事和高分子材料生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。而緒論課對(duì)該門課程有著“拋磚引玉”的重要作用。一節(jié)好的緒論課，不僅可對(duì)課程的學(xué)習(xí)起到引導(dǎo)作用，還可培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。教師應(yīng)該將緒論課提高到“戰(zhàn)略”的高度。筆者根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，對(duì)《高分子物理》的緒論教學(xué)提出一些教學(xué)建議，期待能給讀者一些啟發(fā)。

1 塑造良好教師形象和營造輕松的課堂氣氛

學(xué)生在第一次見到教師，往往會(huì)根據(jù)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(duì)學(xué)生價(jià)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(tài)和言行，講究儀表干凈整潔、儀態(tài)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(yè)素養(yǎng)問題。教師形象塑造是教師專業(yè)成長的重要組成部分，是體現(xiàn)教師人格、影響教育教學(xué)質(zhì)量的重要因素。教師要做到嚴(yán)謹(jǐn)、自然、富有激情。同時(shí)，教師和學(xué)生之間要有親和效應(yīng)，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(xué)內(nèi)容的多少，而要注重營造輕松的課堂氛圍，給學(xué)生留下一種友好、自然和受人尊重的印象。

2 認(rèn)真準(zhǔn)備授課內(nèi)容，增加教學(xué)的時(shí)代氣息

開學(xué)第一節(jié)《高分子物理》的緒論課，應(yīng)提前5～10 min走進(jìn)教室，檢查電腦、網(wǎng)絡(luò)、激光筆、多媒體、揚(yáng)聲器等教學(xué)設(shè)施。除此之外，更要在課前做好備課，如果沒有充分準(zhǔn)備，教學(xué)工作難以達(dá)到預(yù)期效果。要上好高分子物理這門課，就要認(rèn)認(rèn)真真?zhèn)湔n，以學(xué)生為中心，圍繞學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題進(jìn)行備課。教學(xué)目標(biāo)的制定要明確并且內(nèi)容選擇要合理，緒論部分計(jì)劃用時(shí)為2學(xué)時(shí)。如圖1所示，在講到相關(guān)部分時(shí)，尤其要精心準(zhǔn)備，教師可將一些高分子科學(xué)的前沿、熱點(diǎn)事件適度地引入到緒論課中，以增加課堂的時(shí)代氣息。

圖1 緒論課的基本內(nèi)容(a),課程考核(b),塑料發(fā)展簡史(c)

例如在講到高分子與諾獎(jiǎng)時(shí)，諾獎(jiǎng)中有7次頒發(fā)給了10位直接或間接對(duì)高分子科學(xué)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家。在介紹諾獎(jiǎng)成果Ziegler-Natta催化劑時(shí)，可以以在新冠疫情中發(fā)揮重要作用的“醫(yī)用口罩主要材料”——超細(xì)聚丙烯纖維熔噴材料為切入點(diǎn)，介紹Ziegler-Natta催化劑對(duì)聚烯烴材料的推動(dòng)作用以及其對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)。又如日本科學(xué)家白川英樹(Hideki Shirakawa)、美國科學(xué)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(jìn)入導(dǎo)電材料領(lǐng)域。聚合物的導(dǎo)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(xué)、生物化學(xué)傳感器、有機(jī)發(fā)光板、光催化、太空探索等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，是當(dāng)前重要的研究熱點(diǎn)之一。近期，美國普渡大學(xué)的科研人員在《Science》報(bào)道了一種由多晶共軛聚合物和一種高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的絕緣聚合物組成的高分子復(fù)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(wěn)定的性能，這可有效拓展有機(jī)電子器件在極端溫度工作環(huán)境(如飛機(jī)引擎、航空航天、鉆井等苛刻環(huán)境)下的應(yīng)用。教師用簡潔生動(dòng)的語言介紹這類頂級(jí)研究成果時(shí)，可有效地吸引學(xué)生的注意力和活躍課堂氣氛。

又如在講到高分子的發(fā)展與展望時(shí)，教師應(yīng)該緊跟時(shí)代發(fā)展前沿，及時(shí)將高分子的發(fā)展的新動(dòng)態(tài)傳授給學(xué)生。例如當(dāng)今石化資源日益枯竭、環(huán)保問題日趨嚴(yán)重，在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，國家大力支持生物基綠色高分子復(fù)合材料的發(fā)展，圖2為常見的生物基聚合物復(fù)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(tài)環(huán)境的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)能源替代的有效手段，因此具有重要意義。同時(shí)大量生物基的科研論文相繼發(fā)表，例如蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)以生物質(zhì)來源的愈創(chuàng)木酚和丁二酸酐為原料合成得到類雙酚的含氮芳雜環(huán)的生物基單體，以此單體得到的生物基環(huán)氧樹脂的綜合性能比當(dāng)前應(yīng)用廣泛的石油基雙酚A型環(huán)氧樹脂更加優(yōu)異[3]，這些前沿動(dòng)態(tài)可使得教學(xué)更加與時(shí)俱進(jìn)。當(dāng)然，教師也要讓學(xué)生了解我國的高分子物理學(xué)科的現(xiàn)狀，我國大多數(shù)高分子物理學(xué)的學(xué)者是化學(xué)背景，與其他學(xué)科的交流相對(duì)缺乏，從而對(duì)新的物理理論的接受有一定的不足，導(dǎo)致我國高分子物理學(xué)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(chuàng)造出具有深遠(yuǎn)影響的重大成果[4]，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到我國的高分子物理學(xué)科任重而道遠(yuǎn)，正是我們奮起直追的動(dòng)力。

圖2 生物基聚合物復(fù)合材料舉例[5]

緒論課上在講到高分子物理的學(xué)習(xí)方法時(shí)，需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)好的方法事半功倍，并向?qū)W生講述高分子物理的學(xué)習(xí)方法和要求：(1)理解并牢記基本概念，高分子物理的概念復(fù)雜較多，例如鏈段、θ溶劑和松弛等概念，學(xué)生需要首先掌握這些基本概念；(2)預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)，學(xué)生要帶著高分子物理里面的問題聽課，做到有準(zhǔn)備、有針對(duì)地聽課。課后要加強(qiáng)復(fù)習(xí)，以防止高物的知識(shí)被遺忘；(3)重視實(shí)驗(yàn)課程，理論聯(lián)系實(shí)際，生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，例如通過稀溶液黏度法測定分子量等實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)聚合物分子量的理解；(4)獨(dú)立完成課外作業(yè), 這一點(diǎn)十分重要，只有通過認(rèn)真的完成作業(yè)，才能更深刻的理解高分子物理的知識(shí)點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)如此發(fā)達(dá)的今天，教師要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)不能到網(wǎng)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(shí)點(diǎn)，例如Flory-Huggins格子模型并不容易被立即理解，學(xué)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(shí)，高分子物理的平時(shí)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(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)高分子物理的功夫需用在平時(shí)，不能臨時(shí)抱佛腳。此外，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)感興趣的知識(shí)點(diǎn)、前沿科學(xué)問題要靈活運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)輔以文獻(xiàn)檢索進(jìn)行深入探討，以“大作業(yè)”的方式訓(xùn)練溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3 緒論課的教學(xué)方法的談?dòng)?/h2>

3.1 融入高分子科學(xué)的史料，使得緒論教學(xué)變得饒有趣味

高分子科學(xué)是一門年輕的學(xué)科，將高分子科學(xué)史融入到高分子科學(xué)的緒論教學(xué)中，不僅能讓學(xué)生了解高分子科學(xué)的發(fā)展歷史，使得課堂變得生動(dòng)活潑，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)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(gòu)成的觀點(diǎn)時(shí)，可重點(diǎn)講解施陶丁格的科學(xué)探索精神。施陶丁格原來從事有機(jī)化學(xué)的研究，在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域成績斐然，后來施陶丁格決定離開傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，轉(zhuǎn)戰(zhàn)當(dāng)時(shí)頗具挑戰(zhàn)的新興的高分子科學(xué)。施陶丁格本人極具開拓創(chuàng)新的精神，他大膽突破了傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)思維的局限。教師在緒論課中融入高分子科學(xué)的史料，穿插講解高分子學(xué)家的生平軼事，讓學(xué)生學(xué)到善于思考和推理，擺脫傳統(tǒng)觀念的束縛，堅(jiān)持自己主見，堅(jiān)持真理，不懈努力是科學(xué)家必備的精神。又如在講到1930-1940年，尼龍剛剛問世時(shí)，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(jié)實(shí)，像蜘蛛絲一樣精細(xì)”，杜邦公司首次發(fā)售尼龍絲襪時(shí)，銷量驚人，供不應(yīng)求，二戰(zhàn)爆發(fā)后，由于尼龍可制備降落傘、尼龍繩等，美國優(yōu)先保證戰(zhàn)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(yīng)用時(shí)，可介紹蘋果公司1998年發(fā)布的20世紀(jì)經(jīng)典的iMac G3的塑料外殼，這種多彩斑斕的半透明果凍質(zhì)感的塑料設(shè)計(jì)非常討喜，直接把蘋果公司從當(dāng)時(shí)的低谷中拯救出來。教師在講述高分子歷史時(shí)，應(yīng)該合理利用高分子的發(fā)展歷史趣事，這樣可使得課堂饒有趣味。

3.2 充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)資源和軟件

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把大學(xué)教育推向了新的發(fā)展階段?；ヂ?lián)網(wǎng)在教學(xué)模式、師生互動(dòng)等多方面給大學(xué)教育帶來了新的契機(jī)。網(wǎng)絡(luò)上有大量的優(yōu)質(zhì)教育資源，例如慕課、B站上就有許多華南理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等名校名師的高分子物理教學(xué)視頻，教師對(duì)這些觸手可及的教學(xué)資源的充分使用可顯著提高教學(xué)效果。在緒論課上，教師應(yīng)該充分運(yùn)用多媒體、筆記本電腦、平板電腦、微信以及智慧課堂、優(yōu)學(xué)院等軟件來提高師生互動(dòng)以及教學(xué)效果，例如使用優(yōu)學(xué)院客戶端上的點(diǎn)名簽到功能，可有效提高點(diǎn)名效率。此外教師可借助互聯(lián)網(wǎng)來增加教學(xué)的趣味性和生動(dòng)性，讓學(xué)習(xí)內(nèi)容更加直觀清晰和直觀，例如在講解從小分子到大分子時(shí)，正烷烴同系物隨著碳原子數(shù)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(shí)物形象的關(guān)聯(lián)起來，加深學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)上的改變，使大分子的性能發(fā)生了巨大的變化”的理解。此外，筆者認(rèn)為學(xué)生多使用思維導(dǎo)圖等軟件可使得學(xué)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(dǎo)圖可建議學(xué)生課后繪制，以加強(qiáng)教學(xué)效果。

3.3 使用對(duì)比教學(xué)法

對(duì)比教學(xué)可以將兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)又不同的事物，通過對(duì)比分析，來增加深刻的認(rèn)知。教師可有意識(shí)的在《高分子物理》緒論中運(yùn)用對(duì)比教學(xué)，例如可通過對(duì)比高分子、無機(jī)非金屬、金屬等幾類材料的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)高分子材料的理解。金屬材料：其包括晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)及其缺陷，其特點(diǎn)是具有金屬光澤、導(dǎo)電性、延展性等，往往可用作結(jié)構(gòu)骨架材料。無機(jī)非金屬材料：其具有比金屬鍵和純共價(jià)鍵更強(qiáng)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(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，其主要是共價(jià)鍵、范德華力和氫鍵相互作用。高分子材料的特點(diǎn)是密度低，耐熱性相對(duì)較差，耐熱溫度多在300 ℃以下，其往往有良好的加工性能，應(yīng)用十分廣泛。

圖3 常見的高分子及其代號(hào)(a),新興的Vitrimer(b)[7]

又如高分子種類較多，可對(duì)比常見的高分子種類的區(qū)別和其使用場景(圖3a)，講述常見高分子材料的其代號(hào)：1號(hào)PET，可用于礦泉水瓶、碳酸飲料瓶。2號(hào)HDPE，應(yīng)用十分廣泛，可用于做管材。3號(hào)PVC：可用于做管材，當(dāng)前很少用于包裝食品。4號(hào)LDPE，可用于做薄膜。5號(hào)PP：各種小瓶子，微波爐餐盒以及汽車保險(xiǎn)杠。6號(hào)PS：發(fā)泡后可用于快餐盒。教師在講解常見的高分子時(shí)，還可與新興的Vitrimer(玻璃聚合物)對(duì)比(圖3b)，該聚合物是同時(shí)具備熱塑型和熱固型塑料優(yōu)點(diǎn)的新型高分子材料，其材料內(nèi)部存在交聯(lián)的化學(xué)鍵[7]，但在高溫下，這種化學(xué)鍵可以發(fā)生動(dòng)態(tài)交換，改變高分子網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(wěn)定的機(jī)械性能。此外，相比于傳統(tǒng)材料，Vitrimer在自修復(fù)、形狀記憶等領(lǐng)域有著潛在的用途。在緒論課中，通過對(duì)比教學(xué)，更能提高學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)以及新興高分子材料的認(rèn)識(shí)。

此外，在講述高分子物理緒論課時(shí)，教師不能蒼白的進(jìn)行知識(shí)堆砌，教學(xué)不是教師的獨(dú)角戲，要積極開展互動(dòng)環(huán)節(jié)，多鼓勵(lì)學(xué)生積極參與討論，活躍課堂氣氛，讓學(xué)生有參與感，努力的提高教學(xué)效果。

3.4 緒論教學(xué)融入思政元素

引入課程思政是大學(xué)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(xué)科背景介紹、歷史回顧、未來發(fā)展趨勢的內(nèi)容，可當(dāng)作“思政點(diǎn)”，例如，(1)世界著名高分子科學(xué)家華萊士·卡羅瑟斯在聚脂、聚酰胺等高分子材料的開發(fā)領(lǐng)域有著卓越的貢獻(xiàn)，1936年當(dāng)選為美國科學(xué)院院士，是第一個(gè)從工業(yè)界選為該院院士的化學(xué)家，卻因?yàn)橐钟舭Y在1937年自殺，可引入思政：“保持樂觀開朗的心態(tài)的重要性，學(xué)生要在生活和學(xué)習(xí)中建立良好的心態(tài)，培養(yǎng)積極向上的人生觀、價(jià)值觀和世界觀?！?2)諾獎(jiǎng)得主Flory是高分子科學(xué)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(jìn)了兩國科學(xué)界的交流與合作，可引入思政：“讓思想碰撞和不同層次的學(xué)術(shù)交流充分發(fā)揮，培養(yǎng)學(xué)生開放的學(xué)術(shù)精神?！?3)美國著名的大學(xué)排行榜USNews，2021年推出Polymer Science學(xué)科排名，國內(nèi)高分子學(xué)科榜上有名，可引入思政：“培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)，樹立科學(xué)報(bào)國的遠(yuǎn)大理想信念，成為有擔(dān)當(dāng)?shù)臈澚褐拧！?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(yè)品的生產(chǎn)現(xiàn)狀，西方國家在這些高端產(chǎn)品日益增加對(duì)中國的高新技術(shù)的管控，可引入思政：“樹立學(xué)生的民族危機(jī)感和使命感，明確歷史擔(dān)當(dāng)和責(zé)任?！?5)傳統(tǒng)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(fā)展，“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，生物基、生物降解材料入選，可引入思政：“增強(qiáng)學(xué)生的生態(tài)文明意識(shí)，增強(qiáng)綠色發(fā)展理念?！苯處熢谏稀陡叻肿游锢怼肪w論時(shí)可將思政元素和專業(yè)知識(shí)有機(jī)的結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的家國情懷和人文素質(zhì)的培養(yǎng)，達(dá)到全方位育人的目的。

4 結(jié) 語

教師要重視緒論課，精心準(zhǔn)備一堂好的高分子物理的緒論課，不僅可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，還可增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的決心，教師應(yīng)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(xué)生的親近感，認(rèn)真準(zhǔn)備緒論的教學(xué)內(nèi)容，適度介紹學(xué)科的熱點(diǎn)和前沿，采用現(xiàn)代化的教學(xué)方法，在教學(xué)中巧妙的引入思政元素，就一定能上好高物的緒論課。