《高分子流變學》教學方法的探討

左丹英，黃年華，劉曉洪，劉洪濤

（武漢紡織大學 紡織與材料學院，湖北 武漢 430073）

《高分子流變學》教學方法的探討

左丹英，黃年華，劉曉洪，劉洪濤

（武漢紡織大學 紡織與材料學院，湖北 武漢 430073）

高分子流變學是一門介于力學、化學、物理與工程科學之間的多學科交叉的新興學科，是研究聚合物流動過程中所發生的應力與速率變化機制和機理的學科，是聚合物加工工藝的理論基礎。本文根據我校實際的情況和高分子專業學生的特點，探討了高分子流變學本科教學內容和課時安排，并對教學過程中采用的教學方法和手段進行了探討。

高分子流變學；本科教學；教學內容；教學方法

高分子流變學作為高分子物理的補充和高分子成型加工原理與工藝的理論基礎課，在培養高分子材料加工成型及控制的人才過程中占有重要的地位。因此國內不少工程應用型高校逐漸在高分子材料和化學化工專業開設高分子流變學。希望通過此課程的學習，使學生及早認識高分子材料流動與變形的本質，建立各種成型加工方法的理論基礎，掌握測量和研究高分子材料流變性的基本實驗方法和手段，為高分子材料的結構設計、 改性、生產及加工打好基礎[1]。然而，本課程屬一門多學科交叉，理論性與實踐性均很強的新興學科，其學科發展較緩慢，且開設此課程時間不長，因此，國內目前尚無統一大綱和教材，很少有經驗可以借鑒。為使學生能夠盡快將所學用于指導科研和生產，高分子流變學的本科教學內容和教學方法的設計是首要考慮的問題。根據作者對本課程的教學實踐，作者有以下一些體會和想法。

一、收集資料，選擇合適的教材

對于高分子流變學，教材的選擇是非常重要的，這主要是由于流變學這門課程的教材的建設相對滯后。目前國內的教材比較少，近幾年主要有以下一些，顧國芳、浦鴻汀編著的《聚合物流變學基礎》[2]；吳其曄主編的《高分子材料流變學》[3]；徐佩弦編著的《高聚物流變學及其應用》[4]；林師沛主編的《塑料加工流變學及其應用》[5]。這些教材在教學內容選取和講解上都有一定的特點和針對性，《高分子材料流變學》和《高聚物流變學及其應用》涵蓋高分子結構流變學、高分子加工流變學、流變測量學三方面內容，在張量代數、微分、連續介質力學概念的基礎上，對流變測量學、典型本構方程以及分子理論等流變學核心內容進行了介紹，起點高，內容難，對學生高等數學的要求很高，適宜研究生水平的教學。《塑料加工流變學及其應用》 是論述聚合物熔體流變學原理及其在塑料加工過程中的應用，作為專業基礎課來說略顯狹窄。《聚合物流變學基礎》介紹了聚合物材料各種不同的流變行為，較完整、系統地闡述了聚合物流變學的概念、理論和實驗方法等。內容難易適中，結構層次分明，由淺入深，十分適合非力學類工程專業的本科生作為聚合物流變學的入門教材。結合本校高分子材料專業的課程設置和學生的特點，我們選用顧國芳、浦鴻汀編著的《聚合物流變學基礎》為教材。

二、認真備課，收集相關知識點資料

古人云：“凡事預則立，不預則廢。”課堂教學作為整個教學過程的中心環節，具有很強的科學性和連續性，事前必須作充分的準備，否則就不能取得理想的效果。因此備課是重要的教學環節，亦是教師提高知識水平和教學能力、總結教學經驗的過程。所以這需教師花費大量的時間在備課上，通過一次次資料收集，一遍遍鉆研教材、確定教法，對照課程學習要求，對教材進行補充，找出重點、難點，將各知識點按重要程度排列，進而組織安排上課的思路，確定精講和簡講。例如，《聚合物流變學基礎》教材中沒有關于流變學的歷史和發展的介紹，因此我們查閱了一些文獻，在緒論中加入了高分子流變學的發展簡史和發展趨勢，介紹了流變學的奠基人賓漢和雷諾。又例如，第二章線性彈性中，關于線性彈性的特點、彈性常數采用精講，而線性彈性力的熱力學分析考慮到在高分子物理中進行過詳細的講解，這里只采用簡講。關于教學內容的安排下面還要進行詳細的分析。

三、合理進行課程設置與安排教學內容

（一）根據培養大綱合理進行高分子流變學課程設置

武漢紡織大學高分子材料與工程專業的課程設置是根據學校實際情況和學生的特點制定的，在一、二年級開設全校性公選課及學科平臺課，三年級開始開設專業基礎課程及選修課程，即高分子化學、高分子物理、聚合物合成工藝、聚合物成型加工原理、聚合物研究方法等，大四第一學期，也就是大學的第七學期，開設高分子流變學、高分子成型工藝、復合材料與聚合物改性課程。這樣的課程設置，主要考慮到高分子流變學是高分子物理的延伸，是高分子加工的基礎，因此大三開設了高分子物理，接著開設高分子流變學和高分子成型加工。考慮到大四第一學期很多學生考研，因此，高分子流變學每周學時為4學時，開設8周，共32學時。第9和10周為高分子材料加工綜合實驗，其中包括了高分子流變學實驗。

（二）合理安排教學內容，突出重點

在實際的教學中，根據大綱要求、教材的內容和學生的特點，制定以下教學內容。了解或熟悉的內容是非重點，只需要簡講，而掌握或重點掌握是重點或難點，需要精講。

緒論部分（2學時），掌握聚合物流變學的基本概念、內容和意義。重點掌握聚合物流變行為的特點，了解聚合物的力學狀態和一些奇異的流變行為。

第一章流變學的基本概念（2學時），掌握流變學研究（三種簡單實驗：拉伸、壓縮與剪切）的基本物理量：應力與應變、彈性模量、柔量、剪切速率和速度梯度，了解張量的意義及應力、 應變、 應變速率的張量表示。

第二章線性彈性（4學時），掌握線性彈性形變的特點；掌握拉伸、壓縮和剪切實驗中胡克定律的基本形式與彈性常數，掌握影響彈性模量的因素；了解線性彈性力的熱力學分析，并牢記彈性力是由內能的變化引起的。

第三章線性粘性流動（6學時）；掌握牛頓流動定律的基本方程及其應用；掌握線性粘性流動形變的特點；了解幾種測粘度的流動行為；熟悉用外推法和一點法計算聚合物溶液的特性粘數和分子量；了解聚合物熔體的粘度與分子量的依賴關系；各種流動方式的粘度測定是本章的重點；

第四章非線性彈性-橡膠彈性（4學時），掌握橡膠彈性的特點；了解唯象理論的 Mooney-Rivlin公式，掌握推導出拉伸、剪切和扭轉實驗的具體表達式；掌握橡膠彈性的本質熵彈性；了解橡膠彈性理論的統計方程和網鏈數、網鏈分子量的概念；并會計算。

第五章非牛頓流體（6學時），熟練掌握幾種非牛頓流體的類型及特點；掌握流變函數；掌握真實剪切速率與表觀剪切速率關系的修正公式；了解聚合物流體流動曲線及流動機理；掌握各參數（包括加工條件和分子結構參數）對聚合物熔體剪切粘度的影響規律；了解由于聚合物彈性所出現的與彈性有關的幾個現象。

第六章 線性粘彈性（8學時），掌握靜態粘彈性（蠕變、應力松弛）和動態粘彈性（滯后和內耗）的概念；掌握Boltzmann疊加原理的定義及其應用；掌握粘彈性的力學模型；熟悉高分子粘彈性的表征；了解動態粘彈性力學實驗中粘彈性材料模量組成；熟悉時溫等效原理及應用。

第七章聚合物的斷裂和強度（2學時）；熟練掌握聚合物應力-應變曲線；熟悉屈服現象和判斷機理；了解銀紋的產生；了解斷裂的Griffith理論和分子理論。

以上教學內容的安排是從簡單到復雜，比如先讓學生學習線性彈性與線性粘性，然后學習非線性彈性與非線性粘性，最后學習較為難理解的粘彈性。通過對教學內容進行以上的安排，突出了教學重點，使得學生們在具體的學習中，目標十分明確，學習效果很好。

四、采用多種教學手段進行教學

（一）采用多媒體教學

教師無法強迫學生學習，只能吸引學生學習，在教學過程中起引導作用。多媒體可以包含圖象、聲音、動畫，使原本枯燥的知識變得生動有趣，促進學生開展記憶、思考、探討等活動，學生在上課的時候更能集中精力聽課，極大地提高了課堂效率。并且在課間的時候，教師可以將一些與學習有關的比較有趣的資料放給學生們看，寓教娛樂為一體，既豐富學習內容又能提高大家的學習樂趣。另外，在高分子流變學教學中，也涉及到很多繁雜的數學公式的推導，僅靠“黑板＋粉筆”的教學手段授課，教學效率較低。利用多媒體教學，可以加大信息量，減少板書量，在有限的課時內講授更多知識。

（二）理論聯系實際

高分子流變學是一門理論性和應用性都很強的交叉學科，理論知識比較晦澀，必須與實際結合才能學得深化和牢固，引起學生的興趣。將理論知識寓于合適的實際背景中進行講授，效果明顯。例如，在講到非牛頓流體的中觸變性流體和反觸變性流體時，通過給同學們舉了紅軍長征過草地的時候所經過的沼澤地就是觸變性流體的典型例子激發了同學們的注意力。如果人掉進沼澤地，人越掙扎，相當于給流體持續的剪切速率，這樣沼澤地的粘度下降得越厲害，人陷得就越快。同樣在和面的時候，用筷子纏住面旋轉時，旋轉得快，阻力越大，這是反觸變性流體的特點。還有當水田土壤在機械作用下受到不斷擾動后，結構逐漸被破壞，強度逐漸下降，變得較稀而較易流動；當停止機械作用的擾動，經過一段時間，它又能逐漸恢復原狀。

（三）進行專題講座

為了加深學生對高分子流變學原理以及實驗儀器的運用，在教學過程中，在一些重要章節加入專題報告，例如，在學習完非牛頓流體一章之后，給學生做了專題報告“聚偏氟乙烯的流變特性”，報告介紹了分子量、溫度和剪切速率對聚偏氟乙烯熔體剪切粘度的影響，并且計算了聚偏氟乙烯的非粘度指數和粘流活化能，從分子結構對這些結果進行了分析。在學習完線性粘彈性之后，給學生作了“聚氨酯/聚乳酸共混膜動態粘彈性研究”的專題報告，分析了共混比例對共混膜儲能模量、耗能模量和內耗角的影響。通過作報告，讓學生了解學習高分子流變學的目的和解決問題的思路，了解實驗過程中流變實驗儀器的運用以及數據結果的分析，這一方面讓學生覺得這門課的研究內容很有實際意義，引起學習的興趣，另一方面，這為他們以后在科研或工作中應用流變學解決實際問題打下了基礎。

（四）開設實驗課

為了加深學生對流變學理論以及流變學對實際科研和生產的指導作用的理解，在教學過程中配合開設實驗課。包括有聚合物熔體速率的測定、聚合物溶液粘度的測定（旋轉流變儀）和聚合物熔體剪切粘度的測定（毛細管流變儀）、聚合物雙螺桿擠出成型等。通過實驗使學生理解高分子流動的基本原理，熟悉流變儀器的構造和使用、高分子流變參量間關系及各種因素對流變性能的影響，訓練學生進行生產和科研的思路、方法，培養學生的動手能力、分析和解決問題能力。另一方面，通過實驗，使學生看到了高分子流體流動的一些奇異現象，這也提高了他們學習這門課程的興趣。

五、結語

隨著高分子材料科學的飛速發展，對高分子專業的畢業生也提出了新的要求，因此，高分子流變學課程的教學內容和教學方法也需要改進和完善。作為參加高分子流變學課程教學的教師，應從備課、上課、課后等方面進行總結和思考，完善每一個環節，使得教學內容和教學方法手段更加合理，而且要不斷提高自身素質，這樣才能逐漸成長為一名合格的專業教師。

[1] 吳其曄．跟蹤高分子學科發展前沿，建設高分子物理國家精品課程[J]．高分子通報，2008，（6）：52-55．

[2] 顧國芳，浦鴻汀．聚合物流變學基礎[M]．上海：同濟大學出版社，2000．

[3] 吳其曄．高分子材料流變學[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[4] 徐佩弦．高聚物流變學及其應用[M]．北京：化學工業出版社，2003．

[5] 林師沛，趙洪，劉芳．塑料加工流變學及其應用[M]．北京：國防工業出版社，2008．

Discussion on Polymer Rheology Teaching

ZUO Dan-ying, HUANG Nian-hua, LIU Xiao-hong, LIU Hong-tao
（College of Textile and Material, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China）

Polymer rheology is an interdisciplinary new discipline from mechanical, chemical, physical and engineering sciences. Polymer rheology studies the change mechanism of stress and rate during the polymer flow, and it is the theoretical basis of polymer processing.Based on the actual situation of our school and student characteristics of polymer specialty, undergraduate teaching content and teaching arrangements for the polymer rheology are discussed, and the teaching methods in the course are also discussed.

Polymer Rheology; Undergraduate Teaching; Teaching Content; Teaching Method

G642.0

A

1009－5160(2011)02－0079－03

左丹英（1976-），女，博士，副教授，研究方向：高分子材料及其教學.

武漢紡織大學教研項目（2009006）.