高分子化學與物理課程中類比教學法的應用研究

張宗勇，沈梁鈞，田小寧

(寧波工程學院 材料與化學工程學院，浙江 寧波 315211)

《高分子化學與物理》是寧波工程學院應用化學專業的一門必修課程，擔負著為學生打開一扇高分子科學世界大門的任務，共48學時?！陡叻肿踊瘜W與物理》課程內容繁多，結構復雜，特別是高分子物理部分概念抽象，理論枯燥，學生對很多知識點頗感遙不可及，短時間內難以掌握，這對課堂教學提出了一個巨大的挑戰。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效果的一個重要因素。經過近兩年不斷的思考和總結，主講教師發現很多知識點都可以從現實生活中找到它們的“影子”，以現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，在課堂教學中能夠收到良好的教學效果。

1 類比教學法

類比教學就是依據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特征的一種教學方法，從而獲得對后一對象的新的認知[1]，類比教學可以把抽象的知識形象化，把復雜的問題簡單化。高分子化學與物理課程內容與實際生活聯系密切，很多抽象的知識點可以應用現實生活中生動的實例加以類比[2]，現列舉幾例教學中講授的例子。

2 類比教學法在高分子化學與物理教學中的應用

2.1 高密度聚乙烯和低密度聚乙烯

高密度聚乙烯，立體規整性好，屬于結晶性聚合物，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，很多學生為此都大惑不解，按常規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)，面團的形狀較前者要規整很多，體積小，密度較高。

2.2 玻璃化轉變[3]

玻璃化轉變是高分子物理中一個很重要的概念，隨著溫度的升高，聚合物從玻璃態到高彈態的轉變即為玻璃化轉變。對于室溫下處于玻璃態的塑料及處于高彈態的橡膠，學生都容易理解；然而，溫度較高時塑料會變成橡膠態——大部分學生為此感到困惑，借助于口香糖入口前后的狀態可以輕而易舉的解釋這個現象?？谙闾堑闹饕煞譃榫垡宜嵋蚁?，該聚合物玻璃化轉變溫度為27℃，室溫下處于玻璃態，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，分子由玻璃態進入高彈態，表現出橡膠的性能，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，學生的好奇心和求知欲自然會被調動起來，學習效果也得以提升。

2.3 結晶性能與透明度的關系

在講述聚合物的結晶態和非晶態時，會提到高分子材料透光性的問題。一提到晶體，很多學生都會想到“晶瑩剔透”，晶態聚合物透光性肯定很好，這當然是一個誤區。塑料藥瓶一般由高密度聚乙烯制得，分子鏈排列規整，材料結晶性能好，透光性卻很差。聚甲基丙烯酸甲酯(即有機玻璃)，其分子鏈排列呈現無規狀態，不能結晶，但透光性能與玻璃媲美。再如由非晶態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高聚物不透明，非晶態高聚物透明。

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于用小分子物質對聚合物進行增塑，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象的性質稱為高分子鏈的柔順性，產生的原因在于鏈段的運動，鏈段長度越小，鏈段數越多，高分子呈現出來的構象數量就越多，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]。學習高分子鏈柔順性最關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，其中的鏈段相當于火車的一節車廂，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(呈現的構象數較少)，所以鏈段越長，分子鏈越不易運動，表現為剛性較大。對于柔性分子，其中的鏈段相當于項鏈中的一環，環與環的運動非常容易(呈現的構象數較多)，因此鏈段越短，分子鏈越容易運動，高分子柔性越好。

2.6 應力集中的應用

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

2.7 取向方式對高聚物力學性能的影響

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，學生理解起來較為困難。教學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 數均分子量和重均分子量

數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，分別以數量為統計權重和以重量為統計權重來計算[5]。學生初學時，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，教學中若引入下述例子則問題便迎刃而解。質量分別為1、10、1000 kg的石頭各一塊，可計算出它們的數均質量為(1000+10+1)/3=337 kg，重均質量為1000*1000/1011+10*10/1011+1*1/1011=989 kg?，F將三塊石頭看做是三條高分子鏈，則其數均分子量約為300，即各種分子量的高分子同等重要時，不需任何加權即可得到數均分子量；其重均分子量約為1000，是以分子量本身做加權，若高分子量組分重要時，則關心重均分子量。實際上，高分子的很多性質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將主鏈看成具有一定硬度的鐵絲，甲基和酯基相當于連接在鐵絲上的短鐵棒和長鐵棒。全同立構中鐵絲易于向下彎曲(短鐵棒位于同一側，空間障礙相對較小)，而間同立構中鐵絲難以彎曲(兩側都有長鐵棒，空間障礙較大)，全同立構中呈現出的構象數量要多一些，因此全同PMMA分子鏈柔順性較好，玻璃化溫度低。

A全同立構，B間同立構

3 結語

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