高分子物理趣味性教學(xué)探索與實(shí)踐

摘" 要" 高分子物理是研究高分子材料結(jié)構(gòu)與性能的一門科學(xué)，理論性強(qiáng)、概念抽象是該課程的主要特點(diǎn)。學(xué)生初學(xué)時(shí)會(huì)感覺(jué)枯燥，缺乏學(xué)習(xí)興趣，在教與學(xué)的過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)有效互動(dòng)，因而教學(xué)效果不理想。趣味性教學(xué)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，通過(guò)術(shù)語(yǔ)形象化、實(shí)例生活化、視覺(jué)直觀化來(lái)增強(qiáng)高分子物理教學(xué)的趣味性，有效激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，使學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索思考，從而更好地理解和掌握高分子物理知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞" 高分子物理；趣味性教學(xué)；學(xué)習(xí)興趣

中圖分類號(hào)：G642.3" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）21-00-04

0" 引言

高分子物理是高分子材料與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是闡明高分子結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系，揭示其基本規(guī)律，從而為高分子材料的合成、成型加工、性能測(cè)試和應(yīng)用提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)[1-11]。該課程具有理論抽象、概念繁多、多學(xué)科交叉等特點(diǎn)，需要把物理學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)相互貫穿與融合，教學(xué)難度較大。

此外，高分子物理課程教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)眾多，內(nèi)容的理論性及邏輯性較強(qiáng)，若采用照本宣科的教學(xué)模式，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因而教學(xué)效果常常不盡如人意。

現(xiàn)代心理學(xué)的研究表明，學(xué)習(xí)興趣對(duì)學(xué)習(xí)效果有直接影響[12]。愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“興趣是最好的老師。”孔子也說(shuō)過(guò)：“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者。”增強(qiáng)高分子物理課堂的趣味性無(wú)疑是引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的一劑良藥。只有讓教學(xué)環(huán)節(jié)充滿趣味性，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，使學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索思考。筆者結(jié)合近幾年的授課體會(huì)，從三個(gè)方面談?wù)勅绾卧鰪?qiáng)高分子物理教學(xué)的趣味性，希望能對(duì)讀者的教學(xué)或?qū)W習(xí)有所幫助。

1" 趣味性教學(xué)途徑

1.1" 術(shù)語(yǔ)形象化

高分子物理課程中包含數(shù)量眾多的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，對(duì)這些術(shù)語(yǔ)的講解是高分子物理課程教學(xué)的重要內(nèi)容。對(duì)一些較為抽象的術(shù)語(yǔ)，將其形象化更有利于學(xué)生理解和掌握。比如在第一章“高分子的鏈結(jié)構(gòu)”中，有一對(duì)相近的術(shù)語(yǔ)——構(gòu)型與構(gòu)象。構(gòu)型是指分子中由化學(xué)鍵所固定的原子在空間的排列，而構(gòu)象是指由于σ單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)。一個(gè)大分子鏈上有大量單鍵，每個(gè)單鍵都能發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此大分子鏈就會(huì)呈現(xiàn)出各種不同的空間幾何形態(tài)，即各種不同的構(gòu)象。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于分子熱運(yùn)動(dòng)，聚合物分子鏈的空間形態(tài)會(huì)不斷地發(fā)生變化，大分子鏈的構(gòu)象也就處于不斷的轉(zhuǎn)變之中。構(gòu)象與構(gòu)型不同，構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)分子熱運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而構(gòu)型是由化學(xué)鍵固定的，只有破壞和重組化學(xué)鍵才能夠改變構(gòu)型。

以“老鷹捉小雞”游戲?yàn)槔员阌趯W(xué)生更好地理解并區(qū)分構(gòu)型與構(gòu)象這一對(duì)術(shù)語(yǔ)。游戲中，一人當(dāng)老鷹，一人當(dāng)母雞，其余的當(dāng)小雞。小雞依次在母雞后牽著衣襟排成一隊(duì)。圖1給出了小雞的排列示意圖，假設(shè)黑色代表小公雞，灰色代表小母雞。可以看出，圖1a和圖1b中小雞的排列是不同的，這可以看作是大分子鏈兩種不同的構(gòu)型；如果要把圖1b改為圖1a的排列方式，很明顯，小雞隊(duì)伍必須先斷開(kāi)然后再重組，這很好地體現(xiàn)了構(gòu)型的特性。游戲開(kāi)始后，老鷹站在母雞對(duì)面捉其身后的小雞，眾小雞則在母雞身后左躲右閃，小雞隊(duì)伍的隊(duì)形會(huì)不斷地發(fā)生變化，如圖1c和圖1d所示，這可以看作是大分子鏈兩種不同的構(gòu)象，構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)變可以通過(guò)小雞的“熱運(yùn)動(dòng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)采用這樣趣味的比喻，一下子就使抽象的術(shù)語(yǔ)變得更為形象化，既活躍了課堂氣氛，又幫助學(xué)生在會(huì)心一笑之余更好地理解并掌握構(gòu)型與構(gòu)象這一對(duì)術(shù)語(yǔ)的定義和區(qū)別。在授課結(jié)束后，通過(guò)作業(yè)題“假若聚丙烯的等規(guī)度不高，能不能用改變構(gòu)象的辦法提高等規(guī)度？”來(lái)考查學(xué)生對(duì)構(gòu)型和構(gòu)象概念的掌握情況。正確答案為：不能。提高聚丙烯的等規(guī)度必須改變構(gòu)型，而改變構(gòu)型與改變構(gòu)象的方法不同。構(gòu)象是圍繞單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所引起的排列變化，改變構(gòu)象只需克服單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘即可實(shí)現(xiàn)；而改變構(gòu)型必須經(jīng)過(guò)化學(xué)鍵的斷裂及重組才能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)答題結(jié)果發(fā)現(xiàn)，完全答對(duì)的學(xué)生占比高達(dá)90.8%，答錯(cuò)的學(xué)生占比為9.2%。由此可見(jiàn)，將概念形象化有利于學(xué)生的理解和掌握。

1.2" 實(shí)例生活化

高分子物理的某些基本理論與日常生活密切相關(guān)，如果能夠從生活中挖掘豐富的實(shí)例來(lái)幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并充分應(yīng)用高分子物理理論來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，就能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)提高教學(xué)效果。以第五章“聚合物的分子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變”中的“聚合物的力學(xué)狀態(tài)與玻璃化轉(zhuǎn)變”教學(xué)內(nèi)容為例，典型的非晶態(tài)聚合物在不同的溫度范圍可以表現(xiàn)出三種力學(xué)狀態(tài)。溫度較低時(shí)，試樣呈剛性固體狀，在外力作用下只發(fā)生非常小的形變，顯示出較高的模量，這種力學(xué)狀態(tài)稱為玻璃態(tài)；當(dāng)溫度升至某一范圍后，試樣的形變能力明顯增大，然后隨溫度增加，形變基本保持不變，成為柔軟的彈性體，這種力學(xué)狀態(tài)稱為橡膠態(tài)或高彈態(tài)；溫度進(jìn)一步升高后，聚合物試樣的形變又隨之增大，試樣轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば粤黧w，發(fā)生不可逆的黏性流動(dòng)，這種力學(xué)狀態(tài)稱為黏流態(tài)。其中，玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。玻璃化轉(zhuǎn)變是高分子材料的一個(gè)重要物理性質(zhì)。在講解完這部分內(nèi)容后，向?qū)W生提出了兩個(gè)跟日常生活相關(guān)的問(wèn)題：1）口香糖為何嚼軟了才能吹出泡泡？2）油炸花生米為何放涼了才會(huì)脆？引導(dǎo)學(xué)生帶著這兩個(gè)問(wèn)題重新回視高分子物理中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

口香糖的膠基是聚醋酸乙烯酯（PVAc），其Tg為28℃，因而口香糖在室溫下處于玻璃態(tài)，沒(méi)有流動(dòng)性，拉伸后不能產(chǎn)生大形變；而在嘴里咀嚼后，溫度就高于其Tg，口香糖發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變，進(jìn)入橡膠態(tài)，就可以吹出泡泡了。

至于花生米，其中含有的蛋白質(zhì)、碳水化合物及纖維都是天然高分子，當(dāng)溫度在其Tg以上時(shí)（炸花生米剛出鍋的時(shí)候），高分子鏈段可以運(yùn)動(dòng)，因而花生米顯韌性（嚼起來(lái)不脆）；而在Tg以下（炸花生米放涼后），高分子鏈段被凍結(jié)，因而花生米顯脆性。此外，花生米中還含有一定的水分，水本身起增塑劑的作用，使高分子Tg降低，而油炸的本質(zhì)是高溫除水的過(guò)程，花生米在油炸時(shí)水分被油包裹，很難跑出來(lái)，只有等撈出來(lái)控了油之后，花生米全暴露在空氣中，其中的水分才能大量揮發(fā)，花生米中的高分子Tg升高。隨著花生米溫度的降低，更容易發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，花生米就變脆了。

通過(guò)將生活中的高分子現(xiàn)象與高分子物理理論結(jié)合進(jìn)行講解，使學(xué)生學(xué)會(huì)了觀察生活中的高分子現(xiàn)象，從而培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思考能力。學(xué)生不僅較好地掌握了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，還學(xué)會(huì)了思考，學(xué)習(xí)效果得到了顯著改善。

1.3" 視覺(jué)直觀化

我們生活在信息化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)以其豐富的資源為課堂教學(xué)改革提供了良好的平臺(tái)。不管是傳統(tǒng)的教學(xué)錄像，還是網(wǎng)絡(luò)上的熱門視頻，都可以成為教學(xué)資源的一部分，用其作為教學(xué)素材是很好的選擇。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)播放與課程內(nèi)容相關(guān)的小視頻，可以讓深?yuàn)W晦澀的知識(shí)變得更通俗易懂，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如在講解非牛頓流體（如假塑性流體、脹塑性流體）時(shí)，我們選取了近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)上的熱門小視頻“倒不出來(lái)的番茄醬”和“口香糖開(kāi)椰子”。

在“倒不出來(lái)的番茄醬”視頻中，當(dāng)你想從瓶子里取出番茄醬時(shí)，發(fā)現(xiàn)番茄醬不容易直接倒出來(lái)。這時(shí)應(yīng)該怎么做？筆者將瓶裝的番茄醬帶到了課堂上，隨后通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示，比如搖晃或者擊打瓶子，發(fā)現(xiàn)番茄醬就容易倒出來(lái)。這時(shí)學(xué)生的注意力完全被現(xiàn)象所吸引，激發(fā)起了好奇心和求知欲，并產(chǎn)生疑問(wèn)，為什么搖晃或者擊打瓶子有助于番茄醬倒出？這時(shí)候教師再因勢(shì)利導(dǎo)，引出“假塑性流體”這一教學(xué)內(nèi)容。番茄醬是典型的假塑性流體，假塑性流體的特點(diǎn)是其黏度隨剪切速率的增加而降低。當(dāng)你想從瓶子里取出番茄醬時(shí)，發(fā)現(xiàn)番茄醬不容易直接倒出來(lái)。通過(guò)搖晃或者擊打瓶子，可以使番茄醬的黏度降低，變得容易流動(dòng)，就容易倒出來(lái)了。

椰子汁是人間美味，可是開(kāi)椰子殼這一步卻讓不少人望而卻步。除了用刀以外，一個(gè)口香糖為何也能弄開(kāi)椰子殼？這是學(xué)生在看完“口香糖開(kāi)椰子”視頻后所提出的疑問(wèn)。問(wèn)題的回答同樣必須從口香糖所屬的流體類型出發(fā)。脹塑性流體的特點(diǎn)與假塑性流體正好完全相反，其黏度隨剪切速率的增加而增大。要想弄開(kāi)椰子殼，只要把口香糖揉成尖錐形，把椰子快速用力地垂直砸上去，口香糖就能將椰子殼破開(kāi)。這是因?yàn)榭谙闾菍儆诿浰苄粤黧w，當(dāng)突然受到較大的壓力時(shí)，尖錐形的口香糖會(huì)變得像固體一樣堅(jiān)硬，便能破開(kāi)椰子。

通過(guò)在課堂上播放這兩個(gè)小視頻，教學(xué)的趣味性明顯增強(qiáng)，學(xué)生獲得了更為直觀的感性認(rèn)識(shí)，能帶著疑問(wèn)去思考問(wèn)題，加深了對(duì)非牛頓流體特性的理解，促進(jìn)了對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握；同時(shí)他們還意識(shí)到，高分子物理這門課是有用的，留心生活中有趣的高分子物理現(xiàn)象，學(xué)會(huì)探索并思考，才能做到舉一反三、觸類旁通、學(xué)有所用。

2" 教學(xué)實(shí)踐效果反饋

通過(guò)采用趣味性教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的課堂參與度明顯提高，學(xué)習(xí)效果有了顯著改善。以高分子專業(yè)2019級(jí)學(xué)生為調(diào)查對(duì)象，進(jìn)行高分子物理課程目標(biāo)達(dá)成度問(wèn)卷調(diào)查（有效問(wèn)卷數(shù)120份），部分調(diào)查題目和結(jié)果如表1所示。從結(jié)果來(lái)看，趣味性教學(xué)較好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，有利于學(xué)生對(duì)高分子物理基本知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，較好地提升了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和工程實(shí)踐能力。

3" 結(jié)束語(yǔ)

高分子物理是研究高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能的一門科學(xué)，理論性強(qiáng)、概念抽象是該課程的主要特點(diǎn)。學(xué)生初學(xué)時(shí)會(huì)感覺(jué)枯燥，缺乏學(xué)習(xí)興趣，在教與學(xué)的過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)有效互動(dòng)，因而教學(xué)效果不理想。通過(guò)術(shù)語(yǔ)形象化、實(shí)例生活化、視覺(jué)直觀化來(lái)增強(qiáng)高分子物理教學(xué)的趣味性，能有效激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，使其更好地理解和掌握高分子物理知識(shí)，學(xué)習(xí)效果有了明顯改善；同時(shí)，高分子物理趣味性教學(xué)還能強(qiáng)化學(xué)生的工科思維意識(shí)，有效培養(yǎng)并增強(qiáng)其提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

此外，趣味性教學(xué)是一種新型的教學(xué)方法，教師要增強(qiáng)高分子物理教學(xué)的趣味性，在撰寫教案時(shí)勢(shì)必會(huì)花更多的精力去收集素材，并將其與高分子物理的相關(guān)理論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。在此過(guò)程中，教師的理論知識(shí)水平和教學(xué)能力也會(huì)得到進(jìn)一步的提升，可以更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

4" 參考文獻(xiàn)

[1] Rubinstein M， Colby R H. Polymer physics[M].Oxford： Oxford Univ Press，2003.

[2] Bower D I. An introduction to polymer physics[M].London： Cambridge Univ Press，2002.

[3] Sperling L H. Introduction of physical polymer science[M].3rd edition. New York： Wiley，2001.

[4] Strobl G R. The physics of polymers： concept for"understanding their structure and behavior[M].2nd Edition. Berlin： Springer，2007.

[5] 何曼君，陳維孝，董西俠. 高分子物理（修訂版）[M]. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1990.

[6] 華幼卿，金日光.高分子物理[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[7] 馬德柱，何平笙，徐種德.高聚物的結(jié)構(gòu)與性能[M]. 2版.北京：科學(xué)出版社，1995.

[8] 劉鳳岐，湯心頤.高分子物理[M].2版.北京：高等教育出版社，2004.

[9] 過(guò)梅麗，趙得祿.高分子物理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[10] 王槐三，寇曉康.高分子物理教程[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[11] 楊玉良，胡漢杰.高分子物理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[12] 左大利，李笑勉，張偉文，等.機(jī)械制造類專業(yè)趣味性教學(xué)改革實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（10）：146-148.

*項(xiàng)目來(lái)源：常州大學(xué)教育教學(xué)研究課題“同伴教學(xué)法在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用”（基金編號(hào)：JYC2023004）。

作者簡(jiǎn)介：劉晶如，講師。