分析材料科学与工程专业高分子物理教学方法改革与实践

高分子物理是高分子材料相关专业的重要专业基础课，它以聚合物为研究对象，聚合物结构为基础，聚合物分子运动为桥梁，揭示聚合物结构-分子运动-性能之间的联系。哈尔滨工程大学面向材料科学与工程专业高分子与复合材料方向的学生开设高分子物理课程，课程的总学时数为48 学时，安排在第五学期开课。

高分子物理被公认为难讲难学的课程，它既要求高分子科学所必需的合成化学知识，又对学生的数学和物理知识提出很高的要求。在有限的学时内，如何将《高分子物理》的核心内容讲述清楚，使对高分子原本陌生的学生了解并掌握高分子的基本概念和基本理论，授课内容和方法的选择以及讲授方式凸显的尤为重要。

一 高分子物理课程的特点

(一) 概念繁多，容易混淆

高分子物理学涉及各种各样的概念，还有很多容易混淆的概念。比如构型和构象这两个概念，是高分子物理中的两个重要概念，也是初学者很容易混淆的两个概念。构型(configuration)是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。这种排列是稳定的，要改变构型，必须经过化学键的断裂和重组。例如顺式聚异戊二烯(天然橡胶)和反式聚异戊二烯(古塔胶)都是异戊二烯的1,4- 加成产物，但两者构型不同，性能上也表现出许多不同之处。而构象(conformation)是由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。

高分子的构象可以通过热运动而时刻改变。一个高分子链含有许多单键，每个单键都能内旋转，使高分子链可呈现很多个可能的构象，并且由于热运动构象可以不断变换，使高分子链看起来像一个无规线团。还有，结构单元、单体单元和重复单元这些概念，在意义上非常相似，但它是不同的，在一定条件下可以等同，所以对于初学者经常会出现混淆。类似的概念还有自由连接链和自由旋转链、均方末端距和均方回转半径、静态柔顺性和动态柔顺性、橡胶弹性和粘弹性等。

(二) 公式众多，难于掌握

高分子物理的计算公式明显小于大学物理和物理化学，但仍存在许多公式，难以掌握的情况，而且，高分子物理中许多知识点是以数理方式表述和呈现的。所谓数理方式，是指通过构建数学模型、进行数学推导、寻求函数关系或建立数学表达式等手段来解决相关物理问题或揭示有关物理现象本质的方式。例如高分子链构象统计部分，自由连接链、自由旋转链和受阻旋转链均方末端距的几何计算过程实际上就是数学推导过程，而其统计计算法则套用古老的数学课题三维空间无规行走的结果。再如柔性链高分子溶液的热力学性质部分，无论是晶格模型理论，还是稀溶液理论，均涉及大量数学推导和很多的公式。类似的情况还有高分子溶液的相平衡、橡胶弹性的统计理论、黏弹性的数学描述等重要知识点。靠死记硬背很难掌握这些知识点，若想对这些公式和数学推导熟练应用则更是难上加难。

(三) 内容庞杂，抽象难懂

高分子物理的教学内容包括高分子的链结构、凝聚态结构、高分子溶液、分子运动和转变、橡胶弹性和黏弹性、流变性质、力学性能、电学性能、热性能和光学性能等，内容庞杂，头绪纷乱，是公认的难讲难学的课程。

高分子物理的理论性很强，其中的许多知识点是建立在抽象化、理想化的条件之上的，抽象难懂，比如 条件、溶度参数、自由体积、时温等效原理等。另外，理想化的假设也贯穿了高分子物理的始终，例如等效自由连接链、Avrami 方程、Flory-Huggies 高分子溶液理论、高弹性分子理论等。

二 针对课程特点进行的教学方法改革与实践

针对高分子物理课程的特性，经过多年的教学实践，笔者在帮助学生理解基本概念、掌握和灵活运用基本理论，培养学生分析与解决实际问题的能力等方面采取了行之有效的教学方法，总结起来包括如下几点：

(一) 运用多种教学方法讲透基本概念

高分子物理的基本概念繁多，抽象难懂，容易混淆。对于抽象难懂的基本概念，通过形象教学法，在现实生活中找到参照物，使原本抽象的教学内容，变得生动形象。比如柔性(flexibility) 的概念，柔性是指高分子链由于内旋转能够改变其构象的性质，这是聚合物许多性能不同于小分子化合物的主要原因。在此，笔者将小分子比作短的细钢丝，而把高分子链比作长的细钢丝，短钢丝很难使其变形，而长钢丝则很容易改变形状，这形象地说明小分子是刚性的，而高分子链则是柔性的。另外，与柔性相对的概念是刚性(rigidity)，刚性高分子是指主链不能内旋转的高分子或链间存在强烈相互作用的高分子，如聚乙炔、纤维素等。为了比较柔性链高分子和刚性链高分子的差别，笔者在授课过程中将柔性高分子链比喻成朝鲜族舞蹈象帽舞演员头上自由旋转的细飘带，将刚性高分子链比喻成拔河用的粗绳，这组比喻的运用使得柔性高分子链和刚性高分子链的差别一目了然。

对于容易混淆的概念，将两个或几个概念作为一个概念组，一起来讲解。通过对比和比较，使学生对含义相对性的概念做到清晰分明，而含义相近者也可做到心中了然。例如构型/ 构象、重复单元/结构单元/ 单体单元、自由旋转链/ 自由连接链/ 受阻旋转链、均方末端距/ 均方回转半径、静态柔顺性/ 动态柔顺性、非晶态/ 无定形态/ 晶态、蠕变/ 应力松弛、橡胶弹性/ 黏弹性、弹性体/ 橡胶/ 塑性体/ 塑料/ 热塑性弹性体、屈服强度/ 断裂强度/ 拉伸强度/ 弯曲强度/ 冲击强度/ 疲劳强度等。俗话说：没有比较就没有鉴别。通过这样的归类辨析，学生对一个组内的两个或多个术语做到各个击破，不但避免了混淆，而且利用比较产生的关联记忆效应提高了学习效率。

(二) 精选完整数学推导的教学内容，不一概而论

高分子物理教学中有许多知识点涉及到对公式或结论的数学推导，如高分子链的构象统计、高分子溶液的晶格模型理论、稀溶液理论、高分子溶液的相平衡、橡胶弹性的统计理论、黏弹性的数学描述等。这些数学推导及其结果或结论，对于学生认识高分子的结构本质，理解和掌握聚合物本体、聚合物二元或多元宏观体系的结构、性质与变化规律等有着重要作用。

在教学过程中，如果每一部分都进行完整的数学推导，会耗去大量的学时，则无法完成整体教学进度，如果忽略不讲，学生对所涉及教学内容的理解往往就很肤浅，经不起考验和推敲，甚至还有些同学根本就不能理解，只好死记硬背。笔者在教学实践中精选进行完整数学推导的教学内容，将多媒体课件与板书协调运用，完整数学推导多数用板书一步步推演的形式，多媒体课件则起辅助演示或复习板书推导过程的作用;另一方面，把理论性太强的内容及繁琐的公式推导简化，只把关键点及数学推导结果或结论列出，教学中突出基础理论的梳理及应用，很感兴趣的学生可以在课余时间自己完成数学推导，教师再辅以答疑指导，学生往往收获更大。

(三) 围绕主线安排教学内容，避免多而杂

高分子物理的内容庞杂，抽象难懂，表面看起来，各部分内容联系较少，若不注意抓住教学主线，则很容易把各部分教学内容割裂开来。笔者在教学过程中，以聚合物结构-分子运动-性能之间关系作为主线来安排教学内容，使教学内容成为一个有机的整体，有利于学生理解和掌握。目前教材选用的是华幼卿、金日光主编的第四版《高分子物理》，为确保授课内容的连贯性和知识的整体性，还对授课先后次序做了一些调整，如在讲授第二章(高分子的凝聚态结构)第一节晶态聚合物结构时，将第五章(聚合物的分子运动和转变)第四节结晶动力学和第五节熔融热力学的内容提到前面来讲，调整后可以将与结晶相关的系列知识讲授完整。而讲到第五章该部分内容时，只需稍作回顾即可。再如，第四章聚合物的分子量和分子量分布的教学内容，第一节聚合物分子量的统计意义属于高分子链结构的内容，提到第一章(高分子链的结构)进行讲解，而第二节聚合物分子量的测定方法多数是应用高分子稀溶液的依数性来测定，因此安排在第四章(高分子溶液)来讲解。

三 结语

高分子物理作为高分子科学的理论基础，是我校材料科学与工程专业非常重要的专业基础课，学生不仅要掌握高分子的概念和理论，还要理论联系实践，能够解决实际问题;教师则要不断地探索新的教学方法并付诸实践，采用合适的教学手段来调动学生的积极性和主动性，以提高课堂教学的效果。