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

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、　　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θ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

6、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

7、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