专题讲座教学在高分子物理课程中的实践与探索

张丽华 谢海波 鲁圣军 董福平 陈沁

【摘 要】“高分子物理”课程在高分子材料与工程专业的课程体系中具有非常重要的地位，是核心课程之一。笔者在“高分子物理”课程的教学过程以及带领本科生进行“SRT”项目（Student Research Training）的科研训练过程中，发现学生在课堂学习和科研实践中存在不少问题，如理论知识不扎实，缺乏将理论知识转化为科研能力的思维训练等。针对目前课堂教学中的理论知识繁杂、教学方式单一、科研思维欠缺等问题，笔者结合自身的教学经历、科研经历以及学生培养经历，将专题讲座教学法应用于课程教学，在已经传授理论知识的基础上从前沿的国内外文献报道入手，对课程中难度高的内容进行融会贯通，以期学生既能掌握高分子物理学科的理论知识，又能提升思考能力以及科研探索能力，达到学以致用、学用结合的目的。专题讲座教学方法的探索与实践对“高分子物理”课程教学改革提供了有价值的参考。

【关键词】高分子物理；专题讲座教学；动态黏弹性

中图分类号： O56；O413 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0168-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.076

【Abstract】The course of polymer physics plays a very important role in the curriculum system of polymer materials and engineering， and is one of the core courses. In the course of the teaching of the course of “high polymer physics” and the scientific research and training course of the “SRT” project （Student Research Training）， the author finds that there are many problems in the students learning and research practice in class， such as the lack of theoretical knowledge and the lack of thinking training that transforms theoretical knowledge into scientific research ability. Practice and so on. In view of the problems of complicated theoretical knowledge， single teaching method and lack of scientific research thinking in the present classroom teaching， the author applies the teaching method of special lecture to the course teaching in combination with his own teaching experience， scientific research experience and the training experience of the students， and reports from the advanced domestic and foreign literature on the basis of teaching theoretical knowledge. Starting with the high degree of difficulty in the course， it is expected that the students can not only grasp the theoretical knowledge of polymer physics， but also improve the ability of thinking and research and exploration， so as to achieve the purpose of combining learning and learning. The exploration and practice of special lecture teaching methods provide valuable reference for the teaching reform of polymer physics.

【Key words】Polymer physics；Special lecture teaching；Dynamic viscoelasticity

1 现阶段课程教学存在的问题

高分子物理是高分子材料与工程专业的一门主干课程，此课程的教学目标之一即建立高分子的结构、性能及两者之间的内在联系和规律[1]。但是课程内容体系庞杂，理论概念抽象，课程讲述局限于理论，学生缺乏必要的科研实践，这使学生对理论知识的理解造成了困扰，并且随着课程深度的增加，学生的学习积极性严重下降。笔者在带领本科生进行“SRT”项目（Student Research Training）的科研训练过程中，发现学生不能将课堂学习的理论知识和科研探索结合起来，达不到融会贯通的目的。因此，提出行之有效的教学模式以实现知识传授与科研能力培养的有机结合，是高分子物理课程教师必须深入思索的一个问题。

2 专题讲座教学方法的引出

专题讲座是在常规课堂教学之外，教师可具体针对课程教学内容中的某个或若干个重点、难点和热点问题，开展针对性强的讲座，结合国内外研究进展，从理论知识出发，以提高学生的积极性和实践能力[2]。在专题讲座教学中，应强调学生的主动参与，让学生成为课堂的主体，在互动中学习知识、提出和解决问题。高分子物理课程教学内容庞大，概念众多，前后联系紧密，部分知识抽象难懂。因此，如果能具体地针对课程教学内容中某一重要内容，结合教师的科研经历以及国内外前沿成果，将专题讲座教学模式及课堂理论学习结合，带领学生进行详尽深入的学习讨论，既可以加深学生对某一专题的熟悉程度，加深对高分子结构、性能及两者相互关系的理解，也可以提高学生运用理论知识解决实际问题的科研能力，最终实现“学用結合，学以致用”的目的，养成学生的科学思维能力以及创新精神。

3 “高分子物理”课程中专题讲座模式的课堂实施

笔者以“动态黏弹性”章节为例，具体介绍专题讲座教学的实施过程。动态黏弹性涉及到高分子物理、高分子分析方法以及聚合物成型原理等高分子专业的基础课程[3]。聚合物样品在实际应用时，往往受到交变的应变作用，这是动态力学松弛过程，黏弹性行为表现得更为充分。这部分内容生涩抽象难以理解，为此，笔者采取专题讲座的形式带领学生探索高分子的前沿领域，由此加深学生对高分子动态黏弹性的理解，并初步掌握测试与分析方法，为今后的科研工作打好基础。

首先，设置了一篇生动形象、和现实生活密切相关的文献“储藏温度对库尔勒香梨动态粘弹特性的影响”作为开场[4]，消除学生对于难理解内容的“敬畏感”，吸引学生的注意力，培养学生的兴趣和勇气。针对库尔勒香梨极不耐机械损伤的特点提出储藏温度如何确定的疑问。通过简单的介绍吸引学生的注意力，让学生明白水果的储存也可以和高分子物理的知识建立联系：果蔬材料受力时所表现出的黏弹特性有助于找到改善果蔬机械耐损性能的方法，从而消除学生对理论知识的“敬畏感”。根据线性黏弹区的判定确定应变率（图1a），然后在此应变率下，在0.1～10 Hz频率范围进行频率扫描，获得储能模量G、损耗模量G（图1b）和损耗角正切tanδ（图1c）的动态频谱曲线，以探讨温度对香梨果肉组织动态黏弹力学特性的影响。G表示果肉的弹性；G表示果肉的黏性，可说明果肉冲击变形过程能量的储存和损耗，直接反应果品抗冲击损伤性能；tanδ反映果肉总体的黏弹特性。在0.1～10Hz的扫描范围内，三者均没有明显的变化；G在任意频率下均高于G，tanδ均小于0.1，这说明香梨果肉的弹性特征具有主导性。随着储藏温度的提高，G和G同时呈现下降的趋势，说明香梨果肉在-2oC时较脆硬，在30℃时则较软，一方面是因为30oC是香梨呼吸跃变的关键温度，纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性上升，使细胞壁发生酶解，可溶性果胶含量增加，果肉软化；另一方面-2℃是香梨组织水的冰点温度，细胞液形成冰晶，细胞收缩，造成细胞壁的刚度增大。选择此文献的原因有三：第一，文献探索内容和生活贴切，以此为切入点可以最大程度提高学生学习的积极性；第二，高分子物理知识的应用不仅仅局限于学生的现有认知领域，多个学科如食品学、制药学、应用化学等领域都可应用；第三，使学生对确定线性黏弹区方法和必要性有更为直观的认识。

接着，笔者带领学生学习如何通过动态黏弹性的温度扫描谱图确定聚合物的玻璃化转变温度。玻璃化转变温度是高分子材料的一个重要特性参数，是高分子物理课程学习的主要内容之一。当频率固定时，可以得到G、G和tanδ对温度作图的三条曲线，聚合物的玻璃化温度恰恰可以通过从tanδ-T谱图上最大的峰值确定[5]。以梳形支化聚苯乙烯（PS）聚合物为例6，在确定线性黏弹区后测量温度谱，如图2所示。随着温度的升高，G-T和tanδ-T曲线都依次经历了具有不同黏弹行为的区域：玻璃态区、玻璃橡胶转变区、橡胶平台区以及末端黏流区。梳形支化聚合物（C系列）具有和线型聚合物（L-PS-1）形状类似的G-T和tanδ-T曲线，但是梳形支化聚合物具有较高的储能模量。梳形支化PS的Tg高于线型PS，而且在支链长度一定的情况下，随着支化密度的增加，Tg逐渐升高，这是由于梳形支化的分子线团内部链段密度比较大，排列堆砌比较紧密，链段所处的有限空间环境给链段运动带来了一定的阻碍。虽然支链链段的运动能力较强，可以贡献较多的自由体积，但是支化链的阻碍作用对主链运动的限制占主导地位，导致梳形支化PS的玻璃化温度高于线型PS。

4 对本科学生开展专题讲座教学的体会

在对本科学生高分子物理课程开展专题讲座教学的过程中我们体会到，部分学生对专题讲座的认识程度不够深刻，停留在“短暂记忆”应付考试的层次，所以在课堂上的参与程度不够。为了尽量避免这种情况，教师必须认真做好教学铺垫工作，让学生建立“学以致用”的正确心态，循循善诱。专题讲座教学的时间不宜过长，一般在0.5-1学时为宜；文献不宜过多，选择和知识点紧密相关的2-3篇即可，这样既保证了在有限的学时内将知识传授给学生，又保证了学生对重点、难点内容的理解和掌握。

在专题讲座教学的实施中，首先应该选择和生活密切相关的问题或者文献来激发学生的兴趣点，最终“浅入深出”地探讨理论知识在科学研究中的具体应用，这样可促使学生深入理解學习高分子物理理论知识的目的，并初步掌握在科研过程中实验仪器的运用以及数据结果的分析，对培养学生灵活运用知识的能力和提高科研兴趣有着积极作用。

【参考文献】

[1]何曼君，张红东，陈维孝，董西侠.高分子物理，复旦大学出版社，上海，2007.

[2]董文明，李凌飞，唐卿雁and高斌.教育教学论坛，2012， 90-91.

[3]焦明立，曹健，秦琦，曲良俊，裴海燕and张旺玺.广东化工，2014，254-255.

[4]吴杰，葛云，王虎挺and李凡.石河子大学学报（自然科学版），2010，781-784.

[5]励杭泉，张晨，张帆.高分子物理，中国轻工业出版社，北京，2009.

[6]蒋姗，徐晓梅，王美玉，朱梦冰，王克敏and俞强.高分子材料科学与工程，2016，63-67.