关于如何教好《高分子物理》绪论的一些思考和探讨*

2022-10-08赵吴樊江学良

广州化工 2022年17期

喻鹏，赵吴樊，张钰，姚楚，游峰，江学良

(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430205)

高分子物理知识体系形成于20世纪50年代。它与高分子化学和聚合物工程一起，构成了高分子材料和工程的三个基本分支。高分子物理课程是在高分子材料、高分子成型等课程的基础上同时建立起来的，是高校高分子材料科学与工程专业最重要的专业基础课程之一。高分子物理是研究高分子的结构、性能及其相互关系的学科，其涵盖了物理化学、有机化学、高分子化学、固体物理、材料的分析测试方法、材料力学、数学、高聚物合成工艺学等多学科的知识。本课程的教学任务是向学生传授高分子结构和性能的基本理论知识，介绍高分子研究方法，高分子物理的学习将为高分子专业学生后续课程的进行、高分子研究的从事和高分子材料生产奠定基础。而绪论课对该门课程有着“抛砖引玉”的重要作用。一节好的绪论课，不仅可对课程的学习起到引导作用，还可培养学生的学习兴趣、提高学生的专业素养。教师应该将绪论课提高到“战略”的高度。笔者根据自己的教学经验和体会，对《高分子物理》的绪论教学提出一些教学建议，期待能给读者一些启发。

1 塑造良好教师形象和营造轻松的课堂气氛

学生在第一次见到教师，往往会根据其仪表、谈吐、衣着等信息形成“第一印象”[1]，因此，在高分子物理的第一次绪论课上，教师尤其要注意塑造良好的教师形象。教师形象的好坏对学生价值观的树立和审美观的形成有着重要的影响。教师尤其要注意自身的形象，注重仪表仪态和言行，讲究仪表干净整洁、仪态大方、言行端庄，做到以身立教。良好的教师形象不仅是礼仪问题，也是教师的职业素养问题。教师形象塑造是教师专业成长的重要组成部分，是体现教师人格、影响教育教学质量的重要因素。教师要做到严谨、自然、富有激情。同时，教师和学生之间要有亲和效应，教师要特别注意不要有过激的言论和行为。此外，在绪论课上，教师不必在意教学内容的多少，而要注重营造轻松的课堂氛围，给学生留下一种友好、自然和受人尊重的印象。

2 认真准备授课内容，增加教学的时代气息

开学第一节《高分子物理》的绪论课，应提前5～10 min走进教室，检查电脑、网络、激光笔、多媒体、扬声器等教学设施。除此之外，更要在课前做好备课，如果没有充分准备，教学工作难以达到预期效果。要上好高分子物理这门课，就要认认真真备课，以学生为中心，围绕学生在学习过程中遇到的问题进行备课。教学目标的制定要明确并且内容选择要合理，绪论部分计划用时为2学时。如图1所示，在讲到相关部分时，尤其要精心准备，教师可将一些高分子科学的前沿、热点事件适度地引入到绪论课中，以增加课堂的时代气息。

图1 绪论课的基本内容(a),课程考核(b),塑料发展简史(c)

例如在讲到高分子与诺奖时，诺奖中有7次颁发给了10位直接或间接对高分子科学发展做出巨大贡献的科学家。在介绍诺奖成果Ziegler-Natta催化剂时，可以以在新冠疫情中发挥重要作用的“医用口罩主要材料”——超细聚丙烯纤维熔喷材料为切入点，介绍Ziegler-Natta催化剂对聚烯烃材料的推动作用以及其对人类社会的贡献。又如日本科学家白川英树(Hideki Shirakawa)、美国科学家马克迪尔米德(Alan MacDiarmid)与艾伦黑格(Alan Heeger)的研究使得共轭聚合物进入导电材料领域。聚合物的导电性大放异彩，其在柔性光伏组件、抗静电涂料、植入式生物电子学、生物化学传感器、有机发光板、光催化、太空探索等领域具有巨大的应用潜力，是当前重要的研究热点之一。近期，美国普渡大学的科研人员在《Science》报道了一种由多晶共轭聚合物和一种高玻璃化转变温度的绝缘聚合物组成的高分子复合材料[2]，该材料所制备的晶体管在220 ℃的温度下仍可保持稳定的性能，这可有效拓展有机电子器件在极端温度工作环境(如飞机引擎、航空航天、钻井等苛刻环境)下的应用。教师用简洁生动的语言介绍这类顶级研究成果时，可有效地吸引学生的注意力和活跃课堂气氛。

又如在讲到高分子的发展与展望时，教师应该紧跟时代发展前沿，及时将高分子的发展的新动态传授给学生。例如当今石化资源日益枯竭、环保问题日趋严重，在“双碳”战略目标下，国家大力支持生物基绿色高分子复合材料的发展，图2为常见的生物基聚合物复合材料，将其替代(或部分替代)石油基高分子材料，既是改善生态环境的重要途径，也是实现能源替代的有效手段，因此具有重要意义。同时大量生物基的科研论文相继发表，例如蹇锡高院士团队以生物质来源的愈创木酚和丁二酸酐为原料合成得到类双酚的含氮芳杂环的生物基单体，以此单体得到的生物基环氧树脂的综合性能比当前应用广泛的石油基双酚A型环氧树脂更加优异[3]，这些前沿动态可使得教学更加与时俱进。当然，教师也要让学生了解我国的高分子物理学科的现状，我国大多数高分子物理学的学者是化学背景，与其他学科的交流相对缺乏，从而对新的物理理论的接受有一定的不足，导致我国高分子物理学的研究水平与国际还有一定的差距。此外，我国尚未在高分子物理方面创造出具有深远影响的重大成果[4]，让学生认识到我国的高分子物理学科任重而道远，正是我们奋起直追的动力。

图2 生物基聚合物复合材料举例[5]

绪论课上在讲到高分子物理的学习方法时，需向学生强调好的方法事半功倍，并向学生讲述高分子物理的学习方法和要求：(1)理解并牢记基本概念，高分子物理的概念复杂较多，例如链段、θ溶剂和松弛等概念，学生需要首先掌握这些基本概念；(2)预习与复习，学生要带着高分子物理里面的问题听课，做到有准备、有针对地听课。课后要加强复习，以防止高物的知识被遗忘；(3)重视实验课程，理论联系实际，生动的实验教学可巩固学生的基础知识、提高动手能力和创新能力，例如通过稀溶液黏度法测定分子量等实验加深学生对聚合物分子量的理解；(4)独立完成课外作业, 这一点十分重要，只有通过认真的完成作业，才能更深刻的理解高分子物理的知识点。在互联网如此发达的今天，教师要向学生强调不能到网上去抄袭答案，切莫自欺欺人；(5)知之为知之，不知为不知, 一定要多想多问。高物里面有很多知识点，例如Flory-Huggins格子模型并不容易被立即理解，学生要勤于思考，切莫不懂装懂。

在讲到高分子物理的考核方法时，高分子物理的平时成绩占40%，期中成绩占10%，期末成绩占50%，考核方法为笔试。教师要对学生强调学习高分子物理的功夫需用在平时，不能临时抱佛脚。此外，鼓励学生对感兴趣的知识点、前沿科学问题要灵活运用课堂所学知识辅以文献检索进行深入探讨，以“大作业”的方式训练沟通和团队协作能力。

3 绪论课的教学方法的谈讨

3.1 融入高分子科学的史料，使得绪论教学变得饶有趣味

高分子科学是一门年轻的学科，将高分子科学史融入到高分子科学的绪论教学中，不仅能让学生了解高分子科学的发展历史，使得课堂变得生动活泼，还能培养学生的科学精神。在讲解“高分子之父——施陶丁格”提出了高分子是由长链大分子构成的观点时，可重点讲解施陶丁格的科学探索精神。施陶丁格原来从事有机化学的研究，在有机化学领域成绩斐然，后来施陶丁格决定离开传统的有机化学领域，转战当时颇具挑战的新兴的高分子科学。施陶丁格本人极具开拓创新的精神，他大胆突破了传统有机化学思维的局限。教师在绪论课中融入高分子科学的史料，穿插讲解高分子学家的生平轶事，让学生学到善于思考和推理，摆脱传统观念的束缚，坚持自己主见，坚持真理，不懈努力是科学家必备的精神。又如在讲到1930-1940年，尼龙刚刚问世时，可讲述尼龙丝袜的受欢迎程度，杜邦公司宣称：“尼龙丝袜像钢一样结实，像蜘蛛丝一样精细”，杜邦公司首次发售尼龙丝袜时，销量惊人，供不应求，二战爆发后，由于尼龙可制备降落伞、尼龙绳等，美国优先保证战争需求，使得市场上的尼龙袜极度紧缺，以至于女性开始流行在腿上画纹路冒充丝袜。再如在讲到高分子材料的应用时，可介绍苹果公司1998年发布的20世纪经典的iMac G3的塑料外壳，这种多彩斑斓的半透明果冻质感的塑料设计非常讨喜，直接把苹果公司从当时的低谷中拯救出来。教师在讲述高分子历史时，应该合理利用高分子的发展历史趣事，这样可使得课堂饶有趣味。

3.2 充分利用现代化的教学资源和软件

互联网技术把大学教育推向了新的发展阶段。互联网在教学模式、师生互动等多方面给大学教育带来了新的契机。网络上有大量的优质教育资源，例如慕课、B站上就有许多华南理工大学、北京化工大学、同济大学等名校名师的高分子物理教学视频，教师对这些触手可及的教学资源的充分使用可显著提高教学效果。在绪论课上，教师应该充分运用多媒体、笔记本电脑、平板电脑、微信以及智慧课堂、优学院等软件来提高师生互动以及教学效果，例如使用优学院客户端上的点名签到功能，可有效提高点名效率。此外教师可借助互联网来增加教学的趣味性和生动性，让学习内容更加直观清晰和直观，例如在讲解从小分子到大分子时，正烷烃同系物随着碳原子数目的增大和分子链的增长和罐装液化气、汽油、柴油、润滑油和润滑脂、石蜡和蜡烛、纸板用胶粘剂或涂料、各种瓶或容器、外科手套、防弹衣等实物形象的关联起来，加深学生对“结构上的改变，使大分子的性能发生了巨大的变化”的理解。此外，笔者认为学生多使用思维导图等软件可使得学生的思维更加有条理、更清晰、更有利于记忆，例如绪论课的思维导图可建议学生课后绘制，以加强教学效果。

3.3 使用对比教学法

对比教学可以将两个相互关联又不同的事物，通过对比分析，来增加深刻的认知。教师可有意识的在《高分子物理》绪论中运用对比教学，例如可通过对比高分子、无机非金属、金属等几类材料的特点，加深学生对高分子材料的理解。金属材料：其包括晶体结构、相结构、显微组织结构及其缺陷，其特点是具有金属光泽、导电性、延展性等，往往可用作结构骨架材料。无机非金属材料：其具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键，例如硅酸盐类，特性包括绝缘性、耐高温、耐低温等，大量用于建筑材料。高分子材料：为链结构、聚集态结构，其主要是共价键、范德华力和氢键相互作用。高分子材料的特点是密度低，耐热性相对较差，耐热温度多在300 ℃以下，其往往有良好的加工性能，应用十分广泛。

图3 常见的高分子及其代号(a),新兴的Vitrimer(b)[7]

又如高分子种类较多，可对比常见的高分子种类的区别和其使用场景(图3a)，讲述常见高分子材料的其代号：1号PET，可用于矿泉水瓶、碳酸饮料瓶。2号HDPE，应用十分广泛，可用于做管材。3号PVC：可用于做管材，当前很少用于包装食品。4号LDPE，可用于做薄膜。5号PP：各种小瓶子，微波炉餐盒以及汽车保险杠。6号PS：发泡后可用于快餐盒。教师在讲解常见的高分子时，还可与新兴的Vitrimer(玻璃聚合物)对比(图3b)，该聚合物是同时具备热塑型和热固型塑料优点的新型高分子材料，其材料内部存在交联的化学键[7]，但在高温下，这种化学键可以发生动态交换，改变高分子网络的拓扑结构，使得玻璃聚合物在高温下仍可以回收重塑，而在低温下具有稳定的机械性能。此外，相比于传统材料，Vitrimer在自修复、形状记忆等领域有着潜在的用途。在绪论课中，通过对比教学，更能提高学生对传统以及新兴高分子材料的认识。

此外，在讲述高分子物理绪论课时，教师不能苍白的进行知识堆砌，教学不是教师的独角戏，要积极开展互动环节，多鼓励学生积极参与讨论，活跃课堂气氛，让学生有参与感，努力的提高教学效果。

3.4 绪论教学融入思政元素

引入课程思政是大学教育改革的重要趋势，《高分子物理》的绪论部分有诸多抛砖引玉、学科背景介绍、历史回顾、未来发展趋势的内容，可当作“思政点”，例如，(1)世界著名高分子科学家华莱士·卡罗瑟斯在聚脂、聚酰胺等高分子材料的开发领域有着卓越的贡献，1936年当选为美国科学院院士，是第一个从工业界选为该院院士的化学家，却因为抑郁症在1937年自杀，可引入思政：“保持乐观开朗的心态的重要性，学生要在生活和学习中建立良好的心态，培养积极向上的人生观、价值观和世界观。”(2)诺奖得主Flory是高分子科学理论的重要开拓者和奠基人之一。Flory在我国改革开放之初两度访华，交流了最新成果，增进了两国科学界的交流与合作，可引入思政：“让思想碰撞和不同层次的学术交流充分发挥，培养学生开放的学术精神。”(3)美国著名的大学排行榜USNews，2021年推出Polymer Science学科排名，国内高分子学科榜上有名，可引入思政：“培养学生对专业的认识，树立科学报国的远大理想信念，成为有担当的栋梁之才。”(4)光刻胶、高性能Kevlar纤维、碳纤维、含氟化合物、聚酰亚胺等高端工业品的生产现状，西方国家在这些高端产品日益增加对中国的高新技术的管控，可引入思政：“树立学生的民族危机感和使命感，明确历史担当和责任。”(5)传统高分子废弃后，难降解，形成白色污染，近年来，国家大力支持生物基高分子的发展，“十四五”国家重点研发计划，生物基、生物降解材料入选，可引入思政：“增强学生的生态文明意识，增强绿色发展理念。”教师在上《高分子物理》绪论时可将思政元素和专业知识有机的结合，激发学生的家国情怀和人文素质的培养，达到全方位育人的目的。