楊文明 聶儀晶

（江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

《高分子物理》是一門新興的學(xué)科，是在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的，是高等工科院校高分子材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心主干課程，是研究高分子結(jié)構(gòu)與性能間關(guān)系的科學(xué)，也是研究聚合物分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[1]。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握聚合物的多層次結(jié)構(gòu)分子運(yùn)動(dòng)及主要物理機(jī)械性能的基本概念理論和研究方法。為高分子設(shè)計(jì)、改性、加工、應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生深入掌握專業(yè)知識(shí)有深遠(yuǎn)影響。然而《高分子物理》概念多、抽象、結(jié)構(gòu)紛繁且性能多變，被視為高分子專業(yè)最難講授和最難學(xué)的專業(yè)課程。不少同學(xué)認(rèn)為，高分子物理理論性強(qiáng)、推導(dǎo)多、在課堂教學(xué)中缺乏學(xué)習(xí)興趣，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中普遍感到無從下手，力不從心[2]。

針對(duì)以上問題對(duì)該課程教學(xué)方法進(jìn)行研究，以增強(qiáng)教學(xué)效果、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革，采用點(diǎn)、面立體教學(xué)模式，讓學(xué)生充分了解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，通過引入多種、全面的教學(xué)方法，讓學(xué)生從整體上了解高分子物理的基本概率和理論知識(shí)。

1 點(diǎn)、面立體教學(xué)模式

以課本上的知識(shí)點(diǎn)中心，發(fā)散到和這個(gè)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的各個(gè)知識(shí)面，采用不同教學(xué)手段相結(jié)合。首先課本上理論講授知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前的科研相關(guān)成果，講解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)建立形象的思維，通過實(shí)體的圖形數(shù)據(jù)深入的理解知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到能夠熟悉掌握并靈活應(yīng)用的效果。

教學(xué)初期讓學(xué)生對(duì)高分子物理這門課程有個(gè)總體的認(rèn)識(shí)，大概理解這個(gè)課程是做什么用，和我們以前學(xué)習(xí)的高分子課程有什么不同，在整個(gè)高分子專業(yè)課程中的地位和重要性。從總體的面上，幫助學(xué)生理順各章節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系，明確課程前后內(nèi)容的邏輯關(guān)系，完善高分子物理知識(shí)體系框架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化高分子結(jié)構(gòu)內(nèi)涵，重視高分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制描述，突出高分子性能與結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系的關(guān)聯(lián)[3]。高分子物理學(xué)的主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)及性能，結(jié)構(gòu)包括高分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；性能包括力學(xué)性能、熱性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能及表面與界面性能等；分子運(yùn)動(dòng)則包括高分子的三種狀態(tài)及松弛轉(zhuǎn)變[4]。授課時(shí)應(yīng)將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容詳細(xì)的講解、推導(dǎo)，讓學(xué)生真正從隨著教學(xué)過程的深入，學(xué)生在基本理解高分子物理的研究?jī)?nèi)容和特點(diǎn)后，需要讓學(xué)生深入理解高分子物理中基本術(shù)語(yǔ)，高分子物理課程中有許多內(nèi)涵相近、相關(guān)或相互對(duì)應(yīng)的術(shù)語(yǔ)。如高分子、大分子，非晶態(tài)、無定形態(tài)，銀紋、裂紋等是內(nèi)涵相近的術(shù)語(yǔ)，構(gòu)造、構(gòu)型、構(gòu)象，高彈性、黏彈性，滯后、力學(xué)損耗、損耗因子，蠕變、應(yīng)力松弛，松弛時(shí)間、推遲時(shí)間，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等是內(nèi)涵相關(guān)的術(shù)語(yǔ)，近程結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)，結(jié)晶態(tài)、非晶態(tài)，動(dòng)態(tài)模量、動(dòng)態(tài)柔量，應(yīng)變軟化、應(yīng)變硬化，有規(guī)立構(gòu)聚合物、無規(guī)立構(gòu)聚合物，取向、解取向等可視為內(nèi)涵相對(duì)的術(shù)語(yǔ)[5]。在高分子物理課程的教學(xué)中，對(duì)眾多基本術(shù)語(yǔ)的深入講解是一個(gè)首要和基本的任務(wù)。對(duì)于這些基本術(shù)語(yǔ)是否理解和掌握，意味著對(duì)有關(guān)基本概念是否理解和掌握，在理解基本概率的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前和這個(gè)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的科研成果，讓學(xué)生能夠真實(shí)的感受這個(gè)知識(shí)點(diǎn)很有用。

在仔細(xì)理解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，將知識(shí)點(diǎn)發(fā)散到各個(gè)面，結(jié)合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)或研究進(jìn)展，全面的介紹和講授的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的研究工作。真正做到能夠即學(xué)即用，達(dá)到事半功倍的效果。

2 實(shí)例講授高分子物理非晶態(tài)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變

2.1 課本知識(shí)點(diǎn)講授

玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，至今還沒有比較完善的理論可以解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)?，F(xiàn)有的玻璃化轉(zhuǎn)變理論包括：自由體積理論、熱力學(xué)理論、動(dòng)力學(xué)理論、模態(tài)耦合理論、固體模型理論等。每一種理論只能解決玻璃化轉(zhuǎn)變中部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，課本中重點(diǎn)討論自由體積理論。

自由體積理論最初由Fox 和Flory 提出來的，主要工作是由Turnbull 和Cohen 完成。自由體積理論認(rèn)為：液體或固體的體積由兩部分組成，一部分是被分子占據(jù)的體積，稱為已占體積；另一部分是未被占據(jù)的體積，稱為自由體積。后者以“空穴”的形式分散于整個(gè)物質(zhì)之中，自由體積的存在為分子鏈通過轉(zhuǎn)動(dòng)和位移調(diào)整構(gòu)象提供可能性。當(dāng)高聚物冷卻時(shí)，自由體積先逐漸減小，到達(dá)某一溫度時(shí)，自由體積達(dá)到最低值，維持不變。此時(shí)，高聚物進(jìn)入玻璃態(tài)。因而高聚物的玻璃態(tài)可視為等自由狀態(tài)[1]。

在玻璃態(tài)下，聚合物溫度隨溫度升高發(fā)生的膨脹，只是由于正常的分子膨脹過程造成的，包括分子振動(dòng)振幅的增加和鍵長(zhǎng)的變化。到玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)，分子熱運(yùn)動(dòng)已具有足夠的能量，而且自由體積也開始解凍而參加到整個(gè)膨脹的過程中去，因而鏈段獲得了足夠的運(yùn)動(dòng)能量和必要自由空間，從凍結(jié)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)。

2.2 玻璃化轉(zhuǎn)變知識(shí)點(diǎn)推導(dǎo)演示

理論知識(shí)點(diǎn)講授之后，需要給學(xué)生推導(dǎo)理論的由來和公式的演算過程，雖然大部分的推導(dǎo)書本上有，但是有些省略的步驟，可能讓學(xué)生不能獨(dú)自的完全推導(dǎo)出來。結(jié)合自由體積理論示意圖推導(dǎo)，可以將Doolittle 方程和WLF 方程做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，然后推導(dǎo)得到自聚合物的自由體積分?jǐn)?shù)等于2.5%，直接在黑板上板書整個(gè)過程，讓學(xué)生能夠體會(huì)到公式是有根據(jù)，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)高分子物理學(xué)中公式的信心，應(yīng)該會(huì)有很好的效果。

實(shí)驗(yàn)中研究玻璃化轉(zhuǎn)變，主要方法是聚合物發(fā)生玻璃化變化時(shí)，測(cè)量發(fā)生急劇變化的物理性能，主要有測(cè)比容、線膨脹系數(shù)、折光率、溶劑在聚合物中的擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、動(dòng)力學(xué)損耗等隨溫度的變化，可以重點(diǎn)講述比較典型的幾類，如圖1、圖2、圖3：

圖1 聚苯乙烯的比容-溫度[1]

圖2 膨脹系數(shù)-溫度[1]

圖3 聚甲基丙烯酸丙酯的折光率-溫度[1]

通過課本上的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生能夠直觀的理解玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的客觀性，加深對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度公式的理解。

2.3 玻璃化轉(zhuǎn)變知識(shí)點(diǎn)發(fā)散到知識(shí)面

結(jié)合當(dāng)前玻璃化轉(zhuǎn)變的研究熱點(diǎn)，將知識(shí)點(diǎn)發(fā)散到面，使學(xué)生更加全面的理解知識(shí)點(diǎn)。近些年來，非晶態(tài)聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變研究的熱點(diǎn)比較多，在給學(xué)生講授的時(shí)候，可以選擇一個(gè)熟悉的研究熱點(diǎn)進(jìn)行講解。如大分子物質(zhì)如聚合物、蛋白質(zhì)分子等受限于納米孔洞的玻璃化轉(zhuǎn)變，Schonhals[6]發(fā)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷(PDMS)受限于2.5～20nm 孔洞中的鏈段運(yùn)動(dòng)性均較本體強(qiáng)，隨著孔徑的減小受限體系的溫度依賴性由VFT 行為轉(zhuǎn)變?yōu)锳rrhenius 行為；Russell[7]等人應(yīng)小角X 射線散射(SAXS)和中子散射的方法發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯鏈(PS)受限于比其本體狀態(tài)鏈尺寸小的氧化鋁孔洞中時(shí)，由于高分鏈之間纏結(jié)的減少，鏈整體的運(yùn)動(dòng)性增強(qiáng)，粘度降低。DSC 實(shí)驗(yàn)表明鏈段運(yùn)動(dòng)的分布變寬，但其運(yùn)動(dòng)性并沒有發(fā)生明顯變化；Richterli[8]等人應(yīng)用中子自旋回波的方法研究了聚二甲基硅氧烷受限于26nmAAO 孔洞中的動(dòng)力學(xué)行為，第一次發(fā)現(xiàn)了在分子受限于納米孔洞，在緊鄰孔壁表面的強(qiáng)吸附層與孔中心本體層之間存在一個(gè)中間相，它的鏈松弛行為受到固定在孔壁上鏈的影響(如圖4 所示)。Kinimicht[9]等人應(yīng)用NMR 的方法研究受限的高分子熔體，發(fā)現(xiàn)高分子熔體即使在比其自身尺度大得多的受限空間中，其tube-reptation 模型算得的有效管徑都小r 本體狀態(tài)，“緊縮效應(yīng)”(corest effect)的概念被用來解釋這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖4 受限于AAO 納米孔洞中高分子鏈的三層模型

教師在講課時(shí)，可以重點(diǎn)講解一個(gè)受限條件下玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變研究成果，讓學(xué)生從目前的科研中感受到學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)很有必要，而且研究的前景十分寬廣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。

3 思考和探索

高分子物理的總體課時(shí)并不多，所以不是所有的章節(jié)都需要采用點(diǎn)、面結(jié)合的教學(xué)方式，需要合理分配教學(xué)課時(shí)，盡量在有限的教學(xué)課時(shí)里，讓學(xué)生充分掌握學(xué)習(xí)知識(shí)的方法，提高興趣。首先使學(xué)生明確學(xué)習(xí)高分子物理的意義，將術(shù)語(yǔ)真正地講透徹，在教學(xué)過程中牢牢地把握住教學(xué)主線，注意方式方法，例如從某個(gè)知識(shí)點(diǎn)強(qiáng)化理論概念，然后立體的發(fā)散到和知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的面，并通過運(yùn)用多種教學(xué)方法，形成一個(gè)知識(shí)的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生牢固掌握高分子物理中的知識(shí)。結(jié)合現(xiàn)有的一些科研熱點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使其主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中來，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。我們主要是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，只有這樣才能提高運(yùn)用知識(shí)的能力，開拓眼界，啟發(fā)思維，使認(rèn)知過程不斷充實(shí)提高，達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

4 體會(huì)

高分子物理是一門難學(xué)難教的課程，作為高分子材料與工程本科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)其它專業(yè)課有深遠(yuǎn)的影響。總之，在高分子物理的教學(xué)過程中，應(yīng)突出重要知識(shí)點(diǎn)的詳細(xì)講解、推導(dǎo)，然后有這個(gè)知識(shí)點(diǎn)發(fā)散到相關(guān)的知識(shí)面，形成以這個(gè)知識(shí)點(diǎn)為中心的空間知識(shí)網(wǎng)，對(duì)學(xué)生牢固的掌握知識(shí)將會(huì)有很大的幫助，提高學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，培養(yǎng)和提高學(xué)生分析、解決問題的能力。但是在講授的過程中，由于受到教學(xué)課時(shí)的限制，需要整體把握，不能對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)面面俱到，需要有篩選的進(jìn)行該方法的教學(xué)。

［1］何曼君，張紅東，陳維孝，等.高分子物理[M].北京：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007.

［2］張煥芝.《高分子物理》課程教學(xué)改革的探索[J].科技信息，2013(17)：177-177.

［3］付文，王麗.高分子物理教學(xué)改革探討[J].化工高等教育，2010，27(5)：69-71.

［4］余若冰，徐世愛，張德震.高分子物理教學(xué)幾點(diǎn)思考和體會(huì)[J].化工高等教育，2014，31(3)：93-95.

［5］侯維敏，詹世平.提高高分子物理課堂教學(xué)效果的實(shí)踐與探索[J].長(zhǎng)春教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30(13).

［6］Dobriyal P.Enhanced mobility of confined polymers[J].Nature Materials，2007，6(12)：961-965.

［7］Krutyeva M，Wischnewski A，Monkenbusch M，et al.Effect of nanoconfinement on polymer dynamics：surface layers and interphases.[J].Physical Review Letters，2013，110(10)：1214-1222.

［8］Schonhals A，Goering H，Schick C，et al.Polymers in nanoconfinement：What can be learned from relaxation and scattering experiments?[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2005，351(33-36)：2668-2677.

［9］Kausik R，Mattea C，Kimmich R，et al.Chain dynamics in mesoscopically confined polymer melts.A field-cycling NMR relaxometry study[J].The European Physical Journal Special Topics，2007，141(1)：235-241.