《高分子流變學(xué)》教學(xué)方法的探討

左丹英，黃年華，劉曉洪，劉洪濤

（武漢紡織大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，湖北 武漢 430073）

《高分子流變學(xué)》教學(xué)方法的探討

左丹英，黃年華，劉曉洪，劉洪濤

（武漢紡織大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，湖北 武漢 430073）

高分子流變學(xué)是一門介于力學(xué)、化學(xué)、物理與工程科學(xué)之間的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，是研究聚合物流動(dòng)過程中所發(fā)生的應(yīng)力與速率變化機(jī)制和機(jī)理的學(xué)科，是聚合物加工工藝的理論基礎(chǔ)。本文根據(jù)我校實(shí)際的情況和高分子專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，探討了高分子流變學(xué)本科教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)安排，并對(duì)教學(xué)過程中采用的教學(xué)方法和手段進(jìn)行了探討。

高分子流變學(xué)；本科教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

高分子流變學(xué)作為高分子物理的補(bǔ)充和高分子成型加工原理與工藝的理論基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)高分子材料加工成型及控制的人才過程中占有重要的地位。因此國(guó)內(nèi)不少工程應(yīng)用型高校逐漸在高分子材料和化學(xué)化工專業(yè)開設(shè)高分子流變學(xué)。希望通過此課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生及早認(rèn)識(shí)高分子材料流動(dòng)與變形的本質(zhì)，建立各種成型加工方法的理論基礎(chǔ)，掌握測(cè)量和研究高分子材料流變性的基本實(shí)驗(yàn)方法和手段，為高分子材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 改性、生產(chǎn)及加工打好基礎(chǔ)[1]。然而，本課程屬一門多學(xué)科交叉，理論性與實(shí)踐性均很強(qiáng)的新興學(xué)科，其學(xué)科發(fā)展較緩慢，且開設(shè)此課程時(shí)間不長(zhǎng)，因此，國(guó)內(nèi)目前尚無統(tǒng)一大綱和教材，很少有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。為使學(xué)生能夠盡快將所學(xué)用于指導(dǎo)科研和生產(chǎn)，高分子流變學(xué)的本科教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計(jì)是首要考慮的問題。根據(jù)作者對(duì)本課程的教學(xué)實(shí)踐，作者有以下一些體會(huì)和想法。

一、收集資料，選擇合適的教材

對(duì)于高分子流變學(xué)，教材的選擇是非常重要的，這主要是由于流變學(xué)這門課程的教材的建設(shè)相對(duì)滯后。目前國(guó)內(nèi)的教材比較少，近幾年主要有以下一些，顧國(guó)芳、浦鴻汀編著的《聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)》[2]；吳其曄主編的《高分子材料流變學(xué)》[3]；徐佩弦編著的《高聚物流變學(xué)及其應(yīng)用》[4]；林師沛主編的《塑料加工流變學(xué)及其應(yīng)用》[5]。這些教材在教學(xué)內(nèi)容選取和講解上都有一定的特點(diǎn)和針對(duì)性，《高分子材料流變學(xué)》和《高聚物流變學(xué)及其應(yīng)用》涵蓋高分子結(jié)構(gòu)流變學(xué)、高分子加工流變學(xué)、流變測(cè)量學(xué)三方面內(nèi)容，在張量代數(shù)、微分、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)概念的基礎(chǔ)上，對(duì)流變測(cè)量學(xué)、典型本構(gòu)方程以及分子理論等流變學(xué)核心內(nèi)容進(jìn)行了介紹，起點(diǎn)高，內(nèi)容難，對(duì)學(xué)生高等數(shù)學(xué)的要求很高，適宜研究生水平的教學(xué)?！端芰霞庸ち髯儗W(xué)及其應(yīng)用》 是論述聚合物熔體流變學(xué)原理及其在塑料加工過程中的應(yīng)用，作為專業(yè)基礎(chǔ)課來說略顯狹窄?！毒酆衔锪髯儗W(xué)基礎(chǔ)》介紹了聚合物材料各種不同的流變行為，較完整、系統(tǒng)地闡述了聚合物流變學(xué)的概念、理論和實(shí)驗(yàn)方法等。內(nèi)容難易適中，結(jié)構(gòu)層次分明，由淺入深，十分適合非力學(xué)類工程專業(yè)的本科生作為聚合物流變學(xué)的入門教材。結(jié)合本校高分子材料專業(yè)的課程設(shè)置和學(xué)生的特點(diǎn)，我們選用顧國(guó)芳、浦鴻汀編著的《聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)》為教材。

二、認(rèn)真?zhèn)湔n，收集相關(guān)知識(shí)點(diǎn)資料

古人云：“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢?！闭n堂教學(xué)作為整個(gè)教學(xué)過程的中心環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的科學(xué)性和連續(xù)性，事前必須作充分的準(zhǔn)備，否則就不能取得理想的效果。因此備課是重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，亦是教師提高知識(shí)水平和教學(xué)能力、總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的過程。所以這需教師花費(fèi)大量的時(shí)間在備課上，通過一次次資料收集，一遍遍鉆研教材、確定教法，對(duì)照課程學(xué)習(xí)要求，對(duì)教材進(jìn)行補(bǔ)充，找出重點(diǎn)、難點(diǎn)，將各知識(shí)點(diǎn)按重要程度排列，進(jìn)而組織安排上課的思路，確定精講和簡(jiǎn)講。例如，《聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)》教材中沒有關(guān)于流變學(xué)的歷史和發(fā)展的介紹，因此我們查閱了一些文獻(xiàn)，在緒論中加入了高分子流變學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了流變學(xué)的奠基人賓漢和雷諾。又例如，第二章線性彈性中，關(guān)于線性彈性的特點(diǎn)、彈性常數(shù)采用精講，而線性彈性力的熱力學(xué)分析考慮到在高分子物理中進(jìn)行過詳細(xì)的講解，這里只采用簡(jiǎn)講。關(guān)于教學(xué)內(nèi)容的安排下面還要進(jìn)行詳細(xì)的分析。

三、合理進(jìn)行課程設(shè)置與安排教學(xué)內(nèi)容

（一）根據(jù)培養(yǎng)大綱合理進(jìn)行高分子流變學(xué)課程設(shè)置

武漢紡織大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)的課程設(shè)置是根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況和學(xué)生的特點(diǎn)制定的，在一、二年級(jí)開設(shè)全校性公選課及學(xué)科平臺(tái)課，三年級(jí)開始開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)課程及選修課程，即高分子化學(xué)、高分子物理、聚合物合成工藝、聚合物成型加工原理、聚合物研究方法等，大四第一學(xué)期，也就是大學(xué)的第七學(xué)期，開設(shè)高分子流變學(xué)、高分子成型工藝、復(fù)合材料與聚合物改性課程。這樣的課程設(shè)置，主要考慮到高分子流變學(xué)是高分子物理的延伸，是高分子加工的基礎(chǔ)，因此大三開設(shè)了高分子物理，接著開設(shè)高分子流變學(xué)和高分子成型加工。考慮到大四第一學(xué)期很多學(xué)生考研，因此，高分子流變學(xué)每周學(xué)時(shí)為4學(xué)時(shí)，開設(shè)8周，共32學(xué)時(shí)。第9和10周為高分子材料加工綜合實(shí)驗(yàn)，其中包括了高分子流變學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（二）合理安排教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)

在實(shí)際的教學(xué)中，根據(jù)大綱要求、教材的內(nèi)容和學(xué)生的特點(diǎn)，制定以下教學(xué)內(nèi)容。了解或熟悉的內(nèi)容是非重點(diǎn)，只需要簡(jiǎn)講，而掌握或重點(diǎn)掌握是重點(diǎn)或難點(diǎn)，需要精講。

緒論部分（2學(xué)時(shí)），掌握聚合物流變學(xué)的基本概念、內(nèi)容和意義。重點(diǎn)掌握聚合物流變行為的特點(diǎn)，了解聚合物的力學(xué)狀態(tài)和一些奇異的流變行為。

第一章流變學(xué)的基本概念（2學(xué)時(shí)），掌握流變學(xué)研究（三種簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)：拉伸、壓縮與剪切）的基本物理量：應(yīng)力與應(yīng)變、彈性模量、柔量、剪切速率和速度梯度，了解張量的意義及應(yīng)力、 應(yīng)變、 應(yīng)變速率的張量表示。

第二章線性彈性（4學(xué)時(shí)），掌握線性彈性形變的特點(diǎn)；掌握拉伸、壓縮和剪切實(shí)驗(yàn)中胡克定律的基本形式與彈性常數(shù)，掌握影響彈性模量的因素；了解線性彈性力的熱力學(xué)分析，并牢記彈性力是由內(nèi)能的變化引起的。

第三章線性粘性流動(dòng)（6學(xué)時(shí)）；掌握牛頓流動(dòng)定律的基本方程及其應(yīng)用；掌握線性粘性流動(dòng)形變的特點(diǎn)；了解幾種測(cè)粘度的流動(dòng)行為；熟悉用外推法和一點(diǎn)法計(jì)算聚合物溶液的特性粘數(shù)和分子量；了解聚合物熔體的粘度與分子量的依賴關(guān)系；各種流動(dòng)方式的粘度測(cè)定是本章的重點(diǎn)；

第四章非線性彈性-橡膠彈性（4學(xué)時(shí)），掌握橡膠彈性的特點(diǎn)；了解唯象理論的 Mooney-Rivlin公式，掌握推導(dǎo)出拉伸、剪切和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的具體表達(dá)式；掌握橡膠彈性的本質(zhì)熵彈性；了解橡膠彈性理論的統(tǒng)計(jì)方程和網(wǎng)鏈數(shù)、網(wǎng)鏈分子量的概念；并會(huì)計(jì)算。

第五章非牛頓流體（6學(xué)時(shí)），熟練掌握幾種非牛頓流體的類型及特點(diǎn)；掌握流變函數(shù)；掌握真實(shí)剪切速率與表觀剪切速率關(guān)系的修正公式；了解聚合物流體流動(dòng)曲線及流動(dòng)機(jī)理；掌握各參數(shù)（包括加工條件和分子結(jié)構(gòu)參數(shù)）對(duì)聚合物熔體剪切粘度的影響規(guī)律；了解由于聚合物彈性所出現(xiàn)的與彈性有關(guān)的幾個(gè)現(xiàn)象。

第六章 線性粘彈性（8學(xué)時(shí)），掌握靜態(tài)粘彈性（蠕變、應(yīng)力松弛）和動(dòng)態(tài)粘彈性（滯后和內(nèi)耗）的概念；掌握Boltzmann疊加原理的定義及其應(yīng)用；掌握粘彈性的力學(xué)模型；熟悉高分子粘彈性的表征；了解動(dòng)態(tài)粘彈性力學(xué)實(shí)驗(yàn)中粘彈性材料模量組成；熟悉時(shí)溫等效原理及應(yīng)用。

第七章聚合物的斷裂和強(qiáng)度（2學(xué)時(shí)）；熟練掌握聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線；熟悉屈服現(xiàn)象和判斷機(jī)理；了解銀紋的產(chǎn)生；了解斷裂的Griffith理論和分子理論。

以上教學(xué)內(nèi)容的安排是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，比如先讓學(xué)生學(xué)習(xí)線性彈性與線性粘性，然后學(xué)習(xí)非線性彈性與非線性粘性，最后學(xué)習(xí)較為難理解的粘彈性。通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行以上的安排，突出了教學(xué)重點(diǎn)，使得學(xué)生們?cè)诰唧w的學(xué)習(xí)中，目標(biāo)十分明確，學(xué)習(xí)效果很好。

四、采用多種教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)

（一）采用多媒體教學(xué)

教師無法強(qiáng)迫學(xué)生學(xué)習(xí)，只能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)，在教學(xué)過程中起引導(dǎo)作用。多媒體可以包含圖象、聲音、動(dòng)畫，使原本枯燥的知識(shí)變得生動(dòng)有趣，促進(jìn)學(xué)生開展記憶、思考、探討等活動(dòng)，學(xué)生在上課的時(shí)候更能集中精力聽課，極大地提高了課堂效率。并且在課間的時(shí)候，教師可以將一些與學(xué)習(xí)有關(guān)的比較有趣的資料放給學(xué)生們看，寓教娛樂為一體，既豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容又能提高大家的學(xué)習(xí)樂趣。另外，在高分子流變學(xué)教學(xué)中，也涉及到很多繁雜的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，僅靠“黑板＋粉筆”的教學(xué)手段授課，教學(xué)效率較低。利用多媒體教學(xué)，可以加大信息量，減少板書量，在有限的課時(shí)內(nèi)講授更多知識(shí)。

（二）理論聯(lián)系實(shí)際

高分子流變學(xué)是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的交叉學(xué)科，理論知識(shí)比較晦澀，必須與實(shí)際結(jié)合才能學(xué)得深化和牢固，引起學(xué)生的興趣。將理論知識(shí)寓于合適的實(shí)際背景中進(jìn)行講授，效果明顯。例如，在講到非牛頓流體的中觸變性流體和反觸變性流體時(shí)，通過給同學(xué)們舉了紅軍長(zhǎng)征過草地的時(shí)候所經(jīng)過的沼澤地就是觸變性流體的典型例子激發(fā)了同學(xué)們的注意力。如果人掉進(jìn)沼澤地，人越掙扎，相當(dāng)于給流體持續(xù)的剪切速率，這樣沼澤地的粘度下降得越厲害，人陷得就越快。同樣在和面的時(shí)候，用筷子纏住面旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)得快，阻力越大，這是反觸變性流體的特點(diǎn)。還有當(dāng)水田土壤在機(jī)械作用下受到不斷擾動(dòng)后，結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，強(qiáng)度逐漸下降，變得較稀而較易流動(dòng)；當(dāng)停止機(jī)械作用的擾動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間，它又能逐漸恢復(fù)原狀。

（三）進(jìn)行專題講座

為了加深學(xué)生對(duì)高分子流變學(xué)原理以及實(shí)驗(yàn)儀器的運(yùn)用，在教學(xué)過程中，在一些重要章節(jié)加入專題報(bào)告，例如，在學(xué)習(xí)完非牛頓流體一章之后，給學(xué)生做了專題報(bào)告“聚偏氟乙烯的流變特性”，報(bào)告介紹了分子量、溫度和剪切速率對(duì)聚偏氟乙烯熔體剪切粘度的影響，并且計(jì)算了聚偏氟乙烯的非粘度指數(shù)和粘流活化能，從分子結(jié)構(gòu)對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行了分析。在學(xué)習(xí)完線性粘彈性之后，給學(xué)生作了“聚氨酯/聚乳酸共混膜動(dòng)態(tài)粘彈性研究”的專題報(bào)告，分析了共混比例對(duì)共混膜儲(chǔ)能模量、耗能模量和內(nèi)耗角的影響。通過作報(bào)告，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)高分子流變學(xué)的目的和解決問題的思路，了解實(shí)驗(yàn)過程中流變實(shí)驗(yàn)儀器的運(yùn)用以及數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，這一方面讓學(xué)生覺得這門課的研究?jī)?nèi)容很有實(shí)際意義，引起學(xué)習(xí)的興趣，另一方面，這為他們以后在科研或工作中應(yīng)用流變學(xué)解決實(shí)際問題打下了基礎(chǔ)。

（四）開設(shè)實(shí)驗(yàn)課

為了加深學(xué)生對(duì)流變學(xué)理論以及流變學(xué)對(duì)實(shí)際科研和生產(chǎn)的指導(dǎo)作用的理解，在教學(xué)過程中配合開設(shè)實(shí)驗(yàn)課。包括有聚合物熔體速率的測(cè)定、聚合物溶液粘度的測(cè)定（旋轉(zhuǎn)流變儀）和聚合物熔體剪切粘度的測(cè)定（毛細(xì)管流變儀）、聚合物雙螺桿擠出成型等。通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解高分子流動(dòng)的基本原理，熟悉流變儀器的構(gòu)造和使用、高分子流變參量間關(guān)系及各種因素對(duì)流變性能的影響，訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行生產(chǎn)和科研的思路、方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析和解決問題能力。另一方面，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生看到了高分子流體流動(dòng)的一些奇異現(xiàn)象，這也提高了他們學(xué)習(xí)這門課程的興趣。

五、結(jié)語

隨著高分子材料科學(xué)的飛速發(fā)展，對(duì)高分子專業(yè)的畢業(yè)生也提出了新的要求，因此，高分子流變學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也需要改進(jìn)和完善。作為參加高分子流變學(xué)課程教學(xué)的教師，應(yīng)從備課、上課、課后等方面進(jìn)行總結(jié)和思考，完善每一個(gè)環(huán)節(jié)，使得教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法手段更加合理，而且要不斷提高自身素質(zhì)，這樣才能逐漸成長(zhǎng)為一名合格的專業(yè)教師。

[1] 吳其曄．跟蹤高分子學(xué)科發(fā)展前沿，建設(shè)高分子物理國(guó)家精品課程[J]．高分子通報(bào)，2008，（6）：52-55．

[2] 顧國(guó)芳，浦鴻汀．聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000．

[3] 吳其曄．高分子材料流變學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[4] 徐佩弦．高聚物流變學(xué)及其應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[5] 林師沛，趙洪，劉芳．塑料加工流變學(xué)及其應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008．

Discussion on Polymer Rheology Teaching

ZUO Dan-ying, HUANG Nian-hua, LIU Xiao-hong, LIU Hong-tao
（College of Textile and Material, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China）

Polymer rheology is an interdisciplinary new discipline from mechanical, chemical, physical and engineering sciences. Polymer rheology studies the change mechanism of stress and rate during the polymer flow, and it is the theoretical basis of polymer processing.Based on the actual situation of our school and student characteristics of polymer specialty, undergraduate teaching content and teaching arrangements for the polymer rheology are discussed, and the teaching methods in the course are also discussed.

Polymer Rheology; Undergraduate Teaching; Teaching Content; Teaching Method

G642.0

A

1009－5160(2011)02－0079－03

左丹英（1976-），女，博士，副教授，研究方向：高分子材料及其教學(xué).

武漢紡織大學(xué)教研項(xiàng)目（2009006）.