形象化教學(xué)方法在構(gòu)象概念等高分子物理教學(xué)中的應(yīng)用

孫鵬飛 范曲立

[摘 要] 高分子物理的教學(xué)過程有眾多的晦澀概念，其中高分子鏈的構(gòu)象是貫穿整個(gè)高分子物理知識(shí)體系的一條主線，然而構(gòu)象的理解較為困難?；诙嗄甑慕虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生作為高分子鏈中的鏈段，形象化的講述高分子物理的構(gòu)象概念，并通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解高分子中構(gòu)象的異同點(diǎn)。按照構(gòu)象的教學(xué)主線，介紹形象化教學(xué)的實(shí)施過程以及如何加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

[關(guān)鍵詞] 高分子鏈;構(gòu)象;形象化教學(xué);主觀能動(dòng)性

高分子物理課程是高分子專業(yè)及相關(guān)材料專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)聚合物共混改性、高分子成型加工等高分子專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)，也是學(xué)生從事高分子工作及研究的理論來源。高分子物理課程抽象概念較多且較難理解，單純依靠老師的講解往往不能取得滿意的教學(xué)結(jié)果。[1-3]如何改變傳統(tǒng)的“填鴨式”枯燥的教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，讓學(xué)生能夠快速且形象化的理解高分子物理的知識(shí)體系，值得每位從事高分子物理教學(xué)人員思考。

一、形象化教學(xué)的提出

筆者注意到，高分子材料或者性能相對(duì)于小分子的最大區(qū)別就是其分子鏈較長(zhǎng)。高分子所具有的眾多優(yōu)越性能，如高彈性、粘彈性、使用的廣譜性均來源于高分子鏈的長(zhǎng)度。[4，5]同時(shí)，在教學(xué)過程中一般都是以一個(gè)專業(yè)為單位進(jìn)行教學(xué)，專業(yè)往往又由幾個(gè)班級(jí)組成，而每個(gè)班級(jí)又來源于各個(gè)宿舍，而宿舍又由學(xué)生組成。那么上課基本單位專業(yè)就可以和高分子鏈的結(jié)構(gòu)能夠?qū)?yīng)，可以講每個(gè)班級(jí)就是一條高分子鏈，每個(gè)宿舍可以對(duì)應(yīng)于高分子的鏈段，而每個(gè)同學(xué)就對(duì)應(yīng)于高分子鏈的重復(fù)單元?；诖?，筆者利用專業(yè)和高分子鏈的相似性，提出形象化的教學(xué)方法。在進(jìn)行課程教學(xué)之前先讓上課的同學(xué)作為一條條的高分子鏈或者高分子鏈段做形象化的實(shí)驗(yàn)，然后再進(jìn)行課程的講解。這種方法加深了學(xué)生對(duì)高分子基本概念的理解，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

下面作者將對(duì)該教學(xué)方法在構(gòu)象概念等高分子物理課程進(jìn)行中的實(shí)施做簡(jiǎn)單介紹及總結(jié)。

二、高分子鏈的構(gòu)象概念

構(gòu)象概念來源于有機(jī)化學(xué)，是指碳-碳單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)造成空間電子云的分布發(fā)生變化。在高分子物理中，構(gòu)型與構(gòu)象概念同出現(xiàn)在高分子的近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)中。如果單純的利用書本知識(shí)對(duì)學(xué)生講解兩個(gè)概念，對(duì)于學(xué)生來說難以理解。作者在教學(xué)過程中，選取一個(gè)宿舍的7～8位同學(xué)，讓同學(xué)站成一排，當(dāng)每位同學(xué)的位置是前后固定的時(shí)候就表現(xiàn)出構(gòu)型。而當(dāng)一個(gè)宿舍的同學(xué)按照一定的順序排成一排，在手牽手的前提下可以自由運(yùn)動(dòng)的時(shí)候表現(xiàn)出來的就是構(gòu)象的概念。當(dāng)同學(xué)固定位置的時(shí)候前后順序是固定的，從這個(gè)角度說就是構(gòu)型。當(dāng)前后固定位置的同學(xué)在教室來回走動(dòng)，在保持前后順序不變的前提下，讓學(xué)生的隊(duì)伍擺成各種形式，可以是直直的，可以首尾相連，還可以擺成S型，這樣構(gòu)象就發(fā)生變化有了區(qū)別，但是構(gòu)型不變。這樣學(xué)生就很容易理解構(gòu)象和構(gòu)型的區(qū)別。

三、不同狀態(tài)中高分子鏈構(gòu)象的區(qū)別

高分子鏈在不同的狀態(tài)下，如溶液、結(jié)晶和無定型態(tài)下具有不同的構(gòu)象。在良溶液中高分子鏈以無規(guī)線團(tuán)的形式存在，在結(jié)晶中高分子鏈的構(gòu)象又變成了鋸齒鏈或者螺旋鏈，而在無定型的玻璃態(tài)下高分子鏈的構(gòu)象則是無規(guī)線團(tuán)。為了讓學(xué)生對(duì)這些區(qū)別有形象的認(rèn)識(shí)，筆者在教學(xué)過程中采用了同學(xué)參與的形象化教學(xué)模型。讓10個(gè)同學(xué)先在一起隨意排列成類似面條的狀態(tài)然后再前后手牽手，這就表現(xiàn)出無規(guī)線團(tuán)的狀態(tài)。在高分子的結(jié)晶中不同的分子鏈結(jié)構(gòu)形成結(jié)晶時(shí)的構(gòu)象也有差別，如側(cè)基比較小的聚乙烯形成鋸齒狀構(gòu)象，而側(cè)基比較大的聚丙烯由于甲基側(cè)基的排斥作用則形成螺旋鏈構(gòu)象。在這里，可以先讓幾個(gè)身材比較瘦小的同學(xué)以一定的距離排列，由于體態(tài)較小排成了鋸齒狀構(gòu)象，再選幾個(gè)身材比較胖的同學(xué)排列，由于體態(tài)較大，同學(xué)之間的排斥大，在小空間內(nèi)同學(xué)無法同時(shí)站立，這樣讓學(xué)生改變位置形成大家都比較舒服但總能量不是最低的螺旋鏈構(gòu)象。

四、高分子溶液中分子鏈的構(gòu)象排列

在高分子溶液部分講述通過Flory-Huggins晶格模型推導(dǎo)高分子溶液的混合熵時(shí)，需要將高分子的鏈段排入到晶格模型中。為了讓學(xué)生能夠形象化的見到鏈段在晶格模型中的排列，作者在教學(xué)過程中將每個(gè)學(xué)生比作鏈段，讓一個(gè)宿舍的同學(xué)手牽手組成一條高分子鏈，將教室的座位比作晶格模型，讓宿舍的每個(gè)同學(xué)一次按照Flory-Huggins晶格模型理論坐到相應(yīng)的位置。這樣學(xué)生就能非常形象化的理解，一條高分子鏈引起的熱力學(xué)的變化要大于相同數(shù)目的小分子，同時(shí)又小于同數(shù)目鏈段的熱力學(xué)。學(xué)生在真實(shí)位置排列中是能夠真實(shí)的感受鏈段直接的相互牽扯，從而對(duì)Flory-Huggins晶格模型的理解更為真實(shí)有效。

五、凝膠滲透色譜測(cè)試高分子的分子量

在凝膠滲透色譜（GPC）測(cè)試高分子的分子量時(shí)，需要讓學(xué)生理解GPC的測(cè)試原理是基于高分子在溶液中的體積來進(jìn)行的，大分子量的高分子認(rèn)為在柱子中走過的路程短流出體積小，小分子量的高分子則走過的路程長(zhǎng)流出體積大。除了利用書本的GPC原理示意圖外，筆者在本部分教學(xué)時(shí)選擇了高矮胖瘦不等的同學(xué)，讓大家在教室排好的座位中穿梭，穿梭過程中學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)很多較小的空間胖一點(diǎn)的同學(xué)無法穿過，而瘦小的同學(xué)則可以穿過，從而理解了高分子鏈體積的大小和GPC路程以及流程體積的關(guān)系。

總之，在高分子物理的教學(xué)過程中，對(duì)于分子鏈的構(gòu)象、粘彈性等眾多繁雜的物理概念和模型單純通過講解不易取得良好的教學(xué)效果。利用形象化教學(xué)模式，將學(xué)生作為教學(xué)的主體融入到教學(xué)過程中有利于提高學(xué)生的積極性，較為輕松的讓學(xué)生對(duì)晦澀的概念容易理解。在高分子物理的教學(xué)過程應(yīng)更為注重概念的理解，而不是概念和定義的死記硬背?？梢宰寣W(xué)生從書本中走出來，又通過自身的實(shí)驗(yàn)走入書本。

參考文獻(xiàn)

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