《高分子流变学》教学方法的探讨

左丹英，黄年华，刘晓洪，刘洪涛

（武汉纺织大学 纺织与材料学院，湖北 武汉 430073）

《高分子流变学》教学方法的探讨

左丹英，黄年华，刘晓洪，刘洪涛

（武汉纺织大学 纺织与材料学院，湖北 武汉 430073）

高分子流变学是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的多学科交叉的新兴学科，是研究聚合物流动过程中所发生的应力与速率变化机制和机理的学科，是聚合物加工工艺的理论基础。本文根据我校实际的情况和高分子专业学生的特点，探讨了高分子流变学本科教学内容和课时安排，并对教学过程中采用的教学方法和手段进行了探讨。

高分子流变学；本科教学；教学内容；教学方法

高分子流变学作为高分子物理的补充和高分子成型加工原理与工艺的理论基础课，在培养高分子材料加工成型及控制的人才过程中占有重要的地位。因此国内不少工程应用型高校逐渐在高分子材料和化学化工专业开设高分子流变学。希望通过此课程的学习，使学生及早认识高分子材料流动与变形的本质，建立各种成型加工方法的理论基础，掌握测量和研究高分子材料流变性的基本实验方法和手段，为高分子材料的结构设计、 改性、生产及加工打好基础[1]。然而，本课程属一门多学科交叉，理论性与实践性均很强的新兴学科，其学科发展较缓慢，且开设此课程时间不长，因此，国内目前尚无统一大纲和教材，很少有经验可以借鉴。为使学生能够尽快将所学用于指导科研和生产，高分子流变学的本科教学内容和教学方法的设计是首要考虑的问题。根据作者对本课程的教学实践，作者有以下一些体会和想法。

一、收集资料，选择合适的教材

对于高分子流变学，教材的选择是非常重要的，这主要是由于流变学这门课程的教材的建设相对滞后。目前国内的教材比较少，近几年主要有以下一些，顾国芳、浦鸿汀编著的《聚合物流变学基础》[2]；吴其晔主编的《高分子材料流变学》[3]；徐佩弦编著的《高聚物流变学及其应用》[4]；林师沛主编的《塑料加工流变学及其应用》[5]。这些教材在教学内容选取和讲解上都有一定的特点和针对性，《高分子材料流变学》和《高聚物流变学及其应用》涵盖高分子结构流变学、高分子加工流变学、流变测量学三方面内容，在张量代数、微分、连续介质力学概念的基础上，对流变测量学、典型本构方程以及分子理论等流变学核心内容进行了介绍，起点高，内容难，对学生高等数学的要求很高，适宜研究生水平的教学。《塑料加工流变学及其应用》 是论述聚合物熔体流变学原理及其在塑料加工过程中的应用，作为专业基础课来说略显狭窄。《聚合物流变学基础》介绍了聚合物材料各种不同的流变行为，较完整、系统地阐述了聚合物流变学的概念、理论和实验方法等。内容难易适中，结构层次分明，由浅入深，十分适合非力学类工程专业的本科生作为聚合物流变学的入门教材。结合本校高分子材料专业的课程设置和学生的特点，我们选用顾国芳、浦鸿汀编著的《聚合物流变学基础》为教材。

二、认真备课，收集相关知识点资料

古人云：“凡事预则立，不预则废。”课堂教学作为整个教学过程的中心环节，具有很强的科学性和连续性，事前必须作充分的准备，否则就不能取得理想的效果。因此备课是重要的教学环节，亦是教师提高知识水平和教学能力、总结教学经验的过程。所以这需教师花费大量的时间在备课上，通过一次次资料收集，一遍遍钻研教材、确定教法，对照课程学习要求，对教材进行补充，找出重点、难点，将各知识点按重要程度排列，进而组织安排上课的思路，确定精讲和简讲。例如，《聚合物流变学基础》教材中没有关于流变学的历史和发展的介绍，因此我们查阅了一些文献，在绪论中加入了高分子流变学的发展简史和发展趋势，介绍了流变学的奠基人宾汉和雷诺。又例如，第二章线性弹性中，关于线性弹性的特点、弹性常数采用精讲，而线性弹性力的热力学分析考虑到在高分子物理中进行过详细的讲解，这里只采用简讲。关于教学内容的安排下面还要进行详细的分析。

三、合理进行课程设置与安排教学内容

（一）根据培养大纲合理进行高分子流变学课程设置

武汉纺织大学高分子材料与工程专业的课程设置是根据学校实际情况和学生的特点制定的，在一、二年级开设全校性公选课及学科平台课，三年级开始开设专业基础课程及选修课程，即高分子化学、高分子物理、聚合物合成工艺、聚合物成型加工原理、聚合物研究方法等，大四第一学期，也就是大学的第七学期，开设高分子流变学、高分子成型工艺、复合材料与聚合物改性课程。这样的课程设置，主要考虑到高分子流变学是高分子物理的延伸，是高分子加工的基础，因此大三开设了高分子物理，接着开设高分子流变学和高分子成型加工。考虑到大四第一学期很多学生考研，因此，高分子流变学每周学时为4学时，开设8周，共32学时。第9和10周为高分子材料加工综合实验，其中包括了高分子流变学实验。

（二）合理安排教学内容，突出重点

在实际的教学中，根据大纲要求、教材的内容和学生的特点，制定以下教学内容。了解或熟悉的内容是非重点，只需要简讲，而掌握或重点掌握是重点或难点，需要精讲。

绪论部分（2学时），掌握聚合物流变学的基本概念、内容和意义。重点掌握聚合物流变行为的特点，了解聚合物的力学状态和一些奇异的流变行为。

第一章流变学的基本概念（2学时），掌握流变学研究（三种简单实验：拉伸、压缩与剪切）的基本物理量：应力与应变、弹性模量、柔量、剪切速率和速度梯度，了解张量的意义及应力、 应变、 应变速率的张量表示。

第二章线性弹性（4学时），掌握线性弹性形变的特点；掌握拉伸、压缩和剪切实验中胡克定律的基本形式与弹性常数，掌握影响弹性模量的因素；了解线性弹性力的热力学分析，并牢记弹性力是由内能的变化引起的。

第三章线性粘性流动（6学时）；掌握牛顿流动定律的基本方程及其应用；掌握线性粘性流动形变的特点；了解几种测粘度的流动行为；熟悉用外推法和一点法计算聚合物溶液的特性粘数和分子量；了解聚合物熔体的粘度与分子量的依赖关系；各种流动方式的粘度测定是本章的重点；

第四章非线性弹性-橡胶弹性（4学时），掌握橡胶弹性的特点；了解唯象理论的 Mooney-Rivlin公式，掌握推导出拉伸、剪切和扭转实验的具体表达式；掌握橡胶弹性的本质熵弹性；了解橡胶弹性理论的统计方程和网链数、网链分子量的概念；并会计算。

第五章非牛顿流体（6学时），熟练掌握几种非牛顿流体的类型及特点；掌握流变函数；掌握真实剪切速率与表观剪切速率关系的修正公式；了解聚合物流体流动曲线及流动机理；掌握各参数（包括加工条件和分子结构参数）对聚合物熔体剪切粘度的影响规律；了解由于聚合物弹性所出现的与弹性有关的几个现象。

第六章 线性粘弹性（8学时），掌握静态粘弹性（蠕变、应力松弛）和动态粘弹性（滞后和内耗）的概念；掌握Boltzmann叠加原理的定义及其应用；掌握粘弹性的力学模型；熟悉高分子粘弹性的表征；了解动态粘弹性力学实验中粘弹性材料模量组成；熟悉时温等效原理及应用。

第七章聚合物的断裂和强度（2学时）；熟练掌握聚合物应力-应变曲线；熟悉屈服现象和判断机理；了解银纹的产生；了解断裂的Griffith理论和分子理论。

以上教学内容的安排是从简单到复杂，比如先让学生学习线性弹性与线性粘性，然后学习非线性弹性与非线性粘性，最后学习较为难理解的粘弹性。通过对教学内容进行以上的安排，突出了教学重点，使得学生们在具体的学习中，目标十分明确，学习效果很好。

四、采用多种教学手段进行教学

（一）采用多媒体教学

教师无法强迫学生学习，只能吸引学生学习，在教学过程中起引导作用。多媒体可以包含图象、声音、动画，使原本枯燥的知识变得生动有趣，促进学生开展记忆、思考、探讨等活动，学生在上课的时候更能集中精力听课，极大地提高了课堂效率。并且在课间的时候，教师可以将一些与学习有关的比较有趣的资料放给学生们看，寓教娱乐为一体，既丰富学习内容又能提高大家的学习乐趣。另外，在高分子流变学教学中，也涉及到很多繁杂的数学公式的推导，仅靠“黑板＋粉笔”的教学手段授课，教学效率较低。利用多媒体教学，可以加大信息量，减少板书量，在有限的课时内讲授更多知识。

（二）理论联系实际

高分子流变学是一门理论性和应用性都很强的交叉学科，理论知识比较晦涩，必须与实际结合才能学得深化和牢固，引起学生的兴趣。将理论知识寓于合适的实际背景中进行讲授，效果明显。例如，在讲到非牛顿流体的中触变性流体和反触变性流体时，通过给同学们举了红军长征过草地的时候所经过的沼泽地就是触变性流体的典型例子激发了同学们的注意力。如果人掉进沼泽地，人越挣扎，相当于给流体持续的剪切速率，这样沼泽地的粘度下降得越厉害，人陷得就越快。同样在和面的时候，用筷子缠住面旋转时，旋转得快，阻力越大，这是反触变性流体的特点。还有当水田土壤在机械作用下受到不断扰动后，结构逐渐被破坏，强度逐渐下降，变得较稀而较易流动；当停止机械作用的扰动，经过一段时间，它又能逐渐恢复原状。

（三）进行专题讲座

为了加深学生对高分子流变学原理以及实验仪器的运用，在教学过程中，在一些重要章节加入专题报告，例如，在学习完非牛顿流体一章之后，给学生做了专题报告“聚偏氟乙烯的流变特性”，报告介绍了分子量、温度和剪切速率对聚偏氟乙烯熔体剪切粘度的影响，并且计算了聚偏氟乙烯的非粘度指数和粘流活化能，从分子结构对这些结果进行了分析。在学习完线性粘弹性之后，给学生作了“聚氨酯/聚乳酸共混膜动态粘弹性研究”的专题报告，分析了共混比例对共混膜储能模量、耗能模量和内耗角的影响。通过作报告，让学生了解学习高分子流变学的目的和解决问题的思路，了解实验过程中流变实验仪器的运用以及数据结果的分析，这一方面让学生觉得这门课的研究内容很有实际意义，引起学习的兴趣，另一方面，这为他们以后在科研或工作中应用流变学解决实际问题打下了基础。

（四）开设实验课

为了加深学生对流变学理论以及流变学对实际科研和生产的指导作用的理解，在教学过程中配合开设实验课。包括有聚合物熔体速率的测定、聚合物溶液粘度的测定（旋转流变仪）和聚合物熔体剪切粘度的测定（毛细管流变仪）、聚合物双螺杆挤出成型等。通过实验使学生理解高分子流动的基本原理，熟悉流变仪器的构造和使用、高分子流变参量间关系及各种因素对流变性能的影响，训练学生进行生产和科研的思路、方法，培养学生的动手能力、分析和解决问题能力。另一方面，通过实验，使学生看到了高分子流体流动的一些奇异现象，这也提高了他们学习这门课程的兴趣。

五、结语

随着高分子材料科学的飞速发展，对高分子专业的毕业生也提出了新的要求，因此，高分子流变学课程的教学内容和教学方法也需要改进和完善。作为参加高分子流变学课程教学的教师，应从备课、上课、课后等方面进行总结和思考，完善每一个环节，使得教学内容和教学方法手段更加合理，而且要不断提高自身素质，这样才能逐渐成长为一名合格的专业教师。

[1] 吴其晔．跟踪高分子学科发展前沿，建设高分子物理国家精品课程[J]．高分子通报，2008，（6）：52-55．

[2] 顾国芳，浦鸿汀．聚合物流变学基础[M]．上海：同济大学出版社，2000．

[3] 吴其晔．高分子材料流变学[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[4] 徐佩弦．高聚物流变学及其应用[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[5] 林师沛，赵洪，刘芳．塑料加工流变学及其应用[M]．北京：国防工业出版社，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：高分子材料及其教学.

武汉纺织大学教研项目（2009006）.