“高分子链的构象”教学设计与实践

安会勇+司薇薇+史春薇+赵立平+李端阳

摘要：“高分子链的构象”是高分子物理的重要知识点，是正确理解高分子链形态的基础。“高分子链的构象”教学设计以构象为中心，将“链段”、高分子链的柔顺性、构象统计以及等效自由连接链有机结合，建立直观的高分子链的形态“图像”，为后续高分子物理的学习奠定基础。实践证明，“高分子链的构象”教学设计提高高分子物理考试成绩。

关键词：高分子物理；构象；构象统计；柔顺性；教学设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章編号：1674-9324（2017）14-0200-02

一、“高分子链的构象”在高分子物理中的地位

高分子链的构象是指由于C—C单键内旋转而产生的高分子链在空间的不同形态[1]。深刻理解高分子链的构象才能正确描绘高分子链的形态和大小，从而对高分子链的结构有具体而直观的感受，为全面掌握高分子结构这一具有多层次性的复杂结构奠定基础。作为《高分子物理》课程的重要知识点，高分子链的构象在一般教材中却介绍的不多[1-5]。一方面，“构象”的概念在《有机化学》中作为重要知识点讲解，不宜占用较大篇幅重复介绍；另一方面，大部分教材从高分子链的构象与小分子构象区别进行讲解，但教学效果仅局限于理解高分子链的构象，无法体现“高分子链的构象”这一知识点在高分子链远程结构中承上启下的重要作用。

在多年的教学实践过程中，愈发感受到“高分子链的构象”知识点的重要性。只有使学生真正理解高分子链的构象，并进一步在脑中形成具体的高分子形态的“图像”[6]，进而深刻理解高分子链的柔顺性，为柔顺性的影响因素、高分子链的构象统计以及柔顺性表征等重要理论奠定基础。因此，通过对构象（conformation）的讲解，使学生掌握高分子链的模型，并进行构象统计计算，最终阐明“链段”和等效自由连接链这两个重、难点内容，使学生具有高分子链形态的直观感受。通过上述教学设计，将“高分子链的构象”这一知识点与相关重要知识点和基础理论有机结合，扩充“高分子链的构象”的教学内容，树立其在高分子链结构中的重要地位。教学效果证明，按照上述教学设计进行的教学实践，取得了一定的教学效果。

二、“高分子链的构象”教学设计

（一）导入

1.以乙烷为例，复习小分子构象的相关知识；2.提出问题：①高分子链的真实状态是什么样的？②高分子构象与小分子的构象的区别与联系。

（二）讲授

1.采用对比教学法，提出自由连接链、自由旋转链和受阻旋转链三个高分子链结构模型，重点讲解理论模型与现实情况的差别。

2.以自由旋转链为例，说明第i个键的决定的第i+1个C原子的位置与第一个键的位置无关。此时，高分子链的构象数无穷多，所以高分子链的形态是无规线团。

3.以受阻旋转链为例，采用对比教学法，说明现实情况的高分子链的构象。与自由旋转链相比，实际的高分子链构象数相当多，且存在不同的概率，所以高分子链的形态是“瞬息万变”的无规线团。

4.采用启发教学法，通过上述两个模型的分析，启发学生思考，从而引出“链段”的定义。

5.“瞬息万变”的无规线团需要用均方末端距衡量其尺寸。采用图表教学法，使学生掌握自由连接链和自由旋转链计算均方末端距的方法。记住■=nl■和■=nl■（■）。

6.受阻链的构象存在稳定与不稳定之分，呈稳定构象的概率大。其均方末端距需由内旋转位能函数确定，即■=nl■■·■。（推导部分自学）。

7.根据链段的定义，以化学键为统计单位研究高分子链，需要考虑键角；而以链段为统计单位，则不需要考虑键角。这样就可用链段长度Z和链段数b，替代键长l和键的数目n，采用自由连接链的形式表示实际的高分子链尺寸，即等效自由连接链。采用联想教学法，重点讲解等效自由连接链的本质（以链段为统计单位）和应用（通过自由连接链的均方末端距公式计算ne和le）。

（三）总结

1.围绕高分子链的构象，总结相关概念和理论之间的关系。图1将与“高分子链的构象”有关的知识点和相关理论进行了整合。按照图1对本知识点进行总结，使学生直观、全面地掌握“高分子链的构象”教学过程和重、难点，便于学生厘清内旋转、构象、链段、均方末端距、等效自由连接链、链段长度等重要知识点的关系，利于学生记忆和掌握。

2.回答导入部分提出的二个问题。（1）高分子链的真实状态是什么样的？答：高分子主链虽然很长，但通常并不是伸直的，它可以蜷曲起来，使分子采取多种形态，这些形态可以随条件和环境的变化而变化。用一句话描述高分子链的形态就是“瞬息万变”的无规线团。（2）高分子构象与小分子的构象的区别与联系。答：高分子构象是很多小分子的构象的叠加。高分子构象数相当多，要复杂得多。因此，高分子链具有独特的“柔顺性”。

3.与构型（configuration）与构造（architecture）进行辨析，加深对高分子链的“构象（conformation）”的理解。

三、教学效果评价

按照上述方法、方式讲授本知识点，通过多种教学方法，将各主要知识点进行有效衔接，具有较好的教学效果。

表1是采用“高分子链的构象”教学设计前后对高分子结构部分试题及全卷的成绩分析。表1分析表明，相对于2005级学生，2013级本科生的高分子结构部分试题及全卷得分率大幅提升，且此两套试题均具有较好的信度（>0.7）。其中高分子结构试题得分率提高幅度远远高于全卷得分率的增幅，说明高分子结构部分内容的考核成绩是制约全卷成绩的重要部分，成绩分析结果部分证实“高分子链的构象”教学设计及实践一定程度地提高了教学效果。

参考文献：

[1]华幼卿，金日光.高分子物理（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2013：2.

[2]劉凤岐等.高分子物理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004：140.

[3]焦剑等.高聚物结构、性能与测试[M].北京：化学工业出版社，2003：420.

[4]马德柱，何平笙，徐种德，周漪琴.高聚物的结构和性能（第二版）[M].北京：科学出版社，1999：3.

[5]David I.Bower.An Introduction to Polymer Physics[M].Cambridge，England：the Press of the University of Cambridge，2002：p206.

[6]安会勇，段林海，韩向艳，李海英，雷良才.“高分子物理”图表教学法初探[J].高分子通报，2011，（8）：103-106.

Abstract：Macromolecular conformation is an important content in polymer physics and is the foundation of proper comprehension of macromolecular form.Instructional design of conformation of macromolecular chains centered about conformation and integrated the"segment"，flexibility，conformational statistics and equivalent free-jointed chains.Conformation of macromolecular chains created the intuitive image of forms of macromolecular chains.Instructional design and teaching practice on conformation of macromolecular chains improved the test performance of polymer physics.

Key words：Polymer physics；conformation；conformational statistics；flexibility；instructional design