基于问题启发式教学模式在实验课中的应用——以匀胶法制备聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜为例

（北京石油化工学院材料科学与工程学院 北京 102617）

引言

启发式教学内涵为“教师为主导，学生为主体”，在实验课中采用基于问题的启发式教学是将实验中遇到的问题与启发式教学有机结合的新型实验课模式，既强调问题的解决，也注重分析问题、解决问题的过程。

在实际的生产、实验过程中，总会出现这样、那样的问题。引导学生发现问题，启发学生思考问题，最终找到解决问题的方法，是激发学生创造性思维，培养工程人才的有效途径。[1]

匀胶法制备PVDF薄膜，是高分子材料与工程专业学生的选修实验，该实验在培养学生动手能力，深化学生对高分子薄膜认识方面有很重要的作用。[2]

PVDF薄膜疏水性好，易剥离，可转移，在器件封装领域有潜在用途；PVDF介电常数高，可用做场效应晶体管的介电层，实现低电压操作；同时，PVDF具有铁电性，可用于制备铁电存储器。PVDF易溶液加工，柔性好，在低成本、柔性电子器件方面有广泛的用途。

一、问题的提出

聚偏氟乙烯（PVDF）在加热条件下可溶解于极性溶剂，N， N’-二甲基甲酰胺（DMF），通过溶液旋凃法得到薄膜。溶液旋凃法，是将准备好的溶液在匀胶机上根据需要设定一定的转速和时间，然后进行旋涂。很多时候得到的薄膜连续、均一性好、透明、易剥离。但是有时得到的薄膜连续性差，不透明，无法剥离。这是什么原因？学生在做实验时，由于做的实验次数较多，有时会出现薄膜质量不均一的问题。为了增加实验的可重复性，就要找到影响实验重复性的因素。

二、问题的分析与解决

在出现这样的问题后，就要引导学生思考问题的原因。薄膜质量变差的原因是粗糙度变大，粗糙度增加是结晶增强的结果。结晶为什么增强。以下就引导学生分析问题，找出原因。

首先考虑不变的是什么？在实验中，每次制备薄膜的转速都是3000 rpm。所以，可以排除转速对薄膜质量的影响。溶液浓度也都维持在3 wt%，溶液在两次制备期间也没有挥发。溶液浓度的影响也被排除了。

那么，是什么因素影响了聚合物的成膜。由外及内，从聚合物溶液本身出发，考虑问题。聚合物溶液包含PVDF溶质和DMF溶剂。首先考虑PVDF溶质，实验中所用PVDF为同一批次的高分子量聚合物，配置一瓶溶液可使用多次。在初次制备薄膜时，薄膜质量很好，这是因为通过加热使得聚合物溶解很充分，聚合物链处于充分伸展状态，在旋凃成膜时，溶剂快速挥发，聚合物分子间相互作用大，聚合物链段来不及折叠弯曲，形成亚稳态的平整薄膜。而溶液放置时间过长，冷却后，可能会导致溶液中，聚合物本身链段折叠，更容易自聚集，导致成膜质量差。因此决定每次旋凃制备薄膜之前，都对溶液进行加热处理，以确保聚合物链充分伸展。

然而，实验过程中，出现这种薄膜表面粗糙情况时，学生将聚合物溶液放在热台上加热，再在同样条件下制备薄膜，薄膜的质量没有明显改善。这使得我们进一步思考问题，聚合物一旦形成溶液，就意味着聚合物溶质和溶剂之间形成了稳定的作用，很难再自发返回到折叠状态。通过实验，排除了聚合物在溶液中团聚的问题。

究竟是什么原因？后来又引导学生考虑溶剂DMF。DMF是一种透明液体，能和水及大部分有机溶剂互溶。然而，PVDF不溶于水，DMF吸水后，导致PVDF结晶析出。结合考虑到空气湿度RH＜40%时，薄膜质量好，RH＞40%时，薄膜质量较差。遵循这样的思路，考虑到，盛放PVDF溶液的样品瓶，盖子拧得很紧，不会吸收空气中的水分。那么，最可能的情况是在旋涂成膜的过程中，DMF吸收空气中的水分后，导致PVDF析出。[3]

为防止DMF旋涂成膜时吸收水分，遂决定将匀胶机内的氛围置换为DMF。采取的做法是将盛放DMF溶剂的小容器放置于匀胶机中（匀胶机可加盖，密封），待其自然挥发30 min。然而，薄膜质量没有改善。认真思考其中的原因，DMF沸点很高，mp= 152.8℃，20℃时饱和蒸气压仅为 2.7 mmHg，这样做并没有起到置换将匀胶机中的空气的作用。因为在大气中，将空气置换出来，是一件比较难的事情。

所以需要进一步思考更本质的问题。PVDF是从下表面开始析出，还是上表面开始析出，答案是都有可能。因为当湿度较大时，与聚合物溶液下表面接触的玻璃，也会吸附空气中的水分。当将聚合物涂在玻璃上时，便形成溶液下表面和水分接触的界面，聚合物可能在此析出。因此，在玻璃上涂覆聚合物溶液之前，首先使用DMF溶剂对表面进行润洗，然而成膜效果并没有改善。那么，PVDF是不是从上表面析出呢。上表面直接和空气中的水分接触，因此，也是有可能的。因此，在玻璃上涂覆聚合物溶液之后，又滴加了DMF，在旋涂过程中，不断在薄膜表面滴加DMF。最后发现，玻璃表面没有成膜（形成），原因是滴加的DMF溶解了PVDF，而甩出片子。

那么，用什么方法可以降低薄膜表面的湿度，得到高质量的薄膜呢？对，用N2，当将溶液涂覆在玻璃片上后，在表面通入N2，以降低局部湿度，使用这种方法制备的薄膜，连续、均一性好、透明、易剥离。

结语

针对匀胶法制备薄膜中出现的薄膜连续性差，不透明，无法剥离的问题，启发学生思考，并设计实验进行验证。最终找到在高湿度氛围中制备高质量PVDF薄膜的方法是通入N2，降低局部适度。

实验课中采用基于问题的启发式教学，能帮助学生找准问题，引导学生逐步深入思考、分析问题，提出假设，设计实验进行验证，最终解决问题。不仅能够取得好的实验效果，深化学生对原有知识的认识，提高学生的动手能力；还能培养学生从表及里，从现象到本质，去伪存真的逻辑思维能力。

[1] 张伟,李 芊,王 勇,高 云,方志刚.问题教学法在化工原理教学改革中的探索 广州化工 [J] 2017，5.

[2]吴翊.启发式教学再认识 中国大学教学 [J]2011，1.

[3]何得桂.基于问题的启发式教学实践研究——以“管理学原理”本科教学为例.黑龙江教育（高教研究与评估）[J] 2017，6.