形象化教学方法在构象概念等高分子物理教学中的应用

孙鹏飞 范曲立

[摘 要] 高分子物理的教学过程有众多的晦涩概念，其中高分子链的构象是贯穿整个高分子物理知识体系的一条主线，然而构象的理解较为困难。基于多年的教学经验，让学生作为高分子链中的链段，形象化的讲述高分子物理的构象概念，并通过多个实验让学生理解高分子中构象的异同点。按照构象的教学主线，介绍形象化教学的实施过程以及如何加强学生的自主学习能力。

[关键词] 高分子链;构象;形象化教学;主观能动性

高分子物理课程是高分子专业及相关材料专业的一门重要基础课程，是学习聚合物共混改性、高分子成型加工等高分子专业课程的理论基础，也是学生从事高分子工作及研究的理论来源。高分子物理课程抽象概念较多且较难理解，单纯依靠老师的讲解往往不能取得满意的教学结果。[1-3]如何改变传统的“填鸭式”枯燥的教学模式，提高学生学习的主动性，让学生能够快速且形象化的理解高分子物理的知识体系，值得每位從事高分子物理教学人员思考。

一、形象化教学的提出

笔者注意到，高分子材料或者性能相对于小分子的最大区别就是其分子链较长。高分子所具有的众多优越性能，如高弹性、粘弹性、使用的广谱性均来源于高分子链的长度。[4，5]同时，在教学过程中一般都是以一个专业为单位进行教学，专业往往又由几个班级组成，而每个班级又来源于各个宿舍，而宿舍又由学生组成。那么上课基本单位专业就可以和高分子链的结构能够对应，可以讲每个班级就是一条高分子链，每个宿舍可以对应于高分子的链段，而每个同学就对应于高分子链的重复单元。基于此，笔者利用专业和高分子链的相似性，提出形象化的教学方法。在进行课程教学之前先让上课的同学作为一条条的高分子链或者高分子链段做形象化的实验，然后再进行课程的讲解。这种方法加深了学生对高分子基本概念的理解，增强了学生学习的积极性。

下面作者将对该教学方法在构象概念等高分子物理课程进行中的实施做简单介绍及总结。

二、高分子链的构象概念

构象概念来源于有机化学，是指碳-碳单键的内旋转造成空间电子云的分布发生变化。在高分子物理中，构型与构象概念同出现在高分子的近程和远程结构中。如果单纯的利用书本知识对学生讲解两个概念，对于学生来说难以理解。作者在教学过程中，选取一个宿舍的7～8位同学，让同学站成一排，当每位同学的位置是前后固定的时候就表现出构型。而当一个宿舍的同学按照一定的顺序排成一排，在手牵手的前提下可以自由运动的时候表现出来的就是构象的概念。当同学固定位置的时候前后顺序是固定的，从这个角度说就是构型。当前后固定位置的同学在教室来回走动，在保持前后顺序不变的前提下，让学生的队伍摆成各种形式，可以是直直的，可以首尾相连，还可以摆成S型，这样构象就发生变化有了区别，但是构型不变。这样学生就很容易理解构象和构型的区别。

三、不同状态中高分子链构象的区别

高分子链在不同的状态下，如溶液、结晶和无定型态下具有不同的构象。在良溶液中高分子链以无规线团的形式存在，在结晶中高分子链的构象又变成了锯齿链或者螺旋链，而在无定型的玻璃态下高分子链的构象则是无规线团。为了让学生对这些区别有形象的认识，笔者在教学过程中采用了同学参与的形象化教学模型。让10个同学先在一起随意排列成类似面条的状态然后再前后手牵手，这就表现出无规线团的状态。在高分子的结晶中不同的分子链结构形成结晶时的构象也有差别，如侧基比较小的聚乙烯形成锯齿状构象，而侧基比较大的聚丙烯由于甲基侧基的排斥作用则形成螺旋链构象。在这里，可以先让几个身材比较瘦小的同学以一定的距离排列，由于体态较小排成了锯齿状构象，再选几个身材比较胖的同学排列，由于体态较大，同学之间的排斥大，在小空间内同学无法同时站立，这样让学生改变位置形成大家都比较舒服但总能量不是最低的螺旋链构象。

四、高分子溶液中分子链的构象排列

在高分子溶液部分讲述通过Flory-Huggins晶格模型推导高分子溶液的混合熵时，需要将高分子的链段排入到晶格模型中。为了让学生能够形象化的见到链段在晶格模型中的排列，作者在教学过程中将每个学生比作链段，让一个宿舍的同学手牵手组成一条高分子链，将教室的座位比作晶格模型，让宿舍的每个同学一次按照Flory-Huggins晶格模型理论坐到相应的位置。这样学生就能非常形象化的理解，一条高分子链引起的热力学的变化要大于相同数目的小分子，同时又小于同数目链段的热力学。学生在真实位置排列中是能够真实的感受链段直接的相互牵扯，从而对Flory-Huggins晶格模型的理解更为真实有效。

五、凝胶渗透色谱测试高分子的分子量

在凝胶渗透色谱（GPC）测试高分子的分子量时，需要让学生理解GPC的测试原理是基于高分子在溶液中的体积来进行的，大分子量的高分子认为在柱子中走过的路程短流出体积小，小分子量的高分子则走过的路程长流出体积大。除了利用书本的GPC原理示意图外，笔者在本部分教学时选择了高矮胖瘦不等的同学，让大家在教室排好的座位中穿梭，穿梭过程中学生就会发现很多较小的空间胖一点的同学无法穿过，而瘦小的同学则可以穿过，从而理解了高分子链体积的大小和GPC路程以及流程体积的关系。

总之，在高分子物理的教学过程中，对于分子链的构象、粘弹性等众多繁杂的物理概念和模型单纯通过讲解不易取得良好的教学效果。利用形象化教学模式，将学生作为教学的主体融入到教学过程中有利于提高学生的积极性，较为轻松的让学生对晦涩的概念容易理解。在高分子物理的教学过程应更为注重概念的理解，而不是概念和定义的死记硬背。可以让学生从书本中走出来，又通过自身的实验走入书本。

参考文献

[1]黄增芳，马军现，王可，王毅.高分子物理课程中的互动教学探索和实践[J].广州化工，2015，43（13）：197-198.

[2]杨文明，聂仪晶.关于高分子点面立体教学新模式的思考和探索[J].科技视界，2015，34（05）：192-193.

[3]黄增芳，马军现，王可，王毅.材料化学专业高分子物理课程教学改革与探索[J].广州化工，2015，43（22）：182-183.

[4]张胜文，杨成，刘晓亚.浅谈提高高分子物理课堂教学效果的几点体会[J].广东化工，2010，37（10）：187-194.

[5]李奕国.材料化学专业高分子物理教学初探[J].科技经济导刊，2016，7（7）：140-141.