高分子化学与物理课程中类比教学法的应用研究

张宗勇，沈梁钧，田小宁

(宁波工程学院 材料与化学工程学院，浙江 宁波 315211)

《高分子化学与物理》是宁波工程学院应用化学专业的一门必修课程，担负着为学生打开一扇高分子科学世界大门的任务，共48学时。《高分子化学与物理》课程内容繁多，结构复杂，特别是高分子物理部分概念抽象，理论枯燥，学生对很多知识点颇感遥不可及，短时间内难以掌握，这对课堂教学提出了一个巨大的挑战。如何让抽象的概念形象起来，让枯燥的理论生动起来，高效的去破解这些难题就成为提高该课程教学效果的一个重要因素。经过近两年不断的思考和总结，主讲教师发现很多知识点都可以从现实生活中找到它们的“影子”，以现实生活中这些生动的实例作为基本素材，将难以理解的知识通过形象的生活实例加以类比，在课堂教学中能够收到良好的教学效果。

1 类比教学法

类比教学就是依据两个对象的某些已知相似性，从一个对象的某些已知特征去推测另一事物的相应特征的一种教学方法，从而获得对后一对象的新的认知[1]，类比教学可以把抽象的知识形象化，把复杂的问题简单化。高分子化学与物理课程内容与实际生活联系密切，很多抽象的知识点可以应用现实生活中生动的实例加以类比[2]，现列举几例教学中讲授的例子。

2 类比教学法在高分子化学与物理教学中的应用

2.1 高密度聚乙烯和低密度聚乙烯

高密度聚乙烯，立体规整性好，属于结晶性聚合物，密度较高。低密度聚乙烯，支化度较高，分子链不易整齐排列，密度较低。前者通常被称为低压聚乙烯，后者被称为高压聚乙烯，顾名思义，聚合过程中压力不同。高压聚合时密度低，很多学生为此都大惑不解，按常规思维压力越高则材料致密性越好，密度就比较高。在此可以用和面来比喻，同一块面团攥在手里，用力挤压时(高压)，必然会从指缝中流出面片(支链)，体积变大，密度低；若用力较小时(低压)，面团的形状较前者要规整很多，体积小，密度较高。

2.2 玻璃化转变[3]

玻璃化转变是高分子物理中一个很重要的概念，随着温度的升高，聚合物从玻璃态到高弹态的转变即为玻璃化转变。对于室温下处于玻璃态的塑料及处于高弹态的橡胶，学生都容易理解；然而，温度较高时塑料会变成橡胶态——大部分学生为此感到困惑，借助于口香糖入口前后的状态可以轻而易举的解释这个现象。口香糖的主要成分为聚乙酸乙烯酯，该聚合物玻璃化转变温度为27℃，室温下处于玻璃态，具有一定硬度，难以拉伸。入口咀嚼后，该材料便可升至37℃，高于其玻璃化温度，分子中链段开始运动，分子由玻璃态进入高弹态，表现出橡胶的性能，成为形变量很高的材料(可以吹出大的泡泡)。司空见惯的“吹泡泡”蕴含了如此奇妙的高分子物理知识，枯燥的理论立即变得生动起来，学生的好奇心和求知欲自然会被调动起来，学习效果也得以提升。

2.3 结晶性能与透明度的关系

在讲述聚合物的结晶态和非晶态时，会提到高分子材料透光性的问题。一提到晶体，很多学生都会想到“晶莹剔透”，晶态聚合物透光性肯定很好，这当然是一个误区。塑料药瓶一般由高密度聚乙烯制得，分子链排列规整，材料结晶性能好，透光性却很差。聚甲基丙烯酸甲酯(即有机玻璃)，其分子链排列呈现无规状态，不能结晶，但透光性能与玻璃媲美。再如由非晶态聚合物聚碳酸酯加工成型得到的眼镜片，也是透明材料。这些实例都表明晶态高聚物不透明，非晶态高聚物透明。

2.4 增塑

增塑剂的加入可以降低聚合物的模量，提高抗冲击性能。日常生活中学生难以感受到增塑前后聚合物物理性能的变化，而借助爆米花吸潮前后的变化则可以很好的回答这一问题。现做的炸爆米花放置一段时间后会变软，爆米花吸收空气中的水分相当于用小分子物质对聚合物进行增塑，很明显其模量会降低；此时的爆米花吃起来不再是原来的“喀喀脆”，感觉其韧性明显增强，这就相当于增塑后高聚物的抗冲击性能会得以提高。

2.5 高分子链的柔顺性

高分子链能够改变其构象的性质称为高分子链的柔顺性，产生的原因在于链段的运动，链段长度越小，链段数越多，高分子呈现出来的构象数量就越多，则分子链柔顺性就越好；链段长度越长，分子链刚性就越强[3]。学习高分子链柔顺性最关键的一个点就是要理解链段，高分子链中能够独立运动的最小单元即为链段，初学者难以理解“最小”二字，难以判别一个高分子链的柔顺性。其实，对刚性分子而言，其中的链段相当于火车的一节车厢，车厢本身不能弯曲，需要通过车厢与车厢之间的铰链连接后才能弯曲，并且弯曲的角度有限(呈现的构象数较少)，所以链段越长，分子链越不易运动，表现为刚性较大。对于柔性分子，其中的链段相当于项链中的一环，环与环的运动非常容易(呈现的构象数较多)，因此链段越短，分子链越容易运动，高分子柔性越好。

2.6 应力集中的应用

如果材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，即为应力集中[4]。缺陷会成为应力集中点，成为破坏材料的薄弱环节，在生产加工中应避免应力集中点的出现，否则就会“功亏一篑”。应力集中的弊端不言而喻，但应力集中也并非一无是处，某些时候还要利用应力集中。如包装饼干的塑料袋，封口处通常设计成锯齿形状或是在侧面留有三角形缺口，沿着这些锯齿或缺口撕塑料袋时，这些部位由于应力集中从而会产生很大的应力，轻轻用力就可以将其撕开。如果塑料袋上没有这种设计，撕开塑料袋就会很困难，这些锯齿状或缺口就是材料的缺陷即应力集中点。

2.7 取向方式对高聚物力学性能的影响

在某种外力作用下，分子链沿外力作用方向择优排列即为取向，高聚物的取向分为单轴取向和双轴取向，不同的取向方式对高聚物的物理性能具有不用的影响，教材中一般只讲述基本原理，学生理解起来较为困难。教学中可以引入保鲜膜和打包带来阐述，这两种材料都可以通过聚乙烯来制得，但性能却大不相同。保鲜膜成型中采取双轴取向，各方向皆有分子链排列，因此无论从水平方向还是垂直方向都很难将其撕开。打包带在成型中采取单轴取向，分子链倾向于沿外力方向排列，该方向分子链以共价键连接，作用力大，难以将其沿该方向撕开；垂直外力方向上几乎不存在分子链，因此易将打包带沿该方向撕裂。

2.8 数均分子量和重均分子量

数均分子量和重均分子量是表征高聚物分子量的两种常用方法，分别以数量为统计权重和以重量为统计权重来计算[5]。学生初学时，往往不明白为什么要用两种不同的分子量来表征高聚物，两种分子量其意义如何，教学中若引入下述例子则问题便迎刃而解。质量分别为1、10、1000 kg的石头各一块，可计算出它们的数均质量为(1000+10+1)/3=337 kg，重均质量为1000*1000/1011+10*10/1011+1*1/1011=989 kg。现将三块石头看做是三条高分子链，则其数均分子量约为300，即各种分子量的高分子同等重要时，不需任何加权即可得到数均分子量；其重均分子量约为1000，是以分子量本身做加权，若高分子量组分重要时，则关心重均分子量。实际上，高分子的很多性质确实是由分子量较高的组分决定，即分子量越高的组分越重要。

2.9 旋光异构对聚合物玻璃化温度的影响

1,1-不对称二取代烯类聚合物中，间同聚合物的玻璃化温度比全同聚合物的玻璃化温度要高很多，学生往往难以理解。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA即为此类聚合物，其Fisher投影式(M代表甲基，E代表酯基)如图1所示。现将主链看成具有一定硬度的铁丝，甲基和酯基相当于连接在铁丝上的短铁棒和长铁棒。全同立构中铁丝易于向下弯曲(短铁棒位于同一侧，空间障碍相对较小)，而间同立构中铁丝难以弯曲(两侧都有长铁棒，空间障碍较大)，全同立构中呈现出的构象数量要多一些，因此全同PMMA分子链柔顺性较好，玻璃化温度低。

A全同立构，B间同立构

3 结语

在近两年的教学实践中发现，类比教学在高分子化学与物理课程的教学过程中起到了非常重要的作用，能够使学生易于理解抽象枯燥的内容并且记忆深刻，能够很好的吸引学生的注意力，活跃了课堂气氛，激发了学生学习高分子科学的热情，取得了良好的教学效果。但是，需要注意的是类比法并不能完全精准的描述高分子化学与物理的知识点，要学好高分子科学，还需花大力气下苦功夫。