基于综合实验集群课程设计的高分子物理实验教学探究

摘  要：高分子物理实验课程采用传统单项实验教学模式，不仅不能有效调动学生的主观能动性，还在一定程度上背离用来加深学生对高分子物理基础知识的理解和掌握的开课初衷。因此，该文提出以综合实验集群课程设计的高分子物理实验教学改革探究，探索将原本相对独立的单项实验进行集群组合课程设计，引导学生从更系统全面的角度出发，加深对各单项实验之间关联性把握的同时，进一步强化学生对高分子物理基础知识的理解、掌握和运用。该文主要介绍临沂大学在高分子物理实验课程实施综合实验集群教学改革方面的尝试及取得的初步进展。

关键词：高分子物理实验；综合实验集群；教学改革；教学模式；课程设计

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）11-0095-05

Abstract： In Polymer Physics Experiment， the traditional teaching mode of single experiment one after another could not help arousing the enthusiasm of student and initiative， and also deviates from the original intention to deepen students' understanding and mastery of the polymer physics. Therefore， the exploration on combination of multi-experiments together as comprehensive experimental teaching module for Polymer Physics Experiment is described. Differing from traditional independent single experiment one by one， weexplore the comprehensive experimental teaching module to guide students to establish a more systematic and comprehensive perspective concept，and help to strengthen the understanding， mastery and application of basic knowledge of polymer physics systematically. This paper mainly introduces the reform of polymer physics experiment course in Linyi University and its progress

Keywords： Polymer Physics Experiment; comprehensive experiment module; teaching reform; teaching mode; curriculum design

高分子物理作为高分子学科知识体系的重要组成部分，是高分子化学与物理、高分子材料及高分子材料与工程等相关专业的一门专业核心基础课程[1-2]。由于高分子物理涉及大量的数学、物理及化学知识，知识繁杂抽象、缺乏清晰的系统性和整体性，对学生的学习、掌握和运用造成了巨大障碍。为了解决这一问题，在专业培养方案设计上基本都开设了与之相配套的高分子物理实验课程，这一实验课程的开设不仅培养了学生的动手能力、创新能力、分析问题和解决问题的能力，还与理论教学相互促进，能够切实加强学生对课堂理论知识的理解、掌握和运用，是促进理论教学的重要环节[3-4]。

本人长期从事高分子材料领域的科研和教学工作，前期在高分子物理教学上提出了以玻璃化转变温度（Tg）为主线的高分子物理教学方法[5]。而经过对近几届学生的问卷调查和访谈时却发现了一些新问题，即大多数学生对以玻璃化转变温度（Tg）为主线的高分子物理教学方法评价都很高，高分子物理期末和考研成绩也证明了这一点。但是学生们却普遍认为与高分子物理相匹配的高分子物理实验课程的存在感低，甚至部分学生还认为不如减少高分子物理实验的学时，用于增加高分子物理教学的学时。针对这一问题，我们高分子教学团队认真梳理了近几年来高分子物理实验的教学内容、教学过程及教学方法等内容，结合学生反馈，我们对存在的问题总结如下：一是教学内容设计相对凌乱、缺乏系统性；二是教学过程基本遵循教师先讲解、学生后动手完成实验操作这一传统教学方法和过程；三是教学考核上过分强调实验报告所占的比重，造成了学生的主要精力没有放在为什么做、如何做以及做实验过程，而是放在了实验预习报告和实验报告的撰写上。此外，由于部分仪器数量有限，学生动手操作的机会少、参与程度较低，导致了实验课中存在等待实验结果大量的“空闲时间”。上述问题和现象既打击了学生动手实验的兴趣和积极性，也不能有效调动学生的主观能动性，更在一定程度上背离了开设高分子物理实验课程来加深学生对高分子物理基础知识的理解和掌握的初衷，更是与临沂大学建设应用型本科高校的目标背道而驰。

近年来，临沂大学高分子教学团队在不断推进高分子课程的教学改革，也正在积极申报省级和国家级精品课程，对教学过程中发现的问题也在不断总结和改进。高分子物理和高分子物理实验是高分子精品课程体系的重要核心课程，二者相互依存，前者是基础，后者是补充[6-7]。而基于前期在以玻璃化转变温度（Tg）为主线的高分子物理教学方法的经验和积累，进一步提出了以综合实验集群课程设计的高分子物理实验教学改革探究，探索将原本相对独立的单项实验进行集群组合课程设计，从而更好地引导学生从更系统全面的角度思考问题，加深学生对高分子物理基础知识的理解和掌握。本文主要介绍了临沂大学在高分子物理实验课程中实施综合实验集群课程设计教学改革的一些探索和初步进展。

一  综合实验集群课程设计

近年来，临沂大学确立了建设区域一流、省内一流高水平综合性应用型大学的办学目标，临沂大学在人才培养的思路、方法及模式等方面都做出了相应改革，着重突出了产、学、研、用相结合的新型办学模式。而临沂大学材料科学与工程学院材料科学与工程（高分子材料方向）本科专业旨在为国家和区域高分子材料行业发展培育具有扎实专业基础知识和较强实践能力的综合性、复合型人才。因而高分子物理实验课程的教学质量会直接影响我院高分子专业人才培养的质量和水平。

在进行综合实验集群课程设计与探索之前，临沂大学材料科学与工程（高分子方向）专业开设的高分子物理实验共32学时、8项实验，各项实验之间缺乏系统性。而在确定实施综合实验集群课程设计与探索教学改革之后，结合培养方案和学院、学校实际，以高分子物理的知识脉络（结构—性能）的系统性和可操作性为依据，把原来的8项实验进行重新筛选、增减和优化，最终确定了4个综合实验集群，分别为：聚合物分子量及分布实验集群、聚合物结晶特性实验集群、聚合物热性能实验集群和聚合物力学性能实验集群。每个实验集群课时为8学时，与之前的32学时保持对应。

其中，聚合物分子量及分布实验集群内容包括两部分，分别为乌氏粘度计法和凝胶渗透色谱法（GPC/SEC）测定聚合物的分子量及分布；聚合物结晶特性实验集群包括三部分，分别为密度法测定聚合物的结晶度、偏光显微镜观察聚合物的结晶形态和浊点法测定聚合物的溶度参数；聚合物热性能实验集群包括三部分，分别为差热法测定聚合物的玻璃化转变温度、维卡仪测定聚合物材料的软化点及热重法测定聚合物的热分解性能；聚合物力学性能实验集群课程包括三部分，分别为聚合物材料的拉伸性能（应力-应变曲线）、聚合物材料的冲击性能和聚合物材料的黏结性能。综合实验集群课程设计内容具体展开如下。

（一）  聚合物分子量及分布实验集群内容设计

结构决定性能，对于聚合物来说，最显著的特点是由若干小的结构单元以共价键连接形成大分子，同时还是由相对分子质量不同的同系物组成的混合物。因而结构单元的个数、分子量及分子量分布就成为决定聚合物基本性质的最基础的数据，只有准确获悉了聚合物的分子量及分布信息才能为后续聚合物性能的研究和应用夯实基础。

因此，首先确定了以聚合物分子量及分布为主要内容的实验集群设计内容一，选取了乌氏粘度计法和凝胶渗透色谱法来测定聚合物的分子量及分布两个实验。粘度法是测定聚合物分子量的经典方法之一，具有设备简单、操作方便、适用范围广及实验精度高等优点，在聚合物的生产及科研中得到十分广泛的应用[8]。具体内容上是采用乌氏粘度计测定甲苯溶液中聚苯乙烯黏度变化，进而测定求出聚苯乙烯的分子量。该实验不仅涉及大量的实验操作如溶液配制、定容、计时及团队配合等动手操作，还涉及大量的理论知识如特性黏度、相对黏度、增比黏度、牛顿流体、非牛顿流体及Kraemer和Huggins方程等，对于巩固和加深所学高分子物理基础知识意义重大。

凝胶渗透色谱法是我们筛选的聚合物分子量及分布测定的又一经典实验，凝胶渗透色谱法不仅可以测定聚合物的相对分子量，还能精准测定聚合物的分子量分布，该方法不仅是粘度法的非常有益的补充，还是迄今为止最为快速高效的聚合物分子量及分布测定方法[9]。具体内容是采用凝胶渗透色谱仪以N，N-二甲基甲酰胺（DMF）为流动相测定聚苯乙烯的分子量及分布。此外，后续还会根据实际情况动态调整和优化其他分子量及分布的测定实验如端基法（1H NMR）、飞行时间质谱法（MALDI-TOF-MS）等。

（二）  聚合物结晶特性实验集群内容设计

聚合物是长链结构，而长链间的排列和堆砌就是指聚合物的凝聚态，其凝聚态结构包括非晶态、晶态、液晶态、取向态及织态等。聚合物凝聚态结构极具理论和实际意义，正确的凝聚态结构概念是建立聚合物各种本体性质理论的基础，而且研究聚合物凝聚态结构特征、形成条件及其与材料性能之间的关系，可以为通过控制加工条件获得具有预定凝聚态结构和性能的材料提供科学的依据[10]。

尽管多数聚合物以非晶态形式存在，但晶态聚合物在热、力、光、电及磁等方面都表现出了优异特性，使其在聚合物凝聚态中地位举足轻重，那如何来评判聚合物的结晶特性就显得至关重要，其中聚合物的结晶程度和结晶形貌则是两个最基础关键的评价参数[11]。因此，确定了以聚合物结晶特性为主要内容的实验集群设计内容二，即选取了密度法测定高、低密度聚乙烯的结晶度和偏光显微镜观察不同实验条件下聚丙烯的结晶形态两个实验。通过这一集群课程设计的同时开设可以更系统全面地加深学生对影响聚合物结晶的内在和外在影响因素的理解和把握。

此外，我们还增加了浊点法测定聚合物的溶度参数这一课程实验来增加学生对聚合物溶解过程的理解和把握。尽管浊点法测定聚合物的溶度参数与聚合物的结晶特性关联性不大，把它归到聚合物结晶特性实验集群的原因如下：首先是为了合理搭配实验学时；其次是为了更全面地涵盖高分子物理基础知识，尽管聚合物多组分体系在高分子物理基础知识脉络体系中比较突兀，但是却与实际应用中的多组分聚合物体系如聚共混、增韧、增强及复合体系等都密切相关，而多组分聚合物体系的性能又与各组分的凝聚态及混合后程度（溶度参数）等密切相关，因而，我们暂时把浊点法测定聚合物的溶度参数实验放在聚合物结晶特性实验集群设计，后续也会根据改革探索实际进行再调整、再优化。

（三）  聚合物热性能实验集群内容设计

聚合物的热性能通常是指在温度升高时保持其物理机械性质的能力，是聚合物材料加工成型和应用过程中的重要性能之一，涉及到聚合物的结晶、熔融、热变形及热分解等行为。而现阶段对于聚合物的热运动的理解而言，在高分子物理基础教学上都归结到链段的冻结、链段的运动及链的质心位移等，这正与表征聚合物耐热性能常用的温度参数玻璃化转变温度（Tg）、维卡软化温度（VST）、熔点（Tm）、粘流温度（Tf）及分解温度（Td）等相对应。