高分子物理实验的系统性与实践化教学探索

谢华理，苏晓竞，郑轲，吴文剑，李坤泉

（东莞理工学院 材料科学与工程学院，广东东莞 523808）

教学是国家实施“科教兴国”发展战略的重要途径，高校教学更是国家培养高水平人才不可或缺的一环。在高校教学之中，实验课是训练学生学以致用、理论联系实际，培养学生动手能力与创新思维的重要课程。在鼓励学生创新创业的今天，实验课在高校教育中占据着越来越重要的地位。

高分子物理是高分子材料专业的核心课程，旨在让学生通过对高聚物的链结构、凝集态结构、分子量、分子运动、黏弹性、屈服与断裂等内容的学习，理解高分子结构、分子运动、宏观性能和实际应用这几者之间的关系，是高分子材料研究人员与从业者必须掌握的基础知识[1]。但是这些理论知识大多抽象深奥、晦涩难懂，对于学生的理解与记忆是一个不小的挑战。而作为其实践课，高分子物理实验指导学生如何将理论引入实践，对于学生理论知识的巩固及应用具有重要意义。

1 高分子物理实验教学中存在的问题

本教学团队在经过多年教学实践，到兄弟学校交流学习，及参考了线上大量实验教学案例之后，总结出了高分子物理实验教学中普遍存在的问题：

1）实验安排整体系统性不强，各个实验之间的关联性薄弱。现有的高分子物理实验教学一般都是针对特定的几个重要理论知识点设置相对应的实验，往往不会考虑实验之间的连贯性和系统性。学生会拿到现成的样品完成一个独立的实验，样品怎么来的？完成该实验是为了指导下一步的什么工序？学生都不知道。因此这样的实验设置难以给学生提供系统性锻炼，各个实验之间有怎样的先后关系？在整个高分子材料应用过程中处于哪一个环节？发挥着怎样的作用？学生无法形成一个系统性认知。

2）学生被动安排实验，在实验设计方面主观能动性和参与度不高。课程的所有的实验基本都是老师安排好的，学生没有参与实验的规划与设计过程，难以调动学生的主观能动性，也无法培养学生的实验设计能力。学生只是在老师指导下进行实验操作，无法深入地认识实验设计的目的，难以体会实验条件的设置依据。

3）实验内容脱离实践，且对学生“理论指导实践”能力锻炼不足。实验课是为了培养学生对理论知识的灵活运用能力，通过理论知识指导实际生产实践。然而当今高校中高分子物理实验内容往往忽略了跟企业真实实践的接轨，导致实验内容或实验条件往往脱离企业生产的实际情况。同时学生对企业生产缺乏了解，进行实验就是纸上谈兵。

2 教学改革措施

为了克服高分子物理实验课程普遍存在的上述问题，本教学团队与高分子材料企业合作进行校企共建，对课程进行了系统性与实践化改革。如图1所示，课程实验以企业实际产品性能需求为目标，让学生围绕该目标进行实验设计与操作，模拟企业产品研发流程，且相关知识覆盖了高分子物理课程中链结构、凝集态结构、分子量、分子运动、黏弹性、屈服与断裂等核心理论内容。具体改革措施如下：

图1 课程流程规划图

2.1 增强实验内容连贯性与系统性

本课程为学生设定了一个总目标“制备高强度聚丙烯材料”，所有的课程实验设置围绕着实现该目标进行。如图1所示，其流程包括“方案设计”—“原料筛选”—“加工条件研究”—“样品制备”—“性能测试”—“机理研究”等。整体的实验设置有着良好的连贯性与系统性，有利于让学生了解整个生产实践过程，理解每个实验在生产实践环节中的意义与作用。例如，在原料筛选阶段就需要针对总目标考虑强度的影响因素。对于聚丙烯原料而言，影响强度的因素主要是分子量和结晶度，因此需要通过“黏度法”筛选分子量，通过“偏光显微镜法”筛选结晶性能[2]。如图2偏光显微镜结果所示，企业所提供的两种聚丙烯材料表现出截然不同的结晶能力。同样在210 ℃下熔融并冷却之后，聚丙烯1（图2a）几乎不结晶，而聚丙烯2表现出良好的结晶能力（图2b），晶胞完善且尺寸均一。高分子材料的晶区分子链堆砌排列紧密，结构稳定，强度更高[3-4]，因此学生们选择了易结晶的聚丙烯2作为后续的实验原料。此外，学生在结晶实验过程中还研究了结晶温度与结晶行为之间的关系，为后续的加工温度等条件的设置提供了参考依据。

图2 聚丙烯材料的偏光显微镜照片

2.2 由解决特定问题引入，学生参与实验设计

在第一堂课上，学生在老师的指导下，围绕着“制备高强度聚丙烯材料”的目标进行整个课程实验框架的讨论与设计。学生先根据学校现有的实验设备，达到各阶段的实验目的，例如“加工条件研究”阶段选择了企业常用的“熔融指数测试法”研究分子量对聚丙烯流动性的影响[5]。在学生与老师的共同讨论下，最终得到图1所示的实验内容。此外，根据每一次实验的具体实验，对下一步时间的具体条件进行讨论与修正。如图3所示，学生的熔融指数测试结果显示，300000和400000分子量的聚丙烯熔融指数分别为18.76 g/10 min和6.89 g/10 min，处于6～20 g/10 min的范围之内，可进行注塑成型[6]。为了实现更高力学强度，同学们选择了400000分子量的聚丙烯，但是其流动性偏差，因此下一步挤出实验的各段螺杆温度要适当提高。

图3 不同分子量聚丙烯的熔融指数

2.3 校企共建课程，理论联系实际

本课程充分利用东莞市“制造业之都”的地方优势，与本地高分子材料企业合作，采用“校企共建”的形式开展课程。课程实验的总目标“制备高强度聚丙烯材料”来源于企业实际产品需求，实验原料由企业提供，学生模拟扮演企业研发人员的角色，以3～4人的小团队模式进行实验设计与实践操作。更重要的是，企业工程师担任了课程的校外导师，且第五周的“热塑性注塑成型”实验在企业开展，由企业导师指导学生完成。在完成注塑成型实验的同时，校外导师带领学生参观了企业的生产线，了解企业的实际生产程序。之后，又根据企业产品的实际性能需求，测试了在不同模温下得到的样品的拉伸性能，结果如图4所示。可见，随着模具温度从30 ℃逐步提高到90 ℃，样品强度与模量逐渐提高，但韧性逐渐降低，该数据对于根据产品性能需求来调整加工工艺具有重要指导意义。根据企业产品的性能需求，材料的屈服强度不低于35 MPa，模量不低于400 MPa，因此模温在70 ℃以上时所得材料的强度与模量均可达标。另外，学生在对数据分析讨论时还考虑到材料需要一定的韧性[7]，认为在满足强度与模量需求的基础上，应选择较低模温，因此最终将模温设置在70 ℃。

图4 模具保温温度对样品拉伸性能的影响

3 系统性实践式教学的实施成效

高分子物理实验的系统性实践化改革，符合其实践型课程的核心定位，更有利于实现巩固理论知识与培养学生知识运用能力（包括理论联系实践、系统性思考、发现问题、分析问题与解决问题等）的课程目标。与企业共建并从企业的实际产品需求出发，让学生参与实验设计，可激发学生的兴趣与热情，并引导学生独立思考，培养学生的科研思维。学生以固定小组的形式参与所有实验，可培养学生的团队协作意识。课程实验设置覆盖了高分子物理课程中从微观结构、分子运动到宏观性能等核心理论内容，学生在实验过程中可围绕实验目标发现问题，并运用相关理论知识去思考问题与解决问题，巩固学生理论知识的同时，锻炼学生的综合科研能力。

4 结论

本教学团队在高分子物理实验课程教学中进行了系统性与实践化的改革探索，目的是解决该课程普遍存在的实验设置系统性不强、学生被动参与、内容脱离实践等问题。通过与东莞市本地高分子企业进行合作，采用“校企共建”的形式开展课程，引入了企业教学团队并以企业作为课程教学基地。将企业实际产品需求“制备高强度聚丙烯材料”作为课程的总目标，让学生围绕该目标体验了对标企业完整生产流程的实验设计与操作，由此有效提升课程实验设置的系统性与实践价值，激发学生的兴趣与热情、巩固学生的《高分子物理》理论知识并培养学生的综合实践能力。