安會(huì)勇+司薇薇+史春薇+趙立平+李端陽(yáng)

摘要：“高分子鏈的構(gòu)象”是高分子物理的重要知識(shí)點(diǎn)，是正確理解高分子鏈形態(tài)的基礎(chǔ)?！案叻肿渔湹臉?gòu)象”教學(xué)設(shè)計(jì)以構(gòu)象為中心，將“鏈段”、高分子鏈的柔順性、構(gòu)象統(tǒng)計(jì)以及等效自由連接鏈有機(jī)結(jié)合，建立直觀的高分子鏈的形態(tài)“圖像”，為后續(xù)高分子物理的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，“高分子鏈的構(gòu)象”教學(xué)設(shè)計(jì)提高高分子物理考試成績(jī)。

關(guān)鍵詞：高分子物理；構(gòu)象；構(gòu)象統(tǒng)計(jì)；柔順性；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）14-0200-02

一、“高分子鏈的構(gòu)象”在高分子物理中的地位

高分子鏈的構(gòu)象是指由于C—C單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的高分子鏈在空間的不同形態(tài)[1]。深刻理解高分子鏈的構(gòu)象才能正確描繪高分子鏈的形態(tài)和大小，從而對(duì)高分子鏈的結(jié)構(gòu)有具體而直觀的感受，為全面掌握高分子結(jié)構(gòu)這一具有多層次性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。作為《高分子物理》課程的重要知識(shí)點(diǎn)，高分子鏈的構(gòu)象在一般教材中卻介紹的不多[1-5]。一方面，“構(gòu)象”的概念在《有機(jī)化學(xué)》中作為重要知識(shí)點(diǎn)講解，不宜占用較大篇幅重復(fù)介紹；另一方面，大部分教材從高分子鏈的構(gòu)象與小分子構(gòu)象區(qū)別進(jìn)行講解，但教學(xué)效果僅局限于理解高分子鏈的構(gòu)象，無(wú)法體現(xiàn)“高分子鏈的構(gòu)象”這一知識(shí)點(diǎn)在高分子鏈遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)中承上啟下的重要作用。

在多年的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，愈發(fā)感受到“高分子鏈的構(gòu)象”知識(shí)點(diǎn)的重要性。只有使學(xué)生真正理解高分子鏈的構(gòu)象，并進(jìn)一步在腦中形成具體的高分子形態(tài)的“圖像”[6]，進(jìn)而深刻理解高分子鏈的柔順性，為柔順性的影響因素、高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計(jì)以及柔順性表征等重要理論奠定基礎(chǔ)。因此，通過(guò)對(duì)構(gòu)象（conformation）的講解，使學(xué)生掌握高分子鏈的模型，并進(jìn)行構(gòu)象統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最終闡明“鏈段”和等效自由連接鏈這兩個(gè)重、難點(diǎn)內(nèi)容，使學(xué)生具有高分子鏈形態(tài)的直觀感受。通過(guò)上述教學(xué)設(shè)計(jì)，將“高分子鏈的構(gòu)象”這一知識(shí)點(diǎn)與相關(guān)重要知識(shí)點(diǎn)和基礎(chǔ)理論有機(jī)結(jié)合，擴(kuò)充“高分子鏈的構(gòu)象”的教學(xué)內(nèi)容，樹(shù)立其在高分子鏈結(jié)構(gòu)中的重要地位。教學(xué)效果證明，按照上述教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行的教學(xué)實(shí)踐，取得了一定的教學(xué)效果。

二、“高分子鏈的構(gòu)象”教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）導(dǎo)入

1.以乙烷為例，復(fù)習(xí)小分子構(gòu)象的相關(guān)知識(shí)；2.提出問(wèn)題：①高分子鏈的真實(shí)狀態(tài)是什么樣的？②高分子構(gòu)象與小分子的構(gòu)象的區(qū)別與聯(lián)系。

（二）講授

1.采用對(duì)比教學(xué)法，提出自由連接鏈、自由旋轉(zhuǎn)鏈和受阻旋轉(zhuǎn)鏈三個(gè)高分子鏈結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)講解理論模型與現(xiàn)實(shí)情況的差別。

2.以自由旋轉(zhuǎn)鏈為例，說(shuō)明第i個(gè)鍵的決定的第i+1個(gè)C原子的位置與第一個(gè)鍵的位置無(wú)關(guān)。此時(shí)，高分子鏈的構(gòu)象數(shù)無(wú)窮多，所以高分子鏈的形態(tài)是無(wú)規(guī)線團(tuán)。

3.以受阻旋轉(zhuǎn)鏈為例，采用對(duì)比教學(xué)法，說(shuō)明現(xiàn)實(shí)情況的高分子鏈的構(gòu)象。與自由旋轉(zhuǎn)鏈相比，實(shí)際的高分子鏈構(gòu)象數(shù)相當(dāng)多，且存在不同的概率，所以高分子鏈的形態(tài)是“瞬息萬(wàn)變”的無(wú)規(guī)線團(tuán)。

4.采用啟發(fā)教學(xué)法，通過(guò)上述兩個(gè)模型的分析，啟發(fā)學(xué)生思考，從而引出“鏈段”的定義。

5.“瞬息萬(wàn)變”的無(wú)規(guī)線團(tuán)需要用均方末端距衡量其尺寸。采用圖表教學(xué)法，使學(xué)生掌握自由連接鏈和自由旋轉(zhuǎn)鏈計(jì)算均方末端距的方法。記住■=nl■和■=nl■（■）。

6.受阻鏈的構(gòu)象存在穩(wěn)定與不穩(wěn)定之分，呈穩(wěn)定構(gòu)象的概率大。其均方末端距需由內(nèi)旋轉(zhuǎn)位能函數(shù)確定，即■=nl■■·■。（推導(dǎo)部分自學(xué)）。

7.根據(jù)鏈段的定義，以化學(xué)鍵為統(tǒng)計(jì)單位研究高分子鏈，需要考慮鍵角；而以鏈段為統(tǒng)計(jì)單位，則不需要考慮鍵角。這樣就可用鏈段長(zhǎng)度Z和鏈段數(shù)b，替代鍵長(zhǎng)l和鍵的數(shù)目n，采用自由連接鏈的形式表示實(shí)際的高分子鏈尺寸，即等效自由連接鏈。采用聯(lián)想教學(xué)法，重點(diǎn)講解等效自由連接鏈的本質(zhì)（以鏈段為統(tǒng)計(jì)單位）和應(yīng)用（通過(guò)自由連接鏈的均方末端距公式計(jì)算ne和le）。

（三）總結(jié)

1.圍繞高分子鏈的構(gòu)象，總結(jié)相關(guān)概念和理論之間的關(guān)系。圖1將與“高分子鏈的構(gòu)象”有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)理論進(jìn)行了整合。按照?qǐng)D1對(duì)本知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，使學(xué)生直觀、全面地掌握“高分子鏈的構(gòu)象”教學(xué)過(guò)程和重、難點(diǎn)，便于學(xué)生厘清內(nèi)旋轉(zhuǎn)、構(gòu)象、鏈段、均方末端距、等效自由連接鏈、鏈段長(zhǎng)度等重要知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系，利于學(xué)生記憶和掌握。

2.回答導(dǎo)入部分提出的二個(gè)問(wèn)題。（1）高分子鏈的真實(shí)狀態(tài)是什么樣的？答：高分子主鏈雖然很長(zhǎng)，但通常并不是伸直的，它可以蜷曲起來(lái)，使分子采取多種形態(tài)，這些形態(tài)可以隨條件和環(huán)境的變化而變化。用一句話描述高分子鏈的形態(tài)就是“瞬息萬(wàn)變”的無(wú)規(guī)線團(tuán)。（2）高分子構(gòu)象與小分子的構(gòu)象的區(qū)別與聯(lián)系。答：高分子構(gòu)象是很多小分子的構(gòu)象的疊加。高分子構(gòu)象數(shù)相當(dāng)多，要復(fù)雜得多。因此，高分子鏈具有獨(dú)特的“柔順性”。

3.與構(gòu)型（configuration）與構(gòu)造（architecture）進(jìn)行辨析，加深對(duì)高分子鏈的“構(gòu)象（conformation）”的理解。

三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

按照上述方法、方式講授本知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)多種教學(xué)方法，將各主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效銜接，具有較好的教學(xué)效果。

表1是采用“高分子鏈的構(gòu)象”教學(xué)設(shè)計(jì)前后對(duì)高分子結(jié)構(gòu)部分試題及全卷的成績(jī)分析。表1分析表明，相對(duì)于2005級(jí)學(xué)生，2013級(jí)本科生的高分子結(jié)構(gòu)部分試題及全卷得分率大幅提升，且此兩套試題均具有較好的信度（>0.7）。其中高分子結(jié)構(gòu)試題得分率提高幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全卷得分率的增幅，說(shuō)明高分子結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容的考核成績(jī)是制約全卷成績(jī)的重要部分，成績(jī)分析結(jié)果部分證實(shí)“高分子鏈的構(gòu)象”教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐一定程度地提高了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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[6]安會(huì)勇，段林海，韓向艷，李海英，雷良才.“高分子物理”圖表教學(xué)法初探[J].高分子通報(bào)，2011，（8）：103-106.

Abstract：Macromolecular conformation is an important content in polymer physics and is the foundation of proper comprehension of macromolecular form.Instructional design of conformation of macromolecular chains centered about conformation and integrated the"segment"，flexibility，conformational statistics and equivalent free-jointed chains.Conformation of macromolecular chains created the intuitive image of forms of macromolecular chains.Instructional design and teaching practice on conformation of macromolecular chains improved the test performance of polymer physics.

Key words：Polymer physics；conformation；conformational statistics；flexibility；instructional design