新编高聚物的结构与性能_编写心得_1_教材乃教学之本.docx

檭檭檭檭檭檭殐教 学新编高聚物的结构与性能编写心得（）教材乃教学之本何平笙，朱平平，杨海洋（中国科学技术大学高分子科学与工程系，合肥）摘要：教材乃教学之本，一本好的教 材 会 影 响 好 几 代 学 生。 本 文 以 新编高聚物的结构与性能的 编 写 为例，提出教材编写要建立在深入、持久的教学研究基础上，写专业课教材一定要有自己的科研工作，教材撰写者 应尽量反映本国学者科研成果，编写教材要有不怕慢、只怕停的坚韧性等四个原则。 此 外，还探讨了教材编写 中存在的问题。关键词：高聚物的结构与性能；高分子物理；教材；教学研究教材乃教学之本一个大家都公认的事实是，一本好的教材会影响好几代学生。 像我国南京大学傅献彩教授等编著的大学本科教材物理化学，时间跨越 年，已经出到了第 版，据不完全统计，印数达 千册，为国内 多所大学选作教材以及考研指定参考书。 南开大学申泮文院士专门组织一大批学者编写一套十四部 的 “南开大学近代化学教材丛书”，为该校化学教学改革奠基，荣获国家级教学成果一等奖 。 作为另一 个例子，由诺贝尔 化 学 奖 得 主 撰 写 的 “”（聚 合 物 化 学 原 理），尽管是 年出版的，至今仍然被美国许多大学指定为博士生必读课本。 据 搜索称，该 书被引用次数高达 次，甚至有人尊称该书是高分子科学中的“ 圣经”。因此，编写一本好的教材是教学改革的根本之一。 基于这样的认识，我们一贯重视教材建设，近十年来共撰写和出版了 本（版）的高分子物理教材和教学参考书，包括国家级精品课程教材新编高聚物的 结构与性能以及配套教学指导用书高分子物理重点难点释疑，教育部推荐全国研究生教学用书高聚物的力学性能第 版，普通高等教育“十一五”国家级规划教材高分子物理实验第 版，研 究生教材高分子结构与 性 能、高 分 子 物 理 教 程、高分子链构象统计学、二 维 状 态 下 的 聚 合和热固性树脂和树脂基复合材料的固化 动态扭振法及其应用等本科生或研究生教材。 由此，我们对教材编写有了点许体会，本文以新编高聚物的结构与性能教材编写为例，把我们在撰写过 程中的心得写出来，供同仁参考。教材编写要建立在深入、持久的教学研究基础上顾名思义，我们通常所说的“教研室”就是进行教学研究的基层组织。 教学和科研一样，都要开展认 真的研究。 对我们高分子物理学科，教学研 究 更 为 必 要。 “高 聚 物 的 结 构 与 性 能”课程是以高聚物为对 象，涵盖全部物理的内容，头绪繁多，概念抽象，被大家认为是一门难讲的课程。 另一方面，高分子物理却 是当今凝聚态物理中最为活跃和最有希望获得突破的领域。 “高聚物的结构与性能”揭示结构与性能之收稿：；修回：；作者简介：何平笙（），中国科学技术大学高分子科学与工程系教授，科研兴趣广泛，并关注高分子物理的教学研究，已发表论文约 篇，退休后致力于撰写高分子物理的教材和有关专著，计 本檭檭殐檭檭殐高分子通报 年 月 间的内在联系及其基本规律，以期对高聚物材料的合成、加工成型、测试、选材、合理使用和开发提供理论依据。 深入的教学研究是教学观点更新和教材内容系统化的重要依据。 新编高聚物的结构与性能一 书中的许多内容和观点正是我们多年来撰写发表的 余篇教学研究论文的体现。譬如，在仔细分析加工过程对高聚物性能的影响，以及高聚物的导电、光电和磁性，乃至其可能的超导性等后，书中我们明确提出了“三个层次的高聚物结构与性能关系”，即通过分子运动联系的 “分子结 构与材料性能”关系，通过产品设计联系的 “凝聚态结构与制品性能”关系，以及通过凝聚态物理知识来 联系的 “电子态结构与材料功能”关系，突破了传统教材上只讲授 “分子结构与材料性能”知 识 的 局 限性。“软物质”的概念是诺贝尔奖得主 提出的 。 书中我们正式把“软物质”的概念融 入了课程内容，明确告诉学生高聚物特有的高弹性“小能、大熵”正是软物质的特性之一，另一个软物 质的特性 “小影响、大效应”，也在高聚物交联结构中表现得非常明显。书中把大家熟悉的 方程提高到“高聚物特殊的运动单元 链段运动所服从的特殊温度依赖 关系”的高度来认识。 小分子化合物的分子运动以及高聚物整链或链节的分子运动温度依赖性无一不是 符合 公式的。 只有高分子链的链段运动才不符合普适的 公式，而服从自己特殊温 度依赖关系 方程，并指出由于高分子链的“大”，量变必然引起质变，量“大”引起的质变是新的 结构参数“柔性”的产生，从而产生高聚物特有的橡胶高弹性，并具有自己特有的温度依赖关系 方程 。针对课程内容头绪繁多，概念抽象的难题，我们专门整理出了课程讲授的几条教学主线，把纷乱的内 容梳理成若干条清晰的脉络，把结构与性能的关系交代得非常清楚。“高聚物的结构与性能”是一门放在化学框架中却偏重物理的课程。 因此对数理和工程技术的要求 比较高，我们积数十年高分子物理教学和科研的经验，分别提出了对高分子物理专门人才所需的数学、物 理、化学和工程技术知识的基本要求。 它们是化学：（）掌握四大化学基本知识，（）掌握相当的化学 合成技能，和（）有运用物理和数学工具解决化学问题的强烈愿望；物理：（）能理解已有高分子理论的 物理图像，（）能就高分子物理的问题与物理工作者交谈得起来，和（）能对高分子物理的具体问题提炼 出清晰的物理模型；数学：（）能“硬着头皮”把有关高分子物理的理论论文读下来，不“怕”或不“怵”数学 的符号和术语，（）能就高分子物理的问题与数学工作者交谈得起来，和（）能运用数学工具解决高分子 物理的实际问题；工程技术：（）能看懂电子线路、机械制图和电脑程序，（）能应用所学知识设计制作小 配件，（）能根据需要自己设计专用仪器，包括电脑软件、接口。 这样在编写新编高聚物的结构与性能 时，为了能够“不怕或不怵数学的符号和术语，硬着头皮把有关高分子物理的理论论文读下来”，对数学推 导不是一味省略，而是合理取舍，说明推导思路，破除化学系学生对数学推导的“天生”惧怕。 为了能“设 计制作小配件、小装置”，书中时时介绍我们制作的实用实验装置，告诉学生今后真正一流的科研工作大 多是用自己设计装配的“简单”但却是思想非常先进的仪器装置做出来的。图双（对甲苯磺酸），己二炔，二醇酯（）单体单晶直接聚合成其聚合物 的单晶照片 （），第 期高分子通报 编写专业课教材一定要有自己的科学研究一般认为，没有科研经历的人是编写不出好教材的。 只有自己从事本学科的科学研究才能对若干个方向有深刻的认识，从而进一步把握该学科总的脉理，撰写出有深度的教材来。 记得在我们“高聚物的结 构与性能”课程申报国家级教学成果奖的答辩会上，就有资深院士提出了这个问题。 好在我们从事教学 研究的同时，也积极开展高分子学科前沿的科学研究，曾申请到 次国家自然科学基金，因此在书中不但 有全面高聚物结构与性能总的把握，也把涉及我们科研工作的有用知识写进了教材。 譬如，多少年来高 聚物都是非晶或半晶的，并且由于结晶性高聚物的折叠链结构是如此的普遍，在一个时期里竟认为不存 在完整的高聚物单晶。 事实是，高聚物结晶都是先聚合后结晶的，很长的大分子链不易规整排列，细长而 蜷曲的高分子链要在三维空间中排列整齐形成晶体总是一件很难的事，得不到完整的晶体。 把逆向思维 的道理用在高聚物结晶上，就是先把单体排列整齐后再令它们发生聚合，即先把单体培养成单晶体，再令 单体单晶聚合就可得到厘米尺寸、 结晶和完全伸直链的高聚物单晶体。 因此，在我们的书里不 但有不同结晶条件（不同浓度的溶液或熔体，高压以及搅拌）下的结晶形态，还有了不同结晶方式（先聚合 后结晶，先结晶后聚合）下高聚物结晶形态的内容。也是因为 高 聚 物 宏 观 单 晶 体 的 结 晶 度，使得高聚物的玻璃化转变问题出现了特殊情 况 没有非晶部 分 的 高 聚 物 宏 观 单 晶 体 根 本 就不存在玻 璃化转变的问题。 加 上 我 们 从 事 单 分子膜和 膜的聚合和动态弹性的研究，发现 亚油酸单分子膜紫外聚合后的弹性不但不增加， 反 而不断降低的 事 实 （动 态 模 量 下 降 到，比 辐 照 聚 合 前 的 低 很 多，见图） 。 考虑到高聚物薄膜玻璃 化 温 度随厚度降低而 降 低，我 们 在 书 中 增 加 了 “高 聚 物玻璃化转变的几个特殊情况”的章节，向学生 介绍了“ 结 晶 的 高 聚 物 宏 观 单 晶 体 没 有 玻图亚油酸单分子膜的弹性随紫外光辐照时间增加而减少 璃化转变”、“高分子单链存在非晶态，也有玻璃化转变”、“高聚物表面的玻璃化温度随离表面的距离改变而有较大的变化”以及“二维橡胶态的提出及几个证明它可能存在的实验”新的内容。教材撰写者应有对本国学者科研成果的敬意各国的教材无一例外的都会把本国科学家的科研成果编入教材中，因此加入我国科学家在高分子物理领域中取得的成果是新编高聚物的结构与性能一书的又一个特点。 事实上，我国科学家在国家攀登 项目“高分子凝聚态的基本物理问题研究”科研中，以高分子链单元的相互作用特别是链单元间的相互吸 引在凝聚态形成过程中的作用这一国际上独创的观点出发，纵贯高分子的全部相态 高分子溶液、非 晶态、晶态和液晶态中存在的问题，开展了深入系统的研究工作。 取得了一些世界水平的成果，已经使得 我国高分子物理的科研在若干领域中跻身于世界前列，。 如：（）在国际上首先开辟高分子单链凝聚 态的研究的新领域；（）提出了高分子链的凝聚缠结新概念；（）首次从实验上证实了柔性链高聚物的分 子链大尺度高度取向而小尺度无规取向的取向非晶态的存在，解释了形成机理，并揭示了其特性；（）提 出了从极稀溶液到稀溶液的分界浓度 动态接触浓度的新概念；（）揭示了向列性液晶态条带织构 的本质，发现了主链向列液晶态的固化诱导条带织构，用凝聚的观点来解释液晶高分子的结构特性；（） 推导了一个能合理描述玻璃化温度和高分子链刚性程度之间定量关系的理论公式等，形成了有我国特色 的高分子物理学学派，在国际高分子界已获得了应有的地位。 这些成果都在我们的教材有关章节中得到 了相应的描述。高分子通报 年 月 在高聚物的加工成型方面，我国科学家独创了高聚物电磁动态塑化挤出法，把电磁振动场引入高聚物塑化挤出全过程，直接电磁换能，机电磁一体化，高聚物电磁动态塑化方法使高聚物固体输送、熔融 塑化、熔体输送在周期性振动状态下进行，将机械、电子、电磁技术有机融合，实现结构的集成化。 为此我 们开辟了专门的章节向学生介绍。在高聚物物理力学性能测试方面，我国科学家设计制作的旋转盘冲击拉伸试验机是具有世界水平的 工作，也在书的第六章中有所介绍。编写教材要有不怕慢、只怕停的坚韧一个勿庸置疑的事实是，编写教材是一件非常吃力的“苦差事”，需要的是有不怕慢、只怕停的 坚 韧 性。 一本中等篇幅的教材约为 万字。 如果一天打写 纸半页（当然是在缜密的筹划和收集了足够 的资料之后，或在有多年讲课经验积累之后），一年就能写出 页，约为 万字，如果一天能写上一页 纸，那么一年下来就有了 万字，整本书就差不多出来了。 关键的是持之有恒。正如前辈所言，编书如造园，主要是取它山之石，引它池之水。多看参考书就非常有必要。但一山一 水如何排布却彰显造园者的构思。我们的体会是多上课，面对不同层次的学生讲授不同深度的课程，尝试各种“排布”方式。我们的高聚物结构与性能课程不但给科大本科生上，也给研究生上，甚至也给外校（安徽理工大学、安徽建筑工程学院）学生上课，更是连续年给中科院长春应用化学研究所研究生上课。造园中我们还不时加上自己的“小装饰”，主要是多积累非化学方面的知识（数、理、工程、生物），从多 角度视角来审视高分子学科的问题，像从壁虎的腿 纯范德华相互作用的“干”黏合剂实例中加深学生 对高聚物中庞大范德华力的认识，从昆虫的复眼导入用软刻蚀方法制作高聚物微透镜阵列的内容， 以及用超导的 理论来介绍 高聚物超导模型等等，使得新编高聚物的结构与性能一书理化交 融，内容新颖，很有看头。绘制“好看的”插图是又一件费心的活，但一定要认真对待。 好的插图或示意图会令学生对课文的理 解有事半功倍的作用。 像我们对高聚物黏弹性力学模型的示意图，不但有弹簧和黏壶力学元件参数 和 ，并且把应力，应变 和时间 等黏弹性要素都标注在图上。 又如在讲解高聚物溶液的似格子理论时，我们专门绘制了第（）个高分子链放在格子中的 幅插图，配合正文的讲述，一目了然，效果很好。存在问题编写出版教材中还有许多问题需要商榷，主要的有：（）专业名词的统一。 教材中专业名词前后不统一的情况比比皆是。 既有叫高聚物的，也有叫聚合 物、高分子和高分子化合物的。 相对来说，聚合物这个名词更有包容性，它既可以是高聚物，也可以是低 聚物。 我们之所以叫高聚物是因为我们讨论的是当材料来使用的聚合物，它们都是高平均相对分子质量 的，所以叫高聚物。（）引用数据（数值）的前后一致性。 不管是列表全面介绍有关数据，还是作为实例来说明问题，都会 引用有关数据。 但高聚物的许多数据因为它们的平均相对分子质量不同，凝聚态不同（结晶度和取向度 不同），测试方法不同（动态或静态测定），测试条件不同（升温速率不同）而有所差别。 如何在教材中能尽 量把所引用的数据统一是一件很花费精力的事。（）传统内容的保留和新内容的添加。 尽管高分子学科还算年轻，但仍然有不少内容已经陈旧，像不 少测定平均相对分子质量的方法（沸点升高和冰点降低的依数性实验，超速离心沉降等）在实验室中已很 少使用，可以删除，而像以前很少用的质谱法却由于新技术的出现，越来越多地用于高聚物平均相对分子 质量的测定，要及时添加。（）有争议问题的交代。 作为相对年轻的学科，高分子物理中有不少问题存在不同的看法，甚至是针 锋相对的观点。 譬如有关高聚物玻璃化转变的热力学理论，与传统的有关高聚物性能（包括玻璃化转变） 与时间密切相关的动力学本质是有饽的。 但玻璃化转变的热力学理论仍然有其一定道理，我们把两第 期高分子通报 者都介绍给学生了。 又如高聚物的非晶态模型，的无规线团模型与 的折叠链缨状球粒模型也是针锋相对的。 我们分别以“模型依据的实验基础”，“模型的设想”，“模型能解释的实验现象”以及“模型 的不足之处”一一对应说明之，有理有据，引导学生在将来的工作中继续探索这些重要问题的本质。参考文献： 傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华物理化学第五版北京：高等教学出版社， 教育部关于批准第 六届高等教育国家级教学成果 奖 获奖项目的决定：第六届高等教育国家 级 教学成果