高分子材料仪器分析教学法探索

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一、教学方法

（一）注重基本概念和基本原理，开展共性和个性相结合的分类教学

本课程的教学内容涉及高分子材料研究中典型的7大类15种仪器分析方法，每种方法都有其原理、仪器组成、制样要求和应用实例，课程内容非常丰富。如果授课时面面俱到，学生一定会疲于记忆，淹没在大量的知识碎片中。而且，随着新材料和新表征方法的不断涌现，学生需要了解的知识会逐年增多。这就要求课程教学必须抓住重点，主次分明。作为本科生教学，本课程的重点应放在基本概念、基本原理的讲授上。我们将种类繁多的分析方法归结为7大类，即色谱法、质谱法、光谱法、波谱法、热分析法、显微镜和X射线衍射，并分类进行介绍。教学中首先着重介绍每一类方法共性的基本概念和原理，其次在共性基础上，介绍各种方法的个性和方法之间的差异，从而突出重点，理清脉络。例如讲授色谱法时，我们首先强调色谱最基本的分离功能原理，即依据不同组分在固定相和流动相中的分配系数不同导致保留时间不同的原理而实现分离，并介绍最基本的气相色谱法。在此基础上，我们再讲解，由于高分子材料不能气化，因此在气相色谱仪前加装裂解器，将大分子链在高温下断裂为可气化的小分子碎片并进行分离分析，即为裂解气相色谱；将高分子材料作为固定相，通过研究不同温度下特定小分子在其中的保留时间变化来研究高分子材料的状态变化，即为反相气相色谱；如果不依赖相互作用，而仅是以分子线团尺寸为分离依据，即为凝胶渗透色谱。按照这样的教学思路，学生在掌握了气相色谱之后，只需了解其他各种色谱方法与气相色谱的不同之处，以及由此引申出来的在样品制备、数据分析和应用等方面的独特之处即可，而无须记忆大量的知识。这样的方法有利于学生了解同类的不同分析方法之间的相互关系，形成归纳—推理的学习模式，从而可以举一反三。

（二）采用启发和推理式教学

为了让学生能够学活学透，在介绍每一种仪器分析方法时，我们都通过三个问题串起全部内容，即why（仪器为什么能工作，即仪器工作原理）、how（仪器怎么工作，即仪器组成及各部分结构和制样要求）和what（仪器能干什么，即可能的应用）。教师在课堂上把分析方法的原理讲深讲透，之后从原理出发通过一个个问题引导学生层层递进，推理出仪器组成、制样要求和可能的应用。例如红外光谱仪的基本原理是用一定范围的红外光照射样品，其中不同官能团的振动会吸收不同波长的红外光，使得出射光在特定波长处的能量下降。从基本原理出发，学生们提出红外光谱仪的基本组成部分应该包括红外光源、样品室和检测器，然后又发现必须要有分光部分，这样才能知道是哪个波长的光被吸收了。经过提示，他们发现这样组成的仪器（即传统的光栅红外），其分辨率和测试效率相互矛盾。此时，我们再介绍从原理上实现重大革新的迈克尔逊干涉仪，即采用全波长同时照射样品，同时检测并通过傅里叶变换得到对单个波长的吸收情况（即现在广泛应用的傅里叶变换红外），从而实现分辨率和测试效率的同步提高。经过多次训练后，学生越来越自觉地采用这样的推理式学习方法，不仅知识掌握得很牢固，自学能力、独立思考能力和分析问题的能力也得到了锻炼。

（三）强调知识之间的相互联系

本课程与高分子化学、高分子物理和聚合物成型加工的课程内容密切相关。这些课程分别介绍了高分子材料的分子链结构、聚集态结构、各种物性及如何成型，而本课程介绍的各种仪器分析方法则是表征这些结构和性能的手段。没有表征方法，研究人员就是聋子、瞎子，无法了解高分子材料的结构和性能，而不了解高分子材料的结构和性能特征，也就无法针对不同的材料特点进行表征方案的设计，并对表征结果进行合理的数据分析和足够的信息挖掘。本课程的名称也恰恰反映了既要了解高分子材料，也要掌握仪器分析方法的特点。此外，本课程还鼓励学生就一个问题进行分析，寻找多种解决方案，并比较这些方案得到的结果之间的差异，从而了解不同分析方法解决问题的不同角度，以此来打开学生的思路。例如高分子材料的结晶有多种研究方法，我们可以采用示差扫描量热（DSC）、红外光谱（IR）、X射线衍射（XRD）等来研究结晶度，也可以利用偏光显微镜、电子显微镜等来观察结晶形貌，还可以利用XRD、光散射等方法来测定晶型和晶胞参数。同样研究结晶度，DSC依据的是结晶／熔融过程的吸放热，IR依据的是分子的规整排列引起的特征峰的变化，XRD依据的是晶体对X射线的衍射。其中，DSC和XRD反映的是结晶的长程有序，而IR还可反映短程有序。因此，这三种方法得到的结晶度常常是不一致的。通过对比这些差异，学生对各种方法的特点理解得会更深入。

（四）在教学过程中灌输工程实际的概念

本课程的实践性很强，教学中采用了大量的实际科研工作案例，开展案例教学。实际案例的一个典型特点就是根据不同的材料特点，即使是对同样的一个问题进行分析，也可能会形成不同的分析方案，因此需要具体问题具体分析。在对这些实例进行分析的过程中，教师要注意不断融入工程概念，逐渐转变学生习惯套公式、定理解题的僵化思路。在课后作业中，我们有意给出冗余条件或不提供可以通过文献检索得到的数据，强调有效数位等基本概念，要求学生就原始数据进行数据的有效性分析和误差分析等。这样能够促使学生根据千变万化的实际情况形成分析问题和解决问题的思路，从而具备分析问题和解决问题的能力。

（五）有挑战性的作业

本课程的作业大多是我们根据科研实际案例自行编写的。由于与实践结合紧密，当材料、要求及前提条件不同时，作业就存在多条思路、多个层次、不同答案。因此，每次作业都是一次实战演习，学生都要花很多心思去完成。由于作业没有标准答案，因此都由任课教师自己批改，仔细订正学生的错误，并在参考文献引用、数据处理、作图等多方面严格要求学生，培养学生严谨的科学作风。例如一道作业题：用反相气相色谱（IGC）分别研究聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP），请描述探针分子保留值随温度的变化规律，并画出分析结果的示意图，试说明两者的差异，并分析原因。这道题考查的内容分为5个层次：1．一般情况下PS和PP的结晶性。要求学生知道PS一般为无定形态，而PP则可结晶，并由此画出示意图。2．两者的特征转变温度。PS的玻璃化温度约为100℃，PP的熔点约为160～170℃，这两个温度应该在示意图中标出。3．两者的特例。全同PS可结晶，而无规PP不结晶。4．不同状态下曲线的斜率。玻璃态、橡胶态及熔融态下探针分子的扩散系数不同，所以相应曲线的斜率应不同。5．实际测定的可能性。PP的玻璃化温度低于零度，一般在IGC方法中无法测得。本题一般要求学生能回答前两个层次。但是，事实上学生的能力非常强，每年都有学生答出3～4个层次，这对于训练他们从多个角度深入考虑问题非常有益。在教学内容之外，本课程还结合教学方法和教学内容，引导学生形成积极的世界观和建立科学的方法论。例如本课程引导学生通过分析不同分析方法之间、不同课程之间，乃至不同学科之间的关联，体会事物之间的普遍联系；通过将一种分析方法在此处的局限性变成在彼处的用途，告诉学生要用辩证的眼光看待问题；通过介绍不断发展的仪器分析方法，让学生了解事物是处于不断发展变化中的，不能用僵化的观点看待问题；通过带领学生用一条条主线来贯穿所学知识，帮助他们掌握科学的学习方法。

二、结语

高分子材料仪器分析是高分子材料与工程专业的核心课程之一，具有高度的实践性、灵活性和综合性。我们通过对教学内容的梳理，突出基本原理，以此为基础通过推理式教学引导学生自发学习。教学中注重灌输知识间普遍联系的观点和工程概念，并通过作业进行强化，以期为本专业培养视野开阔、基本功扎实、分析问题和解决问题能力强的学生。

作者：杨睿 汪昆华 和亚宁 单位：清华大学