《聚合物流变学》课程的教学改革探讨

[摘 要]聚合物流变学是高分子材料与工程专业的一门重要专业课。根据笔者所在学校实际的情况和学生的特点,结合高分子物理、高分子成型加工原理和高分子成型加工设备等教学和实验经验,作者提出了课程改革的思路,并对现行教材的内容、结构体系与教学方法进行了初步探讨。

[关键词]聚合物;流变学;教学改革

流变学是研究材料流动与变形规律的科学。聚合物流变学是它的主要分支, 是研究聚合物流体包括溶液、熔体、悬浮液、胶乳、塑料溶胶等以及聚合物粉体的变形与流动行为的学科。目前国内的教材也比较少,这些教材在教学内容选取和讲解上都有一定的特点和针对性,如在数学方法上的在张量代数与微分、连续介质力学概念的基础上,流变测量学、典型本构方程以及分子理论等流变学核心内容,起点高、内容难,要求学生具有很牢固的数学和物理知识,对一些普通的本科院校的高分子材料专业的学生来说有一定的难度;另有一些教材则是注重流变学在塑料加工中的应用,或者是流变学方法的测试,作为专业基础课来说略显狭窄。作者以林师沛主编、国防工业出版社出版的《塑料加工流变学及其应用》[1]为主线教材,辅以徐佩弦教授编著、化学工业出版社出版的《高聚物流变学及其应用》[2],结合周持兴主编、上海交通大学出版社出版的《聚合物流变实验与应用》[3],由浅入深、由单一到复杂,较完整、系统地阐述了聚合物流变学的概念、现象、理论和实验方法等,教学内容难易得当、结构层次分明,十分适合一般高等学院高分子专业的本科生的学习。作者以“注重现象、把握实质、理论实践相结合”为教学原则,努力加强本专业学生的理论基础知识,强化重视应用能力培养和素质的提高。

一、课程内容的改革

(一)聚合物流变学的一般研究内容

聚合物流变学的研究内容一般包括三大部分,各部分的主要内容如下:

第一部分为模拟流变学(结构流变学),分为两个研究角度:(1)宏观法——即经典的唯象研究方法,将材料当作连续介质处理,用连续介质力学的数学方法进行研究。由于这种研究方法不考虑物质内部结构,因此又称为宏观流变学或唯象流变学。(2)微观法——即分子流变学方法,是从分子运动的角度出发,对材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联,提出材料微观结构与宏观流变行为的联系,也可称为分子流变学或微观流变学[4]。

第二部分为实验流变学[3]包括挤出式流变仪(毛细管流变仪、熔体指数仪)、转动式流变仪(同轴圆筒黏度计、锥板式流变仪)、振荡式流变仪、转矩流变仪拉伸流变仪。

第三部分为加工流变学:探讨加工条件与产品流动性的关系、聚合物加工操作单元的流变分析(挤出、注塑、纺丝、吹塑)、异常流变行为(挤出胀大、熔体破裂等)、以及多相高分子体系的流变学规律。

(二)课程内容的调整与改革

聚合物流变学课程涉及的教学内容很多,许多的讲授内容涉及到较为高深的数学和物理知识,所以在实际学习中,本科学生会感到抽象、复杂。因此教师在每章开始应向学生展示本章的教学目的和要求,在讲授课程当中要讲述哪些是必须要掌握的,哪些是要求熟悉,哪些只是要求了解的,每章结束后要进行知识点的总结,让学生的学习思路清晰、学习目的明了,以达到教学的要求。该课程总课时为40学时,4学时/周,共10周,课时比较紧张,所以我们在实际的教学中,根据大纲要求,对现有教材的教学内容结构做了更为详细的重点说明,具体如下:

绪论

了解聚合物流变学的历史和研究意义,掌握聚合物流变学的特点、应用。

第Ⅰ部分:流变学基本知识

第一章 塑料流体的流变特性

掌握塑料流体的流动类型和特点,影响黏性剪切流动的因素、弹性现象表现和本质。

第二章 流体流动基础

了解应力张量概念、基本性质、特殊类型,掌握聚合物流变研究的数学方程和表达方式,以及掌握牛顿流体、广义牛顿流体本构方程及其特点。

第Ⅱ部分:塑料在加工中的典型流动

第三章简单截面导管内的流动

掌握聚合物流体在简单就截面:平行板、矩形槽、圆环空间、环形导管的拖曳流动、压力流动的特征,以及求解流动速率、流率方程。

第四章单螺杆挤出机内的流动

掌握单螺杆挤出机的熔体输送原理、影响熔体输送速率的因素,固体输送原理,掌握聚合物熔体的熔化过程和了解相应模型。

第五章双螺杆挤出机内的流动

掌握反向和同向啮合双螺杆的固体输送、熔化的原理,熔体输送的速率方程。

第六章挤出口模内的流动

掌握不同挤出机口模(圆形、缝型、环隙、异形口模)的构造特点及其应用范围。

第七章注塑机和注模内的流动

掌握聚合物熔体在注塑模具流道和浇口的流动特点,了解流道、浇口的设计基本步骤和要求。

第八章其他加工方式中流动

掌握聚合物熔体在压延、挤出吹塑、吹膜中流动的特点。

第Ⅲ部分:流变学的测量及其应用

第九章 熔体指数仪

第十章 转矩流变仪

第十一章 毛细管流变仪

第十二章 高级扩展流变仪

掌握以上常用聚合物流变方法的测试方法的原理,以及应用的领域,学会对流变数据的分析处理。

通过调整后教学内容主线清晰,层次分明,并且理论知识和实验相结合。首先对聚合物的流变学的发展历史和应用进行概述,进而通过流变学基本知识(塑料流体的流变特性和流体流动基础),让学生掌握聚合物流体的流动类型和特点,影响黏性剪切流动的因素、弹性现象表现和本质,并对流变学中相关的理论知识如张量、本构方程等有一定了解。进一步扩展流变学知识在聚合物具体加工设备中的流动特性,最后再细化聚合物流变学的测量方法和原理。这样整体的教学内容由浅入深、衔接合理、层次分明、脉络清晰。

(三)结合当前研究成果

高分子流变学是一门新兴发展起来的,与物理、化学、生物、材料、工程以及食品等多学科交叉的重要学科。因此教师在教学过程中,不应只是仅仅关注课本中的知识,还应与时俱进,经常关注近期流变学的新成果、新理论,将它们融进课堂教学中,比如聚合物及其共混物、复合体系等具有复杂多尺度的非均匀内部结构的复杂流体,其相应的流变理论和方法还在进一步研究当中。尤其是当今一些新型仪器和表征设备的出现,更有利于流变学理论的完善,这样才能保证不与时代脱节,同时也丰富了学生对当今聚合物流變学科的认识。

二、教学方法的改革

(一)课堂讲授与问题讨论相结合

课堂讲授采用传统的授课方法,教师运用语言向学生系统而连贯地传授科学文化知识。其优点是授课对象多、信息量大、知识系统性强,可以使比较多的学生在比较短的时间里获得大量的知识。在教学过程中,若只是以传统的教师讲授学生听的方式为主,不易发挥学生积极主动性,因此需在讲授的同时,提出问题,激发学生思考问题的积极性,并与学生进行探讨。例如讲到聚合物在挤出过程中的流动行为一章中,结合学生自身做实验的感受,让其讨论在挤出过程中熔体破裂的现象描述和原因。然后再对学生的想法观点进行点评,这样有利于调动学生的学习积极性,并能加深对该知识点的理解。

(二)多媒体教学手段和传统方法相结合

进行多媒体教学,是将图象、声音、动画、视频等各种多媒体信息结合在一起[5]。目前,世界范围的教学手段逐渐由“黑板+粉笔”向计算机多媒体转变。该种教学方法有利于学生对知识的理解和记忆。作者将多媒体教学手段与传统教学方法相结合,通过板书、现场作图等方式,将教学思想与设计在课件中充分体现出来。两种方法的集合可以不断地对课件内容进行更新和完善,另一方面可使很多抽象的知识形象化和具体化,加深学生对知识的理解和印象,丰富课堂内容。例如讲授到聚合物熔体的爬竿效应和无管虹吸效应时,通过播放教学视频,让学生对这些效应的现象有形象的认知。通过多媒体教学,由间接变直接,由抽象变具体。这既有利于教师的教,又有利于学生的学。正如马克思主义哲学观所认为的万物是相互联系的,抽象的概念用贴近生活的形象的比拟讲授出来,很容易使学生理解,而且记忆深刻,同时也能活跃课堂气氛,收到意想不到的教学效果。

(三)理论和实验相结合

作者所在校高分子材料与工程专业实验室有挤出机、注塑机、吹塑成型、哈克转矩流变仪、熔体指数仪,在学生具有一定专业知识的基础上,进行上述实验,可以直接接触认识对象并亲身参与实践活动,能够为学生提供丰富的直接经验,有助于学生理解和掌握理论知识,培养运用知识于实践的能力。教师也能针对学生在进行实验过程中出现的问题和一些实验现象,比如挤出胀大、挤出熔体破裂等进行形象生动的解释,让学生进一步加深知识的理解。

三、结语

聚合物流变学是一门新兴学科,在很多高分子专业本科教学中还未开设该课程,作者根据在实际教学中的经验和体会,对聚合物流变学课程教学内容、结构体系与教学方法进行了初步探讨。随着高分子材料科学的飞速发展,聚合物流变学课程的教学内容也需要适应其学科的现实发展状况,不断吸收新的内容和现代科学研究的最新成果,从而扩大和完善本科教学的知识结构。所以对本课程教学内容的改革是一个长期的过程,在今后的课程建设中,我们要继续在各个层面加大课程改革的步伐,为培养现代高分子材料的专门人才而努力。

[参考文献]

[1]林师沛,赵洪,刘芳.塑料加工流变学及其应用[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]徐佩弦.聚合物流变学及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2003.

[3]周持兴.聚合物流变实验与应用[M].上海:上海交通大学出版社出版的, 2003.

[4]吴其晔.聚合物流变学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]方志梅.多媒体教学应该正确处理的几个关系[J].中国高教研究, 2002, (4):73-74.

[作者简介]刘钰馨,广西师范学院化学与生命科学学院;杨芳,广西师范学院化学与生命科学学院。