高分子实验教学中模拟实验的设计

高分子实验教学中模拟实验的设计

罗文君　卜庭江

（中国地质大学材料与化学学院，湖北武汉430074）

摘　要：高分子实验教学的根本目的，应该是通过实验帮助学生理解所学理论知识，并引导学生审视和洞悉实验过程中的实质性的问题。因此，在基本的验证性的实验项目之外，还应该有基于理论推演、性能计算与设计性的实验设置，以提高学生对高分子结构、合成途径与性能间关系机理的理解，由此培养学生发现、认识和观察问题的意识，训练创造性思维的习惯与能力，同时也使学生通过实验体会和认识数理模型、计算机技术在高分子学科中的具体应用。本文作者介绍了在高分子实验教学中的一些做法和体会。

关键词：高分子实验教学　高分子模拟实验　高分子数理模型　创造性思维

1　引　言

高分子实验是对高分子理论的验证，因此，实际的高分子实验教学中多以课程为主线，以验证性操作为内容，根据教学要求编写实验讲义，学生则按照实验讲义内容步骤性地完成操作。这种训练是必要的，许多实验项目的设置也是经典性的。但是就培养学生探索性精神和创造性思维的目的而论，仅仅有这样的训练是不够的，为此，还需要另外一种层面上的实验内容，从而使学生在更深层次上得到专业技能和素养的训练与培养。

实验教学的目标是对学生进行基本能力的训练和培养，无需要求学生每一次操作的完满，因为引导学生观察现象、理解机理和探索性思维更为重要，但是由于化学类实验的特殊性，涉及到健康安全、公共安全及环境等问题，不允许进行漫无目的的实验，故而基于理论模型和经验参数的模拟实验有其特殊的意义。这一点已经具备共识，由于模拟实验涉及到数理方法，并依赖于计算技术与计算机的硬件功能，实际应用中远未形成成熟和完整的体系与方法，基于这一思想，简单介绍作者在高分子实验教学中的相关做法和体会，以期与学界同仁交流与商榷。

2　利用计算机软件功能设计模拟实验项目

尽管目前可用于高分子研究的化学软件的功能渐趋强大，软件本身也日臻成熟，但由于受其应用普及速度和相关教材的出版周期等问题的制约，致使高分子教学，尤其是实验教学中，可参考与借鉴的案例还很少见。

Chem Bio Office是由Cambridge Soft开发的综合性化学应用软件包，是针对化学、生物研究领域科研人员个人使用而设计开发的功能性专业软件。其强大的功能可以方便地绘制化学结构式、分子模型及进行仿真计算，可以将化合物名称直接转为结构图，也可以对已知结构的化合物进行命名，给出正确的化合物名称。Chem Office Ultra 2009以后的版本包含了几个功能很强大的模块，许多功能都可在高分子研究中发挥作用。Materials Studio是ACCELRYS公司专门为材料科学领域研究者所设计的一款可运行在PC上的模拟软件，已经成为一种解决化学、材料学及相关工业中一系列重要问题的重要手段。其“分子力学与分子动力学”、“高分子与介观模拟”以及“定量结构-性质关系”等模块均可支持高分子材料的研究。其中Polymer Builder建模工具，不仅可搭建均聚物、嵌段和无规共聚物及枝状聚合物模型，还允许用户自定义单体工具，并附带丰富的单体数据库。

我们利用软件功能设计设置了若干个以模拟计算为目的的“软实验”，内容涉及单体结构式的构造及性能参数的理论计算，分子最小能量及红外、核磁共振谱的模拟计算，天然大分子与合成高分子的结构构建与参数计算，以及线性高分子末端距计算和高分子构象能的计算等，表1及图1到图3是这些模拟计算实验中所获取的一些数据和图件。

表1　苯溴香豆素分子最小能量计算所得参数

图1　单体分子模型构建与参数获取

3　基于数理模型设计实验项目

针对高分子的自由旋转链模型，我们以Mont Carlo方法编制了高分子链的二维构象模拟程序以程序针对不同参数的运算作为实验内容，以加深学生对高分子构象复杂性的感性认识；以分维模型为基础编制了支化链的模拟程序，该程序利用动画技术控制“链增长”的速度，以便学生在操作过程中对动态过程的观察；利用神经网络模型和Monte Carlo方法相结合，编制了交联大分子网络构象的模拟程序，可以此模拟交联大分子的构象。图4是所设置的模拟实验项目中相关模拟程序所输出的图件。

图2　单体甲基丙烯酸甲酯的模拟红外光谱

图3　大分子不同构象所对应的构象能

另外，我们也设计了基于模型的合成过程描述的模拟实验，其模拟计算的结果对于指导实际合成有很好的符合率。表2是模拟计算实验中由模拟程序计算所得的水性聚氨酯的合成配方。

图4　相关模拟程序所输出的图件

表2　模拟程序计算的水性聚氨酯合成配方

4　基于理论性能设计的实验项目设置

我们设计了若干理论计算、量化模型构建的实验项目，旨在通过实验使学生了解高分子基团贡献理论的具体应用和数学建模方法。如“基团贡献法对塑料光纤材料的设计”、“共聚交联大分子溶胀度的控制模型”、“多元共聚物加和性性能参数的动态计算”以及“热敏交联大分子的相变点设计”等。图5是实验中所建模型的图示。

此模型下，计算得当MATFP单体的摩尔分数为80.95%时，P（MATFP-MMA）的折光指数为预定值1.421 3，以此共聚物为皮材时，可满足与作为芯材的聚甲基丙烯酸甲酯折光率1.481 3相差0.06的要求，这种理论计算参数与实验制备样品的测试数据极为接近。

图5　共聚单体比例与共聚物折光率量化模型图

5　基于实验参数的设计性实验

高分子合成是建立在实验基础之上的，实验本身也需要科学地规划，有序高效地进行，所以实验的过程和目标也需要设计。对以大分子及其材料合成为目标的实验而言，追求以最少量的实验次数而获取最有效的实验信息，不仅是节省时间、人力和耗材的要求，也是减少环境污染的要求。

西方人认为，二战后日本工业高速发展的重要原因之一，便是日本工程师们对实验设计技术的普遍应用。Douglas C.Montgomery在其著作《Design and Analysis of Experiments》之中指出：“实验设计在工程专业上的成功积累将是美国工业基础未来竞争的关键因素。”实验设计还包含了对实验数据进行科学处理的内容，随着计算机硬件性能的不断提高和软件功能的更加完善和成熟，数据分析及虚拟技术的功能也日渐强大，实验的精准性、目的性和效率都在提高。较之日、美等国家，我国对实验设计技术的应用水平和普及程度明显滞后。目前只有少数的几所大学开设了实验设计课程，而将实验设计技术与某一领域实验设计相结合的范例性文献，则少之又少。为使学生能在实际应用中学习和掌握实验设计的方法，我们设置了若干实验项目。如“通过均匀设计进行交联NVP的制备并建立溶胀度的控制模型”、“悬浮聚合中产物粒径控制模型的实例验证”、“拟水平、交互因子及综合指标的实验设计”等。同时为使学生在应用中掌握神经网络模型的应用方法，上述实验项目中都编制了基于神经网络模型的仿真和模拟程序。图6是针对悬浮法制备白蛋白微球的模拟仿真结果。

图6　白蛋白微球制备中微球粒粒径与影响因素间量化关系的模拟仿真结果

6　结论与体会

高分子模拟实验的设计与设置是尝试性和开创性的工作，需要在实践中不断地探索和完善，但可以肯定，这种尝试对训练和培养学生的观察能力、对实验的规划能力和分析能力，提高其创造性的思维意识，均将大有裨益。教学实践中，学生们也对此表现出浓厚的兴趣。

模拟计算参数对实际实验的指导效应及符合度，证明了这项工作的意义之所在。

参考文献

段纪东，赵桂贞，苏桂田，等.利用多基体技术模拟有机化学反应过程［J］.计算机与应用化学，2007，24（11）：1 571～1 573.

徐顺，张勇，赵晓洋，等.常用化学软件多媒体教学软件的开发研究［J］.计算机与应用化学，2005，22（12）：1 142～1 145.

刘军，刘先勇.三维动画模拟有机化学反应机理［J］.计算机与应用化学，2005，22（8）：627～630.

林少凡，乔园园，张涛.计算机辅助化学教学回顾与展望［J］.计算机与应用化学，1999，16（5）：331～333.

郑小军，王屹.化学工具软件及其在教学中的应用［J］.化学通报，2003，8（8）：553～559.

邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，等.基础有机化学［M］.北京：高等教育出版牡，2005.

何曼君，张红东，陈维孝，等.高分子物理（第三版）［M］.上海：复旦大学出版社，2009.

顾雪蓉，朱育平.凝胶化学［M］.北京：化学工业出版社，2005.

杨奇林.数学物理方程与特殊函数［M］.北京：清华大学出版社，2004.

许国根，许平平.化学化工中的数学方法及MATLAB实现［M］.北京：化学工业出版社，2008.

姜伯驹.数学走进现代化学与生物［M］.北京：科学出版社，2007.

［美］阿尔库克，兰普，马克.当代聚合物化学［M］.北京：化学工业出版社，2006.

JAMES E.MARK.Polymer Data Handbook［M］.Oxford University Press，1999.

［美］威尔克斯.工业聚合物手册［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［英］约翰·尼科尔森.聚合物化学［M］.北京：中国纺织出版社，2005.

金日光，华幼卿.高分子物理［M］.北京：化学工业出版社，2007.

安智珠.高分子设计的数学模拟［M］.成都：成都科技大学出版社，1988.

Archer R D.Inorganic and Organometallic Polymers［M］.New York：Wiley-VCH，2001.

陈嘉川，谢益民，李彦春，等.天然高分子科学［M］.北京：科学出版社，2008.

［荷］范克雷维伦.聚合物的性质［M］.北京：科学出版社，2010.

Raabe D.计算材料学［M］.北京：化学工业出版社，2002.

Van Krevelen D W，Hoftyzer P J，Appl.Polym，Sci.，11（1967）1409；“Properties of Polymers”，2nd Ed（1976）.

Van krevelen，D.W.Properties of Polymers［M］.Amsterdam：Elsevier，1997.

［美］Fredric M.Ham Ivica Kostanic.神经计算原理［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［法］罗伯特.蒙特卡罗统计方法［M］.北京：世界图书出版公司，2009.

刘军.科学计算中的蒙特卡罗策略［M］.北京：高等教育出版社，1990.

蒙哥马利.实验设计与分析［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

方开泰.均匀设计与均匀设计表［M］.北京：科学出版社，1994.

增昭钧.均匀设计及其应用［M］.北京：中国医药科技出版社，2005.