新型交叉學科紡織生物材料學研究

郭萬里　楊英文　楊東風　梁宗鎖

摘要 針對生物學學科和紡織學學科間交叉銜接的缺失、融合創(chuàng)新不到位，缺乏合理科學的人才培養(yǎng)體系的問題，該文從紡織生物材料學概念的界定、研究的核心問題、可能的課程安排等方面闡述該學科建設和人才培養(yǎng)的可能建議，旨在合理、科學地規(guī)劃紡織生物材料學科的發(fā)展，使之成為紡織行業(yè)源頭創(chuàng)新的基石。

關鍵詞 紡織生物材料學；交叉學科；生物技術；紡織材料；學科建設；人才培養(yǎng)

中圖分類號 S-01；TS195.644 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-382-03

不同學科的交叉和融合會導致理論上的突破和技術上的創(chuàng)新，當今生物學的快速發(fā)展已經(jīng)成為推動當今各學科發(fā)展的重要動力之一。生物學的發(fā)展，尤其是生物技術的快速發(fā)展，為各個行業(yè)的發(fā)展提供了新的動力，形成了新的交叉融合學科，也是科技創(chuàng)新的突破口和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要途徑[1]。生物技術在紡織中的應用可以追溯到3 000多年前，但紡織生物技術的快速發(fā)展得益于20世紀70年代后基因工程、酶工程、微生物工程的發(fā)展，如纖維的生物工程改造，淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶等為代表的酶制劑的廣泛應用和紡織污水的微生物處理等[2]。近年來，紡織生物技術的發(fā)展成為國際上新的熱點和經(jīng)濟發(fā)展的新動力，其中紡織生物技術國際會議（International Conference on Textile Biotechnology）[3]的召開充分說明了這一點。然而，從少量的教材和幾所大學開設的相關課程[4-5]可以看出，該學科主要涉及生物技術在紡織材料加工過程中的應用，簡化或忽略了紡織生物材料的生物學特性及其生物合成調(diào)控等內(nèi)容，而該方面內(nèi)容的創(chuàng)新才能引領紡織行業(yè)的深入革新，例如低糖和低淀粉纖維紡織材料的生物育種可以減少紡織過程的加工步驟或降低處理的強度，從而提高紡織材料的品質(zhì)，并降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。因此，鑒于生物學的發(fā)展和紡織學的發(fā)展，新型交叉學科紡織材料生物學的出現(xiàn)和快速發(fā)展成為必然。

1 概念的規(guī)范和紡織生物材料學學科發(fā)展的緊迫性

目前，生物學與紡織材料學所形成的交叉學科的名稱比較多，主要有紡織材料生物技術[6]、酶在紡織行業(yè)的應用[7]等，均不能全面概括這個新生的交叉學科。因此，筆者提出了紡織生物材料學（Textile Biometerials）的概念，該概念有廣義和狹義之分：廣義的概念涉及紡織生物材料生產(chǎn)、加工、后處理等環(huán)節(jié)所有涉及生物技術的基礎和應用研究，主要涵蓋紡織材料的生物學研究，紡織材料的生物加工、后處理等部分；狹義的概念主要集中研究紡織行業(yè)中所用生物材料的生物學特性、生物合成、調(diào)控，新型紡織生物材料的開發(fā)等內(nèi)容。狹義的定義可能更準確地反映紡織生物材料學的特征，建議以紡織行業(yè)所需材料或加工的動態(tài)需求為目的，研究紡織生物材料的特征、改造現(xiàn)有的或發(fā)現(xiàn)新的生物材料，并從源頭創(chuàng)新紡織材料和培養(yǎng)專業(yè)人才。

傳統(tǒng)的紡織行業(yè)屬于勞動密集型工業(yè)，受限于技術水平偏低、高能耗、高污染和自然條件的約束，其發(fā)展也受到較多的制約。然而，生物技術的發(fā)展為紡織工業(yè)的發(fā)展提供了新的發(fā)展空間。如酶退漿、牛仔布返舊整理、生物拋光、羊毛和合成纖維的生物改性等生物技術在紡織行業(yè)的應用可以明顯降低成本、革新工藝、減少環(huán)境污染、降低能耗。這些特性也是紡織行業(yè)成為21 世紀最有生命力的產(chǎn)業(yè)之一[8]的關鍵因素。目前，生物技術在紡織材料學科的應用主要是酶的應用[4]，因此《酶在紡織中的應用》（周文龍，2002）、《酶在紡織印染工業(yè)中的應用》（李群、趙昔慧，2006），以及國外的教材大部分從這個角度來認知生物技術與紡織材料的關系。紡織學家可能認為紡織生物材料特性的研究是生物學家的范疇，對通過育種和基因工程改造紡織材料等技術認識不足；生命科學家單單從某一指標研究紡織材料的特性，而忽視了其他紡織用途特性，均不利于紡織行業(yè)的發(fā)展。紡織材料的源頭革新在于原材料的創(chuàng)新，紡織學與生命科學的合理、科學和有效的結(jié)合才能取得突破性的成果，與現(xiàn)有紡織行業(yè)生物技術的運用相比，原材料的革新能夠更好地減少紡織材料的加工過程，減少能耗、減少環(huán)境污染和降低成本。遺憾的是兩個學科的交叉不充分，導致紡織生物材料的部分或局部革新。另外，由于學科的不完善，缺乏系統(tǒng)的人才培養(yǎng)機制，致使該學科高層次人才緊缺。我國人口基數(shù)大、底子薄，對紡織行業(yè)的壓力巨大，我國還是紡織品出口大國，面臨越來越多的紡織品品質(zhì)和技術的挑戰(zhàn)，更需要在該領域擁有更多的源頭創(chuàng)新，所以，發(fā)展該新興學科是我國紡織行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫和關鍵任務。

2 紡織生物材料學研究的核心問題

紡織生物材料學研究的目的是提供紡織原材料、紡織品加工及其后期處理所需的生物物質(zhì)或生物制劑，包括酶類。因此，該學科的研究核心可能有以下8個主要部分：①纖維素材料的生物學特征和纖維素生物合成和調(diào)控；②蛋白纖維材料的生物學特征和蛋白纖維素生物合成和調(diào)控；③新型紡織生物材料的特征及其生物合成和調(diào)控，例如可降解紡織材料、醫(yī)學用紡織材料等；④紡織生物材料的生物工程育種，包含雜交和基因工程育種；⑤紡織材料處理中所用酶的特性和改造；⑥紡織材料處理中所用微生物的特性和改造；⑦生物發(fā)酵生產(chǎn)紡織生物材料前體；⑧特殊功能紡織生物材料的特性和開發(fā)。例如纖維素材料，涵蓋纖維素的種類、合成規(guī)律和調(diào)控，普通棉、彩棉、空心棉、麻纖維等纖維的特性和改造等；生物工程中相關的技術、基因的功能、纖維素和蛋白纖維遺傳改造等，這些也是生物發(fā)酵生產(chǎn)紡織生物材料前體的基礎。這些核心問題組成了紡織生物材料學學科的核心內(nèi)容，表明紡織生物材料學科初步形成了系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。目前，這些核心問題的研究是分散的，主要是紡織行業(yè)研究人員借鑒生物技術來改善紡織材料的特性或開發(fā)新的紡織材料，而生命科學研究人員的研究很多不能直接應用于紡織行業(yè)。如果兩者合理交叉，形成新的學科，進而培養(yǎng)全面的研究人才，則可大大縮短紡織生物材料的研究周期、提供更優(yōu)良的紡織生物材料。

3 紡織生物材料學科研究團隊建設的建議

由于紡織生物材料學科的新穎性和交叉性，人才的知識局限性，導致了研究團隊建設的困難性。關鍵是缺乏大量具有豐富生物學和紡織材料學知識的綜合人才[9]。因此，建設的研究團隊不僅擔負研究任務，還擔負培養(yǎng)交叉學科優(yōu)秀人才的責任。建議具有生命科學學科和紡織材料學科的高等院校打破學科壁壘，從兩個學科抽調(diào)骨干力量組建新的交叉學科，主要包括有威望的負責人1名，教授2～4人，副教授4～6人，講師4～6人及研究生若干的研究團隊。該團隊組建初期需要凝練研究方向和人才培養(yǎng)方案的制定，確立團隊的任務是集中精力研究紡織生物材料學科中2～4個研究方向，擔負交叉型綜合人才的培養(yǎng)。人才培養(yǎng)方案的制定需根據(jù)交叉學科的特點確定該學科本科生的必修和選修專業(yè)課，以及合理的排課順序。研究團隊自身的建設應包括定期的學術交流機制，內(nèi)部和外部的學術報告會、學術沙龍、學術講座，團隊內(nèi)部年輕人才的培養(yǎng)和人才流動機制。由于新交叉學科的建設初期困難較多，學校需要在整體發(fā)展水平上給予大力支撐，包括研究經(jīng)費、空間，以及考核、聘崗、獎勵等方面的優(yōu)先考慮。該學科一旦形成成熟的研究團隊，必將成為新的創(chuàng)新集體和學校發(fā)展的中堅力量。

4 人才培養(yǎng)中紡織生物材料學課程設置的建議

紡織生物材料學學科的人才培養(yǎng)課程需要生命科學和紡織材料學多門課程的設置，需要建設該學科的不同高校根據(jù)生物學科和紡織材料學科的不同情況酌情設置。紡織生物材料學是該交叉學科共有的主修課程，下面就該課程的建設提供一些可能的參考。

4.1 課程設置的建議

紡織生物材料學課程的設置建議主要分為兩部分，第一部分為紡織材料生物技術原理的講解，主要包括紡織原材料的生物發(fā)生和調(diào)控機制、生物技術中的基因工程、酶工程、微生物工程等與紡織材料及其加工相關技術的原理講解；第二部分主要采用案例對原理講述部分的再認知，主要包括生物技術育種、紡織材料加工中酶的應用、廢水的微生物處理等。基于這些交叉知識和案例，筆者預設了課程的教學內(nèi)容（表1）。該課程的安排可以根據(jù)學生專業(yè)基礎進行調(diào)整，如生物專業(yè)背景應側(cè)重紡織材料加工知識和案例的講授；而紡織專業(yè)背景應側(cè)重生物學原理的講解等。由于該課程為交叉學科，建議學生在修完生物學、有機化學、基因工程、發(fā)酵工程、紡織材料學、紡織化學、紡紗原理、織物組織設計與分析等專業(yè)課程后再修該課程。

4.2 紡織生物材料學教材的整合和完善

陳堅等主編的《紡織生物技術》（2008年）、周文龍主編的《酶在紡織中的應用》（2002年）、李群等編寫的《酶在紡織印染工業(yè)中的應用》（2006年）以及國外的教材等都注重紡織材料采收后的加工及其后處理中各種生物酶的應用，楊雪霞等[4]已經(jīng)扼要介紹了這幾門課程的特點，主要涉及紡織品加工過程中生物酶的應用。這些教材中紡織生物材料的生物學合成、調(diào)控等內(nèi)容涉及較少，鑒于此，建議參考這些教材的同時，完善生物學原理和紡織原材料生物發(fā)生機理的部分。因此，建議根據(jù)課程的設置將基因工程、微生物工程和酶工程等內(nèi)容有機添加或修改相應的章節(jié)，形成更加合理的紡織生物材料學的教材。

4.3 紡織生物材料學課程的教學理念和方法

紡織生物材料學是一門以生物學和紡織材料學科為主的交叉學科，把握理論知識的深度和實踐的程度顯得非常關鍵，這就需要授課時激發(fā)學生的情趣和主觀能動性，引導學生理論結(jié)合實際地學習課程的相關內(nèi)容，達到學活和用活的目的。授課方法除了講解外主要有以下幾點：①采用MOOC的方式，把該課程的知識分為若干點，如基因工程的原理、牛奶纖維的加工等，在開課初期以學術報告的方式留給學生，每組學生20～25 min，指導他們提出支撐知識點的2～3個案例，做出條理清晰的PPT。從第三周上課開始，課堂交給學生（2/3時間交給學生，剩余時間教師進行點評，給出合理的建議，以及糾錯），

通過學生的講解、提問和回答等環(huán)節(jié)促進學生的交互式學習。該方式不僅能提高學生的主動學習熱情，還能培養(yǎng)學生的組織、思維、口才、應變等能力，達到綜合培養(yǎng)學生知識和能力素養(yǎng)的目的；②授課中多采用圖片和視頻的直觀信息來引導學生學習[10]。例如枯燥的纖維結(jié)構(gòu)及其生物合成規(guī)

排序名稱內(nèi)容

第一章緒論紡織生物材料學的概念、紡織生物材料學發(fā)展歷史和趨勢、生物技術概述、紡織材料概述、課程的重要性和目的

第二章纖維素纖維的生物合成和調(diào)控機理纖維素纖維的生物學特性和分類，纖維素纖維的生物合成機理，纖維素纖維生物合成調(diào)控機理，棉和麻纖維

第三章蛋白纖維的生物合成和調(diào)控機理蛋白纖維的生物學特性和分類，蛋白纖維的生物合成機理，蛋白纖維生物合成調(diào)控機理，蛋白纖維的生物育種，大豆蛋白纖維，蠶絲纖維

第四章生物工程紡織材料育種生物工程原理、抗蟲和抗除草劑棉、彩色棉、多成分棉、羊毛、蜘蛛絲、桑蠶絲

第五章生物合成纖維玉米纖維、多肽纖維、細菌纖維素等

第六章紡織材料工程酶的生物學特性和生產(chǎn)紡織用酶的分類、命名，酶的結(jié)構(gòu)、化學和催化特性，酶的生產(chǎn)和提取，酶及其固定狀態(tài)的的反應動力學，酶活性的影響因素，紡織用酶制劑的配制，果膠酶和淀粉酶

第七章紡織材料加工過程中的微生物微生物分類、命名，紡織用微生物的種類和生物學特征，微生物發(fā)酵生產(chǎn)紡織用酶制劑，微生物工程菌的優(yōu)化和篩選，紡織廢水的微生物處理

第八章紡織材料的生物前處理紡織材料的前處理傳統(tǒng)工藝，紡織材料的前處理生物學工藝

第九章紡織材料加工過程中生物后整理紡織品后整理的目的和一般方法，紡織品后整理用酶的要求，類別，物化特性和作用機制，纖維素纖維織物的生物后整理技術，蛋白質(zhì)纖維的生物后整理技術，化纖織物生物后整理和生物修飾

第十章紡織品生物處理過程的優(yōu)化與控制攪拌對生物處理的影響，pH對生物處理的影響，溫度對生物處理的影響，紡織材料概述，化學助劑對生物處理的影響，特殊紡織生物材料，抗菌紡織生物材料，生物降解類紡織生物材料，其他特殊紡織生物材料

律，單單告訴學生這些是小分子的聚合遠遠不夠充分，配合文獻中的圖片和相關的視頻往往能吸引學生的學習興趣；③講故事，特別是枯燥原理的講解，收集相關的名人軼事、利用歷史上相關企業(yè)發(fā)展沉浮事件的原因剖析等吸引學生，激起學生的興趣，同時關聯(lián)響應知識點的學習；④安排學生到企業(yè)實地考察1～2次，讓學生的學習與實踐結(jié)合起來，例如織布廠和服裝廠等，讓一線的工作人員和專家給學生做報告，講解相關領域的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一些需要解決的問題讓學生思考。這些授課方式的實施能動態(tài)地吸引學生的注意力，激發(fā)學生靈感，培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)，提高學生的綜合能力。

4.4 課程的考核方式

該課程的授課方式是激發(fā)學生的自我學習和能力展示，課程的考核方式也以學生為主，主要是平時成績占20%，學生的展示自我占40%，期末考試成績占40%。平時成績包括考勤、學習主動性（課堂參與情況）及作業(yè)；學生自我展示的評分包括PPT質(zhì)量、演講儀態(tài)、流利的語言程度、層次清晰度、結(jié)構(gòu)完整度、場面控制能力、問題交流能力等幾項，每次課隨機挑選10名不參與展示的學生進行評分，最后綜合學生和教師的評分；期末考試主要考察學生對原理方法的精準把握、分析問題的能力和對問題的拓展能力。這些考核方式與授課方式相結(jié)合，更能促進學生積極參與教和學的活動，既培養(yǎng)學生的專業(yè)能力，又培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)，也能避免單一考核方式的不足。

5 結(jié)語

紡織生物材料學學科涵蓋了以往的紡織生物技術、酶在紡織中的應用、酶在紡織印染工業(yè)中的應用[11]等理念，使該交叉學科更加合理、完善。然而，紡織生物材料學畢竟是近些年發(fā)展起來的交叉學科，建立系統(tǒng)的研究和人才培養(yǎng)體系還需要一定的時間，建議具有開展該交叉學科能力的大專院校根據(jù)研究水平和教學現(xiàn)狀，建立相應的學科，從理論和應用層面迅速形成紡織生物材料研究梯隊，培養(yǎng)高水平的人才，從而迅速提高我國紡織生物材料研究的水平，引領國際紡織生物材料的前沿。

參考文獻

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