面向卓越工程師人才培養(yǎng)的“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程教學研究

孫俊芬

(東華大學 a. 材料科學與工程學院； b. 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)

一、 研究背景

隨著我國整體實力的飛速發(fā)展，在各個行業(yè)都需要大量優(yōu)秀的工程人才來施展才干，創(chuàng)造價值。我國的工科教育一直沿襲傳統(tǒng)的教育模式，培養(yǎng)的工程人才在工程能力和實踐能力方面較薄弱，此外傳統(tǒng)的高等工程教育與企業(yè)需求結合較少，導致在傳統(tǒng)模式下培養(yǎng)的工程人才不滿足企業(yè)的需求，并缺少工程一線的領軍人才，這已經(jīng)成為制約我國新型工業(yè)化進程的關鍵因素。卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的主要目標是面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強，適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才，為建設創(chuàng)新型國家，實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源優(yōu)勢，增強我國的核心競爭力和綜合國力。在這個目標中，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強的各類型卓越工程師是提高我國的自主創(chuàng)新能力、降低關鍵技術和核心技術的對外依存度、增強國家的核心競爭力，從“中國制造”轉向“中國智造”或“中國創(chuàng)造”，實現(xiàn)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略目標[1]。

聚丙烯腈為丙烯腈含量大于85%(質量百分比)的丙烯腈共聚物制成的聚合物，常與第二單體和第三單體共聚，改善性能，第二單體為非離子型單體，如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等，第三單體為離子型單體如丙烯磺酸鈉、2-亞甲基-1，4-丁二酸等。利用濕法紡絲制備聚丙烯腈纖維是傳統(tǒng)的聚丙烯腈纖維制備方法，紡絲生產(chǎn)工藝為聚合→紡絲→牽伸→水洗→烘干→熱定形→卷曲→切斷→打包。聚丙烯腈纖維有人造羊毛之稱，具有柔軟、膨松、易染、色澤鮮艷、耐光、抗菌、不怕蟲蛀等優(yōu)點，根據(jù)不同用途的要求可純紡或與天然纖維混紡，其紡織品被廣泛地用于服裝、裝飾、產(chǎn)業(yè)等領域。此外，聚丙烯腈還可以加工成分離膜材料，廣泛應用于工業(yè)廢水的純化、血液凈化、生物材料的提純等領域。聚丙烯腈纖維和膜對于國民經(jīng)濟的發(fā)展都發(fā)揮著重要的作用。東華大學自20世紀50年代建校以來，多個課題組和多位教師一直從事纖維和膜材料制備方面的研究，取得了大量的研究成果，在纖維材料改性國家重點實驗室以及國家重點學科——材料學的支持下，完成了多項國家級和省部級科研項目，并與企業(yè)積極合作，取得了很好的成績。纖維和膜材料制備方面的研發(fā)工作為“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程的開設奠定了堅實的基礎[2，3]，也積極推動了本課程教學工作的進一步發(fā)展。

二、 “聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程的特點

卓越工程師教育的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)具有工程能力和創(chuàng)新能力的工程師。本門課程突破了傳統(tǒng)的教學理念和思維定式，有機結合了理論教學和實踐教學，激發(fā)學生學習的熱情和自覺執(zhí)行的意識。本門課程改變原來單一的學科知識本位的教學體系，建立學科知識本位和能力本位相結合的教學體系，使學生的知識結構由平面結構向立體結構方向發(fā)展，達到高分子學科的系統(tǒng)性與工程應用的綜合性的統(tǒng)一要求，引領和培養(yǎng)創(chuàng)新人才，滿足卓越工程師培養(yǎng)的需求。

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程內容主要分為兩個部分：第一部分包括紡絲原液的制備，纖維的制備、改性、應用以及纖維結構和性能研究等，第二部分包括鑄膜液的制備，膜材料的制備、改性、應用以及膜材料結構和性能研究等。此外，課程還涉及纖維和膜材料與生物、醫(yī)學、環(huán)保、工程等其他領域的結合。本課程為高分子材料學科學生開設，其培養(yǎng)目標是培養(yǎng)學生理解并掌握濕法紡絲技術和利用相轉化方法制備膜材料的加工原理、纖維與膜材料的結構與性能、纖維與膜材料的應用開發(fā)以及相關產(chǎn)業(yè)鏈的結構，并了解聚丙烯腈纖維制備的織物制品和聚丙烯腈膜材料的設計、加工和研究，引導和促進學生在相關工藝和產(chǎn)品方面的科學優(yōu)化與創(chuàng)新，擴大學生的知識面。“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程將理論教學與實踐教學有效地結合在一起，在教授利用濕法紡絲成型技術制備纖維和利用相轉化方法制備膜材料的加工技術理論知識的同時，配套了纖維和膜材料成型加工的實驗課程，使學生在老師指導下將理論知識和實踐經(jīng)驗融會貫通。

卓越工程師不僅是專業(yè)領域的技術專家，而且還需要具備團隊協(xié)作意識和環(huán)保意識。因而，本課程教師在指導學生充分掌握理論知識和實際操作的同時，還對學生進行分組，圍繞不同的研究主題進行匯報和討論，所涉及的專業(yè)知識有纖維和膜材料的濕法制備、加工成型、改性，還有意識地引導學生關注環(huán)境問題，思考相關工藝環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響、如何解決等問題。

三、 “聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程的教學實踐

(一) 教學內容

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程于2014年開設，目前已教過4個班級。本課程共計52學時，其中理論教學12學時，實踐教學40學時，課程內容如表1所示。

表1 “聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程教學內容

(二) 教學模式

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”課程同時包括理論教學和實踐教學，目的就是使學生對利用濕法紡絲成型技術制備纖維和利用相轉化方法制備膜材料有更深刻的理解和認識，同時培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和實際操作能力。以膜材料的制備為例，理論教學安排了膜材料的概述、膜材料的應用、膜結構與性能表征方法，實踐教學安排了聚丙烯腈成膜溶液的制備、聚丙烯腈膜成型實驗以及膜的后處理、聚丙烯腈膜的結構與性能測試。理論教學側重于培養(yǎng)學生掌握膜材料成型原理、膜材料結構對其性能的影響。實踐教學則注重學生配制成膜溶液的能力、在膜制備過程中的動手能力、在膜材料測試過程中的操作能力和對所獲得數(shù)據(jù)的分析能力，以及學生在實驗和測試過程中的團隊協(xié)作能力。要求學生能獨立進行并掌握聚丙烯腈成膜溶液的配制、膜材料制備全過程的操作、膜材料的測試與分析。教學過程中，力求使基本理論知識與實踐環(huán)節(jié)緊密結合，同時安排學生分組進行匯報，加深學生對本門課程的理解與掌握。

在實踐環(huán)節(jié)中，采用小班教學，將學生分為3組。以制備膜材料為例，聚丙烯腈膜制備實驗主要側重于膜材料的相轉化成型方法實踐，有助于幫助學生全面了解膜材料的相轉化成型原理、成型工藝、后處理方法等。讓學生以聚丙烯腈為原材料制備膜材料，首先通過溶脹和溶解兩個過程對聚丙烯腈在有機溶劑中進行溶解配制成膜溶液，然后刮膜，通過分組改變制膜工藝(如成膜溶液的濃度、凝固浴中有機溶劑的濃度等)制備不同結構和性能的分離膜材料。膜材料結構和性能的測試主要側重于膜材料表面和截面的觀察、膜水通量的研究，比較不同工藝參數(shù)下制備的膜的結構和性能，目的是考察學生運用所掌握的理論知識解決實際問題并分析相關產(chǎn)品結構與性能的能力，從而使學生的理論知識與實踐環(huán)節(jié)有機地結合起來。

本課程主講教師的教學經(jīng)驗以及在濕法紡絲和膜材料制備方面的科研經(jīng)驗和能力，對提高學生的學習積極性，增強學生的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力起到了重要的作用。作為該課程的平臺，纖維材料改性國家重點實驗室和學院中心實驗室為該課程配套設置了專門的紡絲試驗線、膜材料的制備設備和相關的纖維和膜材料測試儀器。該門課程有效統(tǒng)籌協(xié)調了理論教學和實踐教學，實踐過程中充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，使學生獲得系統(tǒng)的理論知識、實驗技術理論，提高了學生對本門課程的掌握程度。

四、 教學效果與改進措施

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實踐”實現(xiàn)了理論教學、實踐教學、科學研究相互滲透的多維度的新型教學組織模式，為學生構建了親自動手實踐的平臺。在授課過程中，將最新的專業(yè)發(fā)展趨勢、最新的研究成果引入理論教學和實踐教學中，同時鼓勵學生查閱最新的科研資料，在教學過程中引入多層次、多角度的創(chuàng)新思想，將卓越工程師的能力培養(yǎng)目標滲透到每個教學環(huán)節(jié)中。理論教學與實踐教學的結合，實踐教學與技能訓練的融合，對提高實踐教學質量，培養(yǎng)卓越工程師具有積極的作用[4]。

在今后的實踐教學環(huán)節(jié)中，可以從企業(yè)請相關的工程師參與到實踐性教學環(huán)節(jié)中，指導學生的紡絲和膜材料制備，并對相關的工藝參數(shù)進行詳細的分析與解釋，對比企業(yè)實際生產(chǎn)線與學校試驗線的區(qū)別，以達到學以致用的目的。充分利用校企合作資源，共建形式多樣的聯(lián)合實驗室，將最新的技術引入到實踐教學中，使學生了解企業(yè)運行模式，熟悉產(chǎn)品構思、設計、生產(chǎn)、測試及銷售的完整過程，能夠在專業(yè)領域內承擔相關設計、分析、改進等方面的任務[5]。