以化纖工藝學(xué)為例淺談材料成型類選修課教學(xué)

方顯力

[摘 要]選修課程是專業(yè)必修課程的補充和擴展，搞好選修課程的教學(xué)，對于學(xué)生拓寬專業(yè)口徑，適應(yīng)社會的發(fā)展有著深遠的影響。文章通過對化纖工藝學(xué)課程的教學(xué)探索和實踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個方面探討了提高材料成型類專業(yè)選修課教學(xué)質(zhì)量的方法。

[關(guān)鍵詞]選修課;化纖工藝學(xué);材料成型; 探索與實踐

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）03-0120-03

目前無機非金屬材料、高分子材料、金屬材料、復(fù)合材料等各材料專業(yè)已經(jīng)在我國工科大學(xué)普遍開設(shè)，而這類專業(yè)均設(shè)置有關(guān)材料加工成型方面的課程，同一專業(yè)針對不同類型的材料可能出現(xiàn)兩門甚至多門此類課程，其中有些作為選修課程列入教學(xué)大綱。在專業(yè)課程體系中，選修課程的定位是專業(yè)主干課程的補充和擴展，是拓寬學(xué)生專業(yè)口徑的必由之路。以高分子材料與工程專業(yè)為例，由于廣義的高分子材料形式多樣，如塑料、橡膠、化學(xué)纖維等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及生產(chǎn)與生活的方方面面，而它們的合成方法和制備工藝各具特點。有的學(xué)校習(xí)慣于通過設(shè)置選修課對某一種或幾種高分子材料的加工工藝過程進行系統(tǒng)性介紹，以此加強學(xué)生的綜合能力和幫助學(xué)生獲取深厚的專業(yè)知識，適應(yīng)社會的發(fā)展和市場經(jīng)濟的需要。筆者從事高分子材料與工程專業(yè)化纖工藝學(xué)選修課程教學(xué)數(shù)年，在不斷完善教學(xué)的同時，也深刻體會到選修課程對于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解主干課程的重要作用。總體上來說，雖然材料的種類繁多，其加工成型的方法也各異，但是各材料成型類選修課程還是存在一定共性的。本文以化纖工藝學(xué)課程為例，結(jié)合筆者自身的教學(xué)經(jīng)驗和實際體驗，談?wù)劯母锊牧铣尚皖悓I(yè)選修課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面的實踐。

一、合理安排教學(xué)內(nèi)容

選修課程一般課時數(shù)較少，任課教師需要在準確定位課程教學(xué)目標的基礎(chǔ)上，以構(gòu)建有機化學(xué)專業(yè)知識體系為導(dǎo)向，精心合理地安排教學(xué)內(nèi)容，充分發(fā)揮補強主干課程的積極作用。

（一）原理為主，工藝為輔

大學(xué)材料成型工藝課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)明顯區(qū)別于高職教學(xué)，著眼于講述材料成型原理，而以工藝教學(xué)為輔。化纖工藝學(xué)課程雖名為“工藝學(xué)”，實則應(yīng)緊扣材料的“制備工藝—結(jié)構(gòu)—性能”這條主線展開教學(xué)，即便選修課也不應(yīng)簡單、機械地去羅列各材料品種的具體配方、工藝條件等。例如，高分子材料的性能都與其組成（配方）、高分子基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)及凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系，而加工工藝則直接決定了高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，該特點在化學(xué)纖維這類具有特殊形態(tài)的高分子材料中表現(xiàn)尤為明顯。因此化纖工藝學(xué)的教學(xué)，涉及“化學(xué)纖維成型原理”“化學(xué)纖維成型工藝”“化學(xué)纖維結(jié)構(gòu)與性能”等理論知識以及相應(yīng)的材料測試表征方法，這是一個系統(tǒng)的知識體系，不能將成型工藝從中割裂出來。

基于上述認識，本課程的教學(xué)內(nèi)容做了如下安排：首先，結(jié)合之前所學(xué)的高分子物理及聚合物流變學(xué)兩門課程中流變下的大分子行為、連續(xù)單軸拉伸及結(jié)晶和冷卻條件下的大分子取向、聚合物結(jié)晶動力學(xué)、聚合物的粘彈性等基礎(chǔ)理論，講授以紡絲理論和纖維的拉伸和熱定型為基本框架的化學(xué)纖維成型原理，這是理解和掌握化學(xué)纖維成型工藝的基礎(chǔ)。其次，講述工藝部分時，考慮到學(xué)生已經(jīng)具備相關(guān)的理論基礎(chǔ)以及工藝的相似性，筆者僅選擇了熔體紡絲的聚酯纖維、溶液紡絲的聚丙烯腈纖維和成型過程中存在化學(xué)反應(yīng)的粘膠纖維這三種有代表性的纖維品種重點加以講述，從而較好地解決了課程內(nèi)容多而學(xué)時數(shù)較少的矛盾。最后，化學(xué)纖維的結(jié)構(gòu)與性能部分，結(jié)合材料測試方法課程的內(nèi)容，安排纖維材料結(jié)構(gòu)表征方法的教學(xué)內(nèi)容，為正確認識和理解纖維結(jié)構(gòu)打基礎(chǔ)，并通過聯(lián)系已掌握的成型工藝的課程內(nèi)容，運用高分子物理中聚合物結(jié)晶與取向的相關(guān)理論，建立化學(xué)纖維的工藝、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

（二）密切聯(lián)系主干課程

專業(yè)課程的內(nèi)容是相互關(guān)聯(lián)而非孤立存在的，材料類的專業(yè)課程體系亦不例外。高分子材料與工程專業(yè)的專業(yè)課程都與該專業(yè)的兩門主干課高分子化學(xué)與高分子物理存在密不可分的聯(lián)系。在教學(xué)內(nèi)容的安排上，教師是否能夠有機地建立與這些主干課程的聯(lián)系，將主干課程的相關(guān)知識有效地應(yīng)用于所教授的課程，是教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置是否合理的重要標志。成功的課程教學(xué)不僅在于能夠確保學(xué)生對所教課程內(nèi)容的掌握，還在于能夠幫助學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)加深對主干課程內(nèi)容的理解。

前已述及，通過運用高分子物理課程中的知識結(jié)合化學(xué)纖維的加工特點幫助學(xué)生理解化學(xué)纖維的加工原理。類似的例子很多，例如，學(xué)生知道高分子材料的最終性能與加工條件有關(guān)，因為加工過程決定了其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，但是大分子的分子量及其分布則是影響材料性能的“內(nèi)因”，如聚酯的縮合聚合。那么，如何獲得較高的分子量和較窄的分子量分布呢？這樣就很容易建立與高分子化學(xué)的聯(lián)系。通過對某一具體實例的分析，往往能夠幫助學(xué)生獲得深刻的印象和理解。多數(shù)的專業(yè)課程在大三下學(xué)期或是大四上學(xué)期才設(shè)置，此時相當一部分學(xué)生忙于準備考研。罔論選修課程，即便是與考研無關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，上課效果也不理想。這是比較普遍存在的問題，而解決這一問題可行的方法之一就是合理安排教學(xué)內(nèi)容，充分建立起與考研科目之間的聯(lián)系，使學(xué)生切實體會到這門課不是“完全與考研無關(guān)的”，以此改善教學(xué)效果。

（三）充分體現(xiàn)“博”和“新”的特點

在具體的內(nèi)容選取上，筆者遵循的原則首先是既要讓學(xué)生較全面地掌握相關(guān)知識點，又要有所側(cè)重，注重本課程與先修課程的聯(lián)系和課程前后內(nèi)容的銜接等。當今世界，材料科學(xué)是研究最為活躍的領(lǐng)域之一，為了培養(yǎng)實用型、創(chuàng)新型人才，課程在介紹一些傳統(tǒng)的纖維品種的基礎(chǔ)上，適當引入一些化學(xué)纖維產(chǎn)業(yè)或是研究領(lǐng)域的相關(guān)新進展，將新理論和新技術(shù)充實到教學(xué)內(nèi)容中。筆者通過自行搜集資料，編寫了《高技術(shù)纖維》和《功能纖維》兩章講義供學(xué)生課后自學(xué)，內(nèi)容包括高性能或功能性的聚合物纖維品種、新的紡絲成型方法及它們在非傳統(tǒng)紡織產(chǎn)業(yè)和特殊領(lǐng)域的應(yīng)用等，為學(xué)生提供符合時代需要的教學(xué)內(nèi)容，充分體現(xiàn)選修課程的靈活性和多樣性。

二、積極探索與實踐教學(xué)方法

有效的教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證?？陀^地說，學(xué)生對專業(yè)選修課程的重視程度普遍不如主干課程，這就需要任課教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，不斷改進教學(xué)方法，幫助學(xué)生更好地理解教學(xué)內(nèi)容。在化纖工藝學(xué)課程教學(xué)過程中，筆者通過不斷探索，總結(jié)出以下四點行之有效的教學(xué)方法。

（一）引導(dǎo)式教學(xué)法

引導(dǎo)式教學(xué)法通過在課堂上提出問題，鼓勵學(xué)生思考，引發(fā)學(xué)生對問題的注意，并在思考問題的過程中探索和尋求解決問題的方法和途徑，加深對課堂內(nèi)容的理解。教師引導(dǎo)和組織學(xué)生參與課堂討論，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。例如，講授熔體紡絲過程中的取向作用時，在介紹完熔體紡絲過程中可能存在的取向機理之后，提出如下兩個問題：（1）為什么熔體在噴絲孔中的切變流場中的流動取向?qū)砝@絲的取向貢獻?。浚?）聚丙烯纖維為什么不能像滌綸那樣通過高速紡絲獲得預(yù)取向絲？學(xué)生根據(jù)課堂上剛學(xué)到的知識給出不同的答案，最后教師作總結(jié)發(fā)言，引出下一步教學(xué)內(nèi)容：紡絲熔體在噴絲孔中流動時溫度高，松弛時間短，同時流動產(chǎn)生的取向在擠出脹大區(qū)即被松弛殆盡，故噴絲孔中的切變流場中的流動取向機理對卷繞絲取向基本沒有貢獻，而塑性形變?nèi)∠驅(qū)Σ煌衫w聚合物的貢獻呈現(xiàn)很大的差異;聚丙烯的結(jié)晶能力強，這類成纖聚合物在紡程上的結(jié)晶度發(fā)展很快，卷繞絲除發(fā)生液態(tài)的分子取向外，還發(fā)生微晶取向，絲條拉伸模量高，屈服應(yīng)力較高，其高速紡絲線上的應(yīng)力引起的均勻塑性形變?nèi)∠蚝苌?，更難以啟動非均勻塑性形變?nèi)∠驒C理。通過這種方式，學(xué)生深刻理解了熔體紡絲過程中取向機理的多樣性以及不同成纖聚合物卷繞絲取向的差異性，為以后分類學(xué)習(xí)不同纖維品種的紡絲工藝打下了基礎(chǔ)。

（二）比較教學(xué)法

化纖工藝學(xué)的課程中，有很多教學(xué)內(nèi)容可以通過對比進行教學(xué)，比如常規(guī)紡絲方法中的熔融紡絲和溶液紡絲，單道拉伸和多道拉伸，熱定型工藝中的松弛熱定型和緊張熱定型，等等。比較教學(xué)法是很有效的教學(xué)方法，有利于學(xué)生認識相關(guān)知識的區(qū)別與聯(lián)系，從而更好地接受知識，理解起來也更加深刻。比如，在講述化學(xué)纖維的熱定型時，可以先用表格列出松弛熱定型、緊張熱定型、定長熱定型三種實施方法，再在第一列列出對應(yīng)熱定型的機理、工藝特征、適用產(chǎn)品特征、生產(chǎn)實例等與各實施方法對應(yīng)的屬性，然后一邊講解一邊填充各屬性，讓學(xué)生在接受知識點的同時也學(xué)習(xí)各屬性的異同，從而加強對相關(guān)內(nèi)容的理解和記憶。比較教學(xué)法的形式靈活多樣，教學(xué)中可以從不同的層面展開。除了上述課程教學(xué)內(nèi)容的比較教學(xué)外，還可以緊密聯(lián)系其他已修課程內(nèi)容進行比較教學(xué)，這對提高教學(xué)效果十分有效。筆者在本課程的緒論教學(xué)當中，將塑料的注塑成型、擠出成型與化學(xué)纖維的紡絲成型及后加工的基本工藝過程作了簡單的比較，讓學(xué)生在課程伊始就認識到化學(xué)纖維成型工藝與塑料成型工藝的明顯差異，而工藝的差異造成了化學(xué)纖維獨特的性能，從而對課程學(xué)習(xí)目標和學(xué)習(xí)內(nèi)容形成了初步的理解。

（三）關(guān)聯(lián)教學(xué)法

如前所述，化纖工藝學(xué)與多門專業(yè)基礎(chǔ)課尤其是高分子物理有著十分密切的關(guān)系，很多教學(xué)內(nèi)容實際就是高分子物理中相關(guān)理論在高分子材料生產(chǎn)加工中的具體應(yīng)用，可以說是滲透到了化學(xué)纖維成形原理的方方面面。因此緊密聯(lián)系以高分子物理為首的專業(yè)主干課程的相關(guān)內(nèi)容進行教學(xué)，將幾門課程融會貫通，不但有利于提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，反過來對于學(xué)生加深理解這些先修基礎(chǔ)課程也有促進作用。如在講述纖維的拉伸時，引導(dǎo)學(xué)生回顧高分子物理中關(guān)于高聚物粘彈性的論述，指出高分子材料在受力作用下，如果借用小形變線性粘彈性蠕變來處理，形變包括普彈形變、高彈形變和塑性形變，其中塑性形變是完全不可回復(fù)的，為了使纖維能夠拉伸并保持住拉伸后的形狀，應(yīng)該設(shè)定合理的工藝條件來發(fā)展塑性形變。通過關(guān)聯(lián)教學(xué)法，課堂上學(xué)生在教師的帶動下進行發(fā)散思維，在學(xué)習(xí)過程中真正認識到專業(yè)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，夯實了專業(yè)理論基礎(chǔ)。

（四）實踐教學(xué)法

實踐教學(xué)法是指結(jié)合實際生產(chǎn)或生活中的實物進行教學(xué)，比較形象和直觀，引導(dǎo)學(xué)生在解決實際問題的過程中理解和掌握理論知識。材料成型類選修課程實踐性強，在教學(xué)中應(yīng)該盡可能地創(chuàng)造條件去使用該教學(xué)法。例如，在講到化學(xué)纖維的鑒別方法時，燃燒法可根據(jù)不同纖維的燃燒特性來鑒別纖維，這是簡單實用的方法。為了增加學(xué)生的感性認識，加深印象，筆者課前準備了不同種類的化學(xué)纖維和天然纖維，在課堂上現(xiàn)場展示它們的燃燒特性，幫助學(xué)生根據(jù)燃燒的現(xiàn)象、氣味及燃燒灰燼的顏色和形狀來鑒別化學(xué)纖維的品種。再如，將超高分子量聚乙烯纖維長絲和普通的聚酯長絲帶到課堂，讓學(xué)生通過用手拉等簡單的方式體驗這種高模高強纖維與普通纖維機械性能的巨大差異，并在此基礎(chǔ)上將“超高分子量聚乙烯纖維增強復(fù)合材料”的研究內(nèi)容引入教學(xué)中，通過比較超高分子量聚乙烯纖維表面改性處理前后復(fù)合材料力學(xué)性能以及材料斷面掃描電子顯微鏡（SEM）照片的差異，讓學(xué)生充分認識到纖維表面極性低，減弱了其增強樹脂的作用，需要通過表面改性提高極性來改善纖維與樹脂界面的結(jié)合。學(xué)生非常樂于接受這種實物教學(xué)方式，收到了良好的教學(xué)效果。除了在課堂上注意引入實踐教學(xué)外，還應(yīng)注意將書本知識與實際生產(chǎn)結(jié)合起來進行教學(xué)。我們聯(lián)系到中國石化公司下屬某大型化學(xué)纖維生產(chǎn)企業(yè)進行參觀，通過課堂學(xué)習(xí)、工廠技術(shù)人員的現(xiàn)場講解，學(xué)生詳盡了解了聚酯熔體的計量供應(yīng)、過濾、分配，熔融紡絲成型及后加工制備滌綸短纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品的性能測試及具體應(yīng)用，之后寫出參觀報告。通過課本知識與實際生產(chǎn)、現(xiàn)場演示的結(jié)合，拓寬了學(xué)生的視野，使學(xué)生學(xué)以致用，真正消化吸收所學(xué)的知識。

三、采取靈活多樣的考核方式

學(xué)生對某門課程教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握程度不是僅通過一份試卷就能客觀評價的。相對于一些專業(yè)主干課程比較系統(tǒng)的教學(xué)而言，選修課程更有“導(dǎo)論”的特點，更應(yīng)該注重考查學(xué)生的再學(xué)習(xí)和解決問題的能力。因此，在本課程的考核制度中，最終的成績不應(yīng)只取決于考試分數(shù)，而應(yīng)將考核納入到平時的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，形式可以靈活多樣，課堂討論、回答問題、課后作業(yè)、參觀工廠的表現(xiàn)都可作為考核的依據(jù)，讓學(xué)生隨時了解自己的學(xué)習(xí)情況，督促學(xué)生在學(xué)習(xí)與實踐過程中不斷提高。比如，在參觀工廠時，學(xué)生通過和生產(chǎn)現(xiàn)場的工人交流了解到生產(chǎn)中出現(xiàn)的一些問題，于是針對這些問題分組展開討論并嘗試提出一些解決方案，最后和廠里的技術(shù)人員共同討論，對此可按照學(xué)生所提建議的合理性和可行性來打分并進行點評，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力。通過改革考核和評價體系，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，改善了教學(xué)效果。

四、結(jié)束語

選修課作為專業(yè)課程體系的組成部分，應(yīng)當發(fā)揮其幫助學(xué)生獲取深厚專業(yè)知識，適應(yīng)社會發(fā)展需求的積極作用。針對高分子材料與工程專業(yè)選修課的特點，筆者在化纖工藝學(xué)教學(xué)中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個方面進行了有益的探索與實踐，結(jié)果不僅提高了本課程的教育教學(xué)水平與質(zhì)量，強化了學(xué)生對專業(yè)主干課程的理解與應(yīng)用，也拓寬了學(xué)生的就業(yè)途徑。本文旨在交流，期待能夠?qū)ζ渌牧铣尚皖愓n程的教學(xué)起到一定的借鑒作用。

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[責(zé)任編輯：羅 艷]