以化纖工藝學為例淺談材料成型類選修課教學

方顯力

[摘 要]選修課程是專業必修課程的補充和擴展，搞好選修課程的教學，對于學生拓寬專業口徑，適應社會的發展有著深遠的影響。文章通過對化纖工藝學課程的教學探索和實踐，從教學內容、教學方法和考核方式三個方面探討了提高材料成型類專業選修課教學質量的方法。

[關鍵詞]選修課;化纖工藝學;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、復合材料等各材料專業已經在我國工科大學普遍開設，而這類專業均設置有關材料加工成型方面的課程，同一專業針對不同類型的材料可能出現兩門甚至多門此類課程，其中有些作為選修課程列入教學大綱。在專業課程體系中，選修課程的定位是專業主干課程的補充和擴展，是拓寬學生專業口徑的必由之路。以高分子材料與工程專業為例，由于廣義的高分子材料形式多樣，如塑料、橡膠、化學纖維等，應用領域涉及生產與生活的方方面面，而它們的合成方法和制備工藝各具特點。有的學校習慣于通過設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性介紹，以此加強學生的綜合能力和幫助學生獲取深厚的專業知識，適應社會的發展和市場經濟的需要。筆者從事高分子材料與工程專業化纖工藝學選修課程教學數年，在不斷完善教學的同時，也深刻體會到選修課程對于學生學習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。本文以化纖工藝學課程為例，結合筆者自身的教學經驗和實際體驗，談談改革材料成型類專業選修課程的教學內容、教學方法、考核方式等方面的實踐。

一、合理安排教學內容

選修課程一般課時數較少，任課教師需要在準確定位課程教學目標的基礎上，以構建有機化學專業知識體系為導向，精心合理地安排教學內容，充分發揮補強主干課程的積極作用。

（一）原理為主，工藝為輔

大學材料成型工藝課程的教學內容應明顯區別于高職教學，著眼于講述材料成型原理，而以工藝教學為輔。化纖工藝學課程雖名為“工藝學”，實則應緊扣材料的“制備工藝—結構—性能”這條主線展開教學，即便選修課也不應簡單、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）、高分子基體的化學結構及凝聚態結構有密不可分的關系，而加工工藝則直接決定了高分子的凝聚態結構，該特點在化學纖維這類具有特殊形態的高分子材料中表現尤為明顯。因此化纖工藝學的教學，涉及“化學纖維成型原理”“化學纖維成型工藝”“化學纖維結構與性能”等理論知識以及相應的材料測試表征方法，這是一個系統的知識體系，不能將成型工藝從中割裂出來。

基于上述認識，本課程的教學內容做了如下安排：首先，結合之前所學的高分子物理及聚合物流變學兩門課程中流變下的大分子行為、連續單軸拉伸及結晶和冷卻條件下的大分子取向、聚合物結晶動力學、聚合物的粘彈性等基礎理論，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纖維成型原理，這是理解和掌握化學纖維成型工藝的基礎。其次，講述工藝部分時，考慮到學生已經具備相關的理論基礎以及工藝的相似性，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反應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容多而學時數較少的矛盾。最后，化學纖維的結構與性能部分，結合材料測試方法課程的內容，安排纖維材料結構表征方法的教學內容，為正確認識和理解纖維結構打基礎，并通過聯系已掌握的成型工藝的課程內容，運用高分子物理中聚合物結晶與取向的相關理論，建立化學纖維的工藝、結構與性能之間的關系。

（二）密切聯系主干課程

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

前已述及，通過運用高分子物理課程中的知識結合化學纖維的加工特點幫助學生理解化學纖維的加工原理。類似的例子很多，例如，學生知道高分子材料的最終性能與加工條件有關，因為加工過程決定了其凝聚態結構，但是大分子的分子量及其分布則是影響材料性能的“內因”，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的聯系。通過對某一具體實例的分析，往往能夠幫助學生獲得深刻的印象和理解。多數的專業課程在大三下學期或是大四上學期才設置，此時相當一部分學生忙于準備考研。罔論選修課程，即便是與考研無關的專業基礎課程，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內容，充分建立起與考研科目之間的聯系，使學生切實體會到這門課不是“完全與考研無關的”，以此改善教學效果。

（三）充分體現“博”和“新”的特點

在具體的內容選取上，筆者遵循的原則首先是既要讓學生較全面地掌握相關知識點，又要有所側重，注重本課程與先修課程的聯系和課程前后內容的銜接等。當今世界，材料科學是研究最為活躍的領域之一，為了培養實用型、創新型人才，課程在介紹一些傳統的纖維品種的基礎上，適當引入一些化學纖維產業或是研究領域的相關新進展，將新理論和新技術充實到教學內容中。筆者通過自行搜集資料，編寫了《高技術纖維》和《功能纖維》兩章講義供學生課后自學，內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紡織產業和特殊領域的應用等，為學生提供符合時代需要的教學內容，充分體現選修課程的靈活性和多樣性。

二、積極探索與實踐教學方法

有效的教學方法是提高教學質量的重要保證。客觀地說，學生對專業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揮主導作用，不斷改進教學方法，幫助學生更好地理解教學內容。在化纖工藝學課程教學過程中，筆者通過不斷探索，總結出以下四點行之有效的教學方法。

（一）引導式教學法

引導式教學法通過在課堂上提出問題，鼓勵學生思考，引發學生對問題的注意，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，加深對課堂內容的理解。教師引導和組織學生參與課堂討論，充分調動學生學習的積極性。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對卷繞絲的取向貢獻小？（2）聚丙烯纖維為什么不能像滌綸那樣通過高速紡絲獲得預取向絲？學生根據課堂上剛學到的知識給出不同的答案，最后教師作總結發言，引出下一步教學內容：紡絲熔體在噴絲孔中流動時溫度高，松弛時間短，同時流動產生的取向在擠出脹大區即被松弛殆盡，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，而塑性形變取向對不同成纖聚合物的貢獻呈現很大的差異;聚丙烯的結晶能力強，這類成纖聚合物在紡程上的結晶度發展很快，卷繞絲除發生液態的分子取向外，還發生微晶取向，絲條拉伸模量高，屈服應力較高，其高速紡絲線上的應力引起的均勻塑性形變取向很少，更難以啟動非均勻塑性形變取向機理。通過這種方式，學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，為以后分類學習不同纖維品種的紡絲工藝打下了基礎。

（二）比較教學法

化纖工藝學的課程中，有很多教學內容可以通過對比進行教學，比如常規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。比較教學法是很有效的教學方法，有利于學生認識相關知識的區別與聯系，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熱定型的機理、工藝特征、適用產品特征、生產實例等與各實施方法對應的屬性，然后一邊講解一邊填充各屬性，讓學生在接受知識點的同時也學習各屬性的異同，從而加強對相關內容的理解和記憶。比較教學法的形式靈活多樣，教學中可以從不同的層面展開。除了上述課程教學內容的比較教學外，還可以緊密聯系其他已修課程內容進行比較教學，這對提高教學效果十分有效。筆者在本課程的緒論教學當中，將塑料的注塑成型、擠出成型與化學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，讓學生在課程伊始就認識到化學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纖維獨特的性能，從而對課程學習目標和學習內容形成了初步的理解。

（三）關聯教學法

如前所述，化纖工藝學與多門專業基礎課尤其是高分子物理有著十分密切的關系，很多教學內容實際就是高分子物理中相關理論在高分子材料生產加工中的具體應用，可以說是滲透到了化學纖維成形原理的方方面面。因此緊密聯系以高分子物理為首的專業主干課程的相關內容進行教學，將幾門課程融會貫通，不但有利于提高本課程的教學質量，反過來對于學生加深理解這些先修基礎課程也有促進作用。如在講述纖維的拉伸時，引導學生回顧高分子物理中關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的，為了使纖維能夠拉伸并保持住拉伸后的形狀，應該設定合理的工藝條件來發展塑性形變。通過關聯教學法，課堂上學生在教師的帶動下進行發散思維，在學習過程中真正認識到專業課程之間的內在聯系，夯實了專業理論基礎。

（四）實踐教學法

實踐教學法是指結合實際生產或生活中的實物進行教學，比較形象和直觀，引導學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，在教學中應該盡可能地創造條件去使用該教學法。例如，在講到化學纖維的鑒別方法時，燃燒法可根據不同纖維的燃燒特性來鑒別纖維，這是簡單實用的方法。為了增加學生的感性認識，加深印象，筆者課前準備了不同種類的化學纖維和天然纖維，在課堂上現場展示它們的燃燒特性，幫助學生根據燃燒的現象、氣味及燃燒灰燼的顏色和形狀來鑒別化學纖維的品種。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，并在此基礎上將“超高分子量聚乙烯纖維增強復合材料”的研究內容引入教學中，通過比較超高分子量聚乙烯纖維表面改性處理前后復合材料力學性能以及材料斷面掃描電子顯微鏡（SEM）照片的差異，讓學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合。學生非常樂于接受這種實物教學方式，收到了良好的教學效果。除了在課堂上注意引入實踐教學外，還應注意將書本知識與實際生產結合起來進行教學。我們聯系到中國石化公司下屬某大型化學纖維生產企業進行參觀，通過課堂學習、工廠技術人員的現場講解，學生詳盡了解了聚酯熔體的計量供應、過濾、分配，熔融紡絲成型及后加工制備滌綸短纖維的生產工藝、產品的性能測試及具體應用，之后寫出參觀報告。通過課本知識與實際生產、現場演示的結合，拓寬了學生的視野，使學生學以致用，真正消化吸收所學的知識。

三、采取靈活多樣的考核方式

學生對某門課程教學內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。相對于一些專業主干課程比較系統的教學而言，選修課程更有“導論”的特點，更應該注重考查學生的再學習和解決問題的能力。因此，在本課程的考核制度中，最終的成績不應只取決于考試分數，而應將考核納入到平時的各個教學環節中，形式可以靈活多樣，課堂討論、回答問題、課后作業、參觀工廠的表現都可作為考核的依據，讓學生隨時了解自己的學習情況，督促學生在學習與實踐過程中不斷提高。比如，在參觀工廠時，學生通過和生產現場的工人交流了解到生產中出現的一些問題，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，最后和廠里的技術人員共同討論，對此可按照學生所提建議的合理性和可行性來打分并進行點評，很好地培養了學生的工程實踐能力。通過改革考核和評價體系，激發了學生的學習熱情，改善了教學效果。

四、結束語

選修課作為專業課程體系的組成部分，應當發揮其幫助學生獲取深厚專業知識，適應社會發展需求的積極作用。針對高分子材料與工程專業選修課的特點，筆者在化纖工藝學教學中，從教學內容、教學方法和考核方式三個方面進行了有益的探索與實踐，結果不僅提高了本課程的教育教學水平與質量，強化了學生對專業主干課程的理解與應用，也拓寬了學生的就業途徑。本文旨在交流，期待能夠對其他材料成型類課程的教學起到一定的借鑒作用。

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[責任編輯：羅 艷]