以化纤工艺学为例浅谈材料成型类选修课教学

方显力

[摘 要]选修课程是专业必修课程的补充和扩展，搞好选修课程的教学，对于学生拓宽专业口径，适应社会的发展有着深远的影响。文章通过对化纤工艺学课程的教学探索和实践，从教学内容、教学方法和考核方式三个方面探讨了提高材料成型类专业选修课教学质量的方法。

[关键词]选修课;化纤工艺学;材料成型; 探索与实践

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）03-0120-03

目前无机非金属材料、高分子材料、金属材料、复合材料等各材料专业已经在我国工科大学普遍开设，而这类专业均设置有关材料加工成型方面的课程，同一专业针对不同类型的材料可能出现两门甚至多门此类课程，其中有些作为选修课程列入教学大纲。在专业课程体系中，选修课程的定位是专业主干课程的补充和扩展，是拓宽学生专业口径的必由之路。以高分子材料与工程专业为例，由于广义的高分子材料形式多样，如塑料、橡胶、化学纤维等，应用领域涉及生产与生活的方方面面，而它们的合成方法和制备工艺各具特点。有的学校习惯于通过设置选修课对某一种或几种高分子材料的加工工艺过程进行系统性介绍，以此加强学生的综合能力和帮助学生获取深厚的专业知识，适应社会的发展和市场经济的需要。笔者从事高分子材料与工程专业化纤工艺学选修课程教学数年，在不断完善教学的同时，也深刻体会到选修课程对于学生学习和理解主干课程的重要作用。总体上来说，虽然材料的种类繁多，其加工成型的方法也各异，但是各材料成型类选修课程还是存在一定共性的。本文以化纤工艺学课程为例，结合笔者自身的教学经验和实际体验，谈谈改革材料成型类专业选修课程的教学内容、教学方法、考核方式等方面的实践。

一、合理安排教学内容

选修课程一般课时数较少，任课教师需要在准确定位课程教学目标的基础上，以构建有机化学专业知识体系为导向，精心合理地安排教学内容，充分发挥补强主干课程的积极作用。

（一）原理为主，工艺为辅

大学材料成型工艺课程的教学内容应明显区别于高职教学，着眼于讲述材料成型原理，而以工艺教学为辅。化纤工艺学课程虽名为“工艺学”，实则应紧扣材料的“制备工艺—结构—性能”这条主线展开教学，即便选修课也不应简单、机械地去罗列各材料品种的具体配方、工艺条件等。例如，高分子材料的性能都与其组成（配方）、高分子基体的化学结构及凝聚态结构有密不可分的关系，而加工工艺则直接决定了高分子的凝聚态结构，该特点在化学纤维这类具有特殊形态的高分子材料中表现尤为明显。因此化纤工艺学的教学，涉及“化学纤维成型原理”“化学纤维成型工艺”“化学纤维结构与性能”等理论知识以及相应的材料测试表征方法，这是一个系统的知识体系，不能将成型工艺从中割裂出来。

基于上述认识，本课程的教学内容做了如下安排：首先，结合之前所学的高分子物理及聚合物流变学两门课程中流变下的大分子行为、连续单轴拉伸及结晶和冷却条件下的大分子取向、聚合物结晶动力学、聚合物的粘弹性等基础理论，讲授以纺丝理论和纤维的拉伸和热定型为基本框架的化学纤维成型原理，这是理解和掌握化学纤维成型工艺的基础。其次，讲述工艺部分时，考虑到学生已经具备相关的理论基础以及工艺的相似性，笔者仅选择了熔体纺丝的聚酯纤维、溶液纺丝的聚丙烯腈纤维和成型过程中存在化学反应的粘胶纤维这三种有代表性的纤维品种重点加以讲述，从而较好地解決了课程内容多而学时数较少的矛盾。最后，化学纤维的结构与性能部分，结合材料测试方法课程的内容，安排纤维材料结构表征方法的教学内容，为正确认识和理解纤维结构打基础，并通过联系已掌握的成型工艺的课程内容，运用高分子物理中聚合物结晶与取向的相关理论，建立化学纤维的工艺、结构与性能之间的关系。

（二）密切联系主干课程

专业课程的内容是相互关联而非孤立存在的，材料类的专业课程体系亦不例外。高分子材料与工程专业的专业课程都与该专业的两门主干课高分子化学与高分子物理存在密不可分的联系。在教学内容的安排上，教师是否能够有机地建立与这些主干课程的联系，将主干课程的相关知识有效地应用于所教授的课程，是教学内容的设置是否合理的重要标志。成功的课程教学不仅在于能够确保学生对所教课程内容的掌握，还在于能够帮助学生通过该课程的学习加深对主干课程内容的理解。

前已述及，通过运用高分子物理课程中的知识结合化学纤维的加工特点帮助学生理解化学纤维的加工原理。类似的例子很多，例如，学生知道高分子材料的最终性能与加工条件有关，因为加工过程决定了其凝聚态结构，但是大分子的分子量及其分布则是影响材料性能的“内因”，如聚酯的缩合聚合。那么，如何获得较高的分子量和较窄的分子量分布呢？这样就很容易建立与高分子化学的联系。通过对某一具体实例的分析，往往能够帮助学生获得深刻的印象和理解。多数的专业课程在大三下学期或是大四上学期才设置，此时相当一部分学生忙于准备考研。罔论选修课程，即便是与考研无关的专业基础课程，上课效果也不理想。这是比较普遍存在的问题，而解决这一问题可行的方法之一就是合理安排教学内容，充分建立起与考研科目之间的联系，使学生切实体会到这门课不是“完全与考研无关的”，以此改善教学效果。

（三）充分体现“博”和“新”的特点

在具体的内容选取上，笔者遵循的原则首先是既要让学生较全面地掌握相关知识点，又要有所侧重，注重本课程与先修课程的联系和课程前后内容的衔接等。当今世界，材料科学是研究最为活跃的领域之一，为了培养实用型、创新型人才，课程在介绍一些传统的纤维品种的基础上，适当引入一些化学纤维产业或是研究领域的相关新进展，将新理论和新技术充实到教学内容中。笔者通过自行搜集资料，编写了《高技术纤维》和《功能纤维》两章讲义供学生课后自学，内容包括高性能或功能性的聚合物纤维品种、新的纺丝成型方法及它们在非传统纺织产业和特殊领域的应用等，为学生提供符合时代需要的教学内容，充分体现选修课程的灵活性和多样性。

二、积极探索与实践教学方法

有效的教学方法是提高教学质量的重要保证。客观地说，学生对专业选修课程的重视程度普遍不如主干课程，这就需要任课教师发挥主导作用，不断改进教学方法，帮助学生更好地理解教学内容。在化纤工艺学课程教学过程中，笔者通过不断探索，总结出以下四点行之有效的教学方法。

（一）引导式教学法

引导式教学法通过在课堂上提出问题，鼓励学生思考，引发学生对问题的注意，并在思考问题的过程中探索和寻求解决问题的方法和途径，加深对课堂内容的理解。教师引导和组织学生参与课堂讨论，充分调动学生学习的积极性。例如，讲授熔体纺丝过程中的取向作用时，在介绍完熔体纺丝过程中可能存在的取向机理之后，提出如下两个问题：（1）为什么熔体在喷丝孔中的切变流场中的流动取向对卷绕丝的取向贡献小？（2）聚丙烯纤维为什么不能像涤纶那样通过高速纺丝获得预取向丝？学生根据课堂上刚学到的知识给出不同的答案，最后教师作总结发言，引出下一步教学内容：纺丝熔体在喷丝孔中流动时温度高，松弛时间短，同时流动产生的取向在挤出胀大区即被松弛殆尽，故喷丝孔中的切变流场中的流动取向机理对卷绕丝取向基本没有贡献，而塑性形变取向对不同成纤聚合物的贡献呈现很大的差异;聚丙烯的结晶能力强，这类成纤聚合物在纺程上的结晶度发展很快，卷绕丝除发生液态的分子取向外，还发生微晶取向，丝条拉伸模量高，屈服应力较高，其高速纺丝线上的应力引起的均匀塑性形变取向很少，更难以启动非均匀塑性形变取向机理。通过这种方式，学生深刻理解了熔体纺丝过程中取向机理的多样性以及不同成纤聚合物卷绕丝取向的差异性，为以后分类学习不同纤维品种的纺丝工艺打下了基础。

（二）比较教学法

化纤工艺学的课程中，有很多教学内容可以通过对比进行教学，比如常规纺丝方法中的熔融纺丝和溶液纺丝，单道拉伸和多道拉伸，热定型工艺中的松弛热定型和紧张热定型，等等。比较教学法是很有效的教学方法，有利于学生认识相关知识的区别与联系，从而更好地接受知识，理解起来也更加深刻。比如，在讲述化学纤维的热定型时，可以先用表格列出松弛热定型、紧张热定型、定长热定型三种实施方法，再在第一列列出对应热定型的机理、工艺特征、适用产品特征、生产实例等与各实施方法对应的属性，然后一边讲解一边填充各属性，让学生在接受知识点的同时也学习各属性的异同，从而加强对相关内容的理解和记忆。比较教学法的形式灵活多样，教学中可以从不同的层面展开。除了上述课程教学内容的比较教学外，还可以紧密联系其他已修课程内容进行比较教学，这对提高教学效果十分有效。笔者在本课程的绪论教学当中，将塑料的注塑成型、挤出成型与化学纤维的纺丝成型及后加工的基本工艺过程作了简单的比较，让学生在课程伊始就认识到化学纤维成型工艺与塑料成型工艺的明显差异，而工艺的差异造成了化学纤维独特的性能，从而对课程学习目标和学习内容形成了初步的理解。

（三）关联教学法

如前所述，化纤工艺学与多门专业基础课尤其是高分子物理有着十分密切的关系，很多教学内容实际就是高分子物理中相关理论在高分子材料生产加工中的具体应用，可以说是渗透到了化学纤维成形原理的方方面面。因此紧密联系以高分子物理为首的专业主干课程的相关内容进行教学，将几门课程融会贯通，不但有利于提高本课程的教学质量，反过来对于学生加深理解这些先修基础课程也有促进作用。如在讲述纤维的拉伸时，引导学生回顾高分子物理中关于高聚物粘弹性的论述，指出高分子材料在受力作用下，如果借用小形变线性粘弹性蠕变来处理，形变包括普弹形变、高弹形变和塑性形变，其中塑性形变是完全不可回复的，为了使纤维能够拉伸并保持住拉伸后的形状，应该设定合理的工艺条件来发展塑性形变。通过关联教学法，课堂上学生在教师的带动下进行发散思维，在学习过程中真正认识到专业课程之间的内在联系，夯实了专业理论基础。

（四）实践教学法

实践教学法是指结合实际生产或生活中的实物进行教学，比较形象和直观，引导学生在解决实际问题的过程中理解和掌握理论知识。材料成型类选修课程实践性强，在教学中应该尽可能地创造条件去使用该教学法。例如，在讲到化学纤维的鉴别方法时，燃烧法可根据不同纤维的燃烧特性来鉴别纤维，这是简单实用的方法。为了增加学生的感性认识，加深印象，笔者课前准备了不同种类的化学纤维和天然纤维，在课堂上现场展示它们的燃烧特性，帮助学生根据燃烧的现象、气味及燃烧灰烬的颜色和形状来鉴别化学纤维的品种。再如，将超高分子量聚乙烯纤维长丝和普通的聚酯长丝带到课堂，让学生通过用手拉等简单的方式体验这种高模高强纤维与普通纤维机械性能的巨大差异，并在此基础上将“超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料”的研究内容引入教学中，通过比较超高分子量聚乙烯纤维表面改性处理前后复合材料力学性能以及材料断面扫描电子显微镜（SEM）照片的差异，让学生充分认识到纤维表面极性低，减弱了其增强树脂的作用，需要通过表面改性提高极性来改善纤维与树脂界面的结合。学生非常乐于接受这种实物教学方式，收到了良好的教学效果。除了在课堂上注意引入实践教学外，还应注意将书本知识与实际生产结合起来进行教学。我们联系到中国石化公司下属某大型化学纤维生产企业进行参观，通过课堂学习、工厂技术人员的现场讲解，学生详尽了解了聚酯熔体的计量供应、过滤、分配，熔融纺丝成型及后加工制备涤纶短纤维的生产工艺、产品的性能测试及具体应用，之后写出参观报告。通过课本知识与实际生产、现场演示的结合，拓宽了学生的视野，使学生学以致用，真正消化吸收所学的知识。

三、采取灵活多样的考核方式

学生对某门课程教学内容的理解和掌握程度不是仅通过一份试卷就能客观评价的。相对于一些专业主干课程比较系统的教学而言，选修课程更有“导论”的特点，更应该注重考查学生的再学习和解决问题的能力。因此，在本课程的考核制度中，最终的成绩不应只取决于考试分数，而应将考核纳入到平时的各个教学环节中，形式可以灵活多样，课堂讨论、回答问题、课后作业、参观工厂的表现都可作为考核的依据，让学生随时了解自己的学习情况，督促学生在学习与实践过程中不断提高。比如，在参观工厂时，学生通过和生产现场的工人交流了解到生产中出现的一些问题，于是针对这些问题分组展开讨论并尝试提出一些解决方案，最后和厂里的技术人员共同讨论，对此可按照学生所提建议的合理性和可行性来打分并进行点评，很好地培养了学生的工程实践能力。通过改革考核和评价体系，激发了学生的学习热情，改善了教学效果。

四、结束语

选修课作为专业课程体系的组成部分，应当发挥其帮助学生获取深厚专业知识，适应社会发展需求的积极作用。针对高分子材料与工程专业选修课的特点，笔者在化纤工艺学教学中，从教学内容、教学方法和考核方式三个方面进行了有益的探索與实践，结果不仅提高了本课程的教育教学水平与质量，强化了学生对专业主干课程的理解与应用，也拓宽了学生的就业途径。本文旨在交流，期待能够对其他材料成型类课程的教学起到一定的借鉴作用。

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[责任编辑：罗 艳]