常見紡織纖維形態檢驗的綜合性設計

王 虹,王 軍

(江蘇警官學院 刑事科學技術系,江蘇 南京210031)

實驗和實踐教學作為高校人才培養的重要方法與手段,引發眾多高校對實驗教學模式與教學方法的探索[1]。近年來,各高校均將創新型人才培養作為教育教學改革的主要目標之一,不斷加大對實驗室硬件條件的投入,加強實驗室建設。本學院實驗室依托中央財政支持購入一批科研教學儀器設備,其中有掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等顯微分析儀器,由于實驗室大型儀器設備價格昂貴、數量少,大多用于科研,加上前期樣品制備、實驗準備工作量大,限制了大型儀器設備在培養本科生實踐創新能力方面發揮應有的作用。為適應現代實踐教學改革創新的要求,拓寬學生思維空間,引導學生對專業問題進行創新性思考[2]。結合專業實際,在常見紡織纖維形態的檢驗實驗項目基礎上,充實調整教學內容、拓展檢驗方法,探索利用偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等多種顯微分析技術檢驗纖維形態特征,設計適合專業發展,實用性、綜合性強的實驗教學項目,有效發揮實驗室大型儀器設備在實踐教學中的作用,不僅有利于學生實踐能力和創新能力的培養,而且有助于推動實驗室優質教育教學資源與實踐教學的融合,對培養創新型技術人才具有積極意義。

1 現有的實驗教學模式

大學實驗教學,包含鞏固已學理論知識、探索未知領域的功能,也包含提升學習興趣、培養綜合能力的功能[3]。在傳統的實驗教學體系中,課程實踐教學主要是根據實驗條件,按照理論課程需要,圍繞理論教學涉及的知識點來開設,實驗通常以演示性、驗證性項目居多,學生只學到一些孤立的技能訓練,實驗內容體現不出實踐性教學自身的連貫性和綜合性,不利于學生對所學知識形成系統完整的認識。目前常見紡織纖維形態的檢驗實驗教學內容,主要是采用顯微鏡觀察法觀察比對纖維形態特征,實驗教學分教師課堂集中講授和學生實踐操作兩大部分,實驗儀器為XPT-7型偏光顯微鏡,學生首先聽取教師講解,觀看演示操作,按照實驗教學指導書上的實驗步驟按部就班完成各自實驗。由于學生在實驗過程中習慣于接受現成的知識和技能,對實驗內容所涉知識的理解和技能的掌握不足,缺乏自主思考,實驗教學方法和使用的儀器設備相對單一,導致學生學習的興趣普遍不高。傳統實驗項目在設計過程中忽視了學生在學習過程中的主體地位,填鴨式教學方法缺乏以問題為導向的探索思考能力的培養,不利于培養學生綜合分析和解決問題的能力,難以達到融會貫通并靈活運用的教學目標[4]。

2 常見紡織纖維形態的檢驗綜合性實驗設計

2.1 實驗設計思路

綜合性實驗教學方案的設計,要以學生已學知識為基礎,并對實驗內容、方法適當拓展,加深學生對學科相關知識的理解和掌握[5]。因此,綜合性實驗教學設計要緊跟科技發展前沿,并能充分發揮科研儀器設備的作用,實驗要以有效解決實際問題為導向,將課程理論教學所涉及的專業知識、基本理論、檢驗手段等相對獨立的環節整合成一條貫通式的知識鏈,不僅有利于啟發學生對學科知識結構整體性、系統性的掌握,而且有助于培養學生自主思考、分析、解決問題的能力。為適應專業發展需求,我們從課程教學目標出發,以應用型、綜合性為課程設計理念,將教學大綱要求的基本實驗方法和實驗手段與解決實際問題相結合,同時將實驗室現有的儀器設備應用到實驗教學中,設計常見紡織纖維形態的檢驗綜合性實驗,相比原有的實驗教學模式,開放性的綜合性實驗項目更容易激發學生的實驗熱情,有利于培養學生勇于探索的實踐能力[6]。

2.2 實驗內容設計

常見紡織纖維形態的檢驗綜合性實驗設計分為兩大部分,第一部分內容是使用偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡觀測已知纖維形態特征;第二部分內容是檢驗鑒別未知纖維試樣,實驗內容包括制作纖維試樣、儀器操作、圖像采集及處理、未知纖維檢驗等實驗環節。學生以小組為單位,每組5人,分組實驗。考慮到實驗學時的限制,實驗課前要求學生查閱偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡等相關資料,學習了解所用儀器的工作原理、儀器結構;觀看實驗室提供的儀器操作使用培訓視頻,了解儀器操作步驟和注意事項,做好實驗預習。為鍛煉學生的實踐操作技能,實驗課前學生要自己動手制作纖維載玻片實驗樣本,樣本制作時采用XPT-7型偏光顯微鏡觀察纖維在載玻片中分布情況,以保證后續儀器檢測能夠順利進行。掃描電子顯微鏡對實驗樣本的制備有特殊要求,學生因缺乏操作經驗,必須在實驗指導教師的指導下,按照制作要求完成樣本制備。對于未知纖維試樣的檢驗鑒別,學生要有清晰的檢驗思路,需要制定出實驗方案,按實驗流程進行檢測,待纖維檢測完成后,采集圖像,對檢測結果分析討論,得出鑒定結論,最后完成實驗報告。

2.3 實驗材料

隨著化纖紡織行業的快速發展,具有吸濕、抗菌、防水、抗靜電、耐熱、阻燃等新型功能的纖維不斷涌現[7-10],日益增長的市場需求使得新型纖維應用領域越來越廣泛,為拓展學生的知識面,在保留原實驗室提供的18種常見紡織纖維基礎上,收集增補了聚對苯二甲酸乙二酯纖維(PET)、聚對苯二甲酸丙二酯纖維(PTT)、萊賽爾纖維、莫代爾纖維、芳綸1414纖維、聚乳酸纖維(PLA)、竹炭纖維、中空纖維、導電纖維、超高分子量纖維(PE)等10多種新型纖維。

2.4 實驗儀器與試劑

XPT-7型偏光顯微鏡(南京江南永新光學有限公司),QUANTA 400掃描電子顯微鏡(美國FEI公司),Leica DM 2500P偏光顯微鏡(德國徠卡),OLY MPUS LEXT OLS4100激光共聚焦顯微鏡(日本奧林巴斯)。

試劑:甘油

2.5 實驗步驟和討論

各小組通過預約的方式分批完成實驗樣本制作和儀器檢測,儀器操作部分學生必須在實驗技術人員的現場指導下分別上機操作,對制作好的纖維樣本進行儀器檢測分析,采集處理圖像,保存檢測結果。

2.5.1 偏光顯微鏡實驗

由于大多數纖維都具有各向異性的特性,在偏振光下會發生雙折射的現象,產生各種纖維獨有的干涉條紋,利用偏振光顯微鏡可以對纖維結構特征進行觀察檢測[11]。相比原實驗采用的XPT-7型偏光顯微鏡,Leica DM 2500P偏光顯微鏡配備專業的CCD和軟件系統,采集處理圖像速度快,系統提供的直觀自動同步顯微圖像環境更方便纖維形態特征的觀測,圖像易于保存,有利于未知纖維的比對檢驗,能夠取得更好的實驗效果。偏光顯微鏡觀察芳綸1414纖維形態特征,如圖1所示,纖維縱截面光滑平直,細度均勻,中軸呈紅白相間兩色,左右對稱為深藍色。

2.5.2 掃描電子顯微鏡實驗

掃描電子顯微鏡具有放大倍數范圍寬、二次成像分辨率高、樣品制備操作簡單等特點,采用具備低真空模式的掃描電子顯微鏡可以直接觀測纖維試樣,無需蒸鍍導電膜。其高分辨圖像可以實現極微區的原位精細觀察,學生可以從更微觀的角度研究觀察纖維試樣拉伸端口的結構特征。掃描電子顯微鏡觀察芳綸1414纖維縱截面形態特征,如圖2所示,芳綸1414纖維縱截面呈光滑管狀,細度均勻,表面有少量顆粒。

2.5.3 激光共聚焦顯微鏡實驗

激光共聚焦顯微鏡具有放大倍數高、大景深,可觀察立體層次等特點[12]。不同種類纖維其紡絲工藝不同,纖維在生產加工過程中經過干燥、擠壓、紡絲組件、卷繞等紡絲工藝形成了纖維表面微觀結構特征,在機械外力的作用下,纖維表層極易產生毛邊、撕裂和分層等表面缺陷,采用激光共聚焦顯微鏡檢測纖維樣本,可增加學生對不同種類纖維表面微觀結構的感性認識。激光共聚焦顯微鏡掃描芳綸1414纖維形態特征見圖3,從獲取的圖像可以看到芳綸1414纖維表面的獨特結構,纖維細度均勻,表面有條形的拉絲溝槽和不均勻孔隙分布。

實驗表明,利用偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡對已知纖維進行觀測并采集圖像,可以獲得同一種纖維不同儀器的測試結果,從而得到纖維形態特征的多重信息。由于不同分析儀器在纖維的檢測分析上各有利弊,為避免單一檢測儀器的局限性,要充分利用多種儀器設備提供的信息進行合理選擇,因此,在對未知纖維的分析鑒別實驗中,需要結合多種儀器測試結果進行綜合分析,才能得出相互關聯、相互補充、相互支撐的鑒定結論。學生在對未知纖維細微差異質疑、探究、釋疑等檢驗鑒別過程中,需要進行綜合分析評判,最后得出準確的定性結論。通過綜合性實驗訓練,培養了學生多角度、綜合考慮問題的科研能力,極大地激發了學生積極探索的科研熱情,對學生綜合性思維和科研探索能力的培養具有指導意義。

3 結語

采用多種顯微分析儀器對纖維形態特征進行綜合檢驗,將常見紡織纖維形態的檢驗一般驗證性實驗擴展設計為綜合性實驗項目,有效地將實驗室科研儀器設備引入本科實踐教學中,提高優質教育教學資源的利用效率;通過綜合性實驗的訓練,能夠使學生學習了解到學科前沿知識,熟悉多種儀器的操作與使用,從理論和實踐兩方面加深對纖維形態特征檢驗的理解和應用;貼近實戰的實驗環節設計,能夠提高學生運用現代科學技術解決實際問題的綜合素質和創新能力,為以后的學習和工作打下良好的實踐基礎。