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(shí)踐”課程教學(xué)研究

孫俊芬

(東華大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院； b. 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

一、 研究背景

隨著我國整體實(shí)力的飛速發(fā)展，在各個(gè)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(jià)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(shí)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(jié)合較少，導(dǎo)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(lǐng)軍人才，這已經(jīng)成為制約我國新型工業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵因素。卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的主要目標(biāo)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(qiáng)，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅(jiān)實(shí)的人力資源優(yōu)勢，增強(qiáng)我國的核心競爭力和綜合國力。在這個(gè)目標(biāo)中，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)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(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)的對外依存度、增強(qiáng)國家的核心競爭力，從“中國制造”轉(zhuǎn)向“中國智造”或“中國創(chuàng)造”，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。

聚丙烯腈為丙烯腈含量大于85%(質(zhì)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(diǎn)，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(lǐng)域。此外，聚丙烯腈還可以加工成分離膜材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水的純化、血液凈化、生物材料的提純等領(lǐng)域。聚丙烯腈纖維和膜對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都發(fā)揮著重要的作用。東華大學(xué)自20世紀(jì)50年代建校以來，多個(gè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及國家重點(diǎn)學(xué)科——材料學(xué)的支持下，完成了多項(xiàng)國家級和省部級科研項(xiàng)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(shí)踐”課程的開設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2，3]，也積極推動了本課程教學(xué)工作的進(jìn)一步發(fā)展。

二、 “聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實(shí)踐”課程的特點(diǎn)

卓越工程師教育的培養(yǎng)目標(biāo)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(xué)理念和思維定式，有機(jī)結(jié)合了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和自覺執(zhí)行的意識。本門課程改變原來單一的學(xué)科知識本位的教學(xué)體系，建立學(xué)科知識本位和能力本位相結(jié)合的教學(xué)體系，使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)由平面結(jié)構(gòu)向立體結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，達(dá)到高分子學(xué)科的系統(tǒng)性與工程應(yīng)用的綜合性的統(tǒng)一要求，引領(lǐng)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(shí)踐”課程內(nèi)容主要分為兩個(gè)部分：第一部分包括紡絲原液的制備，纖維的制備、改性、應(yīng)用以及纖維結(jié)構(gòu)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(yīng)用以及膜材料結(jié)構(gòu)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(xué)、環(huán)保、工程等其他領(lǐng)域的結(jié)合。本課程為高分子材料學(xué)科學(xué)生開設(shè)，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生理解并掌握濕法紡絲技術(shù)和利用相轉(zhuǎn)化方法制備膜材料的加工原理、纖維與膜材料的結(jié)構(gòu)與性能、纖維與膜材料的應(yīng)用開發(fā)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)、加工和研究，引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生在相關(guān)工藝和產(chǎn)品方面的科學(xué)優(yōu)化與創(chuàng)新，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實(shí)踐”課程將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有效地結(jié)合在一起，在教授利用濕法紡絲成型技術(shù)制備纖維和利用相轉(zhuǎn)化方法制備膜材料的加工技術(shù)理論知識的同時(shí)，配套了纖維和膜材料成型加工的實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生在老師指導(dǎo)下將理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融會貫通。

卓越工程師不僅是專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)專家，而且還需要具備團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和環(huán)保意識。因而，本課程教師在指導(dǎo)學(xué)生充分掌握理論知識和實(shí)際操作的同時(shí)，還對學(xué)生進(jìn)行分組，圍繞不同的研究主題進(jìn)行匯報(bào)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(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境問題，思考相關(guān)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(shí)踐”課程的教學(xué)實(shí)踐

(一) 教學(xué)內(nèi)容

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實(shí)踐”課程于2014年開設(shè)，目前已教過4個(gè)班級。本課程共計(jì)52學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)12學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)40學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容如表1所示。

表1 “聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實(shí)踐”課程教學(xué)內(nèi)容

(二) 教學(xué)模式

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實(shí)踐”課程同時(shí)包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，目的就是使學(xué)生對利用濕法紡絲成型技術(shù)制備纖維和利用相轉(zhuǎn)化方法制備膜材料有更深刻的理解和認(rèn)識，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)際操作能力。以膜材料的制備為例，理論教學(xué)安排了膜材料的概述、膜材料的應(yīng)用、膜結(jié)構(gòu)與性能表征方法，實(shí)踐教學(xué)安排了聚丙烯腈成膜溶液的制備、聚丙烯腈膜成型實(shí)驗(yàn)以及膜的后處理、聚丙烯腈膜的結(jié)構(gòu)與性能測試。理論教學(xué)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生掌握膜材料成型原理、膜材料結(jié)構(gòu)對其性能的影響。實(shí)踐教學(xué)則注重學(xué)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(xué)生在實(shí)驗(yàn)和測試過程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。要求學(xué)生能獨(dú)立進(jìn)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(xué)過程中，力求使基本理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，同時(shí)安排學(xué)生分組進(jìn)行匯報(bào)，加深學(xué)生對本門課程的理解與掌握。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，采用小班教學(xué)，將學(xué)生分為3組。以制備膜材料為例，聚丙烯腈膜制備實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重于膜材料的相轉(zhuǎn)化成型方法實(shí)踐，有助于幫助學(xué)生全面了解膜材料的相轉(zhuǎn)化成型原理、成型工藝、后處理方法等。讓學(xué)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(gè)過程對聚丙烯腈在有機(jī)溶劑中進(jìn)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(jī)溶劑的濃度等)制備不同結(jié)構(gòu)和性能的分離膜材料。膜材料結(jié)構(gòu)和性能的測試主要側(cè)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(jié)構(gòu)和性能，目的是考察學(xué)生運(yùn)用所掌握的理論知識解決實(shí)際問題并分析相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能的能力，從而使學(xué)生的理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來。

本課程主講教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及在濕法紡絲和膜材料制備方面的科研經(jīng)驗(yàn)和能力，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室為該課程配套設(shè)置了專門的紡絲試驗(yàn)線、膜材料的制備設(shè)備和相關(guān)的纖維和膜材料測試儀器。該門課程有效統(tǒng)籌協(xié)調(diào)了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐過程中充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生獲得系統(tǒng)的理論知識、實(shí)驗(yàn)技術(shù)理論，提高了學(xué)生對本門課程的掌握程度。

四、 教學(xué)效果與改進(jìn)措施

“聚丙烯腈纖維和膜制備原理及實(shí)踐”實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究相互滲透的多維度的新型教學(xué)組織模式，為學(xué)生構(gòu)建了親自動手實(shí)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(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生查閱最新的科研資料，在教學(xué)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(biāo)滲透到每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)與技能訓(xùn)練的融合，對提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)卓越工程師具有積極的作用[4]。

在今后的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以從企業(yè)請相關(guān)的工程師參與到實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)學(xué)生的紡絲和膜材料制備，并對相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析與解釋，對比企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)線與學(xué)校試驗(yàn)線的區(qū)別，以達(dá)到學(xué)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(shí)驗(yàn)室，將最新的技術(shù)引入到實(shí)踐教學(xué)中，使學(xué)生了解企業(yè)運(yùn)行模式，熟悉產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試及銷售的完整過程，能夠在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)承擔(dān)相關(guān)設(shè)計(jì)、分析、改進(jìn)等方面的任務(wù)[5]。