“高分子化學(xué)”課程芳族聚酰胺 Kevlar 纖維的微課教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：高性能芳族聚酰胺纖維在國防科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如何讓學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)理解和掌握聚酰胺纖維的發(fā)展及材料設(shè)計(jì)合成的原理很關(guān)鍵。“微課”作為一種新型的教學(xué)模式，通過精心的教學(xué)設(shè)計(jì)和視頻錄制方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。結(jié)合“微課”的特點(diǎn)和該知識(shí)點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)，作者對芳族聚酰胺中的聚對苯二甲酰對苯二胺（Kevlar）纖維微課進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，包括教學(xué)背景、教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)、教學(xué)方法和策略、教學(xué)安排幾個(gè)方面，旨在提高教學(xué)質(zhì)量，服務(wù)廣大學(xué)生群體。

關(guān)鍵詞：高分子化學(xué)；Kevlar；微課；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C""""""""" 文章編號(hào)：1009-3583（2024）-0113-03

Teaching Design of Aromatic Polyamide Kevlar Fiber in Polymer Chemistry for Micro-class

ZHANG Jia-jia， CHEN Xin， YANG Lin-lin， LIU Ren-yong， CHEN Li-juan*

（College of Materials and Chemical Engineering， West Anhui University， Lu ’an 237012， China）

Abstract： High performance aromatic polyamide fiber is widely used in national defense science， aerospace and other fields. How to let students understand and master the development history of polyamide fiber and the principle of material design and synthesis in limited class hours is very important. As a new teaching mode，“micro-class”facilitates students ’preview and review before and after class through careful teaching design and video recording， thus improving learning efficiency. Combined with the characteristics and teaching objectives of“micro-class”，the corresponding teaching design was carried out for the production of“poly-p-phenylene terephthalamide， Kevlar”micro-class， mainly including teaching background， teaching objectives and key and difficult points， teaching methods and stra- tegies， teaching arrangements， and the recording of micro lesson videos， aiming to improve teaching quality and serve the majority of students.

keywords： polymer chemistry; Kevlar; micro-class; teaching design

近些年，微課因其“主題突出，短小精悍”備受推崇[1-3]。為進(jìn)一步提高課堂內(nèi)外教學(xué)效率，皖西學(xué)院高分子教研室緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，針對“高分子化學(xué)”理論課教學(xué)中相關(guān)的重難點(diǎn)錄制了微課視頻。我校高分子化學(xué)教材選用浙江大學(xué)潘祖仁教授主編的“國家級優(yōu)秀教材、國家級精品課程教材、普通高等教育‘十二五’規(guī)劃教材”——《高分子化學(xué)》[4]。作者主要針對第二章“縮聚和逐步聚合反應(yīng)”第9節(jié)“聚酰胺”中芳族聚酰胺的代表Kevlar 進(jìn)行“微課”教學(xué)設(shè)計(jì)，具體包括教學(xué)背景、教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)、教學(xué)方法和策略以及教學(xué)安排四個(gè)方面，并錄制相應(yīng)的“微課”教學(xué)視頻，以幫助學(xué)生形成更豐富、更完整的新材料設(shè)計(jì)思路。

1教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)

1.1教學(xué)目標(biāo)

（1）了解聚酰胺纖維的發(fā)展歷史。從第一個(gè)脂肪族纖維尼龍66到現(xiàn)在的各種高性能芳綸纖維，對聚酰胺材料發(fā)展史的了解有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（2）掌握Kevlar 聚合物鏈結(jié)構(gòu)，理解結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。材料的結(jié)構(gòu)決定著材料的性能，對結(jié)構(gòu)與性能的深層次理解有助于學(xué)生知識(shí)的內(nèi)化。

（3）了解Kevlar 纖維的應(yīng)用及國內(nèi)開發(fā)情況，有助于拓展學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)及資料整合的能力。

1.2教學(xué)重點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)

Kevlar 纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

（2）對教學(xué)重點(diǎn)的處理

材料的性能由其結(jié)構(gòu)決定，Kevlar 材料同樣如此，向?qū)W生闡明結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系非常重要。在課程設(shè)計(jì)時(shí)，作者首先通過 chemdraw 繪圖軟件將 Kevlar 的聚合物鏈結(jié)構(gòu)展示出來（見圖1）。

Kevlar 為長鏈狀聚酰胺，剛硬的直線狀分子鏈含有大量的酰胺鍵和芳環(huán)結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)出發(fā)剖析其性能：1）Kevlar 主鏈引入大量對位苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)使聚合物鏈呈伸展態(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)，在紡絲過程中分子鏈能夠高度取向，因而 Kevlar 纖維具有高的強(qiáng)度和模量，如 Kevlar 纖維的強(qiáng)度是石棉的2～11倍。2）分子主鏈的線型結(jié)構(gòu)使其具有高填充能力、高密度、高強(qiáng)度，其強(qiáng)度為同等重量鋼鐵的5倍，而密度僅為其五分之一，同時(shí)芳環(huán)結(jié)構(gòu)的存在也使其具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和阻燃性能。3）沿纖維方向是強(qiáng)共價(jià)鍵，橫向是弱的氫鍵，分子間作用力較強(qiáng)，且高度取向使得材料具有很好的韌性，抗沖擊性能優(yōu)異。

1.3教學(xué)難點(diǎn)

1.3.1教學(xué)難點(diǎn)

Kevlar 纖維的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。

1.3.2對教學(xué)難點(diǎn)的處理

從1939年杜邦公司 Carothers 開發(fā)的第一款合成纖維尼龍66開始，合成纖維的開發(fā)和應(yīng)用就沒有停止腳步。聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)乎其性能和應(yīng)用，因此學(xué)生掌握聚酰胺纖維分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理非常重要，要講清楚這個(gè)問題必須從最初的尼龍纖維開始，教學(xué)中以故事為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尼龍的結(jié)構(gòu)是脂肪族的聚酰胺（見圖2），主鏈上有大量的酰胺結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)、分子間可以形成氫鍵，另外主鏈上大量的亞甲基結(jié)構(gòu)使得分子鏈表現(xiàn)為柔性狀態(tài)。

這樣的聚合物分子在進(jìn)行溶液紡絲時(shí)，無規(guī)線團(tuán)狀態(tài)的分子鏈只能部分伸展，因而其韌性達(dá)不到理論水平，并且分子鏈上大量酰胺基團(tuán)的吸濕性還會(huì)導(dǎo)致尼龍材料的尺寸穩(wěn)定性較差。怎么解決這個(gè)問題？通過分析聚合物溶液紡絲過程中的形態(tài)和取向引導(dǎo)學(xué)生思考，柔性聚合物鏈和剛性聚合物鏈誰更有利于成纖？作者通過如圖3所示模擬紡絲過程中分子鏈形態(tài)的變化來說明這個(gè)問題。顯然，剛性的聚合物鏈更有利于取向，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考如何獲得剛性聚合物鏈。介紹芳環(huán)在分子鏈中的剛性特征，然后引出1964年杜邦公司 Stephanie Kwolek 發(fā)明的聚對苯二甲酰對苯二胺（即 Kevlar），這種聚合物分子鏈上苯環(huán)對位結(jié)構(gòu)的引入賦予分子鏈極強(qiáng)的剛性，即使在溶液態(tài)也是以棒狀形態(tài)存在，在濃度較大的環(huán)境下易形成相疇，尤其在紡絲拉伸過程中可以完全取向，從而使聚酰胺纖維的拉伸強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步提升。通過這種模式的講解讓學(xué)生走入 Kevlar 的世界，故事性和趣味性的疊加更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 教學(xué)策略和方法

2.1教學(xué)策略

為了吸引學(xué)生的注意力，上課時(shí)首先展示iPhone 13的手機(jī)防摔殼、高性能網(wǎng)球拍的球拍線、運(yùn)動(dòng)鞋、消防員身上的防護(hù)服、防切割手套、防彈頭盔和防彈背心等典型的 Kevlar 制品，讓學(xué)生感受有“裝甲衛(wèi)士”之稱的 Kevlar 材料的魅力，由此喚起學(xué)生的好奇心。然后，提出問題讓學(xué)生思考，為什么 Kevlar 材料制品具有如此優(yōu)異的性能？帶著這個(gè)疑問引領(lǐng)學(xué)生走入聚酰胺材料的世界，從第一個(gè)聚酰胺材料尼龍66的開發(fā)應(yīng)用，到聚酰胺的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再到1964年 Kevlar 的合成，一步一步故事性地講解聚酰胺材料性能的提升。最后，Kevlar 材料的性能如此優(yōu)異，它的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展會(huì)怎樣？通過播放Kevlar 材料應(yīng)用視頻將本次微課的氛圍推向高潮（https：//tv.sohu.com/v/dXMvMjU2NTQ1MTg0LzEw NTk 1NTY5Ny5zaHRtbA==.html）。

在課程的尾聲簡述Kevlar 材料在國內(nèi)的蓬勃發(fā)展?fàn)顩r和存在的技術(shù)瓶頸，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情。繼而，讓學(xué)生課后查閱Kevlar 的相關(guān)資料，拓寬對該材料的理解和認(rèn)識(shí)。

2.2教學(xué)方法

（1）演示法

在教學(xué)活動(dòng)中，教師用大量的圖片資料和視頻，包括：Kevlar 手機(jī)殼、高性能網(wǎng)球拍的球拍線、運(yùn)動(dòng)鞋、消防員身上的防護(hù)服、防切割手套、防彈頭盔和防彈背心以及課程的尾聲播放的杜邦公司為Kevlar 拍攝的宣傳片等吸引學(xué)生的注意力，加深學(xué)生對 Kevlar 材料的認(rèn)識(shí)和理解。

（2）啟發(fā)式教學(xué)法

Kevlar 材料如此神奇，它是怎么開發(fā)的？它的結(jié)構(gòu)如何？它有哪些優(yōu)異的性能？在課程講解過程中通過不斷地設(shè)問，采用啟發(fā)式教學(xué)法，讓學(xué)生的思維跟隨老師的節(jié)奏，積極思考，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和專注度。

（3）問題探究法

美國杜邦公司開發(fā)的 Kevlar 材料如此優(yōu)異，在國內(nèi)的應(yīng)用和需求量必然也是巨大的。然而，目前，國內(nèi)這種材料主要還是依賴進(jìn)口，為什么？課程的結(jié)尾拋出問題，讓學(xué)生帶著好奇心課后查閱資料解答。

3教學(xué)安排

4結(jié)束語

針對“kevlar”微課的教學(xué)設(shè)計(jì)，由淺入深，從結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變出發(fā)剖析材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，最后通過視頻讓學(xué)生直觀感受該材料的魅力。微課的錄制能夠方便學(xué)生隨時(shí)學(xué)習(xí)，同時(shí)微課教學(xué)設(shè)計(jì)的完整性更能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和分析推理能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡鐵生，周曉清.高校微課建設(shè)的現(xiàn)狀分析與發(fā)展對策研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014，24（2）：5-13.

[2]李建武，李疹敏，朱宇.基于微課的音樂教學(xué)新模式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）：125-129.

[3]呂超，劉道喜.混合式教學(xué)模式下微課引入高校體育教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（2）：160-163.

[4]潘祖仁.高分子化學(xué)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

（責(zé)任編輯：朱彬）