面向卓越工程师人才培养的“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程教学研究

孙俊芬

(东华大学 a. 材料科学与工程学院； b. 纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

一、 研究背景

随着我国整体实力的飞速发展，在各个行业都需要大量优秀的工程人才来施展才干，创造价值。我国的工科教育一直沿袭传统的教育模式，培养的工程人才在工程能力和实践能力方面较薄弱，此外传统的高等工程教育与企业需求结合较少，导致在传统模式下培养的工程人才不满足企业的需求，并缺少工程一线的领军人才，这已经成为制约我国新型工业化进程的关键因素。卓越工程师教育培养计划的主要目标是面向工业界、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强，适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家，实现工业化和现代化奠定坚实的人力资源优势，增强我国的核心竞争力和综合国力。在这个目标中，培养造就一大批创新能力强的各类型卓越工程师是提高我国的自主创新能力、降低关键技术和核心技术的对外依存度、增强国家的核心竞争力，从“中国制造”转向“中国智造”或“中国创造”，实现创新型国家的战略目标[1]。

聚丙烯腈为丙烯腈含量大于85%(质量百分比)的丙烯腈共聚物制成的聚合物，常与第二单体和第三单体共聚，改善性能，第二单体为非离子型单体，如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等，第三单体为离子型单体如丙烯磺酸钠、2-亚甲基-1，4-丁二酸等。利用湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维是传统的聚丙烯腈纤维制备方法，纺丝生产工艺为聚合→纺丝→牵伸→水洗→烘干→热定形→卷曲→切断→打包。聚丙烯腈纤维有人造羊毛之称，具有柔软、膨松、易染、色泽鲜艳、耐光、抗菌、不怕虫蛀等优点，根据不同用途的要求可纯纺或与天然纤维混纺，其纺织品被广泛地用于服装、装饰、产业等领域。此外，聚丙烯腈还可以加工成分离膜材料，广泛应用于工业废水的纯化、血液净化、生物材料的提纯等领域。聚丙烯腈纤维和膜对于国民经济的发展都发挥着重要的作用。东华大学自20世纪50年代建校以来，多个课题组和多位教师一直从事纤维和膜材料制备方面的研究，取得了大量的研究成果，在纤维材料改性国家重点实验室以及国家重点学科——材料学的支持下，完成了多项国家级和省部级科研项目，并与企业积极合作，取得了很好的成绩。纤维和膜材料制备方面的研发工作为“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程的开设奠定了坚实的基础[2，3]，也积极推动了本课程教学工作的进一步发展。

二、 “聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程的特点

卓越工程师教育的培养目标是培养具有工程能力和创新能力的工程师。本门课程突破了传统的教学理念和思维定式，有机结合了理论教学和实践教学，激发学生学习的热情和自觉执行的意识。本门课程改变原来单一的学科知识本位的教学体系，建立学科知识本位和能力本位相结合的教学体系，使学生的知识结构由平面结构向立体结构方向发展，达到高分子学科的系统性与工程应用的综合性的统一要求，引领和培养创新人才，满足卓越工程师培养的需求。

“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程内容主要分为两个部分：第一部分包括纺丝原液的制备，纤维的制备、改性、应用以及纤维结构和性能研究等，第二部分包括铸膜液的制备，膜材料的制备、改性、应用以及膜材料结构和性能研究等。此外，课程还涉及纤维和膜材料与生物、医学、环保、工程等其他领域的结合。本课程为高分子材料学科学生开设，其培养目标是培养学生理解并掌握湿法纺丝技术和利用相转化方法制备膜材料的加工原理、纤维与膜材料的结构与性能、纤维与膜材料的应用开发以及相关产业链的结构，并了解聚丙烯腈纤维制备的织物制品和聚丙烯腈膜材料的设计、加工和研究，引导和促进学生在相关工艺和产品方面的科学优化与创新，扩大学生的知识面。“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程将理论教学与实践教学有效地结合在一起，在教授利用湿法纺丝成型技术制备纤维和利用相转化方法制备膜材料的加工技术理论知识的同时，配套了纤维和膜材料成型加工的实验课程，使学生在老师指导下将理论知识和实践经验融会贯通。

卓越工程师不仅是专业领域的技术专家，而且还需要具备团队协作意识和环保意识。因而，本课程教师在指导学生充分掌握理论知识和实际操作的同时，还对学生进行分组，围绕不同的研究主题进行汇报和讨论，所涉及的专业知识有纤维和膜材料的湿法制备、加工成型、改性，还有意识地引导学生关注环境问题，思考相关工艺环节对环境的影响、如何解决等问题。

三、 “聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程的教学实践

(一) 教学内容

“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程于2014年开设，目前已教过4个班级。本课程共计52学时，其中理论教学12学时，实践教学40学时，课程内容如表1所示。

表1 “聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程教学内容

(二) 教学模式

“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”课程同时包括理论教学和实践教学，目的就是使学生对利用湿法纺丝成型技术制备纤维和利用相转化方法制备膜材料有更深刻的理解和认识，同时培养学生的团队协作能力和实际操作能力。以膜材料的制备为例，理论教学安排了膜材料的概述、膜材料的应用、膜结构与性能表征方法，实践教学安排了聚丙烯腈成膜溶液的制备、聚丙烯腈膜成型实验以及膜的后处理、聚丙烯腈膜的结构与性能测试。理论教学侧重于培养学生掌握膜材料成型原理、膜材料结构对其性能的影响。实践教学则注重学生配制成膜溶液的能力、在膜制备过程中的动手能力、在膜材料测试过程中的操作能力和对所获得数据的分析能力，以及学生在实验和测试过程中的团队协作能力。要求学生能独立进行并掌握聚丙烯腈成膜溶液的配制、膜材料制备全过程的操作、膜材料的测试与分析。教学过程中，力求使基本理论知识与实践环节紧密结合，同时安排学生分组进行汇报，加深学生对本门课程的理解与掌握。

在实践环节中，采用小班教学，将学生分为3组。以制备膜材料为例，聚丙烯腈膜制备实验主要侧重于膜材料的相转化成型方法实践，有助于帮助学生全面了解膜材料的相转化成型原理、成型工艺、后处理方法等。让学生以聚丙烯腈为原材料制备膜材料，首先通过溶胀和溶解两个过程对聚丙烯腈在有机溶剂中进行溶解配制成膜溶液，然后刮膜，通过分组改变制膜工艺(如成膜溶液的浓度、凝固浴中有机溶剂的浓度等)制备不同结构和性能的分离膜材料。膜材料结构和性能的测试主要侧重于膜材料表面和截面的观察、膜水通量的研究，比较不同工艺参数下制备的膜的结构和性能，目的是考察学生运用所掌握的理论知识解决实际问题并分析相关产品结构与性能的能力，从而使学生的理论知识与实践环节有机地结合起来。

本课程主讲教师的教学经验以及在湿法纺丝和膜材料制备方面的科研经验和能力，对提高学生的学习积极性，增强学生的创新能力和团队协作能力起到了重要的作用。作为该课程的平台，纤维材料改性国家重点实验室和学院中心实验室为该课程配套设置了专门的纺丝试验线、膜材料的制备设备和相关的纤维和膜材料测试仪器。该门课程有效统筹协调了理论教学和实践教学，实践过程中充分发挥了学生的主观能动性，使学生获得系统的理论知识、实验技术理论，提高了学生对本门课程的掌握程度。

四、 教学效果与改进措施

“聚丙烯腈纤维和膜制备原理及实践”实现了理论教学、实践教学、科学研究相互渗透的多维度的新型教学组织模式，为学生构建了亲自动手实践的平台。在授课过程中，将最新的专业发展趋势、最新的研究成果引入理论教学和实践教学中，同时鼓励学生查阅最新的科研资料，在教学过程中引入多层次、多角度的创新思想，将卓越工程师的能力培养目标渗透到每个教学环节中。理论教学与实践教学的结合，实践教学与技能训练的融合，对提高实践教学质量，培养卓越工程师具有积极的作用[4]。

在今后的实践教学环节中，可以从企业请相关的工程师参与到实践性教学环节中，指导学生的纺丝和膜材料制备，并对相关的工艺参数进行详细的分析与解释，对比企业实际生产线与学校试验线的区别，以达到学以致用的目的。充分利用校企合作资源，共建形式多样的联合实验室，将最新的技术引入到实践教学中，使学生了解企业运行模式，熟悉产品构思、设计、生产、测试及销售的完整过程，能够在专业领域内承担相关设计、分析、改进等方面的任务[5]。