結(jié)構(gòu)-性能思想在紡織化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

鄭瑾 王東偉

(中原工學(xué)院紡織學(xué)院 河南鄭州450007)

結(jié)構(gòu)-性能思想在紡織化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

鄭瑾 王東偉

(中原工學(xué)院紡織學(xué)院 河南鄭州450007)

“結(jié)構(gòu)決定性能”是化學(xué)學(xué)科中重要的學(xué)科思想。按照這一學(xué)科思想組織編排教學(xué)內(nèi)容，將其滲透到紡織化學(xué)的各章節(jié)之中，可使教學(xué)內(nèi)容更具有邏輯性和連貫性。

在本科教學(xué)中，基礎(chǔ)課內(nèi)容與大部分專業(yè)課的內(nèi)容不屬同一學(xué)科領(lǐng)域，基礎(chǔ)課的關(guān)聯(lián)課程較少，無法形成相互影響的集群效應(yīng)。比如說，服裝設(shè)計(jì)與工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、服裝工藝設(shè)計(jì)、服裝銷售與市場等，相關(guān)的專業(yè)課程比較多;而在化學(xué)方面的課程只有紡織化學(xué)。雖然教師一再強(qiáng)調(diào)紡織化學(xué)對(duì)于理解服裝面料性能的重要性，但在僅有的一門化學(xué)課程中如何開展教學(xué)、如何使學(xué)生掌握該門課程的重要內(nèi)容仍然是一個(gè)問題。

我們嘗試在紡織化學(xué)教學(xué)過程中，利用學(xué)科思想對(duì)整體教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并利用學(xué)科思想設(shè)計(jì)教學(xué)策略，收到了較好的教學(xué)效果。依據(jù)此次教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了一些有益的經(jīng)驗(yàn)，可以為其他基礎(chǔ)課的教學(xué)提供參考。

1 為什么要在基礎(chǔ)課教學(xué)中強(qiáng)調(diào)學(xué)科思想

學(xué)科思想是某一學(xué)科顯著區(qū)別于其他學(xué)科的概念、思維方法、知識(shí)體系，只有掌握了學(xué)科思想，掌握了這一學(xué)科的思維方法和規(guī)律，才能在真正意義上掌握一門課程的知識(shí)。

在專業(yè)課教學(xué)中，存在不同課程之間相互支撐的集群效應(yīng)，即使專業(yè)課教師不特別在課堂上提出學(xué)科思想，學(xué)生也會(huì)在無形之中形成對(duì)專業(yè)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。而對(duì)于某一門基礎(chǔ)課，由于缺少其他同類課程的支撐，學(xué)生難以建立課程的學(xué)科思想，對(duì)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)也不易重視且收獲較小。

因此，基礎(chǔ)課教師必須在較短的學(xué)時(shí)里，將該課程及其所在學(xué)科的最核心內(nèi)容展示出來，要讓學(xué)生切實(shí)感受到該門課程及學(xué)科的魅力及精華。這就要求基礎(chǔ)課教師在教學(xué)過程中不僅要傳授相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，更要注意傳授基本的思想方法，注意培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的思想方法去認(rèn)識(shí)、分析、歸納、總結(jié)知識(shí)的能力。為了達(dá)到這一目的，就必須將學(xué)科思想介紹給學(xué)生，將授課內(nèi)容與學(xué)科思想聯(lián)系起來。

2 學(xué)科思想在紡織化學(xué)課程內(nèi)容中的體現(xiàn)

化學(xué)是有關(guān)物質(zhì)變化及其結(jié)構(gòu)、性能之間關(guān)系的學(xué)科［1-2］，結(jié)構(gòu)決定性能(“結(jié)構(gòu)-性能”)的思想是貫穿于化學(xué)學(xué)科的靈魂:結(jié)構(gòu)是決定物質(zhì)性能的內(nèi)在因素，物質(zhì)所表現(xiàn)出的某種性能必定存在與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。紡織化學(xué)作為服裝設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的化學(xué)基礎(chǔ)課，應(yīng)將這一學(xué)科思想貫穿于教學(xué)內(nèi)容的始終，從最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)層次開始講起，然后逐漸向高級(jí)的結(jié)構(gòu)層次延伸?？上冉榻B原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì);接著介紹有機(jī)小分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，重點(diǎn)闡述不同基團(tuán)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì);再從重復(fù)單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)分析不同纖維之間理化性質(zhì)不同的原因;在介紹高分子的結(jié)構(gòu)層次時(shí)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)相組成以及相結(jié)構(gòu)與纖維宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。課程內(nèi)容安排見表1。表1中還列出了“結(jié)構(gòu)-性能”思想在各章節(jié)中的體現(xiàn)。

表1 紡織化學(xué)教學(xué)內(nèi)容及安排

下面以一些教學(xué)中的實(shí)例介紹不同結(jié)構(gòu)層次中“結(jié)構(gòu)-性能”思想如何在各章節(jié)中體現(xiàn)，并分析如何將學(xué)科思想滲透到教學(xué)內(nèi)容中去。

2.1 原子結(jié)構(gòu)的層次

元素的性質(zhì)由其原子的結(jié)構(gòu)決定。原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核外電子排布在核外不同的軌道上，并在空間形成不同的能級(jí)和形狀。電子層結(jié)構(gòu)或能級(jí)中電子占據(jù)軌道的不同決定元素具有不同的性質(zhì)。這是從根本層次上對(duì)“結(jié)構(gòu)-性能”思想的闡釋。這部分內(nèi)容是學(xué)習(xí)化學(xué)的基礎(chǔ)與出發(fā)點(diǎn)，對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)特別是原子結(jié)構(gòu)的理解，以及原子結(jié)構(gòu)不同對(duì)元素性質(zhì)的影響，是理解化學(xué)，特別是理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基礎(chǔ)。

2.2 價(jià)鍵、基團(tuán)結(jié)構(gòu)的層次

在有機(jī)化學(xué)中，依據(jù)官能團(tuán)的不同對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類的思想實(shí)際上就是“結(jié)構(gòu)-性能”思想的具體表現(xiàn)。具有同一結(jié)構(gòu)特征(基團(tuán))的物質(zhì)具有相似的性質(zhì)，基團(tuán)的性質(zhì)就決定了有機(jī)物的性質(zhì)?；鶊F(tuán)的性質(zhì)又由構(gòu)成基團(tuán)的原子及其連接方式?jīng)Q定。這部分內(nèi)容主要在有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一章中講述。

在烷烴與烯烴的性能對(duì)比中，其結(jié)構(gòu)上的差異就是單鍵和雙鍵的差異，表現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)的差異實(shí)際上就是單鍵與雙鍵性質(zhì)的差異。由于單鍵是兩個(gè)sp3雜化軌道交疊形成的σ鍵，電子云流動(dòng)性比較小，活潑性比較低;而對(duì)于不飽和鍵，因?yàn)榫哂须娮釉屏鲃?dòng)性比較大的π鍵，活潑性較高，因此烯烴容易發(fā)生親電加成反應(yīng)。

在醛酮醌一節(jié)，由于3類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中都含有羰基，因此表現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)比較相似。羰基上氧原子電負(fù)性比較大，電子云主要分布于氧原子周圍，而碳原子則容易被親核試劑進(jìn)攻發(fā)生羰基上的親核加成反應(yīng)。

基團(tuán)決定性質(zhì)的思想是結(jié)構(gòu)決定性能思想的一個(gè)具體表現(xiàn)，這一思想在第五、六、七章中也都有體現(xiàn)。比如，天然纖維(如纖維素纖維、蛋白質(zhì)纖維)具有良好的吸濕性，是因?yàn)樵诶w維素的結(jié)構(gòu)中包含有大量的羥基;而在蛋白質(zhì)纖維中包含有大量的酰胺基團(tuán)，這些極性基團(tuán)的存在是其具有良好吸濕性的原因。

2.3 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的層次

從物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)到材料結(jié)構(gòu)的跨越主要表現(xiàn)在:相結(jié)構(gòu)是直接影響材料性能的主要因素，而基本的化學(xué)結(jié)構(gòu)或者說化學(xué)組成則是通過影響相結(jié)構(gòu)而對(duì)材料性能發(fā)生影響。高分子的化學(xué)組成指價(jià)鍵、基團(tuán)的種類及其在空間的排列方式，而要了解高分子材料如纖維的性能，則必須從化學(xué)組成跨越到相結(jié)構(gòu)的層次。在高分子材料領(lǐng)域常常使用聚集態(tài)結(jié)構(gòu)這一概念來表示材料的相結(jié)構(gòu)。

高分子鏈以不同的方式排列、堆砌組成高分子材料的不同聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，如結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)、無定型態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)等。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是決定纖維性能的主要因素。在第五、六、七章中，我們重點(diǎn)講述的就是纖維的化學(xué)組成及相結(jié)構(gòu)對(duì)纖維性能的影響，尤其是聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)纖維性能的影響。

在第六章中，對(duì)于同屬纖維素纖維的棉纖維與麻纖維，其化學(xué)組成相同，都由D-葡萄糖單元通過β-1，4-苷鍵相互連接而成。但在聚集態(tài)結(jié)構(gòu)上，麻的取向度與結(jié)晶度較高，使麻的力學(xué)性能(如強(qiáng)度和模量)優(yōu)于棉纖維。另外，在分析棉、麻的吸濕性和透濕性時(shí)，二者的吸濕性都比較優(yōu)異，然而麻纖維在透濕性方面顯著優(yōu)于棉纖維，其結(jié)構(gòu)上的原因是什么?利用類似問題可引導(dǎo)學(xué)生從不同結(jié)構(gòu)層次展開分析，使學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)決定性能的思想產(chǎn)生更為深刻的了解。

3 利用學(xué)科思想進(jìn)行紡織化學(xué)課程教學(xué)的實(shí)施策略

通過以上內(nèi)容可以看出“結(jié)構(gòu)-性能”思想貫穿于整個(gè)紡織化學(xué)課程教學(xué)的始終，每一章節(jié)中都包含有這一學(xué)科思想的具體表現(xiàn)。除了在教學(xué)內(nèi)容上充分重視學(xué)科思想之外，我們還采取了一些具體的教學(xué)方法和策略以增加教學(xué)效果。

3.1 重視第一節(jié)課

心理學(xué)上存在首因效應(yīng)，認(rèn)為第一印象是影響對(duì)一件事物看法的重要因素。這門課的主要內(nèi)容是什么，它在課程體系中處于什么地位?主講教師的水平如何，授課風(fēng)格是活潑還是呆板，是否具有吸引力?學(xué)生頭腦中的這些問題在第一節(jié)課里就會(huì)得到回答。從這方面來說，無論是專業(yè)課還是基礎(chǔ)課，教師都應(yīng)對(duì)第一節(jié)課給予充分的重視和認(rèn)真的準(zhǔn)備。如果教學(xué)策略實(shí)施得當(dāng)，第一節(jié)課能夠抓住學(xué)生的心，可以說這門課程的教學(xué)就已經(jīng)成功了一半。

首先，教師要在第一節(jié)課里講清楚這門課的來龍去脈。包括這門課程在培養(yǎng)方案里所占的地位，有哪些先修課程和后續(xù)課程，它對(duì)該專業(yè)學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作起什么作用等。以達(dá)到使學(xué)生重視這門課程的目的。

其次，教師要介紹這門課程的具體教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目的和要求。使學(xué)生對(duì)本課程的輪廓有比較清晰的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的目的性和邏輯性。

第三，教師務(wù)必要在介紹具體的教學(xué)內(nèi)容時(shí)闡述與本門課程相關(guān)的學(xué)科思想。使學(xué)生不但知道這門課要講哪些具體內(nèi)容，還要知道課程的核心內(nèi)容是什么以及課程的思想方法是什么。使學(xué)生了解到該課程的知識(shí)不是一盤散沙，而是一個(gè)渾然一體的大廈。

3.2 在教學(xué)中注意熏陶和暗示

學(xué)習(xí)需要不斷地強(qiáng)化記憶，使新的思維方法或者體驗(yàn)內(nèi)化為自覺的行為方式，這個(gè)過程必須經(jīng)由一定量的積累來完成。我們之所以說基礎(chǔ)課教學(xué)缺少集群效應(yīng)，正是因?yàn)樗嚓P(guān)課程少，學(xué)習(xí)時(shí)間短，很難使學(xué)生建立起相應(yīng)的學(xué)科思想。

因此，在第一節(jié)課里介紹學(xué)科思想只是一個(gè)開始，在此后展開的課程教學(xué)過程中，更要依此學(xué)科思想為靈魂，將其貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中。只有具備了思想性的學(xué)習(xí)才是真正意義上的高級(jí)學(xué)習(xí)過程，在此基礎(chǔ)上對(duì)新知識(shí)的接受速度才能大大提高。加深學(xué)生對(duì)學(xué)科思想的印象，讓學(xué)生從被動(dòng)地接受學(xué)科思想，到在課程內(nèi)容中能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)科思想，再到自覺地使用學(xué)科思想分析并解決問題，從而完成量變到質(zhì)變的飛躍。這也是我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容中處處貫穿“結(jié)構(gòu)-性能”思想的根本原因和目的。

3.3 運(yùn)用學(xué)科思想解決專業(yè)問題

自覺地使用學(xué)科思想分析并解決問題是我們追求的目標(biāo)，因此，在基礎(chǔ)課教學(xué)過程中注意加強(qiáng)基礎(chǔ)課學(xué)科思想與所授專業(yè)之間的聯(lián)系，運(yùn)用學(xué)科思想解決專業(yè)問題，這對(duì)于提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)興趣，提高基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)效果有著重要的意義。可以幫助解決目前基礎(chǔ)課教學(xué)中存在的諸如與專業(yè)脫鉤、學(xué)習(xí)目的性不強(qiáng)、不會(huì)運(yùn)用基礎(chǔ)課知識(shí)等問題。

在介紹聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)纖維性能的影響時(shí)，將“結(jié)構(gòu)-性能”思想延伸為“結(jié)構(gòu)-性能-用途”，即“結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定用途”的思想。仍以天然纖維素纖維為例，棉和麻具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但具有不同的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。麻的結(jié)晶度和取向度都高于棉，表現(xiàn)為麻的強(qiáng)度和模量較高，另外由于麻纖維在宏觀的縱向上有裂隙，導(dǎo)致麻的導(dǎo)濕性優(yōu)于棉纖維，更適于作為潮熱的夏季的衣物面料。而棉由于比較柔軟，可以儲(chǔ)納較多的空氣，具有優(yōu)良的保暖作用，在干冷的冬季穿著更溫暖舒適。這樣就將“結(jié)構(gòu)-性能”思想與授課專業(yè)聯(lián)系起來，學(xué)生對(duì)于“結(jié)構(gòu)-性能”思想在面料的選擇和使用中的意義有了更為深刻的了解，就更容易增加他們對(duì)紡織化學(xué)課程學(xué)習(xí)的興趣和重視。

4 結(jié)語

(1)在基礎(chǔ)課教學(xué)中，應(yīng)給予學(xué)科思想充分的重視。學(xué)科思想在教學(xué)中的運(yùn)用，可以讓學(xué)生在較短的時(shí)間里領(lǐng)會(huì)基礎(chǔ)課的魅力，并能收到事半功倍的效果。

(2)從第一節(jié)課就開始闡述基礎(chǔ)課的學(xué)科思想，并把這種學(xué)科思想貫穿于整個(gè)教學(xué)過程的始終，以加深學(xué)生對(duì)學(xué)科思想的印象，使之內(nèi)化為學(xué)生的一種自覺的思維方式。

(3)加強(qiáng)基礎(chǔ)課學(xué)科思想與所授專業(yè)之間的聯(lián)系，運(yùn)用學(xué)科思想解決專業(yè)問題，這對(duì)于提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)興趣，提高基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)效果有重要的意義。

［1］ 董景禮，張曉霞.阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，22(2):90

［2］ 董海.化學(xué)教學(xué)，2007(4):69