王 虹,王 軍

(江蘇警官學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系,江蘇 南京210031)

實驗和實踐教學(xué)作為高校人才培養(yǎng)的重要方法與手段,引發(fā)眾多高校對實驗教學(xué)模式與教學(xué)方法的探索[1]。近年來,各高校均將創(chuàng)新型人才培養(yǎng)作為教育教學(xué)改革的主要目標(biāo)之一,不斷加大對實驗室硬件條件的投入,加強(qiáng)實驗室建設(shè)。本學(xué)院實驗室依托中央財政支持購入一批科研教學(xué)儀器設(shè)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(shè)備價格昂貴、數(shù)量少,大多用于科研,加上前期樣品制備、實驗準(zhǔn)備工作量大,限制了大型儀器設(shè)備在培養(yǎng)本科生實踐創(chuàng)新能力方面發(fā)揮應(yīng)有的作用。為適應(yīng)現(xiàn)代實踐教學(xué)改革創(chuàng)新的要求,拓寬學(xué)生思維空間,引導(dǎo)學(xué)生對專業(yè)問題進(jìn)行創(chuàng)新性思考[2]。結(jié)合專業(yè)實際,在常見紡織纖維形態(tài)的檢驗實驗項目基礎(chǔ)上,充實調(diào)整教學(xué)內(nèi)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(shù)檢驗纖維形態(tài)特征,設(shè)計適合專業(yè)發(fā)展,實用性、綜合性強(qiáng)的實驗教學(xué)項目,有效發(fā)揮實驗室大型儀器設(shè)備在實踐教學(xué)中的作用,不僅有利于學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),而且有助于推動實驗室優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源與實踐教學(xué)的融合,對培養(yǎng)創(chuàng)新型技術(shù)人才具有積極意義。

1 現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式

大學(xué)實驗教學(xué),包含鞏固已學(xué)理論知識、探索未知領(lǐng)域的功能,也包含提升學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)綜合能力的功能[3]。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)體系中,課程實踐教學(xué)主要是根據(jù)實驗條件,按照理論課程需要,圍繞理論教學(xué)涉及的知識點(diǎn)來開設(shè),實驗通常以演示性、驗證性項目居多,學(xué)生只學(xué)到一些孤立的技能訓(xùn)練,實驗內(nèi)容體現(xiàn)不出實踐性教學(xué)自身的連貫性和綜合性,不利于學(xué)生對所學(xué)知識形成系統(tǒng)完整的認(rèn)識。目前常見紡織纖維形態(tài)的檢驗實驗教學(xué)內(nèi)容,主要是采用顯微鏡觀察法觀察比對纖維形態(tài)特征,實驗教學(xué)分教師課堂集中講授和學(xué)生實踐操作兩大部分,實驗儀器為XPT-7型偏光顯微鏡,學(xué)生首先聽取教師講解,觀看演示操作,按照實驗教學(xué)指導(dǎo)書上的實驗步驟按部就班完成各自實驗。由于學(xué)生在實驗過程中習(xí)慣于接受現(xiàn)成的知識和技能,對實驗內(nèi)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(xué)方法和使用的儀器設(shè)備相對單一,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣普遍不高。傳統(tǒng)實驗項目在設(shè)計過程中忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位,填鴨式教學(xué)方法缺乏以問題為導(dǎo)向的探索思考能力的培養(yǎng),不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力,難以達(dá)到融會貫通并靈活運(yùn)用的教學(xué)目標(biāo)[4]。

2 常見紡織纖維形態(tài)的檢驗綜合性實驗設(shè)計

2.1 實驗設(shè)計思路

綜合性實驗教學(xué)方案的設(shè)計,要以學(xué)生已學(xué)知識為基礎(chǔ),并對實驗內(nèi)容、方法適當(dāng)拓展,加深學(xué)生對學(xué)科相關(guān)知識的理解和掌握[5]。因此,綜合性實驗教學(xué)設(shè)計要緊跟科技發(fā)展前沿,并能充分發(fā)揮科研儀器設(shè)備的作用,實驗要以有效解決實際問題為導(dǎo)向,將課程理論教學(xué)所涉及的專業(yè)知識、基本理論、檢驗手段等相對獨(dú)立的環(huán)節(jié)整合成一條貫通式的知識鏈,不僅有利于啟發(fā)學(xué)生對學(xué)科知識結(jié)構(gòu)整體性、系統(tǒng)性的掌握,而且有助于培養(yǎng)學(xué)生自主思考、分析、解決問題的能力。為適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求,我們從課程教學(xué)目標(biāo)出發(fā),以應(yīng)用型、綜合性為課程設(shè)計理念,將教學(xué)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(jié)合,同時將實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備應(yīng)用到實驗教學(xué)中,設(shè)計常見紡織纖維形態(tài)的檢驗綜合性實驗,相比原有的實驗教學(xué)模式,開放性的綜合性實驗項目更容易激發(fā)學(xué)生的實驗熱情,有利于培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的實踐能力[6]。

2.2 實驗內(nèi)容設(shè)計

常見紡織纖維形態(tài)的檢驗綜合性實驗設(shè)計分為兩大部分,第一部分內(nèi)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(tài)特征;第二部分內(nèi)容是檢驗鑒別未知纖維試樣,實驗內(nèi)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(huán)節(jié)。學(xué)生以小組為單位,每組5人,分組實驗。考慮到實驗學(xué)時的限制,實驗課前要求學(xué)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(guān)資料,學(xué)習(xí)了解所用儀器的工作原理、儀器結(jié)構(gòu);觀看實驗室提供的儀器操作使用培訓(xùn)視頻,了解儀器操作步驟和注意事項,做好實驗預(yù)習(xí)。為鍛煉學(xué)生的實踐操作技能,實驗課前學(xué)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(xù)儀器檢測能夠順利進(jìn)行。掃描電子顯微鏡對實驗樣本的制備有特殊要求,學(xué)生因缺乏操作經(jīng)驗,必須在實驗指導(dǎo)教師的指導(dǎo)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(xué)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(jìn)行檢測,待纖維檢測完成后,采集圖像,對檢測結(jié)果分析討論,得出鑒定結(jié)論,最后完成實驗報告。

2.3 實驗材料

隨著化纖紡織行業(yè)的快速發(fā)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(xiàn)[7-10],日益增長的市場需求使得新型纖維應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,為拓展學(xué)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(chǔ)上,收集增補(bǔ)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(dǎo)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(xué)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(yù)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(xué)生必須在實驗技術(shù)人員的現(xiàn)場指導(dǎo)下分別上機(jī)操作,對制作好的纖維樣本進(jìn)行儀器檢測分析,采集處理圖像,保存檢測結(jié)果。

2.5.1 偏光顯微鏡實驗

由于大多數(shù)纖維都具有各向異性的特性,在偏振光下會發(fā)生雙折射的現(xiàn)象,產(chǎn)生各種纖維獨(dú)有的干涉條紋,利用偏振光顯微鏡可以對纖維結(jié)構(gòu)特征進(jìn)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(yè)的CCD和軟件系統(tǒng),采集處理圖像速度快,系統(tǒng)提供的直觀自動同步顯微圖像環(huán)境更方便纖維形態(tài)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(tài)特征,如圖1所示,纖維縱截面光滑平直,細(xì)度均勻,中軸呈紅白相間兩色,左右對稱為深藍(lán)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(shù)范圍寬、二次成像分辨率高、樣品制備操作簡單等特點(diǎn),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(dǎo)電膜。其高分辨圖像可以實現(xiàn)極微區(qū)的原位精細(xì)觀察,學(xué)生可以從更微觀的角度研究觀察纖維試樣拉伸端口的結(jié)構(gòu)特征。掃描電子顯微鏡觀察芳綸1414纖維縱截面形態(tài)特征,如圖2所示,芳綸1414纖維縱截面呈光滑管狀,細(xì)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(shù)高、大景深,可觀察立體層次等特點(diǎn)[12]。不同種類纖維其紡絲工藝不同,纖維在生產(chǎn)加工過程中經(jīng)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(jié)構(gòu)特征,在機(jī)械外力的作用下,纖維表層極易產(chǎn)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(xué)生對不同種類纖維表面微觀結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識。激光共聚焦顯微鏡掃描芳綸1414纖維形態(tài)特征見圖3,從獲取的圖像可以看到芳綸1414纖維表面的獨(dú)特結(jié)構(gòu),纖維細(xì)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(jìn)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(jié)果,從而得到纖維形態(tài)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(shè)備提供的信息進(jìn)行合理選擇,因此,在對未知纖維的分析鑒別實驗中,需要結(jié)合多種儀器測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析,才能得出相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充、相互支撐的鑒定結(jié)論。學(xué)生在對未知纖維細(xì)微差異質(zhì)疑、探究、釋疑等檢驗鑒別過程中,需要進(jìn)行綜合分析評判,最后得出準(zhǔn)確的定性結(jié)論。通過綜合性實驗訓(xùn)練,培養(yǎng)了學(xué)生多角度、綜合考慮問題的科研能力,極大地激發(fā)了學(xué)生積極探索的科研熱情,對學(xué)生綜合性思維和科研探索能力的培養(yǎng)具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語

采用多種顯微分析儀器對纖維形態(tài)特征進(jìn)行綜合檢驗,將常見紡織纖維形態(tài)的檢驗一般驗證性實驗擴(kuò)展設(shè)計為綜合性實驗項目,有效地將實驗室科研儀器設(shè)備引入本科實踐教學(xué)中,提高優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源的利用效率;通過綜合性實驗的訓(xùn)練,能夠使學(xué)生學(xué)習(xí)了解到學(xué)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(tài)特征檢驗的理解和應(yīng)用;貼近實戰(zhàn)的實驗環(huán)節(jié)設(shè)計,能夠提高學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)解決實際問題的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力,為以后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的實踐基礎(chǔ)。