土木工程專業(yè)研究生課程智能材料與結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐

王自平　駱英??

摘要：

文章根據(jù)土木工程行業(yè)發(fā)展對人才需求及土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)定位，提出在高等院校土木專業(yè)研究生階段加強(qiáng)智能材料與結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容設(shè)置的必要性，結(jié)合土木工程專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)探討智能材料與結(jié)構(gòu)課程研究生教學(xué)的授課內(nèi)容，并對教學(xué)方法和手段進(jìn)行了實(shí)踐與探索。

關(guān)鍵詞：智能材料與結(jié)構(gòu)；研究生教學(xué)；實(shí)踐與探索

中圖分類號：G6432文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2015）02004103

智能材料結(jié)構(gòu)是材料學(xué)與多學(xué)科交叉融合發(fā)展起來的高新技術(shù)結(jié)構(gòu)，是集傳感、驅(qū)動(dòng)及信息處理等功能于一體的功能性材料結(jié)構(gòu)，具有自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自修復(fù)、自增值、自衰減等六大生命功能 [1]。近20年來，智能材料結(jié)構(gòu)隨著材料科學(xué)、力學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息理論等學(xué)科的發(fā)展已成為國內(nèi)外最活躍的研究領(lǐng)域之一，國內(nèi)外學(xué)者對智能結(jié)構(gòu)的研究及探索不斷深入，智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域及技術(shù)迅速發(fā)展[2]。智能材料與智能結(jié)構(gòu)是力學(xué)的重要分支，其研究涉及土木工程、力學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、信息論、電子技術(shù)、機(jī)械工程、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿生學(xué)、控制理論等一系列學(xué)科中的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)引發(fā)出新的研究領(lǐng)域。如仿生機(jī)器人、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料、元器件及材料制造新技術(shù)和新的控制理論等[3]。

智能材料與結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景，其發(fā)展不僅意味著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)功能，提高結(jié)構(gòu)使用效率及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，而且也打破了許多土木工程結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)和使用控制等方面的傳統(tǒng)觀念。目前，在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，形狀自適應(yīng)記憶合金材料及結(jié)構(gòu)減振抗風(fēng)降噪的自適應(yīng)控制等方面[4]。為提高工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全性及使用可靠性，將智能材料中先進(jìn)的自診斷理念引入研究領(lǐng)域，針對重大工程中結(jié)構(gòu)損傷特征及應(yīng)用對象和領(lǐng)域，研制應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的主動(dòng)減振、精密位移控制、損傷主動(dòng)在線監(jiān)測技術(shù)的智能材料與結(jié)構(gòu)。

在土木工程專業(yè)研究生教學(xué)中開設(shè)智能材料與結(jié)構(gòu)課程非常有必要。目前，智能材料與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)在課程體系上較封閉，學(xué)生知識面不夠?qū)е?/p>

學(xué)習(xí)積極性不高，且由于該門課程學(xué)時(shí)的限制，教師授課時(shí)只能挑選部分章節(jié)講授，疑難問題不斷增加，給研究生科研指導(dǎo)不大，忽略了這門課程對研究生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和廣度。

文中針對土木工程專業(yè)研究生的研究及專業(yè)工作背景，將智能材料與結(jié)構(gòu)課程作為選修課，對如何實(shí)現(xiàn)這門課程的教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量，提高研究生學(xué)習(xí)的科研興趣和實(shí)踐能力進(jìn)行了思考，對這門課程的選修內(nèi)容及教學(xué)、實(shí)踐、成績評定等環(huán)節(jié)進(jìn)行了探索研究。

一、教學(xué)內(nèi)容

智能材料與結(jié)構(gòu)是以材料—器件—結(jié)構(gòu)—系統(tǒng)為主線，將基本理論與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，從材料與智能、智能材料、智能器件、智能材料結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等方面循序漸進(jìn)地介紹智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本概念、性能特征、發(fā)展和應(yīng)用等。結(jié)合土木工程專業(yè)研究生研究課題及就業(yè)背景，選擇與土木工程行業(yè)緊密相關(guān)的智能材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)容作為教學(xué)主講內(nèi)容。

首先介紹智能材料與結(jié)構(gòu)的一些基本概況，包括驅(qū)動(dòng)材料、驅(qū)動(dòng)器與傳感器，以及自適應(yīng)復(fù)合材料系統(tǒng)中的模型與應(yīng)用、自適應(yīng)系統(tǒng)、旋翼應(yīng)用、航空器控制和智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用等。根據(jù)實(shí)例引入形狀記憶合金的概況，包括工作原理及應(yīng)用，重點(diǎn)介紹形狀記憶合金在土木工程中的隔震體系、粘彈性阻尼器、自修復(fù)埋入式智能監(jiān)測的實(shí)例。在工程結(jié)構(gòu)無損中應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域中，需介紹壓電復(fù)合材料的力學(xué)原理及應(yīng)用，重點(diǎn)介紹其作為智能驅(qū)動(dòng)器與傳感器時(shí)在土木工程領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的應(yīng)用實(shí)例。在土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，介紹電/磁致伸縮與電/磁流變體的工作原理，磁致伸縮智能材料是一種磁致伸縮效應(yīng)強(qiáng)烈，具有高磁致伸縮系數(shù)并具有電磁能/機(jī)械能轉(zhuǎn)換功能的材料。磁致伸縮材料作為智能材料與結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中主要用于傳感、監(jiān)測和遠(yuǎn)距離信息傳輸方面，具有較好的應(yīng)用前景。將智能器件置于土木工程結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能，主要介紹智能光纖材料的工作原理及其應(yīng)用，復(fù)合材料中埋入光纖傳感器和驅(qū)動(dòng)器是目前應(yīng)用前景最廣、技術(shù)基礎(chǔ)最成熟的一種智能材料。最后對智能材料與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景及發(fā)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

二、教學(xué)實(shí)踐與探索

（一）不同研究方向教師的正確引導(dǎo)

研究生階段的學(xué)習(xí)關(guān)鍵已不再是掌握某個(gè)知識點(diǎn)，死記一些書本知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，需要在自己學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性思維，實(shí)現(xiàn)再創(chuàng)造，這就需要教師的正確引導(dǎo)。同樣在智能材料與結(jié)構(gòu)這門課程中，對土木工程類研究生的教學(xué)，需要通過師生

互動(dòng)形式展開，在課堂上進(jìn)行課堂互動(dòng)，讓研究生體驗(yàn)從未知到新知的探索過程，將智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各個(gè)方面實(shí)行科普性的講解，促成研究生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，教師的基本職能從“授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)”，讓教師真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)的導(dǎo)師。在學(xué)習(xí)智能材料與結(jié)構(gòu)這門課程中，江蘇大學(xué)創(chuàng)新地采用多位教師講授同一門課程的方式，針對所學(xué)內(nèi)容。選擇相關(guān)研究方向的專業(yè)課程教師來上這一章節(jié)內(nèi)容。由于所選教師對研究方向的熟悉程度明顯高于以往同一位任課教師，這無形中大大提高了課程的深度和廣度，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，拓展了研究生科研知識面。

（二）理論聯(lián)系實(shí)際

智能材料與結(jié)構(gòu)作為一門交叉性的課程，必須與實(shí)際相結(jié)合才能鞏固學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的興趣。所以，在課程教學(xué)中，盡量多舉土木工程中的實(shí)例來說明各智能材料與結(jié)構(gòu)的工作原理，可以從學(xué)生感興趣的結(jié)構(gòu)和目前應(yīng)用較廣的智能材料來闡述，如智能蒙皮、結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測、土木結(jié)構(gòu)的減振與降噪、環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)以及住宅智能化等。將理論知識寓于工程應(yīng)用背景中，效果顯著。如在課堂上會(huì)增加手工制作環(huán)節(jié)，采用層合空心板制作橋梁模型，采用硬幣搭建省材工程結(jié)構(gòu)，將智能材料的節(jié)能減排理念運(yùn)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

（三）板書與多媒體演示的結(jié)合

智能材料與結(jié)構(gòu)課程信息量大，屬于多學(xué)科交叉綜合，不能完全采用板書教學(xué)，插入多媒體教學(xué)，可加快教學(xué)進(jìn)程，提高教學(xué)效率，結(jié)合圖案或聲音，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。與傳統(tǒng)的板書形式相比，多媒體教學(xué)信息量輸入緊湊，文字圖像信息清晰直觀，風(fēng)格多樣，內(nèi)容豐富，也能活躍課堂氣氛，增進(jìn)教學(xué)過程中的互動(dòng)。但當(dāng)講解一些重要的力學(xué)基本原理時(shí)，也需要放慢講課速度，通過板書的形式來講解清楚，尤其是傳感器與驅(qū)動(dòng)器等智能元器件的工作原理解釋。例如：在講解形狀記憶合金工作原理時(shí)，Ti-Ni合金的管接頭處于低溫狀態(tài)時(shí)，套在需要連接的兩根管子上，升溫到Ti-Ni合金母相狀態(tài)的室溫，套管內(nèi)徑即可回復(fù)到原來的尺寸，從而把兩根管子咬緊，完成管子的連接。采用一個(gè)版面的動(dòng)畫演示即非常形象直觀地向?qū)W生解釋清楚，可以從中插入大量的工程應(yīng)用實(shí)例圖片和錄像，調(diào)動(dòng)課堂氣氛。同時(shí)，在課堂教學(xué)中，增加與學(xué)生之間的互動(dòng)，針對不同研究方向的研究生，選擇性地

講解智能材料與結(jié)構(gòu)的運(yùn)用問題，從而不斷提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在課程教學(xué)中板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合更有助于土木工程專業(yè)研究生掌握智能材料與結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念，加深學(xué)生印象，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）實(shí)踐能力的培養(yǎng)

以智能材料與結(jié)構(gòu)課程中搭建土木工程結(jié)構(gòu)超聲無損檢測平臺(tái)實(shí)驗(yàn)為例，采用預(yù)埋損傷的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測（4學(xué)時(shí)+課余時(shí)間），構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)控制的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)模型，可將形狀記憶合金、磁流變材料及無線傳感理念融入其中，學(xué)生分組進(jìn)行，最后分組比較創(chuàng)新性（4學(xué)時(shí)+課余時(shí)間），電測應(yīng)變測量及應(yīng)力計(jì)算（2學(xué)時(shí)）。

通過搭建實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，訓(xùn)練學(xué)生的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)課堂上，讓部分土木工程專業(yè)優(yōu)秀本科生參與其中，學(xué)生通過實(shí)踐訓(xùn)練把所學(xué)知識應(yīng)用于解決科研問題。

三、成績評定

智能材料與結(jié)構(gòu)課程共設(shè)30學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)，需要預(yù)修壓電測量學(xué)。課程教學(xué)分為課堂教學(xué)、研討、實(shí)驗(yàn)三部分，考核方式采用筆試（閉卷）+平時(shí)成績+實(shí)驗(yàn)成績，實(shí)驗(yàn)成績通過三部分的實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告及學(xué)生答辯綜合評定。其中考試成績占70%，平時(shí)成績占10%，實(shí)驗(yàn)成績占20%。通過智能材料與結(jié)構(gòu)課程三部分的考核與過程管理，既考核了學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握情況，又考核了動(dòng)手操作能力，更培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，開拓了視野。

四、結(jié)語

智能材料與結(jié)構(gòu)課程列舉了很多實(shí)用性和工程性強(qiáng)的實(shí)例，融入了最新的科研成果，是一門理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程。因此，該領(lǐng)域?yàn)閺V泛新興行業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速引進(jìn)和應(yīng)用提供了巨大的潛力。通過本課程的學(xué)習(xí)，研究生將了解智能材料結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和進(jìn)展，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)及科研打好基礎(chǔ)。通過智能材料與結(jié)構(gòu)課程在土木研究生教學(xué)中的實(shí)踐與探索，為土木工程專業(yè)研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)：

[1] 楊大智. 智能材料與智能系統(tǒng)[M].天津：天津大學(xué)出版社， 2000.

[2] Mel Schwartz. Encyclopedia of smart materials[M]. A Wiley-Interscience Publication， 2001.

[3] 陳英杰，姚素玲.智能材料[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4] 謝建宏，張為公.智能材料結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，3（1）： 164-167.

Abstract：

According to the demand of civil engineering industry and the target of civil engineering talent training， we proposed the necessity of strengthening smart material and structure course for professional postgraduates. Combined with the characteristics of civil engineering majors， we discussed on the teaching contents of the course， and practiced and explored the teaching methods and means.

Keywords： smart material and structure； postgraduate teaching； practice and exploration

（編輯周沫）