非材料專業(yè)《復(fù)合材料》課程教學(xué)改革探索

王林珠，陳朝軼，李　翔

(1.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽　550025；2.貴州理工學(xué)院材料與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽　550003)

《復(fù)合材料》課程是部分工科院校焊接技術(shù)、冶金工程等本科專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，開設(shè)該課程可以豐富學(xué)生的專業(yè)知識，提升學(xué)生的競爭力，拓寬學(xué)生的就業(yè)渠道?！稄?fù)合材料》課程是關(guān)于復(fù)合材料理論知識的概括總結(jié)和凝練，主要講授復(fù)合材料的定義、復(fù)合材料的組成材料、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原理、聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、水泥基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。這門課程開設(shè)后一直受到學(xué)生的重視，選修人數(shù)在選修課中位居前列。

《復(fù)合材料》教材是針對材料學(xué)科相關(guān)專業(yè)編寫的教材，涉及材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)、材料化學(xué)與物理、材料合成與制備、材料表面與界面、金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子物理與化學(xué)等多門課程的知識，需要學(xué)生具備較好的專業(yè)基礎(chǔ)知識才能更好的學(xué)習(xí)這門課程，這顯然與非材料專業(yè)學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識差異較大，如在焊接技術(shù)專業(yè)《復(fù)合材料》教學(xué)過程中，由于學(xué)生沒有相關(guān)材料專業(yè)基礎(chǔ)知識，課堂上很難與老師形成互動，課堂氣氛沉悶，因此，有必要對非材料專業(yè)《復(fù)合材料》課程教學(xué)進(jìn)行改革。

1　教材的選擇及優(yōu)化

1.1　更新教材內(nèi)容

選擇好的教材對于學(xué)生了解復(fù)合材料的基本概念、基本原理、基本制造方法等有極大的促進(jìn)作用，教材的印刷質(zhì)量、圖片的清晰程度同樣有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。肖力光、趙洪凱老師主編的《復(fù)合材料》為普通高等教育"十三五"規(guī)劃教材，該教材基于系統(tǒng)化設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容及結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了復(fù)合材料的組成、特點(diǎn)、工藝、表征及具體應(yīng)用，教材內(nèi)容安排上由淺入深，通俗易懂，教材內(nèi)容編寫嚴(yán)謹(jǐn)、圖片清晰，知識量豐富，是一部本科專業(yè)教學(xué)的優(yōu)秀教材。

雖然該教材經(jīng)過作者反復(fù)修改，最新版于2016年8月第1次印刷，但也存在部分信息更新不及時(shí)等問題。如該書在講述復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域及國內(nèi)外生產(chǎn)情況時(shí)，引用的多是十年前甚至二十多年前的數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)國內(nèi)的發(fā)展水平與國外尚有較大差距。隨著我國進(jìn)入社會主義建設(shè)的新時(shí)代，國民經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)，我國復(fù)合材料制造技術(shù)、產(chǎn)量及應(yīng)用領(lǐng)域均有了長足的進(jìn)步，特別是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命即將到來，國家提出了創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和“一帶一路”、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略[1-2]，如我國最新研制的殲20戰(zhàn)斗機(jī)及C919大飛機(jī)在機(jī)身及發(fā)動機(jī)等部位就大量使用了國產(chǎn)復(fù)合材料，最新型的國產(chǎn)航母則是傳統(tǒng)鋼鐵材料與最新型復(fù)合材料的“結(jié)合體”[3-4]，可以說當(dāng)前復(fù)合材料在我國無論是制造技術(shù)還是應(yīng)用領(lǐng)域都逐漸達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國家水平。因此，授課內(nèi)容不能局限于教材，在教學(xué)過程中對該部分?jǐn)?shù)據(jù)作了更新，使學(xué)生能學(xué)到最新的知識。

1.2　引用參考教材

一本教材不可能對每個(gè)知識點(diǎn)講解得非常透徹，因此需要參考其他相關(guān)教材。主要參考的教材有劉萬輝、于玉成老師主編的《復(fù)合材料》，馮小明、張崇才老師主編的《復(fù)合材料》，王榮國、武衛(wèi)莉老師主編的《復(fù)合材料概論》等。每本教材都有其特點(diǎn)，如劉萬輝、于玉成老師主編的《復(fù)合材料》對復(fù)合材料的定義作了詳細(xì)的闡述，王榮國、武衛(wèi)莉老師主編的《復(fù)合材料概論》對復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域作了較大篇幅的介紹，而馮小明、張崇才老師主編的《復(fù)合材料》則重點(diǎn)介紹了復(fù)合材料的制造方法。在講述相關(guān)知識點(diǎn)時(shí)引用參考教材的內(nèi)容教學(xué)，使學(xué)生對復(fù)合材料知識有了更全面、更深入的了解。

2　加強(qiáng)學(xué)科交叉教學(xué)

2.1　復(fù)合材料與焊接學(xué)科交叉知識點(diǎn)

《復(fù)合材料》教材對各類復(fù)合材料的性能特點(diǎn)、制造方法等進(jìn)行了闡述，均是材料學(xué)科知識，而各類復(fù)合材料的連接技術(shù)是材料學(xué)科與焊接學(xué)科交叉知識點(diǎn)，如機(jī)械連接或焊接等方法，由于教材是針對材料專業(yè)編寫，對于該部分只做了少量介紹。對于傳統(tǒng)的機(jī)械連接方法，由于復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在鉆孔時(shí)還可能造成復(fù)合材料層壓板脫層，機(jī)械連接件也增加了結(jié)構(gòu)的重量，因此，機(jī)械連接并不是復(fù)合材料連接的主要方法，不能作為教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。而焊接可以克服傳統(tǒng)機(jī)械連接方法的上述缺陷，得到較高的連接接頭質(zhì)量[5]，是連接復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個(gè)理想方法，也是當(dāng)前復(fù)合材料連接方法重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

2.2　增加復(fù)合材料的連接技術(shù)教學(xué)

焊接技術(shù)專業(yè)高年級學(xué)生本身具備一定的專業(yè)知識，依據(jù)學(xué)生原有的知識體系，在保留復(fù)合材料教材重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)臏p少了一些專業(yè)性較強(qiáng)的材料知識教學(xué)，并降低了部分材料學(xué)知識要求程度，增加了當(dāng)前復(fù)合材料焊接技術(shù)最新研究成果的教學(xué)。

如在聚合物基復(fù)合材料教學(xué)過程中，重點(diǎn)講述了聚合物基復(fù)合材料的焊接技術(shù)中最具應(yīng)用前景的超聲波焊[6]。增加了聚合物基復(fù)合材料超聲波焊接原理和方法、切入式與連續(xù)式焊接、遠(yuǎn)場焊接和近場焊接、能量引導(dǎo)體等焊接工藝參數(shù)的設(shè)定等[7]。金屬基復(fù)合材料的焊接方法主要有擴(kuò)散焊、釬焊、瞬時(shí)液相焊、電子束焊、等離子焊、電容放電焊等[8]，重點(diǎn)講述了金屬基復(fù)合材料釬焊的基本原理、釬焊過程控制的關(guān)鍵因素，給定金屬基復(fù)合材料焊接溫度、時(shí)間、裝配、表面處理等工藝參數(shù)的選擇等。陶瓷基復(fù)合材料的焊接方法主要有電子束焊、微波焊等[9]，講述了陶瓷基復(fù)合材料電子束焊的基本原理、焊前準(zhǔn)備、焊前調(diào)試、焊接參數(shù)如焊接電流及聚焦電流、電子槍的移動距離等參數(shù)控制等。

上述焊接方法，多數(shù)是學(xué)生之前專業(yè)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在教學(xué)過程中由于學(xué)生已有一定的了解，而焊接的對象又是之前未接觸過的復(fù)合材料，普遍興趣濃厚，不僅鞏固了已有的專業(yè)知識，同時(shí)也學(xué)習(xí)到了新的知識，開闊了學(xué)生的視野，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

3　教學(xué)手段及考核方式探索

3.1　形象化教學(xué)

對于焊接專業(yè)學(xué)生，由于材料結(jié)構(gòu)知識極為匱乏，對于材料的性能、制造及檢測沒有系統(tǒng)性的認(rèn)識，對于復(fù)合材料中常用的增強(qiáng)纖維，由于日常生活中難見，他們只能通過想象來理解，然后死記硬背課本的定義及理論[10]，這樣顯然難以達(dá)到好的教學(xué)效果。

只有使教學(xué)內(nèi)容形象生動，教學(xué)過程充滿趣味性，才能使學(xué)生主動聽講。多媒體教學(xué)是當(dāng)前主要教學(xué)手段之一，在講述復(fù)合材料制造方法、應(yīng)用領(lǐng)域，特別是介紹制造裝置、復(fù)合材料實(shí)物時(shí)采用圖文并茂的PPT教學(xué)無疑能達(dá)到較好的教學(xué)效果。在制作PPT的過程中盡量減少了文字?jǐn)?shù)量，多用圖片、動畫、視頻等講解知識點(diǎn)。采用PPT教學(xué)時(shí)，不但可以使學(xué)生直觀的看到復(fù)合材料基體、增強(qiáng)體、復(fù)合材料的照片以及制造復(fù)合材料的設(shè)備，而且可以通過動畫或視頻的形式將一些復(fù)合材料材料的制造過程介紹給學(xué)生，使學(xué)生真正理解復(fù)合材料的制造過程。例如，在講解碳纖維相關(guān)知識點(diǎn)時(shí)充分利用網(wǎng)絡(luò)搜集碳纖維的實(shí)物及碳纖維制造的各類復(fù)合材料照片，展示碳纖維復(fù)合材料在體育、軍工、休閑娛樂中的應(yīng)用情況，通過展示碳纖維的亂層石墨結(jié)構(gòu)與石墨結(jié)構(gòu)對比圖片，直觀形象且通俗易懂，使學(xué)生對碳纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了清晰的認(rèn)識。在講解擠出成型工藝制造聚合物基復(fù)合材料時(shí)，通過動畫的形式將擠出成型工藝展示，該過程被同學(xué)們形象的比喻為“擠米筒”，有效提高了學(xué)習(xí)的趣味性。

3.2　多樣化考核

在講解手糊成型工藝制造玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)視頻講解了手糊成型工藝制造帆船構(gòu)件的過程，學(xué)生對手糊成型工藝制造玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料表現(xiàn)出了濃厚的興趣。因此，嘗試將期末考核方式修改為理論考試和實(shí)踐考試兩部分，要求學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)等"第二課堂"，使用手糊成型的方法自行設(shè)計(jì)制造一個(gè)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，以制造難度及美觀程度打分，最終作品有奧運(yùn)五環(huán)、五角星、水杯等，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高了學(xué)生的動手能力。

4　結(jié)語

復(fù)合材料相對傳統(tǒng)材料具有獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性，具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能，復(fù)合材料的崛起與發(fā)展極大的豐富了現(xiàn)代材料家族，為人類社會的發(fā)展開辟了無限的想象與實(shí)現(xiàn)空間[11]，某種意義上《復(fù)合材料》這門課程具有巨大的學(xué)習(xí)價(jià)值。學(xué)好《復(fù)合材料》這門課程對于非材料專業(yè)學(xué)生認(rèn)知材料知識、拓展就業(yè)渠道都有極大的幫助。通過《復(fù)合材料》這門課程的教學(xué)我充分認(rèn)識到對于新知識的傳授不能跳躍性太大，否則沒有相關(guān)基礎(chǔ)知識支撐學(xué)生無法理解將失去學(xué)習(xí)興趣，教材的編寫者只能按照教授該課程的主要專業(yè)編寫教材，難以兼顧其他專業(yè)選修課教學(xué)。同時(shí)，強(qiáng)化課堂的趣味性，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，往往能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，收到意料之外的效果?？傊虒W(xué)過程中需要教師根據(jù)學(xué)生的具體情況不斷探索，才能真正提高教學(xué)質(zhì)量。