“航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造”課程建設(shè)與教學(xué)實踐初探

李毅超，胡 麟，李仁府

（華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院 湖北 武漢 430074）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（又稱先進航空復(fù)合材料）因其優(yōu)異的比強度、比剛度、疲勞抗性、可設(shè)計性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備、能源交通、娛樂休閑等領(lǐng)域。特別是在飛機制造方面，美國波音787 客機與法國空客A350 客機的碳纖維復(fù)合材料用量均已超過飛機總體結(jié)構(gòu)重量的50%，我國自主研制的大飛機C919 的復(fù)合材料用量雖然不到15%，但正在研制的新一代C929 客機碳纖維復(fù)合材料的用量計劃大幅增加到50%以上，對標(biāo)以上兩款外國機型。在國家加大力度發(fā)展航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動與引領(lǐng)下，亟須培養(yǎng)大批具備航空復(fù)合材料設(shè)計與制造相關(guān)專業(yè)能力的領(lǐng)軍與技術(shù)人才，這一推動促使國內(nèi)相關(guān)航空航天專業(yè)院校相繼開設(shè)航空復(fù)合材料方面的本科及研究生課程。在這樣的大背景下，華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院于2019 年開設(shè)了“航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造”課程。本文是筆者作為該門課程的籌建與主講老師在近三年授課活動中的教學(xué)實踐總結(jié)。

1 “航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造”課程的特點與目標(biāo)

“航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造”是華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院飛行器設(shè)計專業(yè)本科大學(xué)第三學(xué)期設(shè)置的專業(yè)選修課程。該課程采用雙語課堂教學(xué)配合實驗教學(xué)的方式講解先進航空復(fù)合材料所涉及的各方面知識，包括材料組成及特性、制造及成型工藝、檢測與修補、力學(xué)性能計算及可靠性分析，以及結(jié)構(gòu)與鋪層設(shè)計方法。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將認識航空復(fù)合材料獨特的材料性能并明晰影響其材料性能的組分特性，掌握航空復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)變形的計算方法、鋪層角度與層數(shù)的設(shè)計方法，碳纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)件的制造方法。該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對先進航空復(fù)合材料的興趣、拓展學(xué)生在航空材料及其應(yīng)用領(lǐng)域的新視野。

2 課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

2.1 材料—結(jié)構(gòu)—力學(xué)—設(shè)計層層遞進

為了掌握航空復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，需要首先充分認識組成航空復(fù)合結(jié)構(gòu)的各組分材料的特性及其相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上明確這些組分材料如何組成航空復(fù)合結(jié)構(gòu)并確定其中的主要控制因素。接下來，掌握航空復(fù)合結(jié)構(gòu)的建模與力學(xué)性能計算方法，從而明晰各控制因素對航空復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，最終提出合適的航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法?；谝陨线壿嬎悸罚菊n程在第一章首先介紹組成航空復(fù)合材料的兩類組分材料：纖維與樹脂的特性，包括種類、力學(xué)功能特性、微觀結(jié)構(gòu)、制造方法以及纖維與樹脂的界面特性。這些知識將使學(xué)生首先從直觀上了解航空復(fù)合材料的特性，以及相比金屬材料所具有的優(yōu)勢。接下來介紹將纖維和樹脂結(jié)合成預(yù)浸料的制造方法、力學(xué)特性，及其與層合板的相互關(guān)系，明確層合板的鋪層角度、層數(shù)及其命名規(guī)則。至此，學(xué)生對航空復(fù)合結(jié)構(gòu)已建立起清晰的輪廓模型，后續(xù)便可水到渠成地引出經(jīng)典層合板理論并引導(dǎo)學(xué)生對航空復(fù)合結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析與計算。這樣的內(nèi)容安排有助于學(xué)生更自然、輕松地掌握航空復(fù)合材料力學(xué)性能計算方法這一本課程的重難點內(nèi)容。如果在課程一開始就直奔這一主題難免會使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，降低課程的教學(xué)效果。最后，在學(xué)生充分掌握航空復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計算方法的基礎(chǔ)上，教授學(xué)生一種基于毯式曲線（Carpet Plots）的航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法并結(jié)合具體實例培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用該方法解決實際工程問題的能力。這種層層遞進的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置有助于學(xué)生對課程內(nèi)容的逐層消化與理解。

2.2 實驗課培養(yǎng)興趣、鞏固知識點

航空復(fù)合材料是一種實用性很強的工程材料，對其制造工藝的選擇與實施是決定航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能優(yōu)劣以及應(yīng)用的關(guān)鍵要素。為此，本課程特別安排一章內(nèi)容詳細介紹航空復(fù)合材料的各種成型工藝，如手糊法、真空袋法、真空吸注法、熱壓罐成型法、絲束纏繞法、拉擠成型法等，使學(xué)生充分了解每種工藝的成型步驟、優(yōu)缺點、使用的成型設(shè)備與輔料特性、適合成型的零件類型等。此外，本章還著重介紹了影響航空復(fù)合材料成型的若干因素，如樹脂固化特性及影響因素、樹脂粘度特性、空隙控制、收縮率以及模具的選擇與考量。配合以上教學(xué)內(nèi)容，本課程設(shè)計了兩項航空復(fù)合材料成型實驗教學(xué)內(nèi)容：①基于真空袋成型工藝制作碳纖維層合板；②基于真空吸注成型工藝制作碳纖維層合板。學(xué)生通過實際動手制作碳纖維板件并完成實驗報告，一方面加深了對航空復(fù)合材料的認識與興趣，另一方面強化了對典型復(fù)合材料成型工藝的熟悉與掌握。經(jīng)過3 年的實踐，學(xué)生普遍對實驗課反響熱烈，甚至希望額外增加實驗內(nèi)容。這顯示出實驗教學(xué)課在課程建設(shè)中的重要地位。為此，筆者于去年特別開設(shè)了專業(yè)選修實驗課程“航空復(fù)合材料實驗”，對本課程的實驗部分進行了補充與加強，同樣獲得了較好的反饋。

2.3 思政元素的融入

高校課程思政建設(shè)是時代所需、專業(yè)所求和人才所備，是課程質(zhì)量的應(yīng)有之義。思政元素應(yīng)與課程內(nèi)容緊密銜接，是課程內(nèi)容的提煉、延伸與升華。應(yīng)該讓學(xué)生在接受知識的同時潛移默化地吸收正確的世界觀、人生觀與價值觀。如果脫離課程講思政，或者為講思政而思政，難免會讓學(xué)生產(chǎn)生抵觸心理，不利于思政教育。本課程在“碳纖維制造工藝”的教學(xué)內(nèi)容中融入思政內(nèi)容，通過講解碳纖維在制造過程中需經(jīng)歷氧化、碳化、石墨化的加溫步驟，力學(xué)性能獲得不斷提升，啟發(fā)學(xué)生們也應(yīng)該像碳纖維一樣不斷磨礪和鍛煉自己，以此提高自身的能力，實現(xiàn)事業(yè)的成功。此外，授課中還給學(xué)生們介紹了國產(chǎn)碳纖維的研制歷程，集體觀看了《大國之才——碳纖維》紀(jì)錄片。通過對大量視頻史料的觀看與學(xué)習(xí)，同學(xué)們不僅加深了對碳纖維各制造環(huán)節(jié)的了解，更被一批又一批科研人員不畏艱辛、克難奮進，最終攻克高性能碳纖維制造技術(shù)的精神所鼓舞與激勵。該課程計劃在后續(xù)的實踐與完善過程中融入更多思政元素，如聚焦于國產(chǎn)大飛機、國產(chǎn)大型復(fù)合材料鋪放設(shè)備的研制等方面。

3 課程教學(xué)方法實踐

3.1 圖形化知識呈現(xiàn)

圖形和視頻等可視化媒介相較語言和文字可更生動、直觀、準(zhǔn)確地傳遞知識，容易被學(xué)生接受和掌握。因此，本課程在課件的準(zhǔn)備上盡量避免過多的文字，多采用圖片和視頻的方式呈現(xiàn)，特別是在第一、二章對航空復(fù)合材料組分及其成型工藝等相關(guān)內(nèi)容的講解中，可以幫助學(xué)生快速準(zhǔn)確地理解所學(xué)知識。一些特別設(shè)計的、貼近生活的圖片和動畫展示可以迅速抓住學(xué)生的興趣點和注意力，提高課堂效率。例如在介紹碳纖維時給出一張單根碳纖維絲與單根頭發(fā)絲擺放在一起的對比圖，學(xué)生可以一目了然地看出碳纖維絲比頭發(fā)絲明顯更細，更光滑、缺陷更少，為后續(xù)理解碳纖維高力學(xué)特性的原因做好了鋪墊。此外，在講解纖維、樹脂、界面在航空復(fù)合材料中的功能及其相互關(guān)系時，將三者分別類比成一個家庭當(dāng)中父親、母親和孩子的角色，即纖維外剛內(nèi)脆就像家中父親的角色、樹脂外柔但包容就像家中母親的角色、界面是連接纖維和樹脂的紐帶就像家中孩子的角色，生動活潑，使學(xué)生產(chǎn)生共鳴。

3.2 課前知識點回顧

溫故而知新，課下對課堂講授的內(nèi)容進行復(fù)習(xí)和消化有助于學(xué)生全面深入地掌握課程的知識點。為了督促學(xué)生進行課下復(fù)習(xí)，本課程在每次課堂授課的開端都會設(shè)置一個知識點回顧環(huán)節(jié)，隨機邀請一位學(xué)生上臺對上節(jié)課的知識內(nèi)容進行梳理與回顧，并在黑板上寫出上節(jié)課所學(xué)的重難點內(nèi)容。授課老師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)情況給予點評與獎懲計分。實踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)該環(huán)節(jié)有助于學(xué)生加深對已學(xué)知識點的記憶，掃清學(xué)生的知識盲點，同時鍛煉學(xué)生的膽量與表達，特別是對一些上課容易分神的學(xué)生可以起到一定的督促與激勵作用。

3.3 課堂自主提問

學(xué)生在課堂中的注意力與關(guān)注度是決定學(xué)生能否高效吸收知識的決定因素。如何充分調(diào)動學(xué)生時刻跟上授課教師的思路與節(jié)奏，激發(fā)學(xué)生思考所講授的內(nèi)容是課程建設(shè)中需要著重思考的問題。本課程在課堂教學(xué)中會在每個獨立知識點講解結(jié)束時安排5 分鐘的學(xué)生自由提問時間，問題可以是授課內(nèi)容中的不清楚之處，也可以是學(xué)生自由聯(lián)想發(fā)揮的學(xué)科相關(guān)問題，并給予獎勵加分計入學(xué)生的平時成績。在實踐的開始階段學(xué)生大多比較拘束，但當(dāng)某些學(xué)生帶頭開始提問并獲得加分獎勵回報后課堂氛圍就逐漸趨于活躍。很多學(xué)生的提問充滿了想象力且頗具深度，以至于授課教師都無法在課堂一一給出明確答案，這也促使教師課下進行思考與研究，進而從側(cè)面提升了教師的知識水平和能力。筆者認為如果能夠通過設(shè)置學(xué)生自主提問環(huán)節(jié)達到同時促進學(xué)生與老師雙方面的學(xué)習(xí)與進步將是該課程建設(shè)的重要實踐成果。

4 課程仍需完善之處

該課程從實踐以來雖然獲得了一定成效，但筆者認為仍需從如下方面對課程進行進一步的改進和完善：①演示實驗不足。目前在課堂教學(xué)過程中還未加入任何形式的演示實驗環(huán)節(jié)，而對于第一章中講解的很多內(nèi)容，如熱固性樹脂與熱塑性樹脂的區(qū)別、航空復(fù)合結(jié)構(gòu)缺陷檢測與修補等部分均可以設(shè)計課堂演示性實驗增加課程的生動性并加深學(xué)生對知識點的理解。②例題講解仍需增加。航空復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計算相關(guān)章節(jié)的例題講解量不夠，從平時的測驗和期末考試情況來看，學(xué)生的解題能力與解題速度仍需提高，在后續(xù)的課程中計劃適當(dāng)增加例題講解和習(xí)題課內(nèi)容。③實驗課內(nèi)容需更貼近工程實用。當(dāng)前課程中的實驗課內(nèi)容均為制作碳纖維平板，零件形狀單一且簡單，后續(xù)在教學(xué)經(jīng)費允許條件下可將制作的零件改為更貼近實際飛機結(jié)構(gòu)件的曲面零件，如機翼蒙皮件、L型或U型結(jié)構(gòu)件。

總的來看，“航空復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造”課程在3 年的教學(xué)實踐與改革過程中獲得了學(xué)院廣大學(xué)生的認可并取得了較好的教學(xué)效果。后期將根據(jù)現(xiàn)有已獲得的經(jīng)驗和結(jié)果，同時廣泛吸取各方學(xué)生、老師、專家領(lǐng)導(dǎo)的反饋意見，與時俱進地完善和更新課程內(nèi)容，不斷提升該課程的教學(xué)質(zhì)量。