“功能復合材料”通識課的課程改革探索

張思瑞，廖 敏，仲 鵬

（西安電子科技大學先進材料與納米科技學院 陜西 西安 710126）

大學教育一般分為專業(yè)課和通識課，專業(yè)課是為了培養(yǎng)學生在某一知識領域的專業(yè)技能和謀生手段，而通識課是除專業(yè)教育以外的基礎教育課程，要向所有大學生傳授基本的社會常識。通識課是實現(xiàn)通識教育理念和目標的關鍵因素，涵蓋文學、藝術、心理、傳播、數(shù)學、物理、建筑、天文、歷史、科學、地理、生物、民俗、營養(yǎng)、工程、哲學、戲劇、宗教、管理。在2018年全國教育大會上，習近平總書記專門強調：在高等教育過程中，時刻謹記“立德樹人”這一要務，使得這個目標貫穿到整個教育環(huán)節(jié)。從學科、教學、教材、管理各個體系開始遵循“立德樹人“來設計，教師和學生也要針對自己的角色來籌劃[1]。2010年-2020年，國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要對高等教育提出了更多更廣的要求，在以培養(yǎng)高精尖人才的基礎上，將素質教育以及教育改革推廣到了發(fā)展戰(zhàn)略主題的新高度。[2-3]，由此可見，課程改革具有重要的意義。

1 課程開設的必要性

先進功能復合材料在科技和軍事領域中具有舉足輕重的作用，相比于傳統(tǒng)的結構復合材料，功能復合材料具有研發(fā)時間短、種類多、應用范圍廣且在特殊地方應用等多種特點[4]，應用前景十分廣闊?？湛虯380機身、尾翼、副翼和壓力艙壁等大量使用復合材料。機身部分由玻璃纖維制成的鋁層壓板（稱為GLARE）構成，比典型的航空航天材料（例如7075鋁）更強，并且疲勞壽命高10-15倍。國產C919客機采用了很多新材料：第三代鋁鋰合金、鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術、碳纖維增強樹脂基復合材料以及金屬基復合材料等。其中鋁鋰合金有眾多優(yōu)點：首先，對于鋰鋁合金來說，加入鋰之后，可以大幅度降低合金的比重，在增加材料剛度的同時，仍然可以保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。正因為鋁鋰合金的特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的青睞。由于這種合金的諸多優(yōu)點，吸引著世界各國科學家的深入研究，真正實現(xiàn)了用科研帶動技術，又用技術回饋科研的良性循環(huán)。碳纖維增強樹脂基復合材料，具有很多的優(yōu)點，比如耐腐蝕性強、抗疲勞性良好等。這種材料比鋁更輕，比鋼更硬，其密度是鐵的1/4，強度卻是鐵的10倍，其化學組成非常穩(wěn)定，不僅有助于減輕飛機重量，還能提高飛機的總體性能。近年來，金屬基復合材料又逐漸代替碳纖維增強樹脂基復合材料成了新的研究熱點。國際上金屬基復合材料主要以鋁基為主，具有高比強度、高比模量導電、導熱性能、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定好、良好地高溫性能、耐磨性好、疲勞性能和斷裂韌度好、性能再現(xiàn)性及可加工性好不吸潮、不老化、氣密性好等一系列優(yōu)點。

因此，在當今世界，無論是軍事領域還是民用領域，功能復合材料的應用范圍都十分廣泛，為人們提高生活質量和科學技術發(fā)展奠定了堅實的基礎。“功能復合材料”作為大一下學期開設的通識課，使學生能夠了解到功能復合材料方面的應用以及知識點。該課程的內容主要是思想和材料問題，結合具體學科的知識體系，在更廣的層次進行指導。

2 改革教學方法

“功能復合材料”作為材料專業(yè)的專業(yè)選修課程之一，其知識體系繁雜，基本理論較多，針對這些教學難點，從以下幾方面教學方法入手深入挖掘，旨在提升學生的注意力，激起學生的興趣。

2.1 課程思政的加入

課程思政是這幾年新興的教育理念，旨在把“立德樹人”作為教育的根本任務的一種綜合教育理念[5]。不同于傳統(tǒng)的專業(yè)課思政教學，通識課的課程思政需要授課老師自身的思想政治素養(yǎng)的提升，不僅清楚知識點的條理，可以自然隨時地融入課堂授課當中；更重要的是具有高尚的道德情操，要求教師思想政治素養(yǎng)能夠滿足和適應新形勢下現(xiàn)代教育工作的要求。正如前面所介紹的功能復合材料應用，大到航空航天，小到出行的小汽車，都離不開功能復合材料。因此可以在講授這些內容時介紹航天科技的發(fā)展史，激發(fā)學生的愛國主義情懷；講授我國航天航空與國外的差距，激勵學生奮發(fā)向上；講授汽車中先進電子設備的應用，引導學生從基本科學出發(fā)，爭取解決國家重大科學問題。

2.2 “以學生為中心”互動式教學模式的引入

2011年，華中科技大學校長李培根提出了“以學生為中心”的互動式教學模式，并且工程教育專業(yè)認證遵循三個基本理念：成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進[6]。由此可見，“以學生為中心”互動式教育模式在高等教育過程中的重要性，其最根本的就是以教師的“教”為中心向以學生的“學”為中心轉變。功能復合材料本身具有很多應用實景，在開始引入階段，教師可以提問，“為什么航天航空中的材料可以承受這么高的溫度？”以及“汽車中的電子設備是怎么運作的？”然后要求學生以這些問題為出發(fā)點，經過查閱相關文獻給出各自的答案，并且安排小組討論，經過歸納總結，給出較為完整的答案。教師在聽取學生的匯報時，要進行點評給出指導，通過這種方式，學生能夠從本質上接受功能復合材料的溫度以及磁性功能復合材料的基本應用原理。然后，教師再次提出問題“為了更加提高航天航空的溫度，可以對材料進行怎樣的設計？”通過這些循序漸進的問題，學生能夠更加理解其中的原理性知識。最后，在課堂結束時，教師應該對學生進行綜合性的點評，促進學生之間更好地溝通交流。

2.3 分析歸納法的教學方式建立

功能復合材料的定義很廣，基體以及功能體的類型尤其多樣，這導致學生很容易混淆概念，在理解知識點的過程中容易模糊不清，針對這些難點，將功能復合材料中的知識點分門別類的整理，有助于學生從根本上理解功能復合材料的原理。例如，導電功能復合材料的功能體很多，有些基本都是一種元素，比如碳系導電體，學生很難消化理解。結合教材知識，讓學生能夠更加統(tǒng)一的認識，常見的碳系導電體的類型以及優(yōu)缺點（見表1），這樣方便學生更好地理解且在功能復合材料的設計上選擇合適的導電體。

表1 常見的碳系導電體優(yōu)缺點歸納比較

3 優(yōu)化教學內容

“功能復合材料”作為大一下學期通識課，開課時間比較適合，考慮到通識課的課時量以及參考學生的接受度，本教學內容大致以下四部分開展。

第一章（緒論），首先從日常的交通出行開始介紹這門課，比如前面介紹的民航飛機里面用到的功能復合材料，汽車上用到的碳纖維/聚合物復合材料，使用先進材料和復合材料能夠減少汽車重量的60%，并提高剛性，延長使用壽命，諾斯羅普·格魯曼公司的X-47A無人作戰(zhàn)飛機主要由碳纖維/環(huán)氧樹脂基體復合材料經室溫固化制備獲得。從這些學生日?？梢杂|碰到的儀器設備出發(fā)，玻璃纖維能增強乙烯基酯復合材料罐來用于垃圾處理廠，具有優(yōu)異的耐腐蝕性。然后開展課程思政教育，引起學生的興趣。接下來介紹復合材料的設計方法、復合效應以及常用的制備方法等。

第二章（磁功能復合材料），講述了跟磁有關的知識，首先從磁信息材料開始介紹，讓學生了解磁性能的應用，比如電動汽車中電子器件的NdFeB永磁體材料，介紹這種材料的應用場景、性能以及制備方法等；其次，計算機網絡中的MnZn高導鐵氧體材料；還有平面家電中的高頻電感型NiZn鐵氧體，最后是手機中用到的低溫燒結YIG旋磁鐵氧體材料。通過講解這些應用領域，讓學生了解磁功能復合材料的基本知識理論與原理，提升他們的學習興趣。

第三章（導電功能復合材料），講述了與電有關的知識，用視頻方法列舉一些文獻知識，讓學生在學習原理的同時，了解科學研究的內涵。該章會有幾種導電機制的講解，通過視頻及圖譜講授其中的原理，使學生形象生動地理解該原理。該章同時會介紹與軍事有關的材料，比如電磁波復合材料、吸波復合材料、透波復合材料，可以在國防領域、保密領域以及隱身技術等方面應用，比如F-117A隱形攻擊機、B-2戰(zhàn)略轟炸機、F-22先進戰(zhàn)術隱身戰(zhàn)斗機以及美國純隱形的21世紀新型戰(zhàn)艦BFC，均采用了不同類型的吸波材料。通過對這些軍事裝備領域的講解以及一些社會熱點問題，構建學生的愛國情懷。

第四章是開放式內容，可以提前咨詢學生的興趣，聽取學生的意見，在光功能復合材料以及抗輻照功能復合材料中選選取更有興趣的內容。學生可以提前了解這兩方面的內容，查閱相關的知識，建立知識體系；通過這種開放式的教學，以學生為中心，使學生把握主動權，讓學生有主人翁意識，對本章的學習產生更濃厚的興趣。

“功能復合材料”是材料類專業(yè)選修課，課程內容龐雜，但是通過優(yōu)化教學內容，依據(jù)通識課的培養(yǎng)理念，全面培養(yǎng)學生的專業(yè)知識和綜合素質，更重要的是通過期末論文的撰寫，讓學生通過查閱資料，為以后的學習生活發(fā)展提供有意義的參考。

4 結語

大學材料通識課程的設置，目的是在培養(yǎng)學生基本素養(yǎng)的同時，建立對材料相關知識的脈絡體系。通過對該門課程的教學方法探索以及教學內容的優(yōu)化，再加上課程思政，不僅讓學生了解科學研究背景，又能讓學生從大一開始立鴻鵠之志，展騏驥之躍，履獬豸之忠，擔當新時代新使命。