“航空復合結構設計與制造”課程建設與教學實踐初探

李毅超，胡 麟，李仁府

（華中科技大學航空航天學院 湖北 武漢 430074）

碳纖維增強樹脂基復合材料（又稱先進航空復合材料）因其優異的比強度、比剛度、疲勞抗性、可設計性等優點被廣泛應用于航空航天、軍事裝備、能源交通、娛樂休閑等領域。特別是在飛機制造方面，美國波音787 客機與法國空客A350 客機的碳纖維復合材料用量均已超過飛機總體結構重量的50%，我國自主研制的大飛機C919 的復合材料用量雖然不到15%，但正在研制的新一代C929 客機碳纖維復合材料的用量計劃大幅增加到50%以上，對標以上兩款外國機型。在國家加大力度發展航空復合材料產業的驅動與引領下，亟須培養大批具備航空復合材料設計與制造相關專業能力的領軍與技術人才，這一推動促使國內相關航空航天專業院校相繼開設航空復合材料方面的本科及研究生課程。在這樣的大背景下，華中科技大學航空航天學院于2019 年開設了“航空復合結構設計與制造”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實踐總結。

1 “航空復合結構設計與制造”課程的特點與目標

“航空復合結構設計與制造”是華中科技大學航空航天學院飛行器設計專業本科大學第三學期設置的專業選修課程。該課程采用雙語課堂教學配合實驗教學的方式講解先進航空復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、力學性能計算及可靠性分析，以及結構與鋪層設計方法。通過該課程的學習，學生將認識航空復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，掌握航空復合材料層合板結構變形的計算方法、鋪層角度與層數的設計方法，碳纖維復合材料層合板結構件的制造方法。該課程旨在培養學生對先進航空復合材料的興趣、拓展學生在航空材料及其應用領域的新視野。

2 課程教學內容建設

2.1 材料—結構—力學—設計層層遞進

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

2.2 實驗課培養興趣、鞏固知識點

航空復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合材料結構件力學性能優劣以及應用的關鍵要素。為此，本課程特別安排一章內容詳細介紹航空復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，使學生充分了解每種工藝的成型步驟、優缺點、使用的成型設備與輔料特性、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。配合以上教學內容，本課程設計了兩項航空復合材料成型實驗教學內容：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合材料的認識與興趣，另一方面強化了對典型復合材料成型工藝的熟悉與掌握。經過3 年的實踐，學生普遍對實驗課反響熱烈，甚至希望額外增加實驗內容。這顯示出實驗教學課在課程建設中的重要地位。為此，筆者于去年特別開設了專業選修實驗課程“航空復合材料實驗”，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

高校課程思政建設是時代所需、專業所求和人才所備，是課程質量的應有之義。思政元素應與課程內容緊密銜接，是課程內容的提煉、延伸與升華。應該讓學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，難免會讓學生產生抵觸心理，不利于思政教育。本課程在“碳纖維制造工藝”的教學內容中融入思政內容，通過講解碳纖維在制造過程中需經歷氧化、碳化、石墨化的加溫步驟，力學性能獲得不斷提升，啟發學生們也應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，實現事業的成功。此外，授課中還給學生們介紹了國產碳纖維的研制歷程，集體觀看了《大國之才——碳纖維》紀錄片。通過對大量視頻史料的觀看與學習，同學們不僅加深了對碳纖維各制造環節的了解，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的精神所鼓舞與激勵。該課程計劃在后續的實踐與完善過程中融入更多思政元素，如聚焦于國產大飛機、國產大型復合材料鋪放設備的研制等方面。

3 課程教學方法實踐

3.1 圖形化知識呈現

圖形和視頻等可視化媒介相較語言和文字可更生動、直觀、準確地傳遞知識，容易被學生接受和掌握。因此，本課程在課件的準備上盡量避免過多的文字，多采用圖片和視頻的方式呈現，特別是在第一、二章對航空復合材料組分及其成型工藝等相關內容的講解中，可以幫助學生快速準確地理解所學知識。一些特別設計的、貼近生活的圖片和動畫展示可以迅速抓住學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絲擺放在一起的對比圖，學生可以一目了然地看出碳纖維絲比頭發絲明顯更細，更光滑、缺陷更少，為后續理解碳纖維高力學特性的原因做好了鋪墊。此外，在講解纖維、樹脂、界面在航空復合材料中的功能及其相互關系時，將三者分別類比成一個家庭當中父親、母親和孩子的角色，即纖維外剛內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，使學生產生共鳴。

3.2 課前知識點回顧

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

3.3 課堂自主提問

學生在課堂中的注意力與關注度是決定學生能否高效吸收知識的決定因素。如何充分調動學生時刻跟上授課教師的思路與節奏，激發學生思考所講授的內容是課程建設中需要著重思考的問題。本課程在課堂教學中會在每個獨立知識點講解結束時安排5 分鐘的學生自由提問時間，問題可以是授課內容中的不清楚之處，也可以是學生自由聯想發揮的學科相關問題，并給予獎勵加分計入學生的平時成績。在實踐的開始階段學生大多比較拘束，但當某些學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置學生自主提問環節達到同時促進學生與老師雙方面的學習與進步將是該課程建設的重要實踐成果。

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。目前在課堂教學過程中還未加入任何形式的演示實驗環節，而對于第一章中講解的很多內容，如熱固性樹脂與熱塑性樹脂的區別、航空復合結構缺陷檢測與修補等部分均可以設計課堂演示性實驗增加課程的生動性并加深學生對知識點的理解。②例題講解仍需增加。航空復合結構力學性能計算相關章節的例題講解量不夠，從平時的測驗和期末考試情況來看，學生的解題能力與解題速度仍需提高，在后續的課程中計劃適當增加例題講解和習題課內容。③實驗課內容需更貼近工程實用。當前課程中的實驗課內容均為制作碳纖維平板，零件形狀單一且簡單，后續在教學經費允許條件下可將制作的零件改為更貼近實際飛機結構件的曲面零件，如機翼蒙皮件、L型或U型結構件。

總的來看，“航空復合結構設計與制造”課程在3 年的教學實踐與改革過程中獲得了學院廣大學生的認可并取得了較好的教學效果。后期將根據現有已獲得的經驗和結果，同時廣泛吸取各方學生、老師、專家領導的反饋意見，與時俱進地完善和更新課程內容，不斷提升該課程的教學質量。