“功能復(fù)合材料”通識(shí)課的課程改革探索

張思瑞，廖 敏，仲 鵬

（西安電子科技大學(xué)先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院 陜西 西安 710126）

大學(xué)教育一般分為專業(yè)課和通識(shí)課，專業(yè)課是為了培養(yǎng)學(xué)生在某一知識(shí)領(lǐng)域的專業(yè)技能和謀生手段，而通識(shí)課是除專業(yè)教育以外的基礎(chǔ)教育課程，要向所有大學(xué)生傳授基本的社會(huì)常識(shí)。通識(shí)課是實(shí)現(xiàn)通識(shí)教育理念和目標(biāo)的關(guān)鍵因素，涵蓋文學(xué)、藝術(shù)、心理、傳播、數(shù)學(xué)、物理、建筑、天文、歷史、科學(xué)、地理、生物、民俗、營養(yǎng)、工程、哲學(xué)、戲劇、宗教、管理。在2018年全國教育大會(huì)上，習(xí)近平總書記專門強(qiáng)調(diào)：在高等教育過程中，時(shí)刻謹(jǐn)記“立德樹人”這一要?jiǎng)?wù)，使得這個(gè)目標(biāo)貫穿到整個(gè)教育環(huán)節(jié)。從學(xué)科、教學(xué)、教材、管理各個(gè)體系開始遵循“立德樹人“來設(shè)計(jì)，教師和學(xué)生也要針對(duì)自己的角色來籌劃[1]。2010年-2020年，國家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要對(duì)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(chǔ)上，將素質(zhì)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(shè)的必要性

先進(jìn)功能復(fù)合材料在科技和軍事領(lǐng)域中具有舉足輕重的作用，相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，功能復(fù)合材料具有研發(fā)時(shí)間短、種類多、應(yīng)用范圍廣且在特殊地方應(yīng)用等多種特點(diǎn)[4]，應(yīng)用前景十分廣闊。空客A380機(jī)身、尾翼、副翼和壓力艙壁等大量使用復(fù)合材料。機(jī)身部分由玻璃纖維制成的鋁層壓板（稱為GLARE）構(gòu)成，比典型的航空航天材料（例如7075鋁）更強(qiáng)，并且疲勞壽命高10-15倍。國產(chǎn)C919客機(jī)采用了很多新材料：第三代鋁鋰合金、鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以及金屬基復(fù)合材料等。其中鋁鋰合金有眾多優(yōu)點(diǎn)：首先，對(duì)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(shí)，仍然可以保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。正因?yàn)殇X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(diǎn)，吸引著世界各國科學(xué)家的深入研究，真正實(shí)現(xiàn)了用科研帶動(dòng)技術(shù)，又用技術(shù)回饋科研的良性循環(huán)。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如耐腐蝕性強(qiáng)、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(qiáng)度卻是鐵的10倍，其化學(xué)組成非常穩(wěn)定，不僅有助于減輕飛機(jī)重量，還能提高飛機(jī)的總體性能。近年來，金屬基復(fù)合材料又逐漸代替碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成了新的研究熱點(diǎn)。國際上金屬基復(fù)合材料主要以鋁基為主，具有高比強(qiáng)度、高比模量導(dǎo)電、導(dǎo)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(diǎn)。

因此，在當(dāng)今世界，無論是軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，功能復(fù)合材料的應(yīng)用范圍都十分廣泛，為人們提高生活質(zhì)量和科學(xué)技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。“功能復(fù)合材料”作為大一下學(xué)期開設(shè)的通識(shí)課，使學(xué)生能夠了解到功能復(fù)合材料方面的應(yīng)用以及知識(shí)點(diǎn)。該課程的內(nèi)容主要是思想和材料問題，結(jié)合具體學(xué)科的知識(shí)體系，在更廣的層次進(jìn)行指導(dǎo)。

2 改革教學(xué)方法

“功能復(fù)合材料”作為材料專業(yè)的專業(yè)選修課程之一，其知識(shí)體系繁雜，基本理論較多，針對(duì)這些教學(xué)難點(diǎn)，從以下幾方面教學(xué)方法入手深入挖掘，旨在提升學(xué)生的注意力，激起學(xué)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(wù)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(xué)，通識(shí)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(shí)點(diǎn)的條理，可以自然隨時(shí)地融入課堂授課當(dāng)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(yīng)新形勢(shì)下現(xiàn)代教育工作的要求。正如前面所介紹的功能復(fù)合材料應(yīng)用，大到航空航天，小到出行的小汽車，都離不開功能復(fù)合材料。因此可以在講授這些內(nèi)容時(shí)介紹航天科技的發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷；講授我國航天航空與國外的差距，激勵(lì)學(xué)生奮發(fā)向上；講授汽車中先進(jìn)電子設(shè)備的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生從基本科學(xué)出發(fā)，爭(zhēng)取解決國家重大科學(xué)問題。

2.2 “以學(xué)生為中心”互動(dòng)式教學(xué)模式的引入

2011年，華中科技大學(xué)校長(zhǎng)李培根提出了“以學(xué)生為中心”的互動(dòng)式教學(xué)模式，并且工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循三個(gè)基本理念：成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)[6]。由此可見，“以學(xué)生為中心”互動(dòng)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(xué)生的“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變。功能復(fù)合材料本身具有很多應(yīng)用實(shí)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(shè)備是怎么運(yùn)作的？”然后要求學(xué)生以這些問題為出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)給出各自的答案，并且安排小組討論，經(jīng)過歸納總結(jié)，給出較為完整的答案。教師在聽取學(xué)生的匯報(bào)時(shí)，要進(jìn)行點(diǎn)評(píng)給出指導(dǎo)，通過這種方式，學(xué)生能夠從本質(zhì)上接受功能復(fù)合材料的溫度以及磁性功能復(fù)合材料的基本應(yīng)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(duì)材料進(jìn)行怎樣的設(shè)計(jì)？”通過這些循序漸進(jìn)的問題，學(xué)生能夠更加理解其中的原理性知識(shí)。最后，在課堂結(jié)束時(shí)，教師應(yīng)該對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性的點(diǎn)評(píng)，促進(jìn)學(xué)生之間更好地溝通交流。

2.3 分析歸納法的教學(xué)方式建立

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

表1 常見的碳系導(dǎo)電體優(yōu)缺點(diǎn)歸納比較

3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“功能復(fù)合材料”作為大一下學(xué)期通識(shí)課，開課時(shí)間比較適合，考慮到通識(shí)課的課時(shí)量以及參考學(xué)生的接受度，本教學(xué)內(nèi)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(jī)里面用到的功能復(fù)合材料，汽車上用到的碳纖維/聚合物復(fù)合材料，使用先進(jìn)材料和復(fù)合材料能夠減少汽車重量的60%，并提高剛性，延長(zhǎng)使用壽命，諾斯羅普·格魯曼公司的X-47A無人作戰(zhàn)飛機(jī)主要由碳纖維/環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料經(jīng)室溫固化制備獲得。從這些學(xué)生日常可以觸碰到的儀器設(shè)備出發(fā)，玻璃纖維能增強(qiáng)乙烯基酯復(fù)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(xué)生的興趣。接下來介紹復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法、復(fù)合效應(yīng)以及常用的制備方法等。

第二章（磁功能復(fù)合材料），講述了跟磁有關(guān)的知識(shí)，首先從磁信息材料開始介紹，讓學(xué)生了解磁性能的應(yīng)用，比如電動(dòng)汽車中電子器件的NdFeB永磁體材料，介紹這種材料的應(yīng)用場(chǎng)景、性能以及制備方法等；其次，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的MnZn高導(dǎo)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(jī)中用到的低溫?zé)Y(jié)YIG旋磁鐵氧體材料。通過講解這些應(yīng)用領(lǐng)域，讓學(xué)生了解磁功能復(fù)合材料的基本知識(shí)理論與原理，提升他們的學(xué)習(xí)興趣。

第三章（導(dǎo)電功能復(fù)合材料），講述了與電有關(guān)的知識(shí)，用視頻方法列舉一些文獻(xiàn)知識(shí)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)原理的同時(shí)，了解科學(xué)研究的內(nèi)涵。該章會(huì)有幾種導(dǎo)電機(jī)制的講解，通過視頻及圖譜講授其中的原理，使學(xué)生形象生動(dòng)地理解該原理。該章同時(shí)會(huì)介紹與軍事有關(guān)的材料，比如電磁波復(fù)合材料、吸波復(fù)合材料、透波復(fù)合材料，可以在國防領(lǐng)域、保密領(lǐng)域以及隱身技術(shù)等方面應(yīng)用，比如F-117A隱形攻擊機(jī)、B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)、F-22先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)隱身戰(zhàn)斗機(jī)以及美國純隱形的21世紀(jì)新型戰(zhàn)艦BFC，均采用了不同類型的吸波材料。通過對(duì)這些軍事裝備領(lǐng)域的講解以及一些社會(huì)熱點(diǎn)問題，構(gòu)建學(xué)生的愛國情懷。

第四章是開放式內(nèi)容，可以提前咨詢學(xué)生的興趣，聽取學(xué)生的意見，在光功能復(fù)合材料以及抗輻照功能復(fù)合材料中選選取更有興趣的內(nèi)容。學(xué)生可以提前了解這兩方面的內(nèi)容，查閱相關(guān)的知識(shí)，建立知識(shí)體系；通過這種開放式的教學(xué)，以學(xué)生為中心，使學(xué)生把握主動(dòng)權(quán)，讓學(xué)生有主人翁意識(shí)，對(duì)本章的學(xué)習(xí)產(chǎn)生更濃厚的興趣。

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

4 結(jié)語

大學(xué)材料通識(shí)課程的設(shè)置，目的是在培養(yǎng)學(xué)生基本素養(yǎng)的同時(shí)，建立對(duì)材料相關(guān)知識(shí)的脈絡(luò)體系。通過對(duì)該門課程的教學(xué)方法探索以及教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，再加上課程思政，不僅讓學(xué)生了解科學(xué)研究背景，又能讓學(xué)生從大一開始立鴻鵠之志，展騏驥之躍，履獬豸之忠，擔(dān)當(dāng)新時(shí)代新使命。