基于損傷監(jiān)測功能的《先進復合材料》課程教學改革研究

摘 要：本研究針對《先進復合材料》課程，旨在通過深度改革，將輕質纖維增強復合材料結構損傷監(jiān)測的前沿技術全面融入教學內容，從而顯著提升學生的專業(yè)技能和創(chuàng)新素養(yǎng)。基于調研，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的課程內容偏重理論知識的傳授，而缺少實踐應用和科研動態(tài)的引入，導致學生在面對真實工程問題時往往缺乏足夠的解決能力。為此，我們提出了一系列教學改革措施。首先，對課程體系進行深度優(yōu)化，不僅強調基礎知識，更融入最新的科研成果和技術進展。其次，通過引入科研動態(tài)和實例分析，加強理論與實踐的結合，提高學生解決實際問題的能力。同時，我們還加強了課外實訓環(huán)節(jié)，鼓勵他們參與科研項目，以鍛煉科研能力和創(chuàng)新思維。

關鍵詞：教學改革 復合材料 損傷監(jiān)測 實踐教學

輕質纖維復合材料（FRPs），具有高比強度、比模量、耐腐蝕及可設計性強等優(yōu)點，被廣泛應用于各工程領域[1]。從航空航天領域的飛機機身、火箭外殼，到交通運輸領域的汽車車身、船舶結構，再到建筑、體育器材等多個領域，F(xiàn)RPs的應用展現(xiàn)了其卓越的性能和廣泛的市場潛力[2]。然而，F(xiàn)RPs的廣泛應用也帶來了新的挑戰(zhàn)，其中之一就是結構損傷監(jiān)測。由于FRPs的多相性和各向異性，其損傷比各向同性的金屬材料更為復雜，難以預測和檢測。因此，開發(fā)有效的FRPs結構損傷監(jiān)測技術，對于保障結構的安全性和可靠性具有重要意義[3]。

當前，F(xiàn)RPs結構損傷監(jiān)測技術主要包括傳感器監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、紅外熱成像監(jiān)測以及機器視覺監(jiān)測等方法[4]。這些方法各有優(yōu)缺點，適用于不同的應用場景和監(jiān)測需求。例如，基于傳感器的監(jiān)測方法可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和精確定位，但成本較高且傳感器布置復雜；基于聲發(fā)射的監(jiān)測方法則可以檢測微小的損傷信號，但易受環(huán)境噪聲干擾；基于紅外熱成像的監(jiān)測方法則可以直觀地顯示損傷區(qū)域，但需要在特定條件下進行。

在此背景下，將FRPs結構損傷監(jiān)測功能融入《先進復合材料》課程的教學，不僅符合時代發(fā)展的需要，也是培養(yǎng)高素質復合材料專業(yè)人才的重要途徑[5]。通過教學，學生可以深入了解復合材料的性能特點、制備工藝、應用領域以及結構損傷監(jiān)測的基本原理和方法，掌握復合材料結構損傷監(jiān)測的最新技術和研究成果。然而，傳統(tǒng)的《復合材料》課程教學往往側重于理論知識的傳授，缺乏實踐環(huán)節(jié)和科研動態(tài)的引入，導致學生在面對實際問題時缺乏解決能力[6]。因此，本文提出了基于FRPs結構損傷監(jiān)測功能的《先進復合材料》課程教學改革方案（圖1），旨在通過優(yōu)化教學內容、改進教學方法和強化實踐環(huán)節(jié)，提升學生的專業(yè)技能和綜合素質，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和實踐能力。

1 課程教改必要性

復合材料作為一類重要的工程材料，在各工程領域中具有重要的應用價值。然而，F(xiàn)RPs的結構損傷監(jiān)測長期以來是結構工程中的難點和熱點。傳統(tǒng)的復合材料教學主要關注材料的制備、性能和應用等方面，而對于結構損傷監(jiān)測的教學相對較少。隨著傳感器技術、信號處理技術和數據分析技術的飛速發(fā)展，復合材料結構損傷監(jiān)測技術取得了顯著進展。因此，在《復合材料》課程中引入結構損傷監(jiān)測功能的教學，對于培養(yǎng)學生的專業(yè)技能和綜合素質具有重要意義。通過引入結構損傷監(jiān)測功能的教學，可以使學生了解復合材料的損傷機理和監(jiān)測方法。結構損傷監(jiān)測技術的發(fā)展為復合材料教學提供了新的內容和方法，可以激發(fā)學生的科研熱情和創(chuàng)新能力。通過引入結構損傷監(jiān)測功能的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的實際操作能力、分析和解決問題的能力[7]。

2 教改內容

2.1 教學內容體系現(xiàn)代化

在科技迅猛發(fā)展的今天，復合材料領域的教學內容必須與時俱進，以確保學生能夠掌握最新的科研成果和技術發(fā)展情況。為實現(xiàn)教學內容體系的現(xiàn)代化，以下是具體的實施措施。

2.1.1 引入前沿科研成果和技術進展

為了保持教學內容的前沿性，將實施以下策略。根據最新的科研動態(tài)和技術進展，定期更新課程大綱，確保學生能夠接觸到最新的知識。開展案例分析，通過分析特定產品的損傷監(jiān)測案例，如波音787飛機的復合材料結構，讓學生了解納米復合材料和仿生復合材料在實際應用中的挑戰(zhàn)和解決方案。邀請復合材料領域的專家就最新的科研成果進行專題講座，加深學生對行業(yè)發(fā)展趨勢的認識。

2.1.2 適應市場經濟要求，實際產品和工業(yè)化生產問題探討

通過項目式學習、工廠參觀、行業(yè)合作方式，將實際產品和工業(yè)化生產問題融入教學。學生分組進行項目式學習，每個項目圍繞一個具體的復合材料應用案例，如風力發(fā)電機葉片的設計和制造；組織學生參觀復合材料制造工廠，親眼見證復合材料的生產過程，了解材料選擇、設計和制造過程中的關鍵考慮因素；與復合材料制造企業(yè)合作，將企業(yè)的實際問題作為教學案例，讓學生在解決實際問題中學習。

2.1.3 教學內容的持續(xù)更新

建立一個動態(tài)的教學內容更新機制，確保課程內容能夠及時反映最新的科研進展。首先是科研與教學結合，將最新的科研成果直接融入教學內容，如將教師的最新研究成果作為案例分析的一部分。其次，定期收集行業(yè)反饋，根據行業(yè)需求調整教學內容，確保學生學到的知識與行業(yè)需求相匹配。另外可以利用在線資源，如MOOCs和在線期刊，為學生提供最新的學習材料，保持教學內容的新鮮度。

2.2 教學手段與教學方法的改革

在當前的教育背景下，傳統(tǒng)的教學方法已無法滿足學生對知識的深入理解和實際應用的需求。為了提高教學效果，激發(fā)學生的學習興趣和參與度，我們將采用以下多種教學手段和方法進行改革。

2.2.1 增加課堂教學的趣味性

利用視頻和動畫演示，以及模擬軟件仿真等多媒體工具，使抽象的復合材料概念具象化。收集和制作復合材料在不同行業(yè)應用的視頻，如航空航天、汽車制造等領域，通過視頻展示材料的性能和應用場景，增強學生的視覺體驗；展示碳纖維復合材料在F1賽車中的應用，讓學生了解其輕質高強的特性如何轉化為實際的競爭優(yōu)勢。采用互動模擬軟件，引入復合材料設計和分析模擬軟件，如ANSYS或COMSOL。讓學生通過模擬實驗了解材料在受力時的行為，提高學生的實踐操作能力。學生可以調整不同的參數，如纖維方向和樹脂含量，觀察對材料性能的影響。通過分析具體案例，如飛機的復合材料結構，讓學生了解材料選擇、設計和制造過程中的關鍵因素，分析復合材料如何提高飛機的燃油效率和降低排放，增強學生的實際應用能力。

2.2.2 采用互動式教學方法

在課堂上，可以采用小組討論、角色扮演和案例分析等互動式教學方法，鼓勵學生積極參與課堂活動。將學生分成小組，分配具體的復合材料設計項目，如開發(fā)一種新型復合材料用于體育器材，讓學生在團隊合作中提出解決方案，并在課堂上展示他們的成果。每個小組將負責從材料選擇到最終產品的全過程，包括市場調研、設計、原型制作和測試。在討論復合材料的生命周期評估時，讓學生扮演不同角色，如工程師、環(huán)境學家和制造商，從多個角度分析問題，提高學生的批判性思維能力。通過角色扮演，學生能夠更好地理解不同利益相關者的觀點和挑戰(zhàn)。選擇行業(yè)內的典型案例，如復合材料在橋梁建設中的應用，讓學生分析案例中的成功因素和潛在風險，討論如何優(yōu)化設計以提高橋梁的耐久性和降低維護成本，提高學生的問題解決能力。

2.2.3 引入科研動態(tài)和實例分析

定期引入最新的科研動態(tài)和實際案例，讓學生了解復合材料領域的最新發(fā)展。邀請復合材料領域的研究人員來課堂分享他們的最新研究成果，讓學生了解科研前沿。這些分享可以包括最新的材料合成方法、性能測試技術或應用創(chuàng)新。其次，通過分析最新的復合材料損傷監(jiān)測技術，如聲發(fā)射監(jiān)測或熱成像技術，學生可以學習如何將理論知識應用于實際問題。學生將研究這些技術如何幫助檢測和預防結構損傷，以及它們在不同應用中的優(yōu)勢和局限性。此外，鼓勵學生關注復合材料領域的最新新聞和發(fā)展趨勢，如新材料的發(fā)現(xiàn)或新技術的應用，并在課堂上進行討論。學生將分析這些發(fā)展如何影響行業(yè)和他們的未來職業(yè)。

2.2.4 培養(yǎng)學生查閱文獻和表達能力

布置特定的文獻查閱任務，要求學生在課堂上匯報他們的發(fā)現(xiàn)。教授學生如何使用學術數據庫檢索相關文獻，如WebofScience或Scopus，并指導他們如何篩選和閱讀相關論文。學生將學習如何評估文獻的質量和相關性，以及如何提取關鍵信息。在此基礎上，要求學生在課堂上匯報他們查閱的文獻，通過PPT展示他們的發(fā)現(xiàn)，并接受同學和教師的提問，提高他們的口頭表達和公眾演講技巧。這種匯報不僅鍛煉學生的表達能力，也增強了他們的自信心和應對問題的能力。并鼓勵學生撰寫文獻綜述，總結復合材料領域的研究進展，通過寫作鍛煉學生的綜合分析能力和學術寫作能力。學生將學習如何組織和呈現(xiàn)復雜的信息，以及如何撰寫符合學術規(guī)范的文檔。

2.2.5 利用翻轉課堂模式

在翻轉課堂模式下，學生在課前通過視頻和閱讀材料自主學習，課堂上則進行深入討論和實踐操作。制作高質量的教學視頻，涵蓋復合材料的基礎知識和關鍵概念，讓學生在課前自主學習。這些視頻將包括講解、動畫和實際應用示例，以幫助學生理解復雜的概念。在課堂上，組織學生就課前學習的內容進行深入討論，教師引導學生探討更深層次的問題，提高學生的批判性思維能力。討論將圍繞復合材料的關鍵科學問題和工程挑戰(zhàn)，如材料的耐久性和環(huán)境影響。在課堂上安排實踐操作環(huán)節(jié)，如復合材料的手工制作或性能測試，讓學生將理論知識應用于實踐中，提高學生的動手能力。學生將有機會親手制作復合材料樣品，并測試其性能，如拉伸強度和沖擊韌性。

2.3 課外實訓環(huán)節(jié)的設置

為了加強學生的實踐操作能力和團隊協(xié)作精神，將設置一系列的課外實訓項目，以確保學生能夠將理論知識與實際操作相結合，提升其解決復雜工程問題的能力。

2.3.1 增加課外實訓項目

實訓項目的設計旨在讓學生通過親身體驗來掌握復合材料制備和性能測試的關鍵技術。組織學生參與從原材料的稱量、混合到成型的全過程，包括手工鋪層、真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）和固化等步驟。這些實驗將幫助學生理解復合材料制備過程中的科學原理和工藝要求。例如，教授學生使用各種儀器設備對復合材料樣品進行力學性能測試，如拉伸試驗、壓縮試驗和沖擊試驗。通過這些測試，學生能夠掌握材料性能評價的基本方法，并理解不同材料參數對性能的影響。指導學生如何使用顯微鏡、紅外光譜儀等分析工具來評估復合材料的微觀結構和化學組成，以及如何根據測試結果進行質量控制，包括對材料的缺陷、孔隙率和界面結合強度的評估，這些都是影響復合材料性能的關鍵因素。

2.3.2 教師親自指導實訓過程

教師的親自指導對于實訓項目的成功至關重要。教師將在實驗過程中提供一對一的指導，確保學生能夠正確執(zhí)行實驗步驟，避免操作錯誤。這種指導不僅涉及技術操作，還包括實驗原理的深入解釋，幫助學生理解實驗的科學背景。同時，教師還可以根據學生的實驗表現(xiàn)和數據結果進行評價和反饋，指導學生分析實驗數據，識別可能的誤差來源，并提出改進措施。這種分析能力對于學生未來從事科研或工程工作至關重要。此外，為了確保實訓效果和質量，需要制定詳細的實訓計劃和指導書，明確實訓目的、步驟和要求等內容，從而引導學生如何撰寫實驗報告，清晰地表達實驗過程和結果。

2.3.3 開展校企合作實訓項目

與企業(yè)的合作為學生提供在實踐中學習和應用復合材料知識的契機。通過與復合材料制造企業(yè)合作，為學生提供實習機會，讓學生參與實際的生產過程，包括材料選擇、工藝優(yōu)化和質量檢測。這種實習經驗將幫助學生理解理論知識在工業(yè)應用中的實際意義。其次，也可以與企業(yè)共同開發(fā)實訓項目，讓學生在教師和企業(yè)工程師的指導下參與新材料的開發(fā)、生產工藝的改進或產品性能的提升等工程問題。另外，可定期邀請行業(yè)專家來校進行講座，分享他們的經驗和見解，讓學生了解復合材料行業(yè)的發(fā)展趨勢和職業(yè)機會。通過這些課外實訓環(huán)節(jié)的設置，增強其實際操作能力和團隊合作精神，為將來的職業(yè)生涯做好準備。

3 結論和展望

本研究對基于復合材料結構損傷監(jiān)測功能的《先進復合材料》課程教學改革進行了深入研究，旨在優(yōu)化教學內容、改進教學方法和強化實踐環(huán)節(jié)，提升學生的專業(yè)技能和綜合素質。首先，在教學內容方面，引入納米復合材料等前沿科研成果和技術進展，探討其在結構損傷監(jiān)測中的應用，使教學內容更加現(xiàn)代化和實用化。同時，通過介紹復合材料在不同領域的應用案例，幫助學生了解復合材料的應用特點和要求，增強其解決實際問題的能力。其次，在教學方法和手段方面，采用生動活潑的教學方式以及引入科研動態(tài)和實例分析，激發(fā)了學生的學習興趣和積極性。最后，在課外實訓環(huán)節(jié)方面，通過增加實訓項目、教師親自指導以及實訓報告和考核等措施，強化了學生的動手實踐能力和團隊協(xié)作意識，使學生掌握復合材料的制備工藝和性能測試方法，還了解了結構損傷監(jiān)測的基本原理。

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