土木工程專業研究生課程智能材料與結構教學實踐

王自平　駱英??

摘要：

文章根據土木工程行業發展對人才需求及土木工程專業的培養目標定位，提出在高等院校土木專業研究生階段加強智能材料與結構課程內容設置的必要性，結合土木工程專業學生特點探討智能材料與結構課程研究生教學的授課內容，并對教學方法和手段進行了實踐與探索。

關鍵詞：智能材料與結構；研究生教學；實踐與探索

中圖分類號：G6432文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2015）02004103

智能材料結構是材料學與多學科交叉融合發展起來的高新技術結構，是集傳感、驅動及信息處理等功能于一體的功能性材料結構，具有自診斷、自適應、自學習、自修復、自增值、自衰減等六大生命功能 [1]。近20年來，智能材料結構隨著材料科學、力學、控制理論、計算機技術、信息理論等學科的發展已成為國內外最活躍的研究領域之一，國內外學者對智能結構的研究及探索不斷深入，智能結構領域及技術迅速發展[2]。智能材料與智能結構是力學的重要分支，其研究涉及土木工程、力學、材料學、化學、信息論、電子技術、機械工程、光學、計算機技術、仿生學、控制理論等一系列學科中的先進技術，同時引發出新的研究領域。如仿生機器人、結構健康監測、傳感材料、驅動材料、元器件及材料制造新技術和新的控制理論等[3]。

智能材料與結構在土木工程領域中有著巨大的應用前景，其發展不僅意味著增強結構功能，提高結構使用效率及優化結構設計形式，而且也打破了許多土木工程結構在設計、建造、維護和使用控制等方面的傳統觀念。目前，在土木工程結構領域，智能材料結構系統的應用主要集中在結構的健康監測，形狀自適應記憶合金材料及結構減振抗風降噪的自適應控制等方面[4]。為提高工程結構質量和結構安全性及使用可靠性，將智能材料中先進的自診斷理念引入研究領域，針對重大工程中結構損傷特征及應用對象和領域，研制應用于土木工程結構的主動減振、精密位移控制、損傷主動在線監測技術的智能材料與結構。

在土木工程專業研究生教學中開設智能材料與結構課程非常有必要。目前，智能材料與結構課程教學在課程體系上較封閉，學生知識面不夠導致

學習積極性不高，且由于該門課程學時的限制，教師授課時只能挑選部分章節講授，疑難問題不斷增加，給研究生科研指導不大，忽略了這門課程對研究生實踐能力的培養，嚴重影響了學生學習內容的深度和廣度。

文中針對土木工程專業研究生的研究及專業工作背景，將智能材料與結構課程作為選修課，對如何實現這門課程的教學目標，提高教學質量，提高研究生學習的科研興趣和實踐能力進行了思考，對這門課程的選修內容及教學、實踐、成績評定等環節進行了探索研究。

一、教學內容

智能材料與結構是以材料—器件—結構—系統為主線，將基本理論與工程應用緊密結合，從材料與智能、智能材料、智能器件、智能材料結構和智能結構系統等方面循序漸進地介紹智能材料與結構系統的基本概念、性能特征、發展和應用等。結合土木工程專業研究生研究課題及就業背景，選擇與土木工程行業緊密相關的智能材料與結構內容作為教學主講內容。

首先介紹智能材料與結構的一些基本概況，包括驅動材料、驅動器與傳感器，以及自適應復合材料系統中的模型與應用、自適應系統、旋翼應用、航空器控制和智能結構應用等。根據實例引入形狀記憶合金的概況，包括工作原理及應用，重點介紹形狀記憶合金在土木工程中的隔震體系、粘彈性阻尼器、自修復埋入式智能監測的實例。在工程結構無損中應用最為廣泛的領域中，需介紹壓電復合材料的力學原理及應用，重點介紹其作為智能驅動器與傳感器時在土木工程領域中結構健康監測方面的應用實例。在土木工程結構抗震設計中，介紹電/磁致伸縮與電/磁流變體的工作原理，磁致伸縮智能材料是一種磁致伸縮效應強烈，具有高磁致伸縮系數并具有電磁能/機械能轉換功能的材料。磁致伸縮材料作為智能材料與結構在土木工程領域中主要用于傳感、監測和遠距離信息傳輸方面，具有較好的應用前景。將智能器件置于土木工程結構中，實現其自適應的結構功能，主要介紹智能光纖材料的工作原理及其應用，復合材料中埋入光纖傳感器和驅動器是目前應用前景最廣、技術基礎最成熟的一種智能材料。最后對智能材料與結構的應用前景及發展進行總結和展望。

二、教學實踐與探索

（一）不同研究方向教師的正確引導

研究生階段的學習關鍵已不再是掌握某個知識點，死記一些書本知識，更重要的是培養學生的實踐創新能力，提高學生的自主學習能力，需要在自己學習的基礎上進行創新性思維，實現再創造，這就需要教師的正確引導。同樣在智能材料與結構這門課程中，對土木工程類研究生的教學，需要通過師生

互動形式展開，在課堂上進行課堂互動，讓研究生體驗從未知到新知的探索過程，將智能材料與結構系統的各個方面實行科普性的講解，促成研究生學習的主動性，教師的基本職能從“授”轉變為“導”，讓教師真正成為學生學習的導師。在學習智能材料與結構這門課程中，江蘇大學創新地采用多位教師講授同一門課程的方式，針對所學內容。選擇相關研究方向的專業課程教師來上這一章節內容。由于所選教師對研究方向的熟悉程度明顯高于以往同一位任課教師，這無形中大大提高了課程的深度和廣度，調動了學生學習的熱情，拓展了研究生科研知識面。

（二）理論聯系實際

智能材料與結構作為一門交叉性的課程，必須與實際相結合才能鞏固學習，激發學生的興趣。所以，在課程教學中，盡量多舉土木工程中的實例來說明各智能材料與結構的工作原理，可以從學生感興趣的結構和目前應用較廣的智能材料來闡述，如智能蒙皮、結構監測和壽命預測、土木結構的減振與降噪、環境自適應結構以及住宅智能化等。將理論知識寓于工程應用背景中，效果顯著。如在課堂上會增加手工制作環節，采用層合空心板制作橋梁模型，采用硬幣搭建省材工程結構，將智能材料的節能減排理念運用到結構設計中。

（三）板書與多媒體演示的結合

智能材料與結構課程信息量大，屬于多學科交叉綜合，不能完全采用板書教學，插入多媒體教學，可加快教學進程，提高教學效率，結合圖案或聲音，能大大提高學生的學習興趣和學習積極性。與傳統的板書形式相比，多媒體教學信息量輸入緊湊，文字圖像信息清晰直觀，風格多樣，內容豐富，也能活躍課堂氣氛，增進教學過程中的互動。但當講解一些重要的力學基本原理時，也需要放慢講課速度，通過板書的形式來講解清楚，尤其是傳感器與驅動器等智能元器件的工作原理解釋。例如：在講解形狀記憶合金工作原理時，Ti-Ni合金的管接頭處于低溫狀態時，套在需要連接的兩根管子上，升溫到Ti-Ni合金母相狀態的室溫，套管內徑即可回復到原來的尺寸，從而把兩根管子咬緊，完成管子的連接。采用一個版面的動畫演示即非常形象直觀地向學生解釋清楚，可以從中插入大量的工程應用實例圖片和錄像，調動課堂氣氛。同時，在課堂教學中，增加與學生之間的互動，針對不同研究方向的研究生，選擇性地

講解智能材料與結構的運用問題，從而不斷提高學生的學習興趣。因此，在課程教學中板書與多媒體教學相結合更有助于土木工程專業研究生掌握智能材料與結構的相關概念，加深學生印象，提高學習效率。

（四）實踐能力的培養

以智能材料與結構課程中搭建土木工程結構超聲無損檢測平臺實驗為例，采用預埋損傷的標準試塊進行結構檢測（4學時+課余時間），構建一個自動監測、自動控制的橋梁監測系統模型，可將形狀記憶合金、磁流變材料及無線傳感理念融入其中，學生分組進行，最后分組比較創新性（4學時+課余時間），電測應變測量及應力計算（2學時）。

通過搭建實驗，進一步鍛煉學生的動手能力，訓練學生的研究方法，培養學生分析和解決問題的能力。在實驗課堂上，讓部分土木工程專業優秀本科生參與其中，學生通過實踐訓練把所學知識應用于解決科研問題。

三、成績評定

智能材料與結構課程共設30學時，其中實驗10學時，需要預修壓電測量學。課程教學分為課堂教學、研討、實驗三部分，考核方式采用筆試（閉卷）+平時成績+實驗成績，實驗成績通過三部分的實驗總結報告及學生答辯綜合評定。其中考試成績占70%，平時成績占10%，實驗成績占20%。通過智能材料與結構課程三部分的考核與過程管理，既考核了學生的專業基礎知識掌握情況，又考核了動手操作能力，更培養了學生的創新意識，開拓了視野。

四、結語

智能材料與結構課程列舉了很多實用性和工程性強的實例，融入了最新的科研成果，是一門理論與實驗相結合的課程。因此，該領域為廣泛新興行業產業的快速引進和應用提供了巨大的潛力。通過本課程的學習，研究生將了解智能材料結構在土木工程領域的最新動態和進展，為后續相關課程的學習及科研打好基礎。通過智能材料與結構課程在土木研究生教學中的實踐與探索，為土木工程專業研究生創新能力的培養提供了指導。參考文獻：

[1] 楊大智. 智能材料與智能系統[M].天津：天津大學出版社， 2000.

[2] Mel Schwartz. Encyclopedia of smart materials[M]. A Wiley-Interscience Publication， 2001.

[3] 陳英杰，姚素玲.智能材料[M].機械工業出版社，2013.

[4] 謝建宏，張為公.智能材料結構的研究與發展[J].傳感技術學報，2004，3（1）： 164-167.

Abstract：

According to the demand of civil engineering industry and the target of civil engineering talent training， we proposed the necessity of strengthening smart material and structure course for professional postgraduates. Combined with the characteristics of civil engineering majors， we discussed on the teaching contents of the course， and practiced and explored the teaching methods and means.

Keywords： smart material and structure； postgraduate teaching； practice and exploration

（編輯周沫）