解決復雜工程問題目標下的課程教學模式改革

姚佳偉 牛一凡

［摘 要］ 培養解決復雜工程問題的能力是工程教育的重中之重，為推進落實“復合材料性能”課程在工程教育專業中解決復雜工程問題目標下的支撐作用，在深入分析課程現狀、特點及問題的基礎上，立足教學內容，針對不同類型知識，確立了主題討論、主題研究、主題項目、線上線下混合的靈活教學方法以及與之匹配的考核方法。充分發掘教學內容，以教學目標為抓手，設計了全課程支撐的復雜工程項目，啟發學生以工程師的視角思考問題，并重新構建切實可行的課程設計，從而為同類課程提供參考。

［關鍵詞］ 復合材料性能；復雜工程問題；教學模式；教學改革

［基金項目］ 2022—2024年中國交通教育研究會教育科學研究課題“民航強國建設征程中的分類卓越人才培養模式研究與實踐”（ZJJY2022ZD2）

［作者簡介］ 姚佳偉（1988—），女，河北張家口人，博士，中國民航大學中歐航空工程師學院講師，主要從事復合材料性能優化研究；牛一凡（1979—），女，天津人，博士，中國民航大學中歐航空工程師學院教授，主要從事復合材料失效分析研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）06-0070-04［收稿日期］ 2022-12-09

培養解決復雜工程問題的能力是工程教育的重中之重，而課程是培養學生的第一陣地，充分發揮課程在解決復雜工程問題目標下的支撐作用，對于最終實現人才培養目標具有重要意義。“復合材料性能”課程是材料類專業重要的專業課程，眾多綜合院校以及一些行業院校均開設了該課程。由于行業背景與院校培養目標的差異，該課程在實際教學內容與目標上均存在較大差異。本文基于中國民航大學中歐航空工程師學院的辦學情況，探討研究生專業課程“復合材料性能”的教學模式改革，為工程教育專業中解決復雜工程問題目標下的同類課程提供參考。

一、課程教學現狀分析

（一）課程現狀

“復合材料性能”課程的前修課程如“復合材料及特種材料”“彈性力學”“梁的線性理論”已經使學生具備了較好的學習能力，這些課程為嘗試更加靈活的教學模式提供了良好的學情基礎。“復合材料性能”課程總計52學時，內容以復合材料層壓板力學行為為主，系統闡述復合材料性能特點、應用、制備、加工、檢測技術等。課程教學目標分為知識目標和技能目標：知識目標——掌握復合材料性能特點、力學基本理論與計算方法、損傷與失效理論；技能目標——根據需求給出材料和制備建議，利用有限元軟件分析力學行為，從而使學生具備解決工程問題的能力。

與國內高校開設的同類課程相比，“復合材料性能”課程具有如下特點。

1.教學內容廣泛。以復合材料力學為主，同時涵蓋了復合材料應用、制備、有限元應用等。

2.“硬”知識與“軟”知識二者兼顧。“硬”知識指要求掌握的力學計算方法，“軟”知識指應用、制備及優劣勢等，相較于同類課程，“軟”知識課時更多。

3.注重培養學生解決問題的能力。基于有限元軟件設置課程項目，進行受力和失效分析，鍛煉學生運用理論與工具分析、解決問題的能力。

（二）存在的主要問題

1.解決復雜工程問題能力的培養環節缺失。復雜工程問題的關鍵在于“復雜性”及“工程性”［1］。傳統的課程項目無法支撐解決復雜工程問題能力的培養。

2.“硬”知識教學內容和目標不匹配。復合材料層壓板力學行為是要求掌握的首要知識目標，但是僅憑彈性力學理論學習與復合材料層壓板力學推導演算難以達成教學目標。

3.“軟”知識教學方法和考核方法不充分。“軟”知識要內化成學生的技能目標，使學生全面認識復合材料。教師平鋪直敘的授課方法不利于“軟”知識內化，也沒有“軟”知識的考核方法。

二、課程教學模式改革

為解決復合材料性能課程教學存在的問題，本課程立足教學內容，針對“硬”“軟”知識，采用靈活的教學方法，啟發學生以工程師的視角思考問題。教學過程突出以學生為中心，開發多元化的教學方法和考核方法，注重過程評價。以教學目標為抓手，優化項目設計，提升項目“復雜性”和“高階性”，突出工程能力、創新能力等綜合能力的培養。主要的改革內容確定為：靈活教學方法，培養工程素養；多元考核方法，啟發自主學習；優化項目設計，提高綜合能力。

（一）靈活教學方式，培養工程素養

1.“硬”知識——主題練習教學。相較于金屬材料，復合材料力學行為影響因素較多，為了使學生準確理解并掌握復合材料的力學特點和計算方法，基于教學內容匹配貼合工程實際、針對性強的主題練習。一方面可以幫助學生掌握“硬”知識，使學生能夠應用理論獲知復合材料的力學行為；另一方面借助主題練習中的工程實例，啟發學生以工程師的視角思考問題。主題練習的內容有以下八個方面。

主題一為復合材料與金屬。通過慣性飛輪質量、體積、動能的對比，評價復合材料相較于金屬的優勢與局限性，使學生認識到應該基于需求進行選材。

主題二為直升機螺旋槳葉片主梁設計。從直升機螺旋槳受力分析入手，基于單向復合材料彈性常數，設計螺旋槳葉片主梁截面。

主題三為復合材料的各向異性。通過典型鋪層工程常數的計算，使學生掌握復合材料任意方向工程常數的計算方法，理解力學性能隨鋪層方向的變化規律，初步掌握復合材料鋪層設計原則。

主題四為復合材料的應力—應變關系。基于工程常數，計算層壓板在任意受力狀態下的應力、應變分布，加深學生對復合材料各向異性的理解，為后續失效分析奠定基礎。

主題五為復合材料的失效分析。基于復合材料應力分布與失效準則，判斷鋪層失效模式。

主題六為復合材料的彎曲—扭轉。基于彎曲剛度、扭轉剛度的計算，分析鋪層方向、順序、厚度的影響，使學生理解“三明治結構”的抗彎性質，初步掌握彎曲—扭轉工況下鋪層設計原則。

主題七為復合材料沖浪板的受力分析。計算復合材料沖浪板彎曲—扭轉工況下的應力和應變分布，評價復合材料鋪層設計的適用性。

主題八為復合材料壓力容器的設計。從纏繞成型圓柱壓力容器受力分析入手，給出纏繞角度建議，計算容器最小厚度。

以上主題練習相互關聯，逐步遞進（如圖1所示），最終達成“硬”知識教學目標。

2.“軟”知識——主題討論教學。實現“軟”知識內化教學目標的關鍵在于教學方法，以教師為中心的平鋪直敘的授課方法不適用于此類技能目標的達成，容易造成“走馬燈式”的教學體驗。主題討論教學是以學生為中心，學生在教師的引導下思考，完成對知識的整合、構建，實現內化教學目標［2］。主題討論的內容有以下兩個方面。

主題一為飛機復合材料的應用及優劣勢分析。按照機身、機翼、尾翼、客貨艙、機艙分組，引導學生討論，啟發學生以工程師視角思考問題，列出適用、不適用復合材料的部件，從性能特點、環保、成本、生產及維修等方面綜合評價復合材料。

主題二為飛機復合材料的制備方法及優劣勢分析。按照機身、機翼、尾翼、客貨艙、機艙分組，引導學生從性能特點、制備效率、成本等方面討論分析飛機復合材料部件的最佳制備方法。

3.“軟”知識——主題研究教學。學生已在“金屬材料性能”課程中學習了金屬機械加工及無損檢測技術，本課程中的“軟”知識復合材料機械加工及無損檢測技術與之既有相似之處，也有獨特之處，適合采用研究型教學模式［3］。學生通過資料的搜集、整理等方式進行自主學習，通過對二者進行比較，快速形成對復合材料機械加工及無損檢測技術的認識。

4.擴大教學輸出——線上線下混合式教學。多元化的教學方法必然會導致學時緊張，為保證教學輸出，課堂要從傳統封閉式向開放式轉變［4-5］。線上線下混合式教學就是實現開放式課堂的有力教學方法。

線上線下混合式教學不應局限于線上學生自學和線下教師輔導的簡單結合，而應該基于教學目標及內容進行區分。某些教學目標的實現、教學內容的學習適合利用線上資源，進行線上教學；有些則更適合傳統的線下面授教學。如果已經在線上學習過的內容，還需要教師用更多的課時進行講解，則該教學內容不宜進行線上教學［6-7］。基于此，本課程線上線下教學區分原則確定為：（1）需重點講解的“硬”知識進行線下教學；（2）要求掌握的“軟”知識進行線下教學；（3）線上資源充分的內容進行線上教學。根據以上原則，區分教學內容，設計混合式教學方案。

（二）多元考核方法，啟發自主學習

靈活多樣的教學方法給了學生更多在學習過程中展示學習成果的機會，也給了教師全面評價學生的機會。實施多元化、重過程的考核方法，并保證每一項教學內容都有與之對應的考核方法。因此，本課程考核方法確定為閉卷考試、開卷考試、主題討論匯報、主題研究匯報以及項目報告。

1.閉卷考試：針對復合材料的基本概念、應用、制備、優劣勢等要求掌握的“軟”知識進行考核，促使學生內化對復合材料的基本認識，使學生能夠根據不同應用要求，給出選材、制備等方案建議。

2.開卷考試：針對復合材料力學理論、計算方法等“硬”知識進行考核，考試題目通常圍繞一個復合材料結構的實際工程問題，學生可以攜帶任意工具、資料，培養學生思考、分析問題、借助工具解決問題的能力。

3.主題討論匯報：針對主題討論的課堂匯報結果進行考核，優劣勢分析的合理性為主要考核內容。

4.主題研究匯報：針對主題研究的課堂匯報結果進行考核，匯報內容的準確性為主要考核內容。

5.項目報告：針對項目題目，應用理論知識、工具等完成項目報告，給出計算過程與結果，要求原理方法正確，結果合理。

（三）優化項目設計，提高綜合能力

本課程項目設計基于教學內容，以教學目標為抓手，將復雜工程問題進行分解，變成環環相扣的簡單問題，讓學生在學習過程中逐步獲得簡單問題的解決方法，用課程支撐項目，最終解決復雜問題。以復合材料競賽帆船船體設計項目為例，項目可分解為受力→選材→鋪層→厚度→優化與驗證→成型6個簡單問題。教學內容對簡單問題解決方法支撐作用如圖2所示。

三、課程教學設計

基于上述探討的教學模式改革，重新設計和構建復合材料性能課程整體教學框架，如圖3所示。以教學知識目標和技能目標為抓手，共同支撐解決復雜工程問題能力的培養。為實現教學目標，為每項內容匹配上述探討的教學方法，以復合材料損傷失效為例，該內容屬于需重點講輔的“硬”知識，因此進行線下教學，匹配主題練習五，并基于有限元軟件在課程項目中用于設計優化與驗證。同時，每項教學內容匹配對應的考核方法，全面地評價學生對教學內容的學習效果，從而最終達成解決復雜工程問題能力的培養目標。

結語

為充分發揮“復合材料性能”課程在解決復雜工程問題背景目標下的支撐作用，本文在分析課程現狀、特點和主要問題的基礎上，以課程教學目標為抓手，基于教學內容，設計全課程支撐的復雜工程項目。在課程改革后采取主題討論、主題研究、主題項目、線上線下混合靈活的教學方法以及與之匹配的考核方法，并以此重新構建課程設計，達成解決復雜工程問題能力培養目標。

參考文獻

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Reform of Teaching Mode under the Background of Complex Engineering Problem Solving： Taking Properties of Composite Materials of Civil Aviation University of China as an Example

YAO Jia-wei， NIU Yi-fan

（Sino-European Institute of Aviation Engineering， Civil Aviation University of China，

Tianjin 300300， China）

Abstract： Cultivating the competency of solving complex engineering problems is the priority of engineering educaiton. To promote the supporting role of properties of composite materials course in the background of complex engineering problem solving in the engineering education accreditation， the situation， characteristics and existing problems of the course were firstly and deeply analyzed. Based on the teaching content， the flexible teaching methods integration offline and online teaching and the matching assessment methods， including the theme discussion， theme research， theme project and online and offline mixing were established for different types of knowledge. The complex engineering project supported by the whole course was designed by making full use of the teaching content and basing on the teaching objectives， inspiring students to think from the perspective of engineers. Finally， the practical and feasible teaching design was reconstructed， providing reference for similar courses.

Key words： properties of composite properties; complex engineering problems; teaching mode; teaching reform