基于損傷監(jiān)測功能的《先進(jìn)復(fù)合材料》課程教學(xué)改革研究

摘 要：本研究針對《先進(jìn)復(fù)合材料》課程，旨在通過深度改革，將輕質(zhì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的前沿技術(shù)全面融入教學(xué)內(nèi)容，從而顯著提升學(xué)生的專業(yè)技能和創(chuàng)新素養(yǎng)。基于調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的課程內(nèi)容偏重理論知識的傳授，而缺少實(shí)踐應(yīng)用和科研動態(tài)的引入，導(dǎo)致學(xué)生在面對真實(shí)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(xué)改革措施。首先，對課程體系進(jìn)行深度優(yōu)化，不僅強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識，更融入最新的科研成果和技術(shù)進(jìn)展。其次，通過引入科研動態(tài)和實(shí)例分析，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。同時，我們還加強(qiáng)了課外實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，鼓勵他們參與科研項(xiàng)目，以鍛煉科研能力和創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革 復(fù)合材料 損傷監(jiān)測 實(shí)踐教學(xué)

輕質(zhì)纖維復(fù)合材料（FRPs），具有高比強(qiáng)度、比模量、耐腐蝕及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域[1]。從航空航天領(lǐng)域的飛機(jī)機(jī)身、火箭外殼，到交通運(yùn)輸領(lǐng)域的汽車車身、船舶結(jié)構(gòu)，再到建筑、體育器材等多個領(lǐng)域，F(xiàn)RPs的應(yīng)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(yīng)用也帶來了新的挑戰(zhàn)，其中之一就是結(jié)構(gòu)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(fù)雜，難以預(yù)測和檢測。因此，開發(fā)有效的FRPs結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)，對于保障結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要意義[3]。

當(dāng)前，F(xiàn)RPs結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)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(jī)器視覺監(jiān)測等方法[4]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和精確定位，但成本較高且傳感器布置復(fù)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(jìn)行。

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

1 課程教改必要性

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

2 教改內(nèi)容

2.1 教學(xué)內(nèi)容體系現(xiàn)代化

在科技迅猛發(fā)展的今天，復(fù)合材料領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容必須與時俱進(jìn)，以確保學(xué)生能夠掌握最新的科研成果和技術(shù)發(fā)展情況。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容體系的現(xiàn)代化，以下是具體的實(shí)施措施。

2.1.1 引入前沿科研成果和技術(shù)進(jìn)展

為了保持教學(xué)內(nèi)容的前沿性，將實(shí)施以下策略。根據(jù)最新的科研動態(tài)和技術(shù)進(jìn)展，定期更新課程大綱，確保學(xué)生能夠接觸到最新的知識。開展案例分析，通過分析特定產(chǎn)品的損傷監(jiān)測案例，如波音787飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解納米復(fù)合材料和仿生復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和解決方案。邀請復(fù)合材料領(lǐng)域的專家就最新的科研成果進(jìn)行專題講座，加深學(xué)生對行業(yè)發(fā)展趨勢的認(rèn)識。

2.1.2 適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)要求，實(shí)際產(chǎn)品和工業(yè)化生產(chǎn)問題探討

通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、工廠參觀、行業(yè)合作方式，將實(shí)際產(chǎn)品和工業(yè)化生產(chǎn)問題融入教學(xué)。學(xué)生分組進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，每個項(xiàng)目圍繞一個具體的復(fù)合材料應(yīng)用案例，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和制造；組織學(xué)生參觀復(fù)合材料制造工廠，親眼見證復(fù)合材料的生產(chǎn)過程，了解材料選擇、設(shè)計(jì)和制造過程中的關(guān)鍵考慮因素；與復(fù)合材料制造企業(yè)合作，將企業(yè)的實(shí)際問題作為教學(xué)案例，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題中學(xué)習(xí)。

2.1.3 教學(xué)內(nèi)容的持續(xù)更新

建立一個動態(tài)的教學(xué)內(nèi)容更新機(jī)制，確保課程內(nèi)容能夠及時反映最新的科研進(jìn)展。首先是科研與教學(xué)結(jié)合，將最新的科研成果直接融入教學(xué)內(nèi)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(jù)行業(yè)需求調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，確保學(xué)生學(xué)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(xué)生提供最新的學(xué)習(xí)材料，保持教學(xué)內(nèi)容的新鮮度。

2.2 教學(xué)手段與教學(xué)方法的改革

在當(dāng)前的教育背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已無法滿足學(xué)生對知識的深入理解和實(shí)際應(yīng)用的需求。為了提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，我們將采用以下多種教學(xué)手段和方法進(jìn)行改革。

2.2.1 增加課堂教學(xué)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(fù)合材料概念具象化。收集和制作復(fù)合材料在不同行業(yè)應(yīng)用的視頻，如航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，通過視頻展示材料的性能和應(yīng)用場景，增強(qiáng)學(xué)生的視覺體驗(yàn)；展示碳纖維復(fù)合材料在F1賽車中的應(yīng)用，讓學(xué)生了解其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際的競爭優(yōu)勢。采用互動模擬軟件，引入復(fù)合材料設(shè)計(jì)和分析模擬軟件，如ANSYS或COMSOL。讓學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)了解材料在受力時的行為，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力。學(xué)生可以調(diào)整不同的參數(shù)，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(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解材料選擇、設(shè)計(jì)和制造過程中的關(guān)鍵因素，分析復(fù)合材料如何提高飛機(jī)的燃油效率和降低排放，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

2.2.2 采用互動式教學(xué)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(xué)方法，鼓勵學(xué)生積極參與課堂活動。將學(xué)生分成小組，分配具體的復(fù)合材料設(shè)計(jì)項(xiàng)目，如開發(fā)一種新型復(fù)合材料用于體育器材，讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)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(fù)責(zé)從材料選擇到最終產(chǎn)品的全過程，包括市場調(diào)研、設(shè)計(jì)、原型制作和測試。在討論復(fù)合材料的生命周期評估時，讓學(xué)生扮演不同角色，如工程師、環(huán)境學(xué)家和制造商，從多個角度分析問題，提高學(xué)生的批判性思維能力。通過角色扮演，學(xué)生能夠更好地理解不同利益相關(guān)者的觀點(diǎn)和挑戰(zhàn)。選擇行業(yè)內(nèi)的典型案例，如復(fù)合材料在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用，讓學(xué)生分析案例中的成功因素和潛在風(fēng)險，討論如何優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高橋梁的耐久性和降低維護(hù)成本，提高學(xué)生的問題解決能力。

2.2.3 引入科研動態(tài)和實(shí)例分析

定期引入最新的科研動態(tài)和實(shí)際案例，讓學(xué)生了解復(fù)合材料領(lǐng)域的最新發(fā)展。邀請復(fù)合材料領(lǐng)域的研究人員來課堂分享他們的最新研究成果，讓學(xué)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(shù)或應(yīng)用創(chuàng)新。其次，通過分析最新的復(fù)合材料損傷監(jiān)測技術(shù)，如聲發(fā)射監(jiān)測或熱成像技術(shù)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何將理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題。學(xué)生將研究這些技術(shù)如何幫助檢測和預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷，以及它們在不同應(yīng)用中的優(yōu)勢和局限性。此外，鼓勵學(xué)生關(guān)注復(fù)合材料領(lǐng)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(shù)的應(yīng)用，并在課堂上進(jìn)行討論。學(xué)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(xué)生查閱文獻(xiàn)和表達(dá)能力

布置特定的文獻(xiàn)查閱任務(wù)，要求學(xué)生在課堂上匯報他們的發(fā)現(xiàn)。教授學(xué)生如何使用學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫檢索相關(guān)文獻(xiàn)，如WebofScience或Scopus，并指導(dǎo)他們?nèi)绾魏Y選和閱讀相關(guān)論文。學(xué)生將學(xué)習(xí)如何評估文獻(xiàn)的質(zhì)量和相關(guān)性，以及如何提取關(guān)鍵信息。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生在課堂上匯報他們查閱的文獻(xiàn)，通過PPT展示他們的發(fā)現(xiàn)，并接受同學(xué)和教師的提問，提高他們的口頭表達(dá)和公眾演講技巧。這種匯報不僅鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，也增強(qiáng)了他們的自信心和應(yīng)對問題的能力。并鼓勵學(xué)生撰寫文獻(xiàn)綜述，總結(jié)復(fù)合材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展，通過寫作鍛煉學(xué)生的綜合分析能力和學(xué)術(shù)寫作能力。學(xué)生將學(xué)習(xí)如何組織和呈現(xiàn)復(fù)雜的信息，以及如何撰寫符合學(xué)術(shù)規(guī)范的文檔。

2.2.5 利用翻轉(zhuǎn)課堂模式

在翻轉(zhuǎn)課堂模式下，學(xué)生在課前通過視頻和閱讀材料自主學(xué)習(xí)，課堂上則進(jìn)行深入討論和實(shí)踐操作。制作高質(zhì)量的教學(xué)視頻，涵蓋復(fù)合材料的基礎(chǔ)知識和關(guān)鍵概念，讓學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)。這些視頻將包括講解、動畫和實(shí)際應(yīng)用示例，以幫助學(xué)生理解復(fù)雜的概念。在課堂上，組織學(xué)生就課前學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行深入討論，教師引導(dǎo)學(xué)生探討更深層次的問題，提高學(xué)生的批判性思維能力。討論將圍繞復(fù)合材料的關(guān)鍵科學(xué)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(shí)踐操作環(huán)節(jié)，如復(fù)合材料的手工制作或性能測試，讓學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐中，提高學(xué)生的動手能力。學(xué)生將有機(jī)會親手制作復(fù)合材料樣品，并測試其性能，如拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性。

2.3 課外實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的設(shè)置

為了加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，將設(shè)置一系列的課外實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以確保學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R與實(shí)際操作相結(jié)合，提升其解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3.1 增加課外實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生通過親身體驗(yàn)來掌握復(fù)合材料制備和性能測試的關(guān)鍵技術(shù)。組織學(xué)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(shí)驗(yàn)將幫助學(xué)生理解復(fù)合材料制備過程中的科學(xué)原理和工藝要求。例如，教授學(xué)生使用各種儀器設(shè)備對復(fù)合材料樣品進(jìn)行力學(xué)性能測試，如拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。通過這些測試，學(xué)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(shù)對性能的影響。指導(dǎo)學(xué)生如何使用顯微鏡、紅外光譜儀等分析工具來評估復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，以及如何根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制，包括對材料的缺陷、孔隙率和界面結(jié)合強(qiáng)度的評估，這些都是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。

2.3.2 教師親自指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)過程

教師的親自指導(dǎo)對于實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。教師將在實(shí)驗(yàn)過程中提供一對一的指導(dǎo)，確保學(xué)生能夠正確執(zhí)行實(shí)驗(yàn)步驟，避免操作錯誤。這種指導(dǎo)不僅涉及技術(shù)操作，還包括實(shí)驗(yàn)原理的深入解釋，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的科學(xué)背景。同時，教師還可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行評價和反饋，指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，識別可能的誤差來源，并提出改進(jìn)措施。這種分析能力對于學(xué)生未來從事科研或工程工作至關(guān)重要。此外，為了確保實(shí)訓(xùn)效果和質(zhì)量，需要制定詳細(xì)的實(shí)訓(xùn)計(jì)劃和指導(dǎo)書，明確實(shí)訓(xùn)目的、步驟和要求等內(nèi)容，從而引導(dǎo)學(xué)生如何撰寫實(shí)驗(yàn)報告，清晰地表達(dá)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。

2.3.3 開展校企合作實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

與企業(yè)的合作為學(xué)生提供在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和應(yīng)用復(fù)合材料知識的契機(jī)。通過與復(fù)合材料制造企業(yè)合作，為學(xué)生提供實(shí)習(xí)機(jī)會，讓學(xué)生參與實(shí)際的生產(chǎn)過程，包括材料選擇、工藝優(yōu)化和質(zhì)量檢測。這種實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)將幫助學(xué)生理解理論知識在工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際意義。其次，也可以與企業(yè)共同開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，讓學(xué)生在教師和企業(yè)工程師的指導(dǎo)下參與新材料的開發(fā)、生產(chǎn)工藝的改進(jìn)或產(chǎn)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(jìn)行講座，分享他們的經(jīng)驗(yàn)和見解，讓學(xué)生了解復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展趨勢和職業(yè)機(jī)會。通過這些課外實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的設(shè)置，增強(qiáng)其實(shí)際操作能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，為將來的職業(yè)生涯做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)論和展望

本研究對基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測功能的《先進(jìn)復(fù)合材料》課程教學(xué)改革進(jìn)行了深入研究，旨在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法和強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的專業(yè)技能和綜合素質(zhì)。首先，在教學(xué)內(nèi)容方面，引入納米復(fù)合材料等前沿科研成果和技術(shù)進(jìn)展，探討其在結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中的應(yīng)用，使教學(xué)內(nèi)容更加現(xiàn)代化和實(shí)用化。同時，通過介紹復(fù)合材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用案例，幫助學(xué)生了解復(fù)合材料的應(yīng)用特點(diǎn)和要求，增強(qiáng)其解決實(shí)際問題的能力。其次，在教學(xué)方法和手段方面，采用生動活潑的教學(xué)方式以及引入科研動態(tài)和實(shí)例分析，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。最后，在課外實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)方面，通過增加實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、教師親自指導(dǎo)以及實(shí)訓(xùn)報告和考核等措施，強(qiáng)化了學(xué)生的動手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，使學(xué)生掌握復(fù)合材料的制備工藝和性能測試方法，還了解了結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的基本原理。

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