复合材料结构课程设计教学与实践*

王晓瑞，张　骋，张　娜，张英强

(上海应用技术大学材料科学与工程学院，上海　201418)



复合材料结构课程设计教学与实践*

王晓瑞，张骋，张娜，张英强

(上海应用技术大学材料科学与工程学院，上海201418)

课程设计是高校强化实践能力的重要教学环节，接近实际工程应用，在理工科教学中有着不可替代的作用。复合材料的结构不同与单一材料，除具有各向异性外，还具可设计性，有这一特性决定了复合材料结构设计的复杂性和该课程教学的难度。本文以我校《复合材料结构课程设计》课程为例，结合教学实践归纳了该课程的基本教学内容和重点，此外还总结了教学经验、体会，提出了直接有效的改进措施，为进一步的教学改革与创新奠定基础。

复合材料结构；课程设计；重点；基本内容

课程设计是高等学校实践教学环节的重要组成部分，需学生具有坚实的基础理论、广泛的专业知识和基本实验方法，才能进行的强化实践能力和综合应用能力的教学环节。对培养学生独立完成任务和初步形成科学研究的思维方法起着重要的作用[1-2]。在新的教育形势下，越来越注重培养应用型人才、培养一线工程师，因而本科生的实践教学环节显得尤为重要。特别是课程设计环节，虽然教学用时少，但内容却相当丰富，是与实际工程应用结合最紧密的过渡性课程，而这种设计类的课程和教学在理工科教育中的地位更为突出。

材料学科课程设计一般在2周左右，课程设计时间集中又短暂，因此要求设计针对性强。设计内容一般包含工艺设计和设备设计两大类，而对于厂房、工艺布局等整体设计要求并不高。通常的设计任务是针对某一种材料生产过程的具体环节所需设备进行计算，选型和设计。通过这样的课程设计，使学生深入理解一种材料的制备或加工方法、流程以及材料在制备加工过程中发生的变化，提高他们方案论证、分析比较以及使用网络检索和计算机绘图等多方面能力，达到课程设计的最初目的[3]。而复合材料结构课程设计与一般课程设计有很大的区别，课程设计的重点不是工艺和设备，而是材料的结构设计与计算。因为复合材料有着与常规材料完全不同的材料概念，它本质上是结构物[4]。因此复合材料的结构设计也应该有与常规材料结构设计不同的观念，使之更符合复合材料的特点，这样才有利于复合材料的应用与发展。

1　复合材料结构课程设计的教学流程与重点

图1　课程设计流程图Fig.1　Curriculum design flow chart

课程设计的教学流程图如图1所示，其中重点环节是选题、指导与管理、考核。其中选题是整个设计任务能否完成并达到教学目的的关键；指导应讲究技巧，管理是过程控制，二者完美结合是课程设计顺利进行的保障；考核是对设计文本和作品最终的检验，考核结果也是该课程成绩的直接体现。

1.1选题

课程设计的选题应与专业培养目标和课程教学要求相一致，并尽量与工程实际相结合，难易程度适中[5]。课题应具有一定的可设计性、灵活性、挑战性和趣味性，内容难度要以中等水平的学生在规定时间内经过努力能完成任务为依据。在多数课程设计中选题主要存在的问题是设计题目雷同、枯燥、陈旧，与现实脱节。如果小组间设计题目相似或历年来变化不大，那么在设计过程中很容易让某些学生偷懒，将别人或以往的设计结果在数据上加以修改即可完成自己的设计，这样便失去了该课程的意义；如果设计选题总是陈旧，不能与时俱进，学生做起来又会觉得很枯燥，毫无兴趣，也就不能激发出学生的兴致的潜能；如果选题仅仅是符合了教学任务，却与工程实际严重脱节，那么学生又会认为该设计并不实用，没有任何意义，导致学生消极对待。

由于《复合材料结构设计》这门理论课程涉及的都是复杂的公式计算，确实枯燥无味，且复合材料是新学科，在我校尤其如此，还缺少详细的全面的相关的课程设计指导材料和相关实践经验，所以在指导复合材料结构课程设计实践教学时，作为指导老师我还在不断地探索中前行。虽然我自身没有复合材料结构设计的工程经验，对复合材料在常用领域航空航空器上的应用理论基础也不够了解，但是化工专业出身的我对化工设备的应用与设计还是有一定了解的。所以在从事复合材料结构设计实践教学之初，我的设计选题多与化工储罐相关。这样即与工程应用相关，又能保证适当的难易程度，并有大量化工储罐类设计指导材料作为依据；此外，化工类储罐又是复合材料专业学生接触不多的设备，且看似简单的储罐按容积大小和应用形式不同又分为立式、卧式、拼装式、两支座、三支座等不同形式，设计计算方法就有很大差别，这样既能保证了选题的合理性和难易程度，又具有了一定的可设计性、灵活性、挑战性和趣味性。

1.2指导与管理

虽然课程设计的教学形式相对于理论课程具有极大有灵活性，但并不是分配任务完成即可，过程中还不能缺少相应的指导和管理，目的是为了提高设计质量，培养学生独立工作能力，以发挥学生主动性和创造性为出发点，重在点拨，帮助学生理清思路，之后采取集中辅导和个别答疑相结合的指导方式。

在指导课程设计前指导老师应做好充分的准备工作，构思设计思路，拟定方案，并根据设计目标确定设计内容、步骤和重点、难点，然后在布置设计任务时，连同成果要求、参考资料等向学生介绍清楚。导论环节做得好坏直接影响后续的设计进程顺利与否。对于“玻璃钢化工储罐”课程设计而言，设计目的在于掌握玻璃钢制化工储罐的设计方法，重点是储罐壳壁的结构设计，即复合材料的铺层设计，难点在于力学分析和计算，为此，应在这些方面给予侧重。

尽管第一次接触复合材料结构课程设计学生有很多茫然，但课程设计的过程还是要以发挥学生主动性和潜力为主，而不应是老师一步步教着做，照葫芦画瓢，做完了也没有什么深刻的印象。这一课程上我个人很喜欢按照国外的教学方式，任务布置好了，由学生自己努力去完成，是一个很好的发掘潜力的过程。因此对课程设计的指导便是把共性问题应进行集中辅导，指出方向和思路，至于学生具体碰到的具体问题再给予个别答疑。为保证在短期内每一位学生都能完成设计任务，课程设计的过程管理和时间节点的安排尤为重要。

1.3考核

考核是对课程设计的最终检验，也直接决定着学生的成绩。课程设计的评判不像考试试卷有标准答案，难以有着统一的标准。由于是分小组合作完成，所以在评定时更是要考虑多方面因素，除了看设计图纸和设计说明书的完成质量外，还应充分考虑到学生在设计过程中的真实表现及对课程的掌握程度，尽量做到公平。因此，在课程设计成绩评定体系分为平时成绩(30%)、设计文本(50%)和答辩(20%)三部分组成。平时成绩主要从以下三个方面考核：出勤率、设计过程中的表现和每日进度完成质量。平时成绩对督促懒惰学生的设计进程有一定好处，同时也对是否表现认真且独立完成有一定的公平性判据。设计文本成绩从以下几个方面考核：设计思路是否正确, 设计步骤安排是否合理；造型、选材及工艺是否合理，结构计算是否准确；设计图纸是否规范、设计说明书书写是否详细清晰等。纳入答辩环节便于更客观、公正反映学生的实际水平和掌握程度。答辩中，学生通过与指导教师面对面交流，可以加深对设计的理解，对知识点上的盲点与误区有更好的反馈和弥补，并且答辩可以锻炼学生表达与应变能力；指导老师也可以通过答辩清楚了解学生对设计思路和方法的掌握情况，并且通过对学生的反馈信息加以整理，在以后的教学实践中加以强化。考核结果分为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，对优秀的设计者和设计作品，予以表扬鼓励，以调动学生进行课程设计的积极性，对不认真完成设计或未达目标要求者要求其进行整改或限期重做。

2　复合材料结构课程设计文本的基本内容

以“**立方玻璃钢卧式盐酸储罐为例”，设计的任务是确定产品的结构，技术、经济指标和主要零部件，并编制必要的技术文件。故完整的设计文本应包括以下内容：

封面

设计任务书

目录

前言 (主要介绍设计的目的及复合材料储罐的应用及优势特点等)

选型设计(依据设计标准选定储罐的基本造型、封头、支座等，并确定筒体直径、长度、伸壁长、跨距、封头高度、支座宽度和包角等相应的数值)

性能设计(依据使用条件和各材料的性能选定材料，并明确该材料的性能参数，如克重、模量、体积含量、许用值等)

结构设计(重点是载荷分析和计算，包括轴向应力、剪应力，环向应力等，从而确定筒体及封头的壁厚和铺层数，注意边设计边校核)

工艺设计(根据以上设计的内容选择成型工艺方法，并完成具体的生产工艺流程等)

零部件设计(主要指确定各种接管如人孔、进料口、排气口、液位计、出料口、排污口、压力计、液封等的数量及尺寸等)

安装设计(确定各接口的安装位置及储罐整体的安装等)

制品检验(制品的检测方法)

附图(本课程设计只要求绘制总装配图，其中要把构成产品的全部各种零件，部件，标准件，配套件等表示出来，同时将局部放大的铺层设计图表示出来。)

3　复合材料结构课程设计的教学体会与改进措施

经过两年来对该门课程的教学实践，总结以下几点体会, 以此为进一步的教学改革与创新奠定基础。

(1)学生起初对课程设计虽然不够了解，但了解后十分感兴趣，说明相对于枯燥的理论授课，学生更喜欢这种形式灵活的、能够充分发挥个人能力的教学方式，因此，对于该类实践课程应加大重视，并投入精力去研究和改革。

(2)课程设计的最大优点是能够在短时间内自主学习到更多的知识，但设计过程中发现学生对文献资料的检索收集能力不强，融会贯通运用知识的能力也较弱，以后教学中应就此点进行强化。并且，在布置任务初期，应利用一定时间教授学生如何有效进行文献检索和收集。

(3)设计过程中，团队合作不仅能够保证在有限的时间内较好地完成设计任务，而且还能够充分锻炼学生的团队合作意识，但仍有个别学生独立性差，不爱动脑思考，对团队成员的依赖性过大，有待于进一步有效控制。具体可通过考勤、检查设计草稿、及加大考核力度等措施进行过程控制。

(4)课程设计对指导老师是极大的挑战，需要丰富的教学经验和实践经验，故“双师型”教师更为合适。指导课程设计的过程中还应不断思考，研究有效的教学方法和提升学生设计能力的途径。与企业进行友好的沟通与合作是一个直接有效的途径(如邀请企业技术人员进入课堂参加指导)。

(5)现有的课程设计形式虽然使学生在设计方面有了基础的锻炼，但已远远满足不了现代工业发展的需要，如能配合复合材料结构专用设计软件的使用，不仅能提高学生的兴趣和设计效率，进而适当扩充设计内容，而且更能与专业设计人员的工作接轨，对培养应用型的大学生尤为重要。

参考文献

[1]张冬敏.高校课程设计教学中存在的问题与对策研究[J].改革与开放,2009(9):72-73.

[2]徐文娟.课程设计在教学中的作用[J].中国科教创新导刊,2010(28):59.

[3]于岩.材料学科本科生课程设计改革的思考[J].科教导刊(中旬刊),2012(03):58-59.

[4]张汝光.复合材料结构设计的基本观念[J].玻璃钢,1997(2):26-31.

[5]尹继明,吕凡任.课程设计在实践教学中的应用研究与探索[J].扬州教育学院学报,2011,29(2):73-75.

Teaching Practice and Experience in the Curriculum Design of Composite Material Structure*

WANGXiao-rui,ZHANGCheng,ZHANGNa,ZHANGYing-qiang

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University of Technology, Shanghai 201418, China)

Curriculum design is an important teaching link to strengthen the practice ability in colleges and universities, it plays an irreplaceable role in science teaching on account of closing to the actual engineering application. Composite material structure is different from other single material, not only has anisotropy, but also can be designed, which determines the complexity of the composite material structure design and the difficulty of the course teaching. The basic contents and the emphasis of the curriculum design of composite material structure were summarized combined with the teaching practice in our university. Furthermore, the teaching experience was summarized, and?effective?improvement measures for the further teaching reform and innovation were proposed.

composite material structure; curriculum design; emphasis; basic content

上海高校实验技术队伍建设计划项目(1021NH153004012)；校教改项目(JG20160101)；校教改项目(JG20160102)。

王晓瑞(1979-)，女，实验师，主要从事实验教学与管理工作。

G462

A

1001-9677(2016)018-0204-03