《复合材料导论》课程教学研究与实践

吴小文,闵鑫,房明浩,刘艳改,黄朝晖,李金洪

摘要：《复合材料导论》是材料科学与工程学科本科生的一门专业主干课。结合本校的教学实践，本文主要探讨了如何通过精选教学内容、灵活运用教学方法、改革成绩评价方式进行《复合材料导论》课程的教学改革和教学研究。同时，这些教学改革还可以提升学生对本门课程的课堂学习兴趣，进一步改善教学质量和教学效果，为培养出更多的创新性人才和高等学校相关课程和专业建设提供了一定的参考。

关键词：复合材料；教学研究；教学方法；成绩评价

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）45-0137-03

复合材料是新材料领域的重要组成部分，相对于传统材料而言，复合材料具有更高的比强度和比模量、更加优异的抗疲劳断裂性能以及更强的可设计性等特点，是发展现代工业、国防和科学技术不可缺少的重要基础材料，是国家战略性新兴产业中的新材料产业发展的主要方向之一。国内大部分高校尤其是工科院校都非常重视复合材料类课程的开设，如材料科学与工程专业、材料物理专业、材料化学专业、金属材料专业、无机非金属材料专业、高分子材料专业以及复合材料专业通常都开设了与复合材料相关的专业课。《复合材料导论》是中国地质大学（北京）材料科学与工程专业、材料化学专业本科生的一门专业课。该门课程讲述内容包括复合材料概述、复合材料基体、复合材料增强体、复合材料界面以及复合材料的设计原理，另外包括金属基复合材料、无机非金属（主要是陶瓷、水泥）基复合材料、聚合物基复合材料以及碳/碳复合材料等。课程教学的目的是让学生掌握复合材料的基本知识，了解复合材料的结构设计、制备工艺、使用性能、应用场合以及发展动态。然而，该课程知识体系内容丰富，涉及领域宽广，整体内容大于学生所学本专业的实际应用领域。因此，在教学中存在一些问题，例如学生对《复合材料导论》课程重视不足，重点把握不够好，教师很难将所有知识点阐述清楚，导致学生学习深度不够。此外，该门课程多为陈述性内容，在授课过程中很容易陷入乏味的“填鸭式”教学之中，很难激发学生对本门课程的学习兴趣。针对以上存在的问题，笔者通过对该门课程进行教学研究，并在教学过程中进行了改革且应用于教学实践，取得了较好的效果。本文通过分析《复合材料导论》课程的教学内容，并结合本校的专业特色，进行了必要的教学内容、教学方法和考核体系改革，以期可以为高等院校的相关课程和专业建设提供一定的参考和借鉴。

一、调整优化教学内容突出教学重点体现专业特色

《复合材料导论》是一门讲述复合材料的组成结构、使用性能、制备工艺和应用发展的材料类专业主干课程。前一部分主要讲述复合材料的基本知识，包括复合材料基体、复合材料增强体、复合材料界面和复合材料的结构设计等，后一部分主要讲述不同类基体复合材料的主要性能及制备工艺，如金属基（铜基、铝基等）复合材料、聚合物基（塑料基、橡胶基）复合材料、陶瓷基（陶瓷、水泥基）复合材料等。按照新一轮培养方案要求，本科专业课堂教学总学时数需要压缩，在通识课学时数增加的大背景下，专业课的学时数必然需要减少，因此本课程教学学时定为32学时，而在这个教学时间内很难完成原有教材的教学任务。教学过程是为教学目标服务的，为了更好地实现教学目标，必须对教学内容进行调整，确定教学重点。因此，笔者所在教学团队经过对教材的分析，对其结构和内容进行了合并及优化。坚持实用、实际和实效的原则，调整优化了教学章节和教学内容，不但使各部分内容间保持着紧密的联系，而且还将如何突出其内在联系作为本课程的教学重点。《复合材料导论》课程中介绍的所有的复合材料类型，都可以衍生成基体材料、增强材料、加工方法、界面及性能五点，其中前四点决定第五点材料的性能，而材料的性能则决定材料的具体应用。因此，在讲授每一种材料时，教师要注意强调各方面与性能的关系，始终将各方面与性能相联系，分析讲述相关内容，将复合材料的各方面知识融合成一个有机整体，便于学生把知识“吃透”[1]。让学生理解复合材料的整体性能是由各个部分的结构和性质综合决定的，主要包括基体和增强体的类型、含量、取向，界面结合以及复合工艺等。主要调整的内容为将后一部分不同类基体复合材料的制备工艺合并在一起介绍，讲述几种典型的复合工艺即可，将一些基本原理相同的复合工艺合并在一起。众所周知，大学课堂的教学特点为信息量大、内容抽象等，这就要求教师主动发掘学科本身的魅力来激发学生的求知欲，重视非智力因素在教学中的作用。为了达到这样的目的并提高教学效果，就需要教师在授课的同时，深入钻研本课程的理论、应用以及发展前沿动态等信息。在此基础上，及时调整和更新教学内容，以达到突出教学重点的目的。此外，由于不同高校的材料类专业培养目的和专业方向不同，其教学内容也不宜完全相同，应当合理选择教学内容，因专业施教[2]。中国地质大学（北京）材料科学与工程专业以无机非金属材料为主要方向，依托“矿物材料开发及应用”国家专业实验室和“非金属矿物与固废资源材料化利用”北京市重点实验室，以新型矿物材料的研发和应用技术为特色，重点发展矿物资源及工业固体废弃物利用、矿物粉体加工、陶瓷和耐火材料、矿物复合材料等领域，以适应国家、地区经济和社会、行业的发展需要。本专业毕业的学生能够从事在矿物与无机非金属材料领域中的基础理论研究，新材料、新工艺和新技术开发和生产技术管理等工程科技工作和技术经济管理。因此，本校的《复合材料导论》课程教学内容既要包括陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料等共性内容，又要包括矿物复合粉体、矿物复合材料等特色方向的部分内容。

二、灵活运用各种教学方法激发学生的学习兴趣

如前所述，《复合材料导论》课程涉及的内容较广泛且多数为陈述性内容，因此采用传统的平铺直叙的讲解方式，不能很好地激发学生的学习兴趣。针对这种情况，笔者尝试了多种教学方法来提高学生课堂学习的兴趣。（1）教师更多地采用“启发式”教学方式，加强与学生的互动和课堂讨论。这样做的目的在于，一方面将本课程的重点、难点贯穿于课堂中，使学生牢固掌握复合材料的基本概念和基本方法，提高教学效果。另一方面，能进一步提高大学生的创新思维和创新能力。例如，教师可以和学生讨论在航空航天领域（比如航空飞机或运载火箭上）用到的哪类材料的比例越来越高及其原因这个问题。先让学生思考，然后进行讨论，这样就将复合材料的轻质高强、耐高温和抗疲劳等性能特点自然地讲述清楚了，还能使学生印象深刻。（2）有效运用“微课”的教学方式，吸引学生的注意力，增强教学质量和教学效果。“微课”作为辅助教学手段，穿插在传统的教学过程中，有利于复合材料基础理论知识的讲授，也便于学生在轻松的环境中理解其应用，从而提高其对专业知识的学习兴趣[3]。例如，在讲述聚合物复合材料的铺层工艺时，利用形象、生动的动画效果很好地展示了各个铺层之间的关系，特别是在出现尖角和台阶的特殊部位的设计，能够被更清晰地展示出来。再如，在上绪论课之前，教师精心搜集一些关于复合材料应用的图片和视频，运用多媒体技术，介绍复合材料的概念、实例和发展历史，展示复合材料在日常生活、休闲、体育、工业以及军事等多个领域的应用，让学生对复合材料有初步的了解，并认识到它们的先进性。在教学过程中，教师通过运用实物、视频等教学媒体能够明显提高教学效果，使学生更好地融入到轻松、愉悦的课堂环境中。（3）强化案例教学，积极将科研实例融入到课堂教学中去，实现科研为教学服务的目的。在教学过程中，教师应该积极介绍自己的研究项目，以达到拓宽学生学习思路的目的，最终实现教学、科研相长。例如，在讲述碳/碳复合材料制备工艺章节内容时，笔者将自己从事的碳/碳复合材料快速致密化工艺化学液气相沉积工艺的科研实践贯穿其中，指出了该方法是目前缩短碳/碳复合材料制备周期、降低其制备成本的一种有效方法，同时也是该类复合材料走向民用市场的最有希望的一种制备工艺。通过这样的讲解，让学生更好地理解该类复合材料目前存在的主要问题和产业化障碍，同时对碳/碳复合材料的特点及应用有了更加清晰地认识。如此，不仅能够使学生学到课本上的知识，而且也提高了学生把握复合材料领域中新技术和新知识的水平。同时，教师将在科研工作中掌握的国内外最新研究成果贯穿到实际的教学当中，不断地对教学内容进行更新和优化，做到与时俱进。例如，结合目前学术界乃至工业界的“石墨烯热”问题，一方面普及一下石墨烯的结构和性能特点等基本知识，另一方面也给学生们提个醒，即石墨烯的规模化应用还需要进一步的技术突破，不能被资本界当前的跟风炒作行为所误导。目前规模化应用的一个主要方向还是作为复合材料的添加剂来使用，以达到提升复合材料性能的目的。重点是要学生明确石墨烯与石墨烯粉以及与石墨的区别，提高对市场上的各式各样“石墨烯”产品的鉴别能力。通过科研与教学的有机结合，进一步贯彻理论与实践相结合的思想，加深学生对枯燥知识的生动理解，提高教学质量和教学效果[4]。（4）教师应该帮助学生整理知識脉络，使得学生形成清晰、正确的知识结构。例如，在绪论部分，告诉学生本课程中的每种材料都有一定的知识结构，包括材料的成分、结构、性能、生产工艺、技术性质及应用。而在分章节中讲授每种材料的具体内容时，要有意识地提醒学生按照知识结构对材料进行理解。endprint

三、优化考核形式采用综合方式评定课程成绩

考核是教学质量管理的一个重要环节，它不仅是对学生学的效果的评定，还是对教师教的质量的检验。同时，考核也是教师加强教学反馈，促使其改进教学方法，提高教学质量的重要措施之一。传统的闭卷考试，往往使得学生只关注成绩，而不注重分析问题和解决问题等综合能力的提高。同时，考试的另外一个重要弊端就是无法全面评估学生对本门课程的掌握情况，因为本门课程内容较广泛，知识点很多。最近几年，笔者所在教学团队通过近几年的教学和考核方式的实践，不断地优化考核形式，采用综合考核、灵活应试的办法，通过平时考勤、课堂发言和讨论、读书报告以及综述性论文等多种方法对学生进行综合考核。具体包括以下考核手段：（1）加强课堂考勤管理。由于本门课程在第七学期开设，多数学生正在准备考研或者找工作，如果不加强课堂考勤管理势必会影响到本门课程的教学秩序乃至教学效果。（2）加强平时发言和课堂讨论的考核。通过启发式教学方式和互动式的教学模式，激发学生的好奇心和学习兴趣。同时，教师在此过程中也要注意加强引导和管理。（3）教师要求学生通过阅读教材和相关专业书籍，找出最新的复合材料领域内的技术，并将最新技术总结成读书报告。（4）选择一种具体的复合材料或者复合材料的某一方面，例如制备工艺技术等，完成一篇综述性论文。选题的原则包括以下几点：结合自身情况，例如有的学生参加过大学生创新性实验计划项目的，有的是参与了专业教师的研究课题，或者通过认识实习和生产实习等实践性教学环节接触过有关复合材料或产品，还可以结合教师课堂讲述过的感兴趣的复合材料等进行。通过查阅文献资料，对该类复合材料的结构、性能和工艺以及发展动态等做出全面的总结和概述。这一方面能使学生更好地理解复合材料的整个知识体系。另一方面则有利于提高其文献综述的能力，为其后续的毕业论文工作，以及将来的继续深造或者工作均可打下必要的基础。最后，教师要认真评判学生的读书报告和综述论文，给出公平、公正的评价。综合以上四部分成绩最终给出本门课程的综合成绩。总之，教学要以培养适合社会发展需求的人才为目的，通过本课程有望培养具有丰富专业知识、敏锐专业意识的材料专业人才，为学生以后从事技术或研发工作打下良好的复合材料专业基础。

四、结语

《复合材料导论》是一门内容丰富、相对抽象的课程，“填鸭式”的教学方式不容易激发学生的学习兴趣。灵活运用和及时更新教学方法，加强案例教学突出教学重点，能够进一步提高学生对该门课程的学习兴趣。改革课程成绩评定办法，采用读书报告和综述性论文的方式能够提高学生对专业文献资料的查阅和综合评述能力，有利于锻炼和提高学生发现问题和解决问题的能力，增强他们的科学素养和创新精神。通过改革和实践，教学效果有了明显的提高，实现了教学相长，为更多创新性人才的培养起到了促进作用。本课程的教学改革对我国高校材料类专业的建设和复合材料类课程建设具有一定的参考价值。

致谢：感谢中国地质大学（北京）教学研究与教学改革项目“基于工程教育專业认证的材料科学与工程专业课程体系的构建”。

参考文献：

[1]马庆宇.《复合材料概论》教学改革浅析[J].教改创新，2013，（2）：48-50.

[2]潘强，何田，张驰，胡大勇.复合材料专业课教学改革实践探究[J].新课程研究，2014，（12）：83-84.

[3]唐立丹，王冰齐，锦刚，彭淑静.微课教学在《复合材料概论》教学中的应用和实践[J].高教学刊，2015，（20）：90-92.

[4]丛海林，于冰，张秀兰，杨瑞霞.教学创新在复合材料课程中的应用与实践[J].教育教学论坛，2015，（51）：87-88.endprint