“功能复合材料”通识课的课程改革探索

2022-12-27张思瑞

科教导刊 2022年31期

张思瑞，廖敏，仲鹏

（西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院陕西西安 710126）

大学教育一般分为专业课和通识课，专业课是为了培养学生在某一知识领域的专业技能和谋生手段，而通识课是除专业教育以外的基础教育课程，要向所有大学生传授基本的社会常识。通识课是实现通识教育理念和目标的关键因素，涵盖文学、艺术、心理、传播、数学、物理、建筑、天文、历史、科学、地理、生物、民俗、营养、工程、哲学、戏剧、宗教、管理。在2018年全国教育大会上，习近平总书记专门强调：在高等教育过程中，时刻谨记“立德树人”这一要务，使得这个目标贯穿到整个教育环节。从学科、教学、教材、管理各个体系开始遵循“立德树人“来设计，教师和学生也要针对自己的角色来筹划[1]。2010年-2020年，国家中长期教育改革和发展规划纲要对高等教育提出了更多更广的要求，在以培养高精尖人才的基础上，将素质教育以及教育改革推广到了发展战略主题的新高度。[2-3]，由此可见，课程改革具有重要的意义。

1 课程开设的必要性

先进功能复合材料在科技和军事领域中具有举足轻重的作用，相比于传统的结构复合材料，功能复合材料具有研发时间短、种类多、应用范围广且在特殊地方应用等多种特点[4]，应用前景十分广阔。空客A380机身、尾翼、副翼和压力舱壁等大量使用复合材料。机身部分由玻璃纤维制成的铝层压板（称为GLARE）构成，比典型的航空航天材料（例如7075铝）更强，并且疲劳寿命高10-15倍。国产C919客机采用了很多新材料：第三代铝锂合金、钛合金大型复杂整体构件激光成形技术、碳纤维增强树脂基复合材料以及金属基复合材料等。其中铝锂合金有众多优点：首先，对于锂铝合金来说，加入锂之后，可以大幅度降低合金的比重，在增加材料刚度的同时，仍然可以保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。正因为铝锂合金的特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的青睐。由于这种合金的诸多优点，吸引着世界各国科学家的深入研究，真正实现了用科研带动技术，又用技术回馈科研的良性循环。碳纤维增强树脂基复合材料，具有很多的优点，比如耐腐蚀性强、抗疲劳性良好等。这种材料比铝更轻，比钢更硬，其密度是铁的1/4，强度却是铁的10倍，其化学组成非常稳定，不仅有助于减轻飞机重量，还能提高飞机的总体性能。近年来，金属基复合材料又逐渐代替碳纤维增强树脂基复合材料成了新的研究热点。国际上金属基复合材料主要以铝基为主，具有高比强度、高比模量导电、导热性能、热膨胀系数小、尺寸稳定好、良好地高温性能、耐磨性好、疲劳性能和断裂韧度好、性能再现性及可加工性好不吸潮、不老化、气密性好等一系列优点。

因此，在当今世界，无论是军事领域还是民用领域，功能复合材料的应用范围都十分广泛，为人们提高生活质量和科学技术发展奠定了坚实的基础。“功能复合材料”作为大一下学期开设的通识课，使学生能够了解到功能复合材料方面的应用以及知识点。该课程的内容主要是思想和材料问题，结合具体学科的知识体系，在更广的层次进行指导。

2 改革教学方法

“功能复合材料”作为材料专业的专业选修课程之一，其知识体系繁杂，基本理论较多，针对这些教学难点，从以下几方面教学方法入手深入挖掘，旨在提升学生的注意力，激起学生的兴趣。

2.1 课程思政的加入

课程思政是这几年新兴的教育理念，旨在把“立德树人”作为教育的根本任务的一种综合教育理念[5]。不同于传统的专业课思政教学，通识课的课程思政需要授课老师自身的思想政治素养的提升，不仅清楚知识点的条理，可以自然随时地融入课堂授课当中；更重要的是具有高尚的道德情操，要求教师思想政治素养能够满足和适应新形势下现代教育工作的要求。正如前面所介绍的功能复合材料应用，大到航空航天，小到出行的小汽车，都离不开功能复合材料。因此可以在讲授这些内容时介绍航天科技的发展史，激发学生的爱国主义情怀；讲授我国航天航空与国外的差距，激励学生奋发向上；讲授汽车中先进电子设备的应用，引导学生从基本科学出发，争取解决国家重大科学问题。

2.2 “以学生为中心”互动式教学模式的引入

2011年，华中科技大学校长李培根提出了“以学生为中心”的互动式教学模式，并且工程教育专业认证遵循三个基本理念：成果导向、以学生为中心、持续改进[6]。由此可见，“以学生为中心”互动式教育模式在高等教育过程中的重要性，其最根本的就是以教师的“教”为中心向以学生的“学”为中心转变。功能复合材料本身具有很多应用实景，在开始引入阶段，教师可以提问，“为什么航天航空中的材料可以承受这么高的温度？”以及“汽车中的电子设备是怎么运作的？”然后要求学生以这些问题为出发点，经过查阅相关文献给出各自的答案，并且安排小组讨论，经过归纳总结，给出较为完整的答案。教师在听取学生的汇报时，要进行点评给出指导，通过这种方式，学生能够从本质上接受功能复合材料的温度以及磁性功能复合材料的基本应用原理。然后，教师再次提出问题“为了更加提高航天航空的温度，可以对材料进行怎样的设计？”通过这些循序渐进的问题，学生能够更加理解其中的原理性知识。最后，在课堂结束时，教师应该对学生进行综合性的点评，促进学生之间更好地沟通交流。

2.3 分析归纳法的教学方式建立

功能复合材料的定义很广，基体以及功能体的类型尤其多样，这导致学生很容易混淆概念，在理解知识点的过程中容易模糊不清，针对这些难点，将功能复合材料中的知识点分门别类的整理，有助于学生从根本上理解功能复合材料的原理。例如，导电功能复合材料的功能体很多，有些基本都是一种元素，比如碳系导电体，学生很难消化理解。结合教材知识，让学生能够更加统一的认识，常见的碳系导电体的类型以及优缺点（见表1），这样方便学生更好地理解且在功能复合材料的设计上选择合适的导电体。

表1 常见的碳系导电体优缺点归纳比较

3 优化教学内容

“功能复合材料”作为大一下学期通识课，开课时间比较适合，考虑到通识课的课时量以及参考学生的接受度，本教学内容大致以下四部分开展。

第一章（绪论），首先从日常的交通出行开始介绍这门课，比如前面介绍的民航飞机里面用到的功能复合材料，汽车上用到的碳纤维/聚合物复合材料，使用先进材料和复合材料能够减少汽车重量的60%，并提高刚性，延长使用寿命，诺斯罗普·格鲁曼公司的X-47A无人作战飞机主要由碳纤维/环氧树脂基体复合材料经室温固化制备获得。从这些学生日常可以触碰到的仪器设备出发，玻璃纤维能增强乙烯基酯复合材料罐来用于垃圾处理厂，具有优异的耐腐蚀性。然后开展课程思政教育，引起学生的兴趣。接下来介绍复合材料的设计方法、复合效应以及常用的制备方法等。

第二章（磁功能复合材料），讲述了跟磁有关的知识，首先从磁信息材料开始介绍，让学生了解磁性能的应用，比如电动汽车中电子器件的NdFeB永磁体材料，介绍这种材料的应用场景、性能以及制备方法等；其次，计算机网络中的MnZn高导铁氧体材料；还有平面家电中的高频电感型NiZn铁氧体，最后是手机中用到的低温烧结YIG旋磁铁氧体材料。通过讲解这些应用领域，让学生了解磁功能复合材料的基本知识理论与原理，提升他们的学习兴趣。

第三章（导电功能复合材料），讲述了与电有关的知识，用视频方法列举一些文献知识，让学生在学习原理的同时，了解科学研究的内涵。该章会有几种导电机制的讲解，通过视频及图谱讲授其中的原理，使学生形象生动地理解该原理。该章同时会介绍与军事有关的材料，比如电磁波复合材料、吸波复合材料、透波复合材料，可以在国防领域、保密领域以及隐身技术等方面应用，比如F-117A隐形攻击机、B-2战略轰炸机、F-22先进战术隐身战斗机以及美国纯隐形的21世纪新型战舰BFC，均采用了不同类型的吸波材料。通过对这些军事装备领域的讲解以及一些社会热点问题，构建学生的爱国情怀。

第四章是开放式内容，可以提前咨询学生的兴趣，听取学生的意见，在光功能复合材料以及抗辐照功能复合材料中选选取更有兴趣的内容。学生可以提前了解这两方面的内容，查阅相关的知识，建立知识体系；通过这种开放式的教学，以学生为中心，使学生把握主动权，让学生有主人翁意识，对本章的学习产生更浓厚的兴趣。

“功能复合材料”是材料类专业选修课，课程内容庞杂，但是通过优化教学内容，依据通识课的培养理念，全面培养学生的专业知识和综合素质，更重要的是通过期末论文的撰写，让学生通过查阅资料，为以后的学习生活发展提供有意义的参考。