“航空材料概论”课程教学改革研究

廖英可，许本胜，王 广

（桂林航天工业学院航空宇航学院 广西 桂林 541004）

“航空材料概论”包含航空材料学的基础内容，如金属材料、复合材料、航空发动机用高低温材料等，是航空材料学研究领域重要的基础课程，也是材料学相关专业和航空发动机设计相关专业的必修课程，对学生后续学习专业课、掌握本领域专业知识起着非常重要的作用。通过对材料的深入研究，可以不断提高已知型号材料的性能，也可以开发利用新型材料，显著提升航空航天飞行器的性能和可靠性，延长设备的使用寿命，降低维护和维修成本。

习近平总书记在党的二十大报告中对科教兴国战略作出全面部署，要求“坚持为党育人、为国育才，全面提高人才培养质量，着力造就拔尖创新人才”，强调“要努力构建德智体美劳全面培养的教育体系，形成更高水平的人才培养体系。要把立德树人融入思想道德教育、文化知识教育、社会实践教育各环节”[1]。这就意味着必须从最基层的导论课、概论课开始，由下而上，对整个学科建设体系的各个科目都进行一定程度的改进，把党的指导思想融入授课过程的方方面面，培养学生的使命感和创新能力。一方面，需要根据人才培养目标和课程教学目标，有针对性地切入课程思政点，提升学生的思想道德水平、科学素养、文化修养，厚植爱国主义精神。一方面，一个知识点可以利用不同的素材和观点，引伸出多个课程思政点，引领正确的世界观、人生观、价值观，让学生的综合素质得到提升[2-3]。另一方面，需要与时俱进，对传统的教学模式进行改进，提高课堂的趣味性和启发性，使学生学有所得，学有所悟，学有所为。

在课程思政的融入方面，已经有许多学者进行了大量的探索和研究，在绪论章节、钛合金章节、高温合金章节和复合材料章节融入了思政教学设计，并提出了相应的课程思政建设原则[4-5]，成果较为丰富。因此，本文主要从课堂教学模式的角度，对“航空材料概论”课程进行教学改革研究，探索新兴技术对传统工科课程带来的机遇与挑战。

1 传统教学模式

传统的“航空材料概论”课程教学模式主要包括教师讲授、学生听课、考试评估等环节。教师在课堂上向学生传授相关的理论知识，学生通过课前预习、课上听讲、课后复习等方式掌握这些知识。这种模式可以有效地传授专业知识和技能，让学生打下坚实的理论基础，但通常缺乏启发性，无法很好地提升学生的创新能力。过于单一的评估方式也无法考查学生的综合素质和能力，学生往往会忽略中间过程的重要性，只在考前进行突击，使得知识掌握不够牢固。同时，随着时代的发展，学生群体也有两个重要的变化：

第一，智能电子设备大范围普及带来的外部影响。现在学生基本上人人都有电脑、手机等电子设备，属于数字原生代，轻易就能接触到各式各样的短视频，五花八门的游戏，种类繁多的网络小说等。大量这类具有趣味性以及一定成瘾性的内容势必会分散学生学习的注意力，并降低他们对枯燥的理论知识的学习积极性。

第二，时代变化给学生思想带来的内部影响。当代的“00 后”大学生大多数来自独生子女家庭，父母格外注重他们的教育问题，着重培养其独立思考的能力。学生对教育的期望偏向于个人兴趣和发展，追求个性化的学习体验，希望成为教学活动的参与者和设计者，发挥自己的主动性和创造力。

因此，教学模式也应当与时俱进，跟学生有更多的互动环节，充分调动学生的积极性和创造性，为学生提供更加有针对性和有效的教育体验。这不仅有助于提高他们对理论知识的理解程度，也对学生的学习思维进行了培养，有效地提升了人才培养质量。

2 教学改进

2.1 复合材料章节的教学改进

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过一定的工艺手段进行组合而制得的一种材料。其具有单一材料所不具备的各种特性，可以广泛应用在航空航天、汽车、建筑等领域，不仅受到科研工作者的追捧，在国家层面上也备受重视。美国、日本和欧洲的发达国家在复合材料领域具有较高的研究实力和应用水平，在设计、工艺、测试方法等方面都取得了重要的研究成果，碳纤维增强材料IM7、AS4 等已经被广泛用于A380、B787 和汽车车身等的制造过程中。国内复合材料的研究也有近40 年的历史，通过改进加工工艺、优化材料配比等手段，也取得了一系列重要成果，应用范围覆盖了军事用途和民事用途[6]。

复合材料种类、特性繁多，制造工艺极具特色，为了让学生有更加深入的认知和了解，仅通过课堂讲授的方式显然是不够的。为此，可以在日常教学中增加一道特殊的环节——“对话人工智能”。在对话人工智能的环节中，教师可以引导学生提出问题，例如关于某种复合材料的性能特点、制备方法、应用领域等方面的问题。然后，通过人工智能进行搜索，并将搜索结果呈现给学生。学生可以通过对搜索结果的分析和讨论，进一步理解和掌握复合材料的相关知识。此外，在对话人工智能的过程中，教师还可以通过提供一些实例和案例，让学生进行思考和解决问题。例如，可以给学生提供某个具体的复合材料实际应用案例，让他们思考该复合材料选择的原因、制备工艺等方面的问题。通过这样的实例引导，学生可以将理论知识与实际问题相结合，培养他们的应用能力和创新思维。在对话过程中，教师还可以提醒学生注意人工智能搜索结果的可信度和准确性。虽然人工智能可以提供大量的信息，但并不是所有信息都是准确和可靠的。因此，学生需要具备批判性思维和判断能力，对搜索结果进行筛选和分析。对话人工智能环节的引入，不仅可以增加学生参与课堂的积极性和主动性，还可以培养学生的信息检索和处理能力。通过与人工智能的交互，学生可以更加深入地了解和掌握复合材料的知识，充分调动学生思考的积极性和主动性，使学生在这个过程中获得课堂参与感和成就感，加深他们对知识点的认同和理解。

2.2 铝合金章节的教学改进

铝合金是在纯铝中添加其他合金元素，如镁、锌、铜、硅、钪、锂等来改善其性能和组织的合金材料，具有轻量化、高强度、耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车制造、建筑等领域具有重要的意义和广泛的应用[7]。例如，利用铝合金密度重较低的特点，可以降低大型设备（如飞机、汽车）的整体质量，提高燃油效率，减少碳排放，从而实现能源节约和环境保护的目标；利用铝合金强度和刚性较高的特点，可以制造小型电子设备的外壳等。美国的波音公司、欧洲的空客公司等航空巨头都在积极利用铝合金制造更加轻量化和高强度的航空器件，国内的航空工业集团公司、中国航天科技集团公司等企业也在航空航天领域积极研发铝合金应用技术，将其应用于飞机结构、航天器等领域。

铝合金作为一种重要的材料，研究历史较长、种类较多，学生对铝合金相关知识的掌握程度一般较差。同时，受限于篇幅，课本上也无法对每个牌号的铝合金都进行深入的介绍，只能较为笼统地谈谈它们的共性、特异点等，知识点的覆盖不能做到十分全面。因此，可以利用人工智能搜索，通过布置分组式课外作业的形式，让学生自由地选择某个感兴趣的铝合金进行深入学习和展示，以激发学生的学习热情，提升其对知识的掌握能力。人工智能可以较好地解决这一过程中，学生知识储备不足、查阅资料能力不够的缺点，并增加一定的趣味性，让学生从被动接受作业，变成主动完成作业，进而提升教学效果。

2.3 钛合金章节的教学改进

钛合金是一种由钛和其他金属元素合金化而成的材料，具有优异的比强度、比刚度、低密度、耐腐蚀性和生物相容性，除了被广泛应用于航空航天、汽车等工业领域之外，也常被用来制作医疗器械。使用钛合金可以降低设备的自重，实现结构的轻量化设计，提高载荷能力和效率，并提升设备的使用寿命。因此，钛合金在大型航空航天产品（例如军用飞机、卫星等）中的用量上逐年递增。钛合金在F35 中的用量占飞机总重的27%，在空客A380 上的用量为10%，在国产大飞机C919 上的用量也达到了9.3%。庞大的市场和需求对钛合金的发展起着强大的推动作用，国内外的研究机构和企业都在大力推进钛合金材料的创新与应用，在合金设计、制备工艺、表面改性等方面不断优化，以获得更高的力学性能、耐腐蚀性能等，满足不同领域的需求。

相较于复合材料和铝合金材料，钛合金根据退火组织的不同分为三大类，研究内容更加集中，学生的接受程度也要更高。通过课前预习、课堂讲授和课后复习，学生基本上可以掌握书中的相关知识，但他们的创新思维和逻辑思维却不能得到很好的锻炼。为了提升学生的学习思维和教学体验，可以依托于人工智能搜索，给学生布置一份特殊的调研任务，即“未来的钛合金发展调研”。人工智能因为其独特的成长性，可以通过不同的训练条件得到不一样的结果。因此，每位学生都可以根据自己的想法和偏好，在人工智能的预测下获得不同的结果，大大增加了学习过程中的趣味性，也让学生的创造思维得到了发展。同时，为了使预测结果在一定的合理范围内，还可以将训练条件限定在已知的知识点之内，让学生对该知识点的理解更进一步，从而提升人才培养质量。

2.4 航空发动机材料章节的教学改进

航空发动机材料主要包含用于燃烧室、高压涡轮、低压涡轮的高温材料和用于进气口、压气机等位置的低温材料。作为支撑整个发动机运行和提供可靠保障的基础，航空发动机材料在发动机的发展历史上一直扮演着至关重要的角色，是发动机性能提升的关键点。航空发动机材料的研究和应用对于提高发动机的性能、延长使用寿命、降低能耗和减少污染排放具有重要意义。国外大型的研究机构和企业，例如普惠公司、通用电气公司、罗尔斯-罗伊斯公司等，在高温合金、陶瓷基复合材料等高温材料的研究上成果显著，已广泛应用于A380、B787 max 等机型。国内的中国航发集团、北航、西工大等科研院所和高校也在航空发动机材料的研究上取得了一些成果，并加强了航空发动机材料相关的科研合作和国际交流，积极参与到国际航空发动机材料的研究和开发中。

航空发动机材料章节内容较多，知识面广，与航空领域的关联性很强，在航空材料概论整个的课程体系中有着重要的地位。同时，正因为其与专业性的内容牵连较多，学生的接受程度也会有所下降，需要通过一定的方式来激发他们的学习积极性。传统的解决方式之一是通过课堂上播放相关的科普视频或者纪录片，以提高学生的兴趣和关注度。这种方式的优点是行之有效，可以让学生对视频里边的相关材料有一定的了解，但对于视频没有提到的材料，学生往往会无意识地忽略，使得了解和掌握的知识点不够全面。另一种比较有效的手段是布置分组式课外作业，让学生以小组为单位对某一材料进行研究，互相协作，集思广益，从而对该材料有深刻和全面的认识。在人工智能飞速发展的现代，教学方式也可以在原有的基础上进一步改进和发展。以科普视频为例，人工智能拥有比传统搜索引擎更为强大的全网检索功能，且通过指令还可以获得视频链接、做好相关分类。这不仅可以为教师节省大量的准备时间，还能高效率得到一系列成体系的材料科普视频或者纪录片。受限于课堂时间，教师可以有选择性地在课堂上播放具有代表性的视频，让学生课后再对其余材料进行学习，这能够较好地解决知识点不够全面的问题。对于课外作业，利用人工智能可以跳出传统作业的框架，让整个过程充满趣味性。比如可以将知识点和AI 绘画结合起来，让学生利用AI 构建出完全属于自己的一幅材料肖像画，并在此基础上辅以课堂展示，使得这份课外作业可以调动全体同学的学习积极性，寓教于乐，融学于趣，化教于心。

2.5 其他章节的教学改进

除了前文提到的几个重要章节，“航空材料概论”课程还会教授铝锂合金、超高强度钢、航空功能材料等内容[8]。这些章节的内容量相对较少，体系较为集中，但对于整个课程而言同样重要，也需要让学生掌握相关的知识点。

传统教学方式以课堂讲授为主，由于这些章节的课时量普遍较少，学生往往会不自觉地忽视其重要性。对于教师而言，在简短的授课过程中，也难以有效地引导学生进入学习状态，使得学生容易出现知识点掌握不够牢固的情况，造成漏记、错记的问题。为此，可以利用人工智能强大的自动生成能力，让学生可以对课堂内容进行编排设计、制作课件，并上台授课。在这一过程中，学生成为章节内容的引领者，教师只需要注重查缺补漏、及时纠错，就能让学生对知识点有较深的体悟，同时提高他们的主动性和创造性。在学生参与编排设计课程内容的过程中，可以通过人工智能技术提供辅助和智能化的建议。例如，学生可以利用人工智能辅助系统进行知识点的整理和归纳，帮助他们更好地把握章节的重点和难点，从而能够更有针对性地制作课件。此外，系统还可以根据学生的学习进度和掌握情况，提供智能化的学习建议，帮助学生更好地利用时间和资源。通过学生参与课程的编排设计和授课过程，不仅能够强化其对知识的理解和掌握，还能够培养学生的表达能力和沟通能力。学生在上台授课时需要有条理地组织自己的思路，并以清晰、简洁的语言将知识传递给其他同学。这样的实践过程将帮助学生提高口头表达和演讲能力，为他们未来的学术和职业发展打下坚实的基础。同时，这种学生参与式的教学方法也能够促进学生的主动学习态度的培养和创造性思维能力的发展。学生作为课程的引领者，需要主动思考和研究相关知识，从而更好地组织和呈现课堂内容。这种自主学习的过程培养了学生的学习兴趣和学习动力，激发了他们的创造性思维，使得他们能够更好地理解、运用和拓展所学知识。

3 结语

人工智能对现代社会的影响是全面而深远的，其不仅在各个行业引起了巨大的变革，也必然会对传统的教学模式带来挑战和机遇。本文围绕航空材料概论课程教学内容，讨论了现有教学模式的不足之处，并通过在各个章节中引入人工智能进行教学改进，分析了新兴技术给传统工科课程教学带来的机遇与挑战，有助于提高人才培养水平，增强学生的专业素质，为建设社会主义教育强国提供助力。