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        “功能復(fù)合材料”通識(shí)課的課程改革探索

        2022-12-27 04:03:14張思瑞
        科教導(dǎo)刊 2022年31期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料功能課程

        張思瑞,廖 敏,仲 鵬

        (西安電子科技大學(xué)先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院 陜西 西安 710126)

        大學(xué)教育一般分為專業(yè)課和通識(shí)課,專業(yè)課是為了培養(yǎng)學(xué)生在某一知識(shí)領(lǐng)域的專業(yè)技能和謀生手段,而通識(shí)課是除專業(yè)教育以外的基礎(chǔ)教育課程,要向所有大學(xué)生傳授基本的社會(huì)常識(shí)。通識(shí)課是實(shí)現(xiàn)通識(shí)教育理念和目標(biāo)的關(guān)鍵因素,涵蓋文學(xué)、藝術(shù)、心理、傳播、數(shù)學(xué)、物理、建筑、天文、歷史、科學(xué)、地理、生物、民俗、營養(yǎng)、工程、哲學(xué)、戲劇、宗教、管理。在2018年全國教育大會(huì)上,習(xí)近平總書記專門強(qiáng)調(diào):在高等教育過程中,時(shí)刻謹(jǐn)記“立德樹人”這一要?jiǎng)?wù),使得這個(gè)目標(biāo)貫穿到整個(gè)教育環(huán)節(jié)。從學(xué)科、教學(xué)、教材、管理各個(gè)體系開始遵循“立德樹人“來設(shè)計(jì),教師和學(xué)生也要針對自己的角色來籌劃[1]。2010年-2020年,國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要對高等教育提出了更多更廣的要求,在以培養(yǎng)高精尖人才的基礎(chǔ)上,將素質(zhì)教育以及教育改革推廣到了發(fā)展戰(zhàn)略主題的新高度。[2-3],由此可見,課程改革具有重要的意義。

        1 課程開設(shè)的必要性

        先進(jìn)功能復(fù)合材料在科技和軍事領(lǐng)域中具有舉足輕重的作用,相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,功能復(fù)合材料具有研發(fā)時(shí)間短、種類多、應(yīng)用范圍廣且在特殊地方應(yīng)用等多種特點(diǎn)[4],應(yīng)用前景十分廣闊??湛虯380機(jī)身、尾翼、副翼和壓力艙壁等大量使用復(fù)合材料。機(jī)身部分由玻璃纖維制成的鋁層壓板(稱為GLARE)構(gòu)成,比典型的航空航天材料(例如7075鋁)更強(qiáng),并且疲勞壽命高10-15倍。國產(chǎn)C919客機(jī)采用了很多新材料:第三代鋁鋰合金、鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以及金屬基復(fù)合材料等。其中鋁鋰合金有眾多優(yōu)點(diǎn):首先,對于鋰鋁合金來說,加入鋰之后,可以大幅度降低合金的比重,在增加材料剛度的同時(shí),仍然可以保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。正因?yàn)殇X鋰合金的特性,這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的青睞。由于這種合金的諸多優(yōu)點(diǎn),吸引著世界各國科學(xué)家的深入研究,真正實(shí)現(xiàn)了用科研帶動(dòng)技術(shù),又用技術(shù)回饋科研的良性循環(huán)。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,具有很多的優(yōu)點(diǎn),比如耐腐蝕性強(qiáng)、抗疲勞性良好等。這種材料比鋁更輕,比鋼更硬,其密度是鐵的1/4,強(qiáng)度卻是鐵的10倍,其化學(xué)組成非常穩(wěn)定,不僅有助于減輕飛機(jī)重量,還能提高飛機(jī)的總體性能。近年來,金屬基復(fù)合材料又逐漸代替碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成了新的研究熱點(diǎn)。國際上金屬基復(fù)合材料主要以鋁基為主,具有高比強(qiáng)度、高比模量導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定好、良好地高溫性能、耐磨性好、疲勞性能和斷裂韌度好、性能再現(xiàn)性及可加工性好不吸潮、不老化、氣密性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。

        因此,在當(dāng)今世界,無論是軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域,功能復(fù)合材料的應(yīng)用范圍都十分廣泛,為人們提高生活質(zhì)量和科學(xué)技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?!肮δ軓?fù)合材料”作為大一下學(xué)期開設(shè)的通識(shí)課,使學(xué)生能夠了解到功能復(fù)合材料方面的應(yīng)用以及知識(shí)點(diǎn)。該課程的內(nèi)容主要是思想和材料問題,結(jié)合具體學(xué)科的知識(shí)體系,在更廣的層次進(jìn)行指導(dǎo)。

        2 改革教學(xué)方法

        “功能復(fù)合材料”作為材料專業(yè)的專業(yè)選修課程之一,其知識(shí)體系繁雜,基本理論較多,針對這些教學(xué)難點(diǎn),從以下幾方面教學(xué)方法入手深入挖掘,旨在提升學(xué)生的注意力,激起學(xué)生的興趣。

        2.1 課程思政的加入

        課程思政是這幾年新興的教育理念,旨在把“立德樹人”作為教育的根本任務(wù)的一種綜合教育理念[5]。不同于傳統(tǒng)的專業(yè)課思政教學(xué),通識(shí)課的課程思政需要授課老師自身的思想政治素養(yǎng)的提升,不僅清楚知識(shí)點(diǎn)的條理,可以自然隨時(shí)地融入課堂授課當(dāng)中;更重要的是具有高尚的道德情操,要求教師思想政治素養(yǎng)能夠滿足和適應(yīng)新形勢下現(xiàn)代教育工作的要求。正如前面所介紹的功能復(fù)合材料應(yīng)用,大到航空航天,小到出行的小汽車,都離不開功能復(fù)合材料。因此可以在講授這些內(nèi)容時(shí)介紹航天科技的發(fā)展史,激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷;講授我國航天航空與國外的差距,激勵(lì)學(xué)生奮發(fā)向上;講授汽車中先進(jìn)電子設(shè)備的應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生從基本科學(xué)出發(fā),爭取解決國家重大科學(xué)問題。

        2.2 “以學(xué)生為中心”互動(dòng)式教學(xué)模式的引入

        2011年,華中科技大學(xué)校長李培根提出了“以學(xué)生為中心”的互動(dòng)式教學(xué)模式,并且工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循三個(gè)基本理念:成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)[6]。由此可見,“以學(xué)生為中心”互動(dòng)式教育模式在高等教育過程中的重要性,其最根本的就是以教師的“教”為中心向以學(xué)生的“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變。功能復(fù)合材料本身具有很多應(yīng)用實(shí)景,在開始引入階段,教師可以提問,“為什么航天航空中的材料可以承受這么高的溫度?”以及“汽車中的電子設(shè)備是怎么運(yùn)作的?”然后要求學(xué)生以這些問題為出發(fā)點(diǎn),經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)給出各自的答案,并且安排小組討論,經(jīng)過歸納總結(jié),給出較為完整的答案。教師在聽取學(xué)生的匯報(bào)時(shí),要進(jìn)行點(diǎn)評給出指導(dǎo),通過這種方式,學(xué)生能夠從本質(zhì)上接受功能復(fù)合材料的溫度以及磁性功能復(fù)合材料的基本應(yīng)用原理。然后,教師再次提出問題“為了更加提高航天航空的溫度,可以對材料進(jìn)行怎樣的設(shè)計(jì)?”通過這些循序漸進(jìn)的問題,學(xué)生能夠更加理解其中的原理性知識(shí)。最后,在課堂結(jié)束時(shí),教師應(yīng)該對學(xué)生進(jìn)行綜合性的點(diǎn)評,促進(jìn)學(xué)生之間更好地溝通交流。

        2.3 分析歸納法的教學(xué)方式建立

        功能復(fù)合材料的定義很廣,基體以及功能體的類型尤其多樣,這導(dǎo)致學(xué)生很容易混淆概念,在理解知識(shí)點(diǎn)的過程中容易模糊不清,針對這些難點(diǎn),將功能復(fù)合材料中的知識(shí)點(diǎn)分門別類的整理,有助于學(xué)生從根本上理解功能復(fù)合材料的原理。例如,導(dǎo)電功能復(fù)合材料的功能體很多,有些基本都是一種元素,比如碳系導(dǎo)電體,學(xué)生很難消化理解。結(jié)合教材知識(shí),讓學(xué)生能夠更加統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),常見的碳系導(dǎo)電體的類型以及優(yōu)缺點(diǎn)(見表1),這樣方便學(xué)生更好地理解且在功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)上選擇合適的導(dǎo)電體。

        表1 常見的碳系導(dǎo)電體優(yōu)缺點(diǎn)歸納比較

        3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

        “功能復(fù)合材料”作為大一下學(xué)期通識(shí)課,開課時(shí)間比較適合,考慮到通識(shí)課的課時(shí)量以及參考學(xué)生的接受度,本教學(xué)內(nèi)容大致以下四部分開展。

        第一章(緒論),首先從日常的交通出行開始介紹這門課,比如前面介紹的民航飛機(jī)里面用到的功能復(fù)合材料,汽車上用到的碳纖維/聚合物復(fù)合材料,使用先進(jìn)材料和復(fù)合材料能夠減少汽車重量的60%,并提高剛性,延長使用壽命,諾斯羅普·格魯曼公司的X-47A無人作戰(zhàn)飛機(jī)主要由碳纖維/環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料經(jīng)室溫固化制備獲得。從這些學(xué)生日常可以觸碰到的儀器設(shè)備出發(fā),玻璃纖維能增強(qiáng)乙烯基酯復(fù)合材料罐來用于垃圾處理廠,具有優(yōu)異的耐腐蝕性。然后開展課程思政教育,引起學(xué)生的興趣。接下來介紹復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法、復(fù)合效應(yīng)以及常用的制備方法等。

        第二章(磁功能復(fù)合材料),講述了跟磁有關(guān)的知識(shí),首先從磁信息材料開始介紹,讓學(xué)生了解磁性能的應(yīng)用,比如電動(dòng)汽車中電子器件的NdFeB永磁體材料,介紹這種材料的應(yīng)用場景、性能以及制備方法等;其次,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的MnZn高導(dǎo)鐵氧體材料;還有平面家電中的高頻電感型NiZn鐵氧體,最后是手機(jī)中用到的低溫?zé)Y(jié)YIG旋磁鐵氧體材料。通過講解這些應(yīng)用領(lǐng)域,讓學(xué)生了解磁功能復(fù)合材料的基本知識(shí)理論與原理,提升他們的學(xué)習(xí)興趣。

        第三章(導(dǎo)電功能復(fù)合材料),講述了與電有關(guān)的知識(shí),用視頻方法列舉一些文獻(xiàn)知識(shí),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)原理的同時(shí),了解科學(xué)研究的內(nèi)涵。該章會(huì)有幾種導(dǎo)電機(jī)制的講解,通過視頻及圖譜講授其中的原理,使學(xué)生形象生動(dòng)地理解該原理。該章同時(shí)會(huì)介紹與軍事有關(guān)的材料,比如電磁波復(fù)合材料、吸波復(fù)合材料、透波復(fù)合材料,可以在國防領(lǐng)域、保密領(lǐng)域以及隱身技術(shù)等方面應(yīng)用,比如F-117A隱形攻擊機(jī)、B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)、F-22先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)隱身戰(zhàn)斗機(jī)以及美國純隱形的21世紀(jì)新型戰(zhàn)艦BFC,均采用了不同類型的吸波材料。通過對這些軍事裝備領(lǐng)域的講解以及一些社會(huì)熱點(diǎn)問題,構(gòu)建學(xué)生的愛國情懷。

        第四章是開放式內(nèi)容,可以提前咨詢學(xué)生的興趣,聽取學(xué)生的意見,在光功能復(fù)合材料以及抗輻照功能復(fù)合材料中選選取更有興趣的內(nèi)容。學(xué)生可以提前了解這兩方面的內(nèi)容,查閱相關(guān)的知識(shí),建立知識(shí)體系;通過這種開放式的教學(xué),以學(xué)生為中心,使學(xué)生把握主動(dòng)權(quán),讓學(xué)生有主人翁意識(shí),對本章的學(xué)習(xí)產(chǎn)生更濃厚的興趣。

        “功能復(fù)合材料”是材料類專業(yè)選修課,課程內(nèi)容龐雜,但是通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,依據(jù)通識(shí)課的培養(yǎng)理念,全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和綜合素質(zhì),更重要的是通過期末論文的撰寫,讓學(xué)生通過查閱資料,為以后的學(xué)習(xí)生活發(fā)展提供有意義的參考。

        4 結(jié)語

        大學(xué)材料通識(shí)課程的設(shè)置,目的是在培養(yǎng)學(xué)生基本素養(yǎng)的同時(shí),建立對材料相關(guān)知識(shí)的脈絡(luò)體系。通過對該門課程的教學(xué)方法探索以及教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化,再加上課程思政,不僅讓學(xué)生了解科學(xué)研究背景,又能讓學(xué)生從大一開始立鴻鵠之志,展騏驥之躍,履獬豸之忠,擔(dān)當(dāng)新時(shí)代新使命。

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