《復(fù)合材料界面及性能》課程的必要性及教學(xué)探討

胡秀鳳 田浩彬 劉曉航

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-6005

摘 要：界面作為復(fù)合材料特有的組成部分，對(duì)復(fù)合材料的性能起著非常重要的作用，尤其是樹脂基復(fù)合材料，其韌性、耐熱性、壓縮等性能都與界面緊密相關(guān)，對(duì)于復(fù)合材料專業(yè)來說，《復(fù)合材料界面及性能》是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該文從學(xué)科的特色以及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的角度介紹《復(fù)合材料界面及性能》課程設(shè)置的必要性，并結(jié)合針對(duì)線上教學(xué)和線下教學(xué)存在的問題，對(duì)“線上線下結(jié)合”“學(xué)生老師角色互換”“課內(nèi)課外結(jié)合”“課堂實(shí)踐結(jié)合”的多元教學(xué)模式進(jìn)行探討，以探索適合該課程的教學(xué)模式，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料?表界面 課程設(shè)計(jì) 教學(xué)模式

中圖分類號(hào)： G642;TB33-4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Necessity and Teaching Exploration of “Interface?and Performance of Composite Materials”

HU Xiufeng ??TIAN Haobin ???LIU Xiaohang

（Shanghai Polytechnic University， Shanghai， 201209 China）

Abstract：The surface as a special component of composite materials， plays an important role in performance， especially resin-based composite material， whose toughness， thermotolerance， compression performance et.al are closely related to interfacial properties. So “interface and performance of composite materials”?is an important basic course for composite material major. This article?introduces the necessity of the curriculum setting of “interface and performance of composite materials”?from perspective of characteristics of the subject and the?development of related?fields. Meanwhile， diversified teaching model such as “combination of online and offline”， “role exchanges with student and teacher，”?combination of in-class teaching and after-class activities”， “combination of classroom and experiment”?is explored to seek suitable teaching model for “interface and performance of composite materials”?course and improve the quality of teaching in view of the existing problems about online and offline teaching.

Key Words： Composite materials， Surface interface， Curriculum design， Teaching model

近年來，聚合物基復(fù)合材料因其在比強(qiáng)度、比模量、耐腐蝕、耐輻照、抗疲勞性能以及可設(shè)計(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軌道交通、電子電器、建筑、體育器材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在巨大的復(fù)合材料市場(chǎng)需求下，對(duì)復(fù)合材料專業(yè)科技人才的需求也日益擴(kuò)大，針對(duì)這一需求，很多理工類的高校開設(shè)了復(fù)合材料專業(yè)，力求培養(yǎng)具備扎實(shí)的復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)、復(fù)合材料成型理論、方法和技能等良好專業(yè)素養(yǎng)和具有良好職業(yè)道德、社會(huì)責(zé)任感的復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)型人才。

聚合物基復(fù)合材料一般是由增強(qiáng)纖維與基體樹脂兩相組成，兩相之間存在著界面，借助界面作用，纖維與基體樹脂結(jié)合為一個(gè)整體，賦予復(fù)合材料具備原單一材料所沒有的性能。界面作為復(fù)合材料特有的組成部分，是連接纖維和樹脂的橋梁，對(duì)復(fù)合材料的性能起著舉足輕重的作用，如復(fù)合材料的韌性、耐熱性、壓縮等性能都與界面性能有關(guān)，那么對(duì)于復(fù)合材料專業(yè)的學(xué)生來講，深入學(xué)習(xí)復(fù)合材料的界面及性能尤為重要。為了讓復(fù)合材料專業(yè)的學(xué)生具備扎實(shí)的復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)，很多高校都設(shè)立類似《聚合物基復(fù)合材料》課程，該課程主要講授聚合物基復(fù)合材料中常用纖維、樹脂的性能特點(diǎn)以及聚合物基復(fù)合材料的成型工藝。課程的內(nèi)容側(cè)重講解纖維和樹脂的本體性能以及將兩者結(jié)合在一起的不同成型工藝的原理、特點(diǎn)和成型設(shè)備等。而復(fù)合材料的界面理論只做了一部分的介紹，涉及的內(nèi)容包括表面現(xiàn)象和表面張力、增強(qiáng)材料的表面性質(zhì)與處理、聚合物基復(fù)合材料的界面以及界面的破壞模式簡(jiǎn)單介紹，這些內(nèi)容對(duì)于讓學(xué)生更深入的理解纖維和樹脂之間的界面作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，開設(shè)一門專門講授復(fù)合材料表界面相關(guān)知識(shí)的課程尤為必要，該文將詳細(xì)闡述《復(fù)合材料界面及性能》課程設(shè)立的必要性，并對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行初步的探討。

2 設(shè)立《復(fù)合材料界面及性能》課程的必要性

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料，其性能主要取決于基體的性能、增強(qiáng)材料的性能、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及成型技術(shù)以及基體與增強(qiáng)材料之間的界面結(jié)合狀態(tài)，即界面層的性能。復(fù)合材料界面是在基體與增強(qiáng)材料之間，連接樹脂基體與增強(qiáng)纖維之間相互作用的微觀區(qū)域，它不僅通過連接作用將纖維和基體形成一個(gè)整體，還能起到傳遞應(yīng)力的作用，把外加載荷從基體材料傳向增強(qiáng)纖維，界面對(duì)復(fù)合材料的制造機(jī)理、穩(wěn)定性、力學(xué)性能、韌性、疲勞以及斷裂行為等都有重要影響?？梢妼?duì)于復(fù)合材料來講，復(fù)合材料的界面性能與基體的性能、增強(qiáng)材料的性能、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及成型技術(shù)同等重要。

當(dāng)前多數(shù)高校針對(duì)復(fù)合材料專業(yè)設(shè)立了《聚合物基復(fù)合材料》課程，大多按照增強(qiáng)材料、基體材料、聚合物基復(fù)合材料界面以及聚合物基復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行講解，課程多注重基體材料、增強(qiáng)材料本體性能的介紹以及各種成型工藝方法的介紹。在聚合物基復(fù)合材料界面這一塊主要是介紹界面的形成與作用機(jī)理、界面的破壞機(jī)理、纖維的表面處理以及復(fù)合材料界面的研究，在內(nèi)容安排上更適合已經(jīng)具備材料表界面基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生。對(duì)于剛接觸復(fù)合材料專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)生來講，并沒有學(xué)習(xí)這一塊的知識(shí)，而且關(guān)于復(fù)合材料界面的知識(shí)只安排了一章的內(nèi)容，很難讓學(xué)生理解和深入學(xué)習(xí)復(fù)合材料界面的相關(guān)知識(shí)，因此對(duì)于復(fù)合材料專業(yè)學(xué)生來說，單獨(dú)開設(shè)《復(fù)合材料界面及性能》的課程就非常有必要，一方面可以為后續(xù)其他的專業(yè)課程如《聚合物基復(fù)合材料及其成型工藝》《復(fù)合材料制備及性能》等課程打好基礎(chǔ);另一方面有助于學(xué)生更好地去理解復(fù)合材料界面性能對(duì)復(fù)合材料整體性能影響以及在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中如何設(shè)計(jì)和控制界面性能。針對(duì)這一必要性，我校復(fù)合材料成型工程專業(yè)將《復(fù)合材料界面及性能》設(shè)置為專業(yè)必修課。

復(fù)合材料界面涉及多學(xué)科高度交叉，從最基礎(chǔ)的材料表界面的基礎(chǔ)知識(shí)、纖維的表面處理方法和樹脂的改性、纖維和樹脂之間的結(jié)合作用以及所涉及的各類化學(xué)反應(yīng)和界面的表征分析，到復(fù)合材料界面的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，涵蓋了物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的理論知識(shí)，且需要融會(huì)貫通，應(yīng)通過系統(tǒng)性的課程設(shè)計(jì)，形成獨(dú)立的課程。

3 《復(fù)合材料界面及性能》課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

《復(fù)合材料界面及性能》課程應(yīng)是復(fù)合材料專業(yè)（側(cè)重聚合物基復(fù)合材料）的一門專業(yè)必修課程，建議32課時(shí)，每個(gè)星期2課時(shí)。該課程目前沒有公開的教材或講義，該文基于相關(guān)的教學(xué)積累和專業(yè)知識(shí)需求，提出如下的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和課時(shí)分配建議，具體內(nèi)容見表1。

4 課程教學(xué)模式探討

《復(fù)合材料界面及性能》這門專業(yè)必修課程在第3個(gè)學(xué)期開課，是復(fù)合材料成型工程專業(yè)學(xué)生接觸最早的一門專業(yè)課，這階段的學(xué)生還不具備材料表界面的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)復(fù)合材料的了解也比較少，復(fù)合材料界面可能很多學(xué)生都是第一次聽說。而對(duì)于材料表界面的基礎(chǔ)知識(shí)，由于包含的基礎(chǔ)理論多、公式定律多、抽象性深等特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生來說掌握材料表界面的基礎(chǔ)知識(shí)難度比較大;同時(shí)對(duì)于復(fù)合材料界面這一模塊，由于學(xué)生還不具備復(fù)合材料的基礎(chǔ)知識(shí)，所以在這一模塊涉及到復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括復(fù)合材料介紹、增強(qiáng)纖維、基體樹脂的性能（主要是表面性能）介紹，在學(xué)生掌握了復(fù)合材料的基本知識(shí)之后，引入纖維和樹脂之間的物理化學(xué)作用，介紹復(fù)合材料界面的形成以及界面性能的影響因素，最后介紹界面的分析表征方法、界面的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，通過循序漸進(jìn)的課程內(nèi)容安排讓學(xué)生了解復(fù)合材料界面的知識(shí)。針對(duì)2020年的線上教學(xué)和2021年的線下教學(xué)的教學(xué)情況，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中存在以下幾方面的問題：⑴ 無論是線上教學(xué)還是線下教學(xué)，教學(xué)模式主要還是傳授式，教師通過講授的方式灌輸理論知識(shí)，最終都造成學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，難免會(huì)覺得課程枯燥;⑵線上教學(xué)時(shí)，由于學(xué)生是通過網(wǎng)絡(luò)觀看視頻或者直播課，教師無法觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)以及學(xué)生存在疑惑的地方，缺少課堂互動(dòng);線下教學(xué)時(shí)，由于大部分學(xué)生對(duì)復(fù)合材料專業(yè)課的知識(shí)缺乏實(shí)踐認(rèn)知，難以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，對(duì)課程的學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性，即使進(jìn)行課堂互動(dòng)，學(xué)生的參與度也不高;⑶大部分學(xué)生對(duì)課程涉及的定義和原理理解的不透徹，只是通過知識(shí)死記硬背應(yīng)付考試，不利于后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。針對(duì)以上《復(fù)合材料界面及性能》的特點(diǎn)以及教學(xué)過程中存在的問題，為了提高稿課程的教學(xué)效果和教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的興趣，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，真正融入課堂，需要對(duì)單一的教學(xué)模式進(jìn)行改革，探索適合本課程的教學(xué)模式，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上掌握復(fù)合材料界面的形成以及界面性能的影響因素，為后續(xù)《聚合物基復(fù)合材料及其成型工藝》《復(fù)合材料制備及性能測(cè)試》等其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

4.1 線上線下結(jié)合的教學(xué)模式

通過錄播或錄視頻的方式進(jìn)行線上教學(xué)，最大的優(yōu)勢(shì)是可重復(fù)性，學(xué)習(xí)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，學(xué)生在教學(xué)樓、圖書館甚至乘坐交通時(shí)均可以學(xué)習(xí);當(dāng)存在沒有完全弄明白的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)，直到明白為止;同時(shí)也可以借助“學(xué)習(xí)通”“學(xué)雨課堂”“云課堂”等學(xué)習(xí)平臺(tái)。結(jié)合線下教學(xué)學(xué)生和老師可以面對(duì)面交流的特點(diǎn)，線上學(xué)習(xí)存在疑惑的地方，學(xué)生可以在線下教學(xué)時(shí)與老師進(jìn)行溝通，及時(shí)解除疑惑。另外，由于視頻資料具有直觀、信息量大等特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)生感受視角、聽覺及感覺等全方位的刺激，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果和教學(xué)效率。

4.2 學(xué)生老師角色互換教學(xué)模式

學(xué)生與老師之間進(jìn)行角色互換是一種新穎的教學(xué)方法，通過這種教學(xué)方法可以讓每個(gè)學(xué)生都融入課堂，主動(dòng)參與到教學(xué)當(dāng)中，與常規(guī)的課堂教學(xué)模式“教師講學(xué)生聽”相比，學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)吸收，不僅大大提高了教學(xué)效果，還可以鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力和表達(dá)能力，也實(shí)現(xiàn)了素質(zhì)教育中以點(diǎn)帶面、全面合作型的學(xué)習(xí)方式。在課程設(shè)計(jì)活動(dòng)中，可以選定一兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生進(jìn)行自學(xué)并設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，同時(shí)進(jìn)行講解。例如在復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)這一模塊，對(duì)復(fù)合材料的概念、特點(diǎn)以及應(yīng)用這一知識(shí)點(diǎn)可以讓學(xué)生借助教材、圖書館資料、文獻(xiàn)資料等制作PPT，并進(jìn)行講解。通過查閱資料和自身講解，可以加深學(xué)生對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)的理解。在角色互換的過程中，教師需要對(duì)學(xué)生的講稿和PPT進(jìn)行把關(guān)，并在學(xué)生講解過程中進(jìn)行糾錯(cuò)和補(bǔ)充，講解完之后針對(duì)學(xué)生的講解進(jìn)行總結(jié)。

4.3 課內(nèi)課外結(jié)合的教學(xué)模式探索

《復(fù)合材料界面及性能》涉及三大模塊的知識(shí)：材料表界面的基礎(chǔ)知識(shí)、復(fù)合材料的基礎(chǔ)知識(shí)和復(fù)合材料界面。其中重點(diǎn)是復(fù)合材料界面，前兩者作為基礎(chǔ)都是為這一模塊做鋪墊，學(xué)生要理解聚合物基復(fù)合材料中樹脂和纖維之間的作用、界面的形成以及界面性能的影響因素，掌握材料表界面和復(fù)合材料的基礎(chǔ)知識(shí)是必不可少的，因此，三者之間是相輔相成的關(guān)系。本課程總共32學(xué)時(shí)，涉及的基礎(chǔ)理論較多，將課程的部分知識(shí)讓學(xué)生借助圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源在課外進(jìn)行學(xué)習(xí)，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。比如：在講到不同纖維的表面改性方法時(shí)，教材里只是對(duì)不同方法的簡(jiǎn)單介紹，可以讓學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)和圖書館資料對(duì)不同纖維表面改性的最新研究進(jìn)行了解，這樣可以加深學(xué)生對(duì)不同表面處理方法的理解。采用課內(nèi)課外結(jié)合的教學(xué)模式，讓學(xué)生結(jié)合課內(nèi)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過自己查資料來拓展知識(shí)點(diǎn)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，提高學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解。

4.4 課堂與實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)模式探索

加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)內(nèi)容的理解，最有效的方式是將理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，通過實(shí)踐教學(xué)可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問題的探討。例如：在復(fù)合材料界面物理特性分析表征的教學(xué)中，在對(duì)金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等檢測(cè)儀器介紹的基礎(chǔ)上，可以利用學(xué)校現(xiàn)有的資源，通過掃描電鏡觀察復(fù)合材料的界面形貌的實(shí)驗(yàn)演示，將理論知識(shí)與實(shí)際操作結(jié)合在一起，讓學(xué)生能夠感官認(rèn)識(shí)復(fù)合材料界面的形態(tài)，幫助學(xué)生深刻體會(huì)界面的微觀分析對(duì)復(fù)合材料界面性能評(píng)判的重要影響，并且掌握測(cè)試方式的原理及適用性，為之后的技術(shù)研究工作或科學(xué)研究工作等相關(guān)工作的開展，學(xué)生能夠正確使用這些儀器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過課堂與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，并通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，搭建“學(xué)、研、做”相結(jié)合的教學(xué)模式。

5 結(jié)語

該文從學(xué)科特點(diǎn)以及復(fù)合材料相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用發(fā)展的角度分別闡述了《復(fù)合材料界面及性能》課程設(shè)置的必要性和教學(xué)探討?！稄?fù)合材料界面及性能》應(yīng)是一門獨(dú)立于《聚合物基復(fù)合材料》的專門課程，是整個(gè)復(fù)合材料領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)鏈條中不可或缺的重要一環(huán)，通過該課程所培養(yǎng)的專業(yè)人才更是復(fù)合材料領(lǐng)域急需補(bǔ)充的。此外，針對(duì)該學(xué)科的前沿性特點(diǎn)，提出前沿論文討論互動(dòng)式教學(xué)的特殊模式，不但可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)視野，提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的靈活運(yùn)用，還可以增加學(xué)生的課程參與感，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

多元化教學(xué)方法在《復(fù)合材料界面及性能》課程中的應(yīng)用，是筆者在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)復(fù)合材料成型工程專業(yè)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的需求進(jìn)行的新嘗試，通過教學(xué)實(shí)踐證明，多元化教學(xué)的教學(xué)效果明顯，可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種多元化教學(xué)方式已取得了一定的成效，但仍需完善，尤其在對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面。

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作者簡(jiǎn)介：胡秀鳳（1986—），女， 博士，講師，研究方向?yàn)榫酆衔锘鶑?fù)合材料成型工藝。