解決復(fù)雜工程問題目標(biāo)下的課程教學(xué)模式改革

姚佳偉 牛一凡

［摘 要］ 培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力是工程教育的重中之重，為推進(jìn)落實(shí)“復(fù)合材料性能”課程在工程教育專業(yè)中解決復(fù)雜工程問題目標(biāo)下的支撐作用，在深入分析課程現(xiàn)狀、特點(diǎn)及問題的基礎(chǔ)上，立足教學(xué)內(nèi)容，針對不同類型知識，確立了主題討論、主題研究、主題項(xiàng)目、線上線下混合的靈活教學(xué)方法以及與之匹配的考核方法。充分發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容，以教學(xué)目標(biāo)為抓手，設(shè)計(jì)了全課程支撐的復(fù)雜工程項(xiàng)目，啟發(fā)學(xué)生以工程師的視角思考問題，并重新構(gòu)建切實(shí)可行的課程設(shè)計(jì)，從而為同類課程提供參考。

［關(guān)鍵詞］ 復(fù)合材料性能；復(fù)雜工程問題；教學(xué)模式；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2022—2024年中國交通教育研究會教育科學(xué)研究課題“民航強(qiáng)國建設(shè)征程中的分類卓越人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”（ZJJY2022ZD2）

［作者簡介］ 姚佳偉（1988—），女，河北張家口人，博士，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院講師，主要從事復(fù)合材料性能優(yōu)化研究；牛一凡（1979—），女，天津人，博士，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院教授，主要從事復(fù)合材料失效分析研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）06-0070-04［收稿日期］ 2022-12-09

培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力是工程教育的重中之重，而課程是培養(yǎng)學(xué)生的第一陣地，充分發(fā)揮課程在解決復(fù)雜工程問題目標(biāo)下的支撐作用，對于最終實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)具有重要意義?！皬?fù)合材料性能”課程是材料類專業(yè)重要的專業(yè)課程，眾多綜合院校以及一些行業(yè)院校均開設(shè)了該課程。由于行業(yè)背景與院校培養(yǎng)目標(biāo)的差異，該課程在實(shí)際教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)上均存在較大差異。本文基于中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院的辦學(xué)情況，探討研究生專業(yè)課程“復(fù)合材料性能”的教學(xué)模式改革，為工程教育專業(yè)中解決復(fù)雜工程問題目標(biāo)下的同類課程提供參考。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）課程現(xiàn)狀

“復(fù)合材料性能”課程的前修課程如“復(fù)合材料及特種材料”“彈性力學(xué)”“梁的線性理論”已經(jīng)使學(xué)生具備了較好的學(xué)習(xí)能力，這些課程為嘗試更加靈活的教學(xué)模式提供了良好的學(xué)情基礎(chǔ)?！皬?fù)合材料性能”課程總計(jì)52學(xué)時(shí)，內(nèi)容以復(fù)合材料層壓板力學(xué)行為為主，系統(tǒng)闡述復(fù)合材料性能特點(diǎn)、應(yīng)用、制備、加工、檢測技術(shù)等。課程教學(xué)目標(biāo)分為知識目標(biāo)和技能目標(biāo)：知識目標(biāo)——掌握復(fù)合材料性能特點(diǎn)、力學(xué)基本理論與計(jì)算方法、損傷與失效理論；技能目標(biāo)——根據(jù)需求給出材料和制備建議，利用有限元軟件分析力學(xué)行為，從而使學(xué)生具備解決工程問題的能力。

與國內(nèi)高校開設(shè)的同類課程相比，“復(fù)合材料性能”課程具有如下特點(diǎn)。

1.教學(xué)內(nèi)容廣泛。以復(fù)合材料力學(xué)為主，同時(shí)涵蓋了復(fù)合材料應(yīng)用、制備、有限元應(yīng)用等。

2.“硬”知識與“軟”知識二者兼顧?！坝病敝R指要求掌握的力學(xué)計(jì)算方法，“軟”知識指應(yīng)用、制備及優(yōu)劣勢等，相較于同類課程，“軟”知識課時(shí)更多。

3.注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。基于有限元軟件設(shè)置課程項(xiàng)目，進(jìn)行受力和失效分析，鍛煉學(xué)生運(yùn)用理論與工具分析、解決問題的能力。

（二）存在的主要問題

1.解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺失。復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵在于“復(fù)雜性”及“工程性”［1］。傳統(tǒng)的課程項(xiàng)目無法支撐解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

2.“硬”知識教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)不匹配。復(fù)合材料層壓板力學(xué)行為是要求掌握的首要知識目標(biāo)，但是僅憑彈性力學(xué)理論學(xué)習(xí)與復(fù)合材料層壓板力學(xué)推導(dǎo)演算難以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

3.“軟”知識教學(xué)方法和考核方法不充分?！败洝敝R要內(nèi)化成學(xué)生的技能目標(biāo)，使學(xué)生全面認(rèn)識復(fù)合材料。教師平鋪直敘的授課方法不利于“軟”知識內(nèi)化，也沒有“軟”知識的考核方法。

二、課程教學(xué)模式改革

為解決復(fù)合材料性能課程教學(xué)存在的問題，本課程立足教學(xué)內(nèi)容，針對“硬”“軟”知識，采用靈活的教學(xué)方法，啟發(fā)學(xué)生以工程師的視角思考問題。教學(xué)過程突出以學(xué)生為中心，開發(fā)多元化的教學(xué)方法和考核方法，注重過程評價(jià)。以教學(xué)目標(biāo)為抓手，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提升項(xiàng)目“復(fù)雜性”和“高階性”，突出工程能力、創(chuàng)新能力等綜合能力的培養(yǎng)。主要的改革內(nèi)容確定為：靈活教學(xué)方法，培養(yǎng)工程素養(yǎng)；多元考核方法，啟發(fā)自主學(xué)習(xí)；優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提高綜合能力。

（一）靈活教學(xué)方式，培養(yǎng)工程素養(yǎng)

1.“硬”知識——主題練習(xí)教學(xué)。相較于金屬材料，復(fù)合材料力學(xué)行為影響因素較多，為了使學(xué)生準(zhǔn)確理解并掌握復(fù)合材料的力學(xué)特點(diǎn)和計(jì)算方法，基于教學(xué)內(nèi)容匹配貼合工程實(shí)際、針對性強(qiáng)的主題練習(xí)。一方面可以幫助學(xué)生掌握“硬”知識，使學(xué)生能夠應(yīng)用理論獲知復(fù)合材料的力學(xué)行為；另一方面借助主題練習(xí)中的工程實(shí)例，啟發(fā)學(xué)生以工程師的視角思考問題。主題練習(xí)的內(nèi)容有以下八個(gè)方面。

主題一為復(fù)合材料與金屬。通過慣性飛輪質(zhì)量、體積、動(dòng)能的對比，評價(jià)復(fù)合材料相較于金屬的優(yōu)勢與局限性，使學(xué)生認(rèn)識到應(yīng)該基于需求進(jìn)行選材。

主題二為直升機(jī)螺旋槳葉片主梁設(shè)計(jì)。從直升機(jī)螺旋槳受力分析入手，基于單向復(fù)合材料彈性常數(shù)，設(shè)計(jì)螺旋槳葉片主梁截面。

主題三為復(fù)合材料的各向異性。通過典型鋪層工程常數(shù)的計(jì)算，使學(xué)生掌握復(fù)合材料任意方向工程常數(shù)的計(jì)算方法，理解力學(xué)性能隨鋪層方向的變化規(guī)律，初步掌握復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)原則。

主題四為復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系?；诠こ坛?shù)，計(jì)算層壓板在任意受力狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，加深學(xué)生對復(fù)合材料各向異性的理解，為后續(xù)失效分析奠定基礎(chǔ)。

主題五為復(fù)合材料的失效分析。基于復(fù)合材料應(yīng)力分布與失效準(zhǔn)則，判斷鋪層失效模式。

主題六為復(fù)合材料的彎曲—扭轉(zhuǎn)。基于彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算，分析鋪層方向、順序、厚度的影響，使學(xué)生理解“三明治結(jié)構(gòu)”的抗彎性質(zhì)，初步掌握彎曲—扭轉(zhuǎn)工況下鋪層設(shè)計(jì)原則。

主題七為復(fù)合材料沖浪板的受力分析。計(jì)算復(fù)合材料沖浪板彎曲—扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，評價(jià)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)的適用性。

主題八為復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)。從纏繞成型圓柱壓力容器受力分析入手，給出纏繞角度建議，計(jì)算容器最小厚度。

以上主題練習(xí)相互關(guān)聯(lián)，逐步遞進(jìn)（如圖1所示），最終達(dá)成“硬”知識教學(xué)目標(biāo)。

2.“軟”知識——主題討論教學(xué)。實(shí)現(xiàn)“軟”知識內(nèi)化教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵在于教學(xué)方法，以教師為中心的平鋪直敘的授課方法不適用于此類技能目標(biāo)的達(dá)成，容易造成“走馬燈式”的教學(xué)體驗(yàn)。主題討論教學(xué)是以學(xué)生為中心，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下思考，完成對知識的整合、構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)內(nèi)化教學(xué)目標(biāo)［2］。主題討論的內(nèi)容有以下兩個(gè)方面。

主題一為飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用及優(yōu)劣勢分析。按照機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、客貨艙、機(jī)艙分組，引導(dǎo)學(xué)生討論，啟發(fā)學(xué)生以工程師視角思考問題，列出適用、不適用復(fù)合材料的部件，從性能特點(diǎn)、環(huán)保、成本、生產(chǎn)及維修等方面綜合評價(jià)復(fù)合材料。

主題二為飛機(jī)復(fù)合材料的制備方法及優(yōu)劣勢分析。按照機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、客貨艙、機(jī)艙分組，引導(dǎo)學(xué)生從性能特點(diǎn)、制備效率、成本等方面討論分析飛機(jī)復(fù)合材料部件的最佳制備方法。

3.“軟”知識——主題研究教學(xué)。學(xué)生已在“金屬材料性能”課程中學(xué)習(xí)了金屬機(jī)械加工及無損檢測技術(shù)，本課程中的“軟”知識復(fù)合材料機(jī)械加工及無損檢測技術(shù)與之既有相似之處，也有獨(dú)特之處，適合采用研究型教學(xué)模式［3］。學(xué)生通過資料的搜集、整理等方式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過對二者進(jìn)行比較，快速形成對復(fù)合材料機(jī)械加工及無損檢測技術(shù)的認(rèn)識。

4.擴(kuò)大教學(xué)輸出——線上線下混合式教學(xué)。多元化的教學(xué)方法必然會導(dǎo)致學(xué)時(shí)緊張，為保證教學(xué)輸出，課堂要從傳統(tǒng)封閉式向開放式轉(zhuǎn)變［4-5］。線上線下混合式教學(xué)就是實(shí)現(xiàn)開放式課堂的有力教學(xué)方法。

線上線下混合式教學(xué)不應(yīng)局限于線上學(xué)生自學(xué)和線下教師輔導(dǎo)的簡單結(jié)合，而應(yīng)該基于教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容進(jìn)行區(qū)分。某些教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)適合利用線上資源，進(jìn)行線上教學(xué)；有些則更適合傳統(tǒng)的線下面授教學(xué)。如果已經(jīng)在線上學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，還需要教師用更多的課時(shí)進(jìn)行講解，則該教學(xué)內(nèi)容不宜進(jìn)行線上教學(xué)［6-7］?；诖耍菊n程線上線下教學(xué)區(qū)分原則確定為：（1）需重點(diǎn)講解的“硬”知識進(jìn)行線下教學(xué)；（2）要求掌握的“軟”知識進(jìn)行線下教學(xué)；（3）線上資源充分的內(nèi)容進(jìn)行線上教學(xué)。根據(jù)以上原則，區(qū)分教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)混合式教學(xué)方案。

（二）多元考核方法，啟發(fā)自主學(xué)習(xí)

靈活多樣的教學(xué)方法給了學(xué)生更多在學(xué)習(xí)過程中展示學(xué)習(xí)成果的機(jī)會，也給了教師全面評價(jià)學(xué)生的機(jī)會。實(shí)施多元化、重過程的考核方法，并保證每一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容都有與之對應(yīng)的考核方法。因此，本課程考核方法確定為閉卷考試、開卷考試、主題討論匯報(bào)、主題研究匯報(bào)以及項(xiàng)目報(bào)告。

1.閉卷考試：針對復(fù)合材料的基本概念、應(yīng)用、制備、優(yōu)劣勢等要求掌握的“軟”知識進(jìn)行考核，促使學(xué)生內(nèi)化對復(fù)合材料的基本認(rèn)識，使學(xué)生能夠根據(jù)不同應(yīng)用要求，給出選材、制備等方案建議。

2.開卷考試：針對復(fù)合材料力學(xué)理論、計(jì)算方法等“硬”知識進(jìn)行考核，考試題目通常圍繞一個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程問題，學(xué)生可以攜帶任意工具、資料，培養(yǎng)學(xué)生思考、分析問題、借助工具解決問題的能力。

3.主題討論匯報(bào)：針對主題討論的課堂匯報(bào)結(jié)果進(jìn)行考核，優(yōu)劣勢分析的合理性為主要考核內(nèi)容。

4.主題研究匯報(bào)：針對主題研究的課堂匯報(bào)結(jié)果進(jìn)行考核，匯報(bào)內(nèi)容的準(zhǔn)確性為主要考核內(nèi)容。

5.項(xiàng)目報(bào)告：針對項(xiàng)目題目，應(yīng)用理論知識、工具等完成項(xiàng)目報(bào)告，給出計(jì)算過程與結(jié)果，要求原理方法正確，結(jié)果合理。

（三）優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提高綜合能力

本課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于教學(xué)內(nèi)容，以教學(xué)目標(biāo)為抓手，將復(fù)雜工程問題進(jìn)行分解，變成環(huán)環(huán)相扣的簡單問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步獲得簡單問題的解決方法，用課程支撐項(xiàng)目，最終解決復(fù)雜問題。以復(fù)合材料競賽帆船船體設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，項(xiàng)目可分解為受力→選材→鋪層→厚度→優(yōu)化與驗(yàn)證→成型6個(gè)簡單問題。教學(xué)內(nèi)容對簡單問題解決方法支撐作用如圖2所示。

三、課程教學(xué)設(shè)計(jì)

基于上述探討的教學(xué)模式改革，重新設(shè)計(jì)和構(gòu)建復(fù)合材料性能課程整體教學(xué)框架，如圖3所示。以教學(xué)知識目標(biāo)和技能目標(biāo)為抓手，共同支撐解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，為每項(xiàng)內(nèi)容匹配上述探討的教學(xué)方法，以復(fù)合材料損傷失效為例，該內(nèi)容屬于需重點(diǎn)講輔的“硬”知識，因此進(jìn)行線下教學(xué)，匹配主題練習(xí)五，并基于有限元軟件在課程項(xiàng)目中用于設(shè)計(jì)優(yōu)化與驗(yàn)證。同時(shí)，每項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容匹配對應(yīng)的考核方法，全面地評價(jià)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果，從而最終達(dá)成解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

結(jié)語

為充分發(fā)揮“復(fù)合材料性能”課程在解決復(fù)雜工程問題背景目標(biāo)下的支撐作用，本文在分析課程現(xiàn)狀、特點(diǎn)和主要問題的基礎(chǔ)上，以課程教學(xué)目標(biāo)為抓手，基于教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)全課程支撐的復(fù)雜工程項(xiàng)目。在課程改革后采取主題討論、主題研究、主題項(xiàng)目、線上線下混合靈活的教學(xué)方法以及與之匹配的考核方法，并以此重新構(gòu)建課程設(shè)計(jì)，達(dá)成解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

［1］朱高峰.關(guān)于工程教育和一般教育問題的再思考［J］.高等工程教育研究，2021（1）：1-9.

［2］李童，楊楠.新工科背景下學(xué)生友好型案例教學(xué)的理念、構(gòu)建與實(shí)踐［J］.高等工程教育研究，2022（1）：29-34.

［3］陳麗珍，李建利.大學(xué)數(shù)學(xué)類課程研究型教學(xué)模式理念及應(yīng)用［J］.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（S1）：87-89.

［4］李亞紅.一種基于OBE理念的專業(yè)課程教學(xué)大綱制定方法探討［J］.電腦知識與技術(shù)，2018，14（33）：119-121.

［5］姚靜，王佩.基于OBE教學(xué)理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計(jì)：以《液壓與氣壓傳動(dòng)》為例［J］.教學(xué)研究，2017，40（3）：87-91.

［6］黨方方.線上線下混合式教學(xué)模式在高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教育中的應(yīng)用［J］.高教學(xué)刊，2022，8（6）：112-115.

［7］王玉生，宋曉燕，張?zhí)旖?線上線下結(jié)合的教學(xué)模式探索［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2019，35（3）：39-42.

Reform of Teaching Mode under the Background of Complex Engineering Problem Solving： Taking Properties of Composite Materials of Civil Aviation University of China as an Example

YAO Jia-wei， NIU Yi-fan

（Sino-European Institute of Aviation Engineering， Civil Aviation University of China，

Tianjin 300300， China）

Abstract： Cultivating the competency of solving complex engineering problems is the priority of engineering educaiton. To promote the supporting role of properties of composite materials course in the background of complex engineering problem solving in the engineering education accreditation， the situation， characteristics and existing problems of the course were firstly and deeply analyzed. Based on the teaching content， the flexible teaching methods integration offline and online teaching and the matching assessment methods， including the theme discussion， theme research， theme project and online and offline mixing were established for different types of knowledge. The complex engineering project supported by the whole course was designed by making full use of the teaching content and basing on the teaching objectives， inspiring students to think from the perspective of engineers. Finally， the practical and feasible teaching design was reconstructed， providing reference for similar courses.

Key words： properties of composite properties; complex engineering problems; teaching mode; teaching reform