復合材料結構課程設計教學研究

復合材料結構課程設計教學研究

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　　摘要:課程設計是高校強化實踐能力的重要教學環節，接近實際工程應用，在理工科教學中有著不可替代的作用。復合材料的結構不同與單一材料，除具有各向異性外，還具可設計性，有這一特性決定了復合材料結構設計的復雜性和該課程教學的難度。本文以我校《復合材料結構課程設計》課程為例，結合教學實踐歸納了該課程的基本教學內容和重點，此外還總結了教學經驗、體會，提出了直接有效的改進措施，為進一步的教學改革與創新奠定基礎。

　　關鍵詞:復合材料結構;課程設計;重點;基本內容

　　引言：

　　1.課程設計是高等學校實踐教學環節的重要組成部分，需學生具有堅實的基礎理論、廣泛的專業知識和基本實驗方法，才能進行的強化實踐能力和綜合應用能力的教學環節。對培養學生獨立完成任務和初步形成科學研究的思維方法起著重要的作用[1-2]。在新的教育形勢下，越來越注重培養應用型人才、培養一線工程師，因而本科生的實踐教學環節顯得尤為重要。特別是課程設計環節，雖然教學用時少，但內容卻相當豐富，是與實際工程應用結合最緊密的過渡性課程，而這種設計類的課程和教學在理工科教育中的地位更為突出。材料學科課程設計一般在2周左右，課程設計時間集中又短暫，因此要求設計針對性強。

　　2.設計內容一般包含工藝設計和設備設計兩大類，而對于廠房、工藝布局等整體設計要求并不高。通常的設計任務是針對某一種材料生產過程的具體環節所需設備進行計算，選型和設計。通過這樣的課程設計，使學生深入理解一種材料的制備或加工方法、流程以及材料在制備加工過程中發生的變化，提高他們方案論證、分析比較以及使用網絡檢索和計算機繪圖等多方面能力，達到課程設計的最初目的[3]。而復合材料結構課程設計與一般課程設計有很大的區別，課程設計的重點不是工藝和設備，而是材料的結構設計與計算。因為復合材料有著與常規材料完全不同的材料概念，它本質上是結構物[4]。因此復合材料的結構設計也應該有與常規材料結構設計不同的觀念，使之更符合復合材料的特點，這樣才有利于復合材料的應用與發展。

　　一、復合材料結構課程設計的教學流程與重點課程設計的教學流程圖

　　如圖1所示，其中重點環節是選題、指導與管理、考核。其中選題是整個設計任務能否完成并達到教學目的的關鍵;指導應講究技巧，管理是過程控制，二者完美結合是課程設計順利進行的保障;考核是對設計文本和作品最終的檢驗，考核結果也是該課程成績的直接體現。

　　1.1選題

　　1.1.1課程設計的選題應與專業培養目標和課程教學要求相一致，并盡量與工程實際相結合，難易程度適中[5]。課題應具有一定的可設計性、靈活性、挑戰性和趣味性，內容難度要以中等水平的學生在規定時間內經過努力能完成任務為依據。在多數課程設計中選題主要存在的問題是設計題目雷同、枯燥、陳舊，與現實脫節。如果小組間設計題目相似或歷年來變化不大，那么在設計過程中很容易讓某些學生偷懶，將別人或以往的設計結果在數據上加以修改即可完成自己的設計，這樣便失去了該課程的意義;如果設計選題總是陳舊，不能與時俱進，學生做起來又會覺得很枯燥，毫無興趣，也就不能激發出學生的興致的潛能;如果選題僅僅是符合了教學任務，卻與工程實際嚴重脫節，那么學生又會認為該設計并不實用，沒有任何意義，導致學生消極對待。

　　1.1.2由于《復合材料結構設計》這門理論課程涉及的都是復雜的公式計算，確實枯燥無味，且復合材料是新學科，在我校尤其如此，還缺少詳細的全面的相關的課程設計指導材料和相關實踐經驗，所以在指導復合材料結構課程設計實踐教學時，作為指導老師我還在不斷地探索中前行。雖然我自身沒有復合材料結構設計的工程經驗，對復合材料在常用領域航空航空器上的應用理論基礎也不夠了解，但是化工專業出身的我對化工設備的應用與設計還是有一定了解的。所以在從事復合材料結構設計實踐教學之初，我的設計選題多與化工儲罐相關。這樣即與工程應用相關，又能保證適當的難易程度，并有大量化工儲罐類設計指導材料作為依據;此外，化工類儲罐又是復合材料專業學生接觸不多的設備，且看似簡單的儲罐按容積大小和應用形式不同又分為立式、臥式、拼裝式、兩支座、三支座等不同形式，設計計算方法就有很大差別，這樣既能保證了選題的合理性和難易程度，又具有了一定的可設計性、靈活性、挑戰性和趣味性。

　　1.2指導與管理

　　雖然課程設計的教學形式相對于理論課程具有極大有靈活性，但并不是分配任務完成即可，過程中還不能缺少相應的指導和管理，目的是為了提高設計質量，培養學生獨立工作能力，以發揮學生主動性和創造性為出發點，重在點撥，幫助學生理清思路，之后采取集中輔導和個別答疑相結合的指導方式。在指導課程設計前指導老師應做好充分的準備工作，構思設計思路，擬定方案，并根據設計目標確定設計內容、步驟和重點、難點，然后在布置設計任務時，連同成果要求、參考資料等向學生介紹清楚。導論環節做得好壞直接影響后續的設計進程順利與否。對于“玻璃鋼化工儲罐”課程設計而言，設計目的在于掌握玻璃鋼制化工儲罐的設計方法，重點是儲罐殼壁的結構設計，即復合材料的鋪層設計，難點在于力學分析和計算，為此，應在這些方面給予側重。盡管第一次接觸復合材料結構課程設計學生有很多茫然，但課程設計的過程還是要以發揮學生主動性和潛力為主，而不應是老師一步步教著做，照葫蘆畫瓢，做完了也沒有什么深刻的印象。這一課程上我個人很喜歡按照國外的教學方式，任務布置好了，由學生自己努力去完成，是一個很好的發掘潛力的過程。因此對課程設計的指導便是把共性問題應進行集中輔導，指出方向和思路，至于學生具體碰到的具體問題再給予個別答疑。為保證在短期內每一位學生都能完成設計任務，課程設計的過程管理和時間節點的安排尤為重要。

　　1.3考核

　　考核是對課程設計的最終檢驗，也直接決定著學生的成績。課程設計的評判不像考試試卷有標準答案，難以有著統一的標準。由于是分小組合作完成，所以在評定時更是要考慮多方面因素，除了看設計圖紙和設計說明書的完成質量外，還應充分考慮到學生在設計過程中的真實表現及對課程的掌握程度，盡量做到公平。因此，在課程設計成績評定體系分為平時成績(30%)、設計文本(50%)和答辯(20%)三部分組成。平時成績主要從以下三個方面考核:出勤率、設計過程中的表現和每日進度完成質量。平時成績對督促懶惰學生的設計進程有一定好處，同時也對是否表現認真且獨立完成有一定的公平性判據。設計文本成績從以下幾個方面考核:設計思路是否正確，設計步驟安排是否合理;造型、選材及工藝是否合理，結構計算是否準確;設計圖紙是否規范、設計說明書書寫是否詳細清晰等。納入答辯環節便于更客觀、公正反映學生的實際水平和掌握程度。答辯中，學生通過與指導教師面對面交流，可以加深對設計的理解，對知識點上的盲點與誤區有更好的反饋和彌補，并且答辯可以鍛煉學生表達與應變能力;指導老師也可以通過答辯清楚了解學生對設計思路和方法的掌握情況，并且通過對學生的反饋信息加以整理，在以后的教學實踐中加以強化�？己私Y果分為優秀、良好、中等、及格和不及格五等，對優秀的設計者和設計作品，予以表揚鼓勵，以調動學生進行課程設計的積極性，對不認真完成設計或未達目標要求者要求其進行整改或限期重做。

　　二、復合材料結構課程設計文本的基本內容

　　以“**立方玻璃鋼臥式鹽酸儲罐為例”，設計的任務是確定產品的結構，技術、經濟指標和主要零部件，并編制必要的技術文件。故完整的設計文本應包括以下內容:封面設計任務書目錄前言(主要介紹設計的目的及復合材料儲罐的應用及優勢特點等)選型設計(依據設計標準選定儲罐的基本造型、封頭、支座等，并確定筒體直徑、長度、伸壁長、跨距、封頭高度、支座寬度和包角等相應的數值)性能設計(依據使用條件和各材料的性能選定材料，并明確該材料的性能參數，如克重、模量、體積含量、許用值等)結構設計(重點是載荷分析和計算，包括軸向應力、剪應力，環向應力等，從而確定筒體及封頭的壁厚和鋪層數，注意邊設計邊校核)工藝設計(根據以上設計的內容選擇成型工藝方法，并完成具體的生產工藝流程等)零部件設計(主要指確定各種接管如人孔、進料口、排氣口、液位計、出料口、排污口、壓力計、液封等的數量及尺寸等)安裝設計(確定各接口的安裝位置及儲罐整體的安裝等)制品檢驗(制品的檢測方法)附圖(本課程設計只要求繪制總裝配圖，其中要把構成產品的全部各種零件，部件，標準件，配套件等表示出來，同時將局部放大的鋪層設計圖表示出來。

　　3復合材料結構課程設計的教學體會與改進措施

　　經過兩年來對該門課程的教學實踐，總結以下幾點體會，以此為進一步的教學改革與創新奠定基礎。

　　(1)學生起初對課程設計雖然不夠了解，但了解后十分感興趣，說明相對于枯燥的理論授課，學生更喜歡這種形式靈活的、能夠充分發揮個人能力的教學方式，因此，對于該類實踐課程應加大重視，并投入精力去研究和改革。

　　(2)課程設計的最大優點是能夠在短時間內自主學習到更多的知識，但設計過程中發現學生對文獻資料的檢索收集能力不強，融會貫通運用知識的能力也較弱，以后教學中應就此點進行強化。并且，在布置任務初期，應利用一定時間教授學生如何有效進行文獻檢索和收集。

　　(3)設計過程中，團隊合作不僅能夠保證在有限的時間內較好地完成設計任務，而且還能夠充分鍛煉學生的團隊合作意識，但仍有個別學生獨立性差，不愛動腦思考，對團隊成員的依賴性過大，有待于進一步有效控制。具體可通過考勤、檢查設計草稿、及加大考核力度等措施進行過程控制。

　　(4)課程設計對指導老師是極大的挑戰，需要豐富的教學經驗和實踐經驗，故“雙師型”教師更為合適。指導課程設計的過程中還應不斷思考，研究有效的教學方法和提升學生設計能力的途徑。與企業進行友好的溝通與合作是一個直接有效的途徑(如邀請企業技術人員進入課堂參加指導)。

　　(5)現有的課程設計形式雖然使學生在設計方面有了基礎的鍛煉，但已遠遠滿足不了現代工業發展的需要，如能配合復合材料結構專用設計軟件的使用，不僅能提高學生的興趣和設計效率，進而適當擴充設計內容，而且更能與專業設計人員的工作接軌，對培養應用型的大學生尤為重要。

　　參考文獻

　　[1]張冬敏.高校課程設計教學中存在的問題與對策研究[J].改革與開放，2009(9):72-73.

　　[2]徐文娟.課程設計在教學中的作用[J].中國科教創新導刊，2010(28):59.

　　[3]于巖.材料學科本科生課程設計改革的思考[J].科教導刊(中旬刊)，2012(03):58-59.

　　[4]張汝光.復合材料結構設計的基本觀念[J].玻璃鋼，1997(2):26-31.

　　[5]尹繼明，呂凡任.課程設計在實踐教學中的應用研究與探索[J].揚州教育學院學報，2011，29(2):73-75.

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