《復合材料界面及性能》課程的必要性及教學探討

胡秀鳳 田浩彬 劉曉航

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

摘 要：界面作為復合材料特有的組成部分，對復合材料的性能起著非常重要的作用，尤其是樹脂基復合材料，其韌性、耐熱性、壓縮等性能都與界面緊密相關，對于復合材料專業來說，《復合材料界面及性能》是非常重要的專業基礎課程。該文從學科的特色以及相關領域發展的角度介紹《復合材料界面及性能》課程設置的必要性，并結合針對線上教學和線下教學存在的問題，對“線上線下結合”“學生老師角色互換”“課內課外結合”“課堂實踐結合”的多元教學模式進行探討，以探索適合該課程的教學模式，提高該課程的教學質量。

關鍵詞：復合材料?表界面 課程設計 教學模式

中圖分類號： G642;TB33-4文獻標識碼：A???文章編號：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，聚合物基復合材料因其在比強度、比模量、耐腐蝕、耐輻照、抗疲勞性能以及可設計性等方面的優勢，在航空航天、軌道交通、電子電器、建筑、體育器材等領域得到了廣泛的應用。在巨大的復合材料市場需求下，對復合材料專業科技人才的需求也日益擴大，針對這一需求，很多理工類的高校開設了復合材料專業，力求培養具備扎實的復合材料基礎知識、復合材料成型理論、方法和技能等良好專業素養和具有良好職業道德、社會責任感的復合材料領域的應用技術型人才。

聚合物基復合材料一般是由增強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，纖維與基體樹脂結合為一個整體，賦予復合材料具備原單一材料所沒有的性能。界面作為復合材料特有的組成部分，是連接纖維和樹脂的橋梁，對復合材料的性能起著舉足輕重的作用，如復合材料的韌性、耐熱性、壓縮等性能都與界面性能有關，那么對于復合材料專業的學生來講，深入學習復合材料的界面及性能尤為重要。為了讓復合材料專業的學生具備扎實的復合材料基礎知識，很多高校都設立類似《聚合物基復合材料》課程，該課程主要講授聚合物基復合材料中常用纖維、樹脂的性能特點以及聚合物基復合材料的成型工藝。課程的內容側重講解纖維和樹脂的本體性能以及將兩者結合在一起的不同成型工藝的原理、特點和成型設備等。而復合材料的界面理論只做了一部分的介紹，涉及的內容包括表面現象和表面張力、增強材料的表面性質與處理、聚合物基復合材料的界面以及界面的破壞模式簡單介紹，這些內容對于讓學生更深入的理解纖維和樹脂之間的界面作用遠遠不夠。因此，開設一門專門講授復合材料表界面相關知識的課程尤為必要，該文將詳細闡述《復合材料界面及性能》課程設立的必要性，并對教學模式進行初步的探討。

2 設立《復合材料界面及性能》課程的必要性

復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質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、增強材料的性能、復合材料的結構及成型技術以及基體與增強材料之間的界面結合狀態，即界面層的性能。復合材料界面是在基體與增強材料之間，連接樹脂基體與增強纖維之間相互作用的微觀區域，它不僅通過連接作用將纖維和基體形成一個整體，還能起到傳遞應力的作用，把外加載荷從基體材料傳向增強纖維，界面對復合材料的制造機理、穩定性、力學性能、韌性、疲勞以及斷裂行為等都有重要影響?？梢妼τ趶秃喜牧蟻碇v，復合材料的界面性能與基體的性能、增強材料的性能、復合材料的結構及成型技術同等重要。

當前多數高校針對復合材料專業設立了《聚合物基復合材料》課程，大多按照增強材料、基體材料、聚合物基復合材料界面以及聚合物基復合材料成型工藝進行講解，課程多注重基體材料、增強材料本體性能的介紹以及各種成型工藝方法的介紹。在聚合物基復合材料界面這一塊主要是介紹界面的形成與作用機理、界面的破壞機理、纖維的表面處理以及復合材料界面的研究，在內容安排上更適合已經具備材料表界面基礎知識的學生。對于剛接觸復合材料專業基礎課程的學生來講，并沒有學習這一塊的知識，而且關于復合材料界面的知識只安排了一章的內容，很難讓學生理解和深入學習復合材料界面的相關知識，因此對于復合材料專業學生來說，單獨開設《復合材料界面及性能》的課程就非常有必要，一方面可以為后續其他的專業課程如《聚合物基復合材料及其成型工藝》《復合材料制備及性能》等課程打好基礎;另一方面有助于學生更好地去理解復合材料界面性能對復合材料整體性能影響以及在復合材料的設計中如何設計和控制界面性能。針對這一必要性，我校復合材料成型工程專業將《復合材料界面及性能》設置為專業必修課。

復合材料界面涉及多學科高度交叉，從最基礎的材料表界面的基礎知識、纖維的表面處理方法和樹脂的改性、纖維和樹脂之間的結合作用以及所涉及的各類化學反應和界面的表征分析，到復合材料界面的設計與改進，涵蓋了物理化學、有機化學、高分子化學、材料學等多學科的理論知識，且需要融會貫通，應通過系統性的課程設計，形成獨立的課程。

3 《復合材料界面及性能》課程內容設計

《復合材料界面及性能》課程應是復合材料專業（側重聚合物基復合材料）的一門專業必修課程，建議32課時，每個星期2課時。該課程目前沒有公開的教材或講義，該文基于相關的教學積累和專業知識需求，提出如下的課程內容設計和課時分配建議，具體內容見表1。

4 課程教學模式探討

《復合材料界面及性能》這門專業必修課程在第3個學期開課，是復合材料成型工程專業學生接觸最早的一門專業課，這階段的學生還不具備材料表界面的基礎知識，對復合材料的了解也比較少，復合材料界面可能很多學生都是第一次聽說。而對于材料表界面的基礎知識，由于包含的基礎理論多、公式定律多、抽象性深等特點，對學生來說掌握材料表界面的基礎知識難度比較大;同時對于復合材料界面這一模塊，由于學生還不具備復合材料的基礎知識，所以在這一模塊涉及到復合材料基礎知識，主要包括復合材料介紹、增強纖維、基體樹脂的性能（主要是表面性能）介紹，在學生掌握了復合材料的基本知識之后，引入纖維和樹脂之間的物理化學作用，介紹復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、界面的設計和改進，通過循序漸進的課程內容安排讓學生了解復合材料界面的知識。針對2020年的線上教學和2021年的線下教學的教學情況，發現在教學中存在以下幾方面的問題：⑴ 無論是線上教學還是線下教學，教學模式主要還是傳授式，教師通過講授的方式灌輸理論知識，最終都造成學生被動地接受知識，難免會覺得課程枯燥;⑵線上教學時，由于學生是通過網絡觀看視頻或者直播課，教師無法觀察學生的學習狀態以及學生存在疑惑的地方，缺少課堂互動;線下教學時，由于大部分學生對復合材料專業課的知識缺乏實踐認知，難以將理論知識與實際應用結合，對課程的學習缺乏主動性，即使進行課堂互動，學生的參與度也不高;⑶大部分學生對課程涉及的定義和原理理解的不透徹，只是通過知識死記硬背應付考試，不利于后續其他專業課程的學習。針對以上《復合材料界面及性能》的特點以及教學過程中存在的問題，為了提高稿課程的教學效果和教學效率，激發學生對本課程的興趣，讓學生主動學習專業知識，真正融入課堂，需要對單一的教學模式進行改革，探索適合本課程的教學模式，讓學生在理解的基礎上掌握復合材料界面的形成以及界面性能的影響因素，為后續《聚合物基復合材料及其成型工藝》《復合材料制備及性能測試》等其他專業課程的學習打好基礎。

4.1 線上線下結合的教學模式

通過錄播或錄視頻的方式進行線上教學，最大的優勢是可重復性，學習不受時間、地點的限制，學生在教學樓、圖書館甚至乘坐交通時均可以學習;當存在沒有完全弄明白的知識點時，學生可以反復學習，直到明白為止;同時也可以借助“學習通”“學雨課堂”“云課堂”等學習平臺。結合線下教學學生和老師可以面對面交流的特點，線上學習存在疑惑的地方，學生可以在線下教學時與老師進行溝通，及時解除疑惑。另外，由于視頻資料具有直觀、信息量大等特點，在學習過程中讓學生感受視角、聽覺及感覺等全方位的刺激，有利于激發學生的學習興趣，提高教學效果和教學效率。

4.2 學生老師角色互換教學模式

學生與老師之間進行角色互換是一種新穎的教學方法，通過這種教學方法可以讓每個學生都融入課堂，主動參與到教學當中，與常規的課堂教學模式“教師講學生聽”相比，學生對知識的吸收由被動接受轉變為主動吸收，不僅大大提高了教學效果，還可以鍛煉學生的自學能力和表達能力，也實現了素質教育中以點帶面、全面合作型的學習方式。在課程設計活動中，可以選定一兩個知識點，讓學生進行自學并設計課程內容，同時進行講解。例如在復合材料基礎知識這一模塊，對復合材料的概念、特點以及應用這一知識點可以讓學生借助教材、圖書館資料、文獻資料等制作PPT，并進行講解。通過查閱資料和自身講解，可以加深學生對復合材料基礎的理解。在角色互換的過程中，教師需要對學生的講稿和PPT進行把關，并在學生講解過程中進行糾錯和補充，講解完之后針對學生的講解進行總結。

4.3 課內課外結合的教學模式探索

《復合材料界面及性能》涉及三大模塊的知識：材料表界面的基礎知識、復合材料的基礎知識和復合材料界面。其中重點是復合材料界面，前兩者作為基礎都是為這一模塊做鋪墊，學生要理解聚合物基復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合材料的基礎知識是必不可少的，因此，三者之間是相輔相成的關系。本課程總共32學時，涉及的基礎理論較多，將課程的部分知識讓學生借助圖書館、網絡等資源在課外進行學習，有利于提高學生學習的主觀能動性，培養學生的自學能力。比如：在講到不同纖維的表面改性方法時，教材里只是對不同方法的簡單介紹，可以讓學生通過查閱文獻和圖書館資料對不同纖維表面改性的最新研究進行了解，這樣可以加深學生對不同表面處理方法的理解。采用課內課外結合的教學模式，讓學生結合課內的學習內容，通過自己查資料來拓展知識點，有利于激發學生學習的樂趣，提高學習的主觀能動性，加深對專業知識的理解。

4.4 課堂與實踐結合的教學模式探索

加深學生對理論知識內容的理解，最有效的方式是將理論和實踐結合在一起，通過實踐教學可以鍛煉學生的動手實踐能力、激發學生對科學問題的探討。例如：在復合材料界面物理特性分析表征的教學中，在對金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等檢測儀器介紹的基礎上，可以利用學?，F有的資源，通過掃描電鏡觀察復合材料的界面形貌的實驗演示，將理論知識與實際操作結合在一起，讓學生能夠感官認識復合材料界面的形態，幫助學生深刻體會界面的微觀分析對復合材料界面性能評判的重要影響，并且掌握測試方式的原理及適用性，為之后的技術研究工作或科學研究工作等相關工作的開展，學生能夠正確使用這些儀器打下堅實的基礎。通過課堂與實踐相結合的教學模式，加強學生對專業知識的感性認識，并通過科學實驗激發學生的學習興趣，搭建“學、研、做”相結合的教學模式。

5 結語

該文從學科特點以及復合材料相關領域的研究和應用發展的角度分別闡述了《復合材料界面及性能》課程設置的必要性和教學探討?！稄秃喜牧辖缑婕靶阅堋窇且婚T獨立于《聚合物基復合材料》的專門課程，是整個復合材料領域基礎知識鏈條中不可或缺的重要一環，通過該課程所培養的專業人才更是復合材料領域急需補充的。此外，針對該學科的前沿性特點，提出前沿論文討論互動式教學的特殊模式，不但可以擴展學生的知識視野，提升學生對理論知識的靈活運用，還可以增加學生的課程參與感，調動學習的積極性。

多元化教學方法在《復合材料界面及性能》課程中的應用，是筆者在教學實踐的基礎上，針對復合材料成型工程專業學生知識結構的需求進行的新嘗試，通過教學實踐證明，多元化教學的教學效果明顯，可以大大提高學生學習的主觀能動性，激發學生的學習興趣。這種多元化教學方式已取得了一定的成效，但仍需完善，尤其在對學生的實踐能力和創新能力的培養方面。

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基金項目：上海第二工業大學教師專業發展工程（項目編號：ZZEGD20014）;上海第二工業大學?；穑椖烤幪枺篍GD20XQD12）。

作者簡介：胡秀鳳（1986—），女， 博士，講師，研究方向為聚合物基復合材料成型工藝。