《复合材料界面及性能》课程的必要性及教学探讨

胡秀凤 田浩彬 刘晓航

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

摘 要：界面作为复合材料特有的组成部分，对复合材料的性能起着非常重要的作用，尤其是树脂基复合材料，其韧性、耐热性、压缩等性能都与界面紧密相关，对于复合材料专业来说，《复合材料界面及性能》是非常重要的专业基础课程。该文从学科的特色以及相关领域发展的角度介绍《复合材料界面及性能》课程设置的必要性，并结合针对线上教学和线下教学存在的問题，对“线上线下结合”“学生老师角色互换”“课内课外结合”“课堂实践结合”的多元教学模式进行探讨，以探索适合该课程的教学模式，提高该课程的教学质量。

关键词：复合材料 表界面 课程设计 教学模式

中图分类号： G642;TB33-4文献标识码：A   文章编号：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

近年来，聚合物基复合材料因其在比强度、比模量、耐腐蚀、耐辐照、抗疲劳性能以及可设计性等方面的优势，在航空航天、轨道交通、电子电器、建筑、体育器材等领域得到了广泛的应用。在巨大的复合材料市场需求下，对复合材料专业科技人才的需求也日益扩大，针对这一需求，很多理工类的高校开设了复合材料专业，力求培养具备扎实的复合材料基础知识、复合材料成型理论、方法和技能等良好专业素养和具有良好职业道德、社会责任感的复合材料领域的应用技术型人才。

聚合物基复合材料一般是由增强纤维与基体树脂两相组成，两相之间存在着界面，借助界面作用，纤维与基体树脂结合为一个整体，赋予复合材料具备原单一材料所没有的性能。界面作为复合材料特有的组成部分，是连接纤维和树脂的桥梁，对复合材料的性能起着举足轻重的作用，如复合材料的韧性、耐热性、压缩等性能都与界面性能有关，那么对于复合材料专业的学生来讲，深入学习复合材料的界面及性能尤为重要。为了让复合材料专业的学生具备扎实的复合材料基础知识，很多高校都设立类似《聚合物基复合材料》课程，该课程主要讲授聚合物基复合材料中常用纤维、树脂的性能特点以及聚合物基复合材料的成型工艺。课程的内容侧重讲解纤维和树脂的本体性能以及将两者结合在一起的不同成型工艺的原理、特点和成型设备等。而复合材料的界面理论只做了一部分的介绍，涉及的内容包括表面现象和表面张力、增强材料的表面性质与处理、聚合物基复合材料的界面以及界面的破坏模式简单介绍，这些内容对于让学生更深入的理解纤维和树脂之间的界面作用远远不够。因此，开设一门专门讲授复合材料表界面相关知识的课程尤为必要，该文将详细阐述《复合材料界面及性能》课程设立的必要性，并对教学模式进行初步的探讨。

2 设立《复合材料界面及性能》课程的必要性

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，其性能主要取决于基体的性能、增强材料的性能、复合材料的结构及成型技术以及基体与增强材料之间的界面结合状态，即界面层的性能。复合材料界面是在基体与增强材料之间，连接树脂基体与增强纤维之间相互作用的微观区域，它不仅通过连接作用将纤维和基体形成一个整体，还能起到传递应力的作用，把外加载荷从基体材料传向增强纤维，界面对复合材料的制造机理、稳定性、力学性能、韧性、疲劳以及断裂行为等都有重要影响。可见对于复合材料来讲，复合材料的界面性能与基体的性能、增强材料的性能、复合材料的结构及成型技术同等重要。

当前多数高校针对复合材料专业设立了《聚合物基复合材料》课程，大多按照增强材料、基体材料、聚合物基复合材料界面以及聚合物基复合材料成型工艺进行讲解，课程多注重基体材料、增强材料本体性能的介绍以及各种成型工艺方法的介绍。在聚合物基复合材料界面这一块主要是介绍界面的形成与作用机理、界面的破坏机理、纤维的表面处理以及复合材料界面的研究，在内容安排上更适合已经具备材料表界面基础知识的学生。对于刚接触复合材料专业基础课程的学生来讲，并没有学习这一块的知识，而且关于复合材料界面的知识只安排了一章的内容，很难让学生理解和深入学习复合材料界面的相关知识，因此对于复合材料专业学生来说，单独开设《复合材料界面及性能》的课程就非常有必要，一方面可以为后续其他的专业课程如《聚合物基复合材料及其成型工艺》《复合材料制备及性能》等课程打好基础;另一方面有助于学生更好地去理解复合材料界面性能对复合材料整体性能影响以及在复合材料的设计中如何设计和控制界面性能。针对这一必要性，我校复合材料成型工程专业将《复合材料界面及性能》设置为专业必修课。

复合材料界面涉及多学科高度交叉，从最基础的材料表界面的基础知识、纤维的表面处理方法和树脂的改性、纤维和树脂之间的结合作用以及所涉及的各类化学反应和界面的表征分析，到复合材料界面的设计与改进，涵盖了物理化学、有机化学、高分子化学、材料学等多学科的理论知识，且需要融会贯通，应通过系统性的课程设计，形成独立的课程。

3 《复合材料界面及性能》课程内容设计

《复合材料界面及性能》课程应是复合材料专业（侧重聚合物基复合材料）的一门专业必修课程，建议32课时，每个星期2课时。该课程目前没有公开的教材或讲义，该文基于相关的教学积累和专业知识需求，提出如下的课程内容设计和课时分配建议，具体内容见表1。

4 课程教学模式探讨

《复合材料界面及性能》这门专业必修课程在第3个学期开课，是复合材料成型工程专业学生接触最早的一门专业课，这阶段的学生还不具备材料表界面的基础知识，对复合材料的了解也比较少，复合材料界面可能很多学生都是第一次听说。而对于材料表界面的基础知识，由于包含的基础理论多、公式定律多、抽象性深等特点，对学生来说掌握材料表界面的基础知识难度比较大;同时对于复合材料界面这一模块，由于学生还不具备复合材料的基础知识，所以在这一模块涉及到复合材料基础知识，主要包括复合材料介绍、增强纤维、基体树脂的性能（主要是表面性能）介绍，在学生掌握了复合材料的基本知识之后，引入纤维和树脂之间的物理化学作用，介绍复合材料界面的形成以及界面性能的影响因素，最后介绍界面的分析表征方法、界面的设计和改进，通过循序渐进的课程内容安排让学生了解复合材料界面的知识。针对2020年的线上教学和2021年的线下教学的教学情况，发现在教学中存在以下几方面的问题：⑴ 无论是线上教学还是线下教学，教学模式主要还是传授式，教师通过讲授的方式灌输理论知识，最终都造成学生被动地接受知识，难免会觉得课程枯燥;⑵线上教学时，由于学生是通过网络观看视频或者直播课，教师无法观察学生的学习状态以及学生存在疑惑的地方，缺少课堂互动;线下教学时，由于大部分学生对复合材料专业课的知识缺乏实践认知，难以将理论知识与实际应用结合，对课程的学习缺乏主动性，即使进行课堂互动，学生的参与度也不高;⑶大部分学生对课程涉及的定义和原理理解的不透徹，只是通过知识死记硬背应付考试，不利于后续其他专业课程的学习。针对以上《复合材料界面及性能》的特点以及教学过程中存在的问题，为了提高稿课程的教学效果和教学效率，激发学生对本课程的兴趣，让学生主动学习专业知识，真正融入课堂，需要对单一的教学模式进行改革，探索适合本课程的教学模式，让学生在理解的基础上掌握复合材料界面的形成以及界面性能的影响因素，为后续《聚合物基复合材料及其成型工艺》《复合材料制备及性能测试》等其他专业课程的学习打好基础。

4.1 线上线下结合的教学模式

通过录播或录视频的方式进行线上教学，最大的优势是可重复性，学习不受时间、地点的限制，学生在教学楼、图书馆甚至乘坐交通时均可以学习;当存在没有完全弄明白的知识点时，学生可以反复学习，直到明白为止;同时也可以借助“学习通”“学雨课堂”“云课堂”等学习平台。结合线下教学学生和老师可以面对面交流的特点，线上学习存在疑惑的地方，学生可以在线下教学时与老师进行沟通，及时解除疑惑。另外，由于视频资料具有直观、信息量大等特点，在学习过程中让学生感受视角、听觉及感觉等全方位的刺激，有利于激发学生的学习兴趣，提高教学效果和教学效率。

4.2 学生老师角色互换教学模式

学生与老师之间进行角色互换是一种新颖的教学方法，通过这种教学方法可以让每个学生都融入课堂，主动参与到教学当中，与常规的课堂教学模式“教师讲学生听”相比，学生对知识的吸收由被动接受转变为主动吸收，不仅大大提高了教学效果，还可以锻炼学生的自学能力和表达能力，也实现了素质教育中以点带面、全面合作型的学习方式。在课程设计活动中，可以选定一两个知识点，让学生进行自学并设计课程内容，同时进行讲解。例如在复合材料基础知识这一模块，对复合材料的概念、特点以及应用这一知识点可以让学生借助教材、图书馆资料、文献资料等制作PPT，并进行讲解。通过查阅资料和自身讲解，可以加深学生对复合材料基础的理解。在角色互换的过程中，教师需要对学生的讲稿和PPT进行把关，并在学生讲解过程中进行纠错和补充，讲解完之后针对学生的讲解进行总结。

4.3 课内课外结合的教学模式探索

《复合材料界面及性能》涉及三大模块的知识：材料表界面的基础知识、复合材料的基础知识和复合材料界面。其中重点是复合材料界面，前两者作为基础都是为这一模块做铺垫，学生要理解聚合物基复合材料中树脂和纤维之间的作用、界面的形成以及界面性能的影响因素，掌握材料表界面和复合材料的基础知识是必不可少的，因此，三者之间是相辅相成的关系。本课程总共32学时，涉及的基础理论较多，将课程的部分知识让学生借助图书馆、网络等资源在课外进行学习，有利于提高学生学习的主观能动性，培养学生的自学能力。比如：在讲到不同纤维的表面改性方法时，教材里只是对不同方法的简单介绍，可以让学生通过查阅文献和图书馆资料对不同纤维表面改性的最新研究进行了解，这样可以加深学生对不同表面处理方法的理解。采用课内课外结合的教学模式，让学生结合课内的学习内容，通过自己查资料来拓展知识点，有利于激发学生学习的乐趣，提高学习的主观能动性，加深对专业知识的理解。

4.4 课堂与实践结合的教学模式探索

加深学生对理论知识内容的理解，最有效的方式是将理论和实践结合在一起，通过实践教学可以锻炼学生的动手实践能力、激发学生对科学问题的探讨。例如：在复合材料界面物理特性分析表征的教学中，在对金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等检测仪器介绍的基础上，可以利用学校现有的资源，通过扫描电镜观察复合材料的界面形貌的实验演示，将理论知识与实际操作结合在一起，让学生能够感官认识复合材料界面的形态，帮助学生深刻体会界面的微观分析对复合材料界面性能评判的重要影响，并且掌握测试方式的原理及适用性，为之后的技术研究工作或科学研究工作等相关工作的开展，学生能够正确使用这些仪器打下坚实的基础。通过课堂与实践相结合的教学模式，加强学生对专业知识的感性认识，并通过科学实验激发学生的学习兴趣，搭建“学、研、做”相结合的教学模式。

5 结语

该文从学科特点以及复合材料相关领域的研究和应用发展的角度分别阐述了《复合材料界面及性能》课程设置的必要性和教学探讨。《复合材料界面及性能》应是一门独立于《聚合物基复合材料》的专门课程，是整个复合材料领域基础知识链条中不可或缺的重要一环，通过该课程所培养的专业人才更是复合材料领域急需补充的。此外，针对该学科的前沿性特点，提出前沿论文讨论互动式教学的特殊模式，不但可以扩展学生的知识视野，提升学生对理论知识的灵活运用，还可以增加學生的课程参与感，调动学习的积极性。

多元化教学方法在《复合材料界面及性能》课程中的应用，是笔者在教学实践的基础上，针对复合材料成型工程专业学生知识结构的需求进行的新尝试，通过教学实践证明，多元化教学的教学效果明显，可以大大提高学生学习的主观能动性，激发学生的学习兴趣。这种多元化教学方式已取得了一定的成效，但仍需完善，尤其在对学生的实践能力和创新能力的培养方面。

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基金项目：上海第二工业大学教师专业发展工程（项目编号：ZZEGD20014）;上海第二工业大学校基金（项目编号：EGD20XQD12）。

作者简介：胡秀凤（1986—），女， 博士，讲师，研究方向为聚合物基复合材料成型工艺。