“航空复合结构设计与制造”课程建设与教学实践初探

李毅超，胡 麟，李仁府

（华中科技大学航空航天学院 湖北 武汉 430074）

碳纤维增强树脂基复合材料（又称先进航空复合材料）因其优异的比强度、比刚度、疲劳抗性、可设计性等优点被广泛应用于航空航天、军事装备、能源交通、娱乐休闲等领域。特别是在飞机制造方面，美国波音787 客机与法国空客A350 客机的碳纤维复合材料用量均已超过飞机总体结构重量的50%，我国自主研制的大飞机C919 的复合材料用量虽然不到15%，但正在研制的新一代C929 客机碳纤维复合材料的用量计划大幅增加到50%以上，对标以上两款外国机型。在国家加大力度发展航空复合材料产业的驱动与引领下，亟须培养大批具备航空复合材料设计与制造相关专业能力的领军与技术人才，这一推动促使国内相关航空航天专业院校相继开设航空复合材料方面的本科及研究生课程。在这样的大背景下，华中科技大学航空航天学院于2019 年开设了“航空复合结构设计与制造”课程。本文是笔者作为该门课程的筹建与主讲老师在近三年授课活动中的教学实践总结。

1 “航空复合结构设计与制造”课程的特点与目标

“航空复合结构设计与制造”是华中科技大学航空航天学院飞行器设计专业本科大学第三学期设置的专业选修课程。该课程采用双语课堂教学配合实验教学的方式讲解先进航空复合材料所涉及的各方面知识，包括材料组成及特性、制造及成型工艺、检测与修补、力学性能计算及可靠性分析，以及结构与铺层设计方法。通过该课程的学习，学生将认识航空复合材料独特的材料性能并明晰影响其材料性能的组分特性，掌握航空复合材料层合板结构变形的计算方法、铺层角度与层数的设计方法，碳纤维复合材料层合板结构件的制造方法。该课程旨在培养学生对先进航空复合材料的兴趣、拓展学生在航空材料及其应用领域的新视野。

2 课程教学内容建设

2.1 材料—结构—力学—设计层层递进

为了掌握航空复合结构的设计方法，需要首先充分认识组成航空复合结构的各组分材料的特性及其相互关系。在此基础上明确这些组分材料如何组成航空复合结构并确定其中的主要控制因素。接下来，掌握航空复合结构的建模与力学性能计算方法，从而明晰各控制因素对航空复合结构力学性能的影响规律，最终提出合适的航空复合结构设计方法。基于以上逻辑思路，本课程在第一章首先介绍组成航空复合材料的两类组分材料：纤维与树脂的特性，包括种类、力学功能特性、微观结构、制造方法以及纤维与树脂的界面特性。这些知识将使学生首先从直观上了解航空复合材料的特性，以及相比金属材料所具有的优势。接下来介绍将纤维和树脂结合成预浸料的制造方法、力学特性，及其与层合板的相互关系，明确层合板的铺层角度、层数及其命名规则。至此，学生对航空复合结构已建立起清晰的轮廓模型，后续便可水到渠成地引出经典层合板理论并引导学生对航空复合结构进行力学分析与计算。这样的内容安排有助于学生更自然、轻松地掌握航空复合材料力学性能计算方法这一本课程的重难点内容。如果在课程一开始就直奔这一主题难免会使学生产生畏难情绪，降低课程的教学效果。最后，在学生充分掌握航空复合结构力学性能计算方法的基础上，教授学生一种基于毯式曲线（Carpet Plots）的航空复合结构设计方法并结合具体实例培养学生应用该方法解决实际工程问题的能力。这种层层递进的教学内容设置有助于学生对课程内容的逐层消化与理解。

2.2 实验课培养兴趣、巩固知识点

航空复合材料是一种实用性很强的工程材料，对其制造工艺的选择与实施是决定航空复合材料结构件力学性能优劣以及应用的关键要素。为此，本课程特别安排一章内容详细介绍航空复合材料的各种成型工艺，如手糊法、真空袋法、真空吸注法、热压罐成型法、丝束缠绕法、拉挤成型法等，使学生充分了解每种工艺的成型步骤、优缺点、使用的成型设备与辅料特性、适合成型的零件类型等。此外，本章还着重介绍了影响航空复合材料成型的若干因素，如树脂固化特性及影响因素、树脂粘度特性、空隙控制、收缩率以及模具的选择与考量。配合以上教学内容，本课程设计了两项航空复合材料成型实验教学内容：①基于真空袋成型工艺制作碳纤维层合板；②基于真空吸注成型工艺制作碳纤维层合板。学生通过实际动手制作碳纤维板件并完成实验报告，一方面加深了对航空复合材料的认识与兴趣，另一方面强化了对典型复合材料成型工艺的熟悉与掌握。经过3 年的实践，学生普遍对实验课反响热烈，甚至希望额外增加实验内容。这显示出实验教学课在课程建设中的重要地位。为此，笔者于去年特别开设了专业选修实验课程“航空复合材料实验”，对本课程的实验部分进行了补充与加强，同样获得了较好的反馈。

2.3 思政元素的融入

高校课程思政建设是时代所需、专业所求和人才所备，是课程质量的应有之义。思政元素应与课程内容紧密衔接，是课程内容的提炼、延伸与升华。应该让学生在接受知识的同时潜移默化地吸收正确的世界观、人生观与价值观。如果脱离课程讲思政，或者为讲思政而思政，难免会让学生产生抵触心理，不利于思政教育。本课程在“碳纤维制造工艺”的教学内容中融入思政内容，通过讲解碳纤维在制造过程中需经历氧化、碳化、石墨化的加温步骤，力学性能获得不断提升，启发学生们也应该像碳纤维一样不断磨砺和锻炼自己，以此提高自身的能力，实现事业的成功。此外，授课中还给学生们介绍了国产碳纤维的研制历程，集体观看了《大国之才——碳纤维》纪录片。通过对大量视频史料的观看与学习，同学们不仅加深了对碳纤维各制造环节的了解，更被一批又一批科研人员不畏艰辛、克难奋进，最终攻克高性能碳纤维制造技术的精神所鼓舞与激励。该课程计划在后续的实践与完善过程中融入更多思政元素，如聚焦于国产大飞机、国产大型复合材料铺放设备的研制等方面。

3 课程教学方法实践

3.1 图形化知识呈现

图形和视频等可视化媒介相较语言和文字可更生动、直观、准确地传递知识，容易被学生接受和掌握。因此，本课程在课件的准备上尽量避免过多的文字，多采用图片和视频的方式呈现，特别是在第一、二章对航空复合材料组分及其成型工艺等相关内容的讲解中，可以帮助学生快速准确地理解所学知识。一些特别设计的、贴近生活的图片和动画展示可以迅速抓住学生的兴趣点和注意力，提高课堂效率。例如在介绍碳纤维时给出一张单根碳纤维丝与单根头发丝摆放在一起的对比图，学生可以一目了然地看出碳纤维丝比头发丝明显更细，更光滑、缺陷更少，为后续理解碳纤维高力学特性的原因做好了铺垫。此外，在讲解纤维、树脂、界面在航空复合材料中的功能及其相互关系时，将三者分别类比成一个家庭当中父亲、母亲和孩子的角色，即纤维外刚内脆就像家中父亲的角色、树脂外柔但包容就像家中母亲的角色、界面是连接纤维和树脂的纽带就像家中孩子的角色，生动活泼，使学生产生共鸣。

3.2 课前知识点回顾

温故而知新，课下对课堂讲授的内容进行复习和消化有助于学生全面深入地掌握课程的知识点。为了督促学生进行课下复习，本课程在每次课堂授课的开端都会设置一个知识点回顾环节，随机邀请一位学生上台对上节课的知识内容进行梳理与回顾，并在黑板上写出上节课所学的重难点内容。授课老师根据学生的表现情况给予点评与奖惩计分。实践结果发现该环节有助于学生加深对已学知识点的记忆，扫清学生的知识盲点，同时锻炼学生的胆量与表达，特别是对一些上课容易分神的学生可以起到一定的督促与激励作用。

3.3 课堂自主提问

学生在课堂中的注意力与关注度是决定学生能否高效吸收知识的决定因素。如何充分调动学生时刻跟上授课教师的思路与节奏，激发学生思考所讲授的内容是课程建设中需要着重思考的问题。本课程在课堂教学中会在每个独立知识点讲解结束时安排5 分钟的学生自由提问时间，问题可以是授课内容中的不清楚之处，也可以是学生自由联想发挥的学科相关问题，并给予奖励加分计入学生的平时成绩。在实践的开始阶段学生大多比较拘束，但当某些学生带头开始提问并获得加分奖励回报后课堂氛围就逐渐趋于活跃。很多学生的提问充满了想象力且颇具深度，以至于授课教师都无法在课堂一一给出明确答案，这也促使教师课下进行思考与研究，进而从侧面提升了教师的知识水平和能力。笔者认为如果能够通过设置学生自主提问环节达到同时促进学生与老师双方面的学习与进步将是该课程建设的重要实践成果。

4 课程仍需完善之处

该课程从实践以来虽然获得了一定成效，但笔者认为仍需从如下方面对课程进行进一步的改进和完善：①演示实验不足。目前在课堂教学过程中还未加入任何形式的演示实验环节，而对于第一章中讲解的很多内容，如热固性树脂与热塑性树脂的区别、航空复合结构缺陷检测与修补等部分均可以设计课堂演示性实验增加课程的生动性并加深学生对知识点的理解。②例题讲解仍需增加。航空复合结构力学性能计算相关章节的例题讲解量不够，从平时的测验和期末考试情况来看，学生的解题能力与解题速度仍需提高，在后续的课程中计划适当增加例题讲解和习题课内容。③实验课内容需更贴近工程实用。当前课程中的实验课内容均为制作碳纤维平板，零件形状单一且简单，后续在教学经费允许条件下可将制作的零件改为更贴近实际飞机结构件的曲面零件，如机翼蒙皮件、L型或U型结构件。

总的来看，“航空复合结构设计与制造”课程在3 年的教学实践与改革过程中获得了学院广大学生的认可并取得了较好的教学效果。后期将根据现有已获得的经验和结果，同时广泛吸取各方学生、老师、专家领导的反馈意见，与时俱进地完善和更新课程内容，不断提升该课程的教学质量。