解决复杂工程问题目标下的课程教学模式改革

姚佳伟 牛一凡

［摘 要］ 培养解决复杂工程问题的能力是工程教育的重中之重，为推进落实“复合材料性能”课程在工程教育专业中解决复杂工程问题目标下的支撑作用，在深入分析课程现状、特点及问题的基础上，立足教学内容，针对不同类型知识，确立了主题讨论、主题研究、主题项目、线上线下混合的灵活教学方法以及与之匹配的考核方法。充分发掘教学内容，以教学目标为抓手，设计了全课程支撑的复杂工程项目，启发学生以工程师的视角思考問题，并重新构建切实可行的课程设计，从而为同类课程提供参考。

［关键词］ 复合材料性能；复杂工程问题；教学模式；教学改革

［基金项目］ 2022—2024年中国交通教育研究会教育科学研究课题“民航强国建设征程中的分类卓越人才培养模式研究与实践”（ZJJY2022ZD2）

［作者简介］ 姚佳伟（1988—），女，河北张家口人，博士，中国民航大学中欧航空工程师学院讲师，主要从事复合材料性能优化研究；牛一凡（1979—），女，天津人，博士，中国民航大学中欧航空工程师学院教授，主要从事复合材料失效分析研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2024）06-0070-04［收稿日期］ 2022-12-09

培养解决复杂工程问题的能力是工程教育的重中之重，而课程是培养学生的第一阵地，充分发挥课程在解决复杂工程问题目标下的支撑作用，对于最终实现人才培养目标具有重要意义。“复合材料性能”课程是材料类专业重要的专业课程，众多综合院校以及一些行业院校均开设了该课程。由于行业背景与院校培养目标的差异，该课程在实际教学内容与目标上均存在较大差异。本文基于中国民航大学中欧航空工程师学院的办学情况，探讨研究生专业课程“复合材料性能”的教学模式改革，为工程教育专业中解决复杂工程问题目标下的同类课程提供参考。

一、课程教学现状分析

（一）课程现状

“复合材料性能”课程的前修课程如“复合材料及特种材料”“弹性力学”“梁的线性理论”已经使学生具备了较好的学习能力，这些课程为尝试更加灵活的教学模式提供了良好的学情基础。“复合材料性能”课程总计52学时，内容以复合材料层压板力学行为为主，系统阐述复合材料性能特点、应用、制备、加工、检测技术等。课程教学目标分为知识目标和技能目标：知识目标——掌握复合材料性能特点、力学基本理论与计算方法、损伤与失效理论；技能目标——根据需求给出材料和制备建议，利用有限元软件分析力学行为，从而使学生具备解决工程问题的能力。

与国内高校开设的同类课程相比，“复合材料性能”课程具有如下特点。

1.教学内容广泛。以复合材料力学为主，同时涵盖了复合材料应用、制备、有限元应用等。

2.“硬”知识与“软”知识二者兼顾。“硬”知识指要求掌握的力学计算方法，“软”知识指应用、制备及优劣势等，相较于同类课程，“软”知识课时更多。

3.注重培养学生解决问题的能力。基于有限元软件设置课程项目，进行受力和失效分析，锻炼学生运用理论与工具分析、解决问题的能力。

（二）存在的主要问题

1.解决复杂工程问题能力的培养环节缺失。复杂工程问题的关键在于“复杂性”及“工程性”［1］。传统的课程项目无法支撑解决复杂工程问题能力的培养。

2.“硬”知识教学内容和目标不匹配。复合材料层压板力学行为是要求掌握的首要知识目标，但是仅凭弹性力学理论学习与复合材料层压板力学推导演算难以达成教学目标。

3.“软”知识教学方法和考核方法不充分。“软”知识要内化成学生的技能目标，使学生全面认识复合材料。教师平铺直叙的授课方法不利于“软”知识内化，也没有“软”知识的考核方法。

二、课程教学模式改革

为解决复合材料性能课程教学存在的问题，本课程立足教学内容，针对“硬”“软”知识，采用灵活的教学方法，启发学生以工程师的视角思考问题。教学过程突出以学生为中心，开发多元化的教学方法和考核方法，注重过程评价。以教学目标为抓手，优化项目设计，提升项目“复杂性”和“高阶性”，突出工程能力、创新能力等综合能力的培养。主要的改革内容确定为：灵活教学方法，培养工程素养；多元考核方法，启发自主学习；优化项目设计，提高综合能力。

（一）灵活教学方式，培养工程素养

1.“硬”知识——主题练习教学。相较于金属材料，复合材料力学行为影响因素较多，为了使学生准确理解并掌握复合材料的力学特点和计算方法，基于教学内容匹配贴合工程实际、针对性强的主题练习。一方面可以帮助学生掌握“硬”知识，使学生能够应用理论获知复合材料的力学行为；另一方面借助主题练习中的工程实例，启发学生以工程师的视角思考问题。主题练习的内容有以下八个方面。

主题一为复合材料与金属。通过惯性飞轮质量、体积、动能的对比，评价复合材料相较于金属的优势与局限性，使学生认识到应该基于需求进行选材。

主题二为直升机螺旋桨叶片主梁设计。从直升机螺旋桨受力分析入手，基于单向复合材料弹性常数，设计螺旋桨叶片主梁截面。

主题三为复合材料的各向异性。通过典型铺层工程常数的计算，使学生掌握复合材料任意方向工程常数的计算方法，理解力学性能随铺层方向的变化规律，初步掌握复合材料铺层设计原则。

主题四为复合材料的应力—应变关系。基于工程常数，计算层压板在任意受力状态下的应力、应变分布，加深学生对复合材料各向异性的理解，为后续失效分析奠定基础。

主题五为复合材料的失效分析。基于复合材料应力分布与失效准则，判断铺层失效模式。

主题六为复合材料的弯曲—扭转。基于弯曲刚度、扭转刚度的计算，分析铺层方向、顺序、厚度的影响，使学生理解“三明治结构”的抗弯性质，初步掌握弯曲—扭转工况下铺层设计原则。

主题七为复合材料冲浪板的受力分析。计算复合材料冲浪板弯曲—扭转工况下的应力和应变分布，评价复合材料铺层设计的适用性。

主题八为复合材料压力容器的设计。从缠绕成型圆柱压力容器受力分析入手，给出缠绕角度建议，计算容器最小厚度。

以上主题练习相互关联，逐步递进（如图1所示），最终达成“硬”知识教学目标。

2.“软”知识——主题讨论教学。实现“软”知识内化教学目标的关键在于教学方法，以教师为中心的平铺直叙的授课方法不适用于此类技能目标的达成，容易造成“走马灯式”的教学体验。主题讨论教学是以学生为中心，学生在教师的引导下思考，完成对知识的整合、构建，实现内化教学目标［2］。主题讨论的内容有以下两个方面。

主题一为飞机复合材料的应用及优劣势分析。按照机身、机翼、尾翼、客货舱、机舱分组，引导学生讨论，启发学生以工程师视角思考问题，列出适用、不适用复合材料的部件，从性能特点、环保、成本、生产及维修等方面综合评价复合材料。

主题二为飞机复合材料的制备方法及优劣势分析。按照机身、机翼、尾翼、客货舱、机舱分组，引导学生从性能特点、制备效率、成本等方面讨论分析飞机复合材料部件的最佳制备方法。

3.“软”知识——主题研究教学。学生已在“金属材料性能”课程中学习了金属机械加工及无损检测技术，本课程中的“软”知识复合材料机械加工及无损检测技术与之既有相似之处，也有独特之处，适合采用研究型教学模式［3］。学生通过资料的搜集、整理等方式进行自主学习，通过对二者进行比较，快速形成对复合材料机械加工及无损检测技术的认识。

4.扩大教学输出——线上线下混合式教学。多元化的教学方法必然会导致学时紧张，为保证教学输出，课堂要从传统封闭式向开放式转变［4-5］。线上线下混合式教学就是实现开放式课堂的有力教学方法。

线上线下混合式教学不应局限于线上学生自学和线下教师辅导的简单结合，而应该基于教学目标及内容进行区分。某些教学目标的实现、教学内容的学习适合利用线上资源，进行线上教学；有些则更适合传统的线下面授教学。如果已经在线上学习过的内容，还需要教师用更多的课时进行讲解，则该教学内容不宜进行线上教学［6-7］。基于此，本课程线上线下教学区分原则确定为：（1）需重点讲解的“硬”知识进行线下教学；（2）要求掌握的“软”知识进行线下教学；（3）线上资源充分的内容进行线上教学。根据以上原则，区分教学内容，设计混合式教学方案。

（二）多元考核方法，启发自主学习

靈活多样的教学方法给了学生更多在学习过程中展示学习成果的机会，也给了教师全面评价学生的机会。实施多元化、重过程的考核方法，并保证每一项教学内容都有与之对应的考核方法。因此，本课程考核方法确定为闭卷考试、开卷考试、主题讨论汇报、主题研究汇报以及项目报告。

1.闭卷考试：针对复合材料的基本概念、应用、制备、优劣势等要求掌握的“软”知识进行考核，促使学生内化对复合材料的基本认识，使学生能够根据不同应用要求，给出选材、制备等方案建议。

2.开卷考试：针对复合材料力学理论、计算方法等“硬”知识进行考核，考试题目通常围绕一个复合材料结构的实际工程问题，学生可以携带任意工具、资料，培养学生思考、分析问题、借助工具解决问题的能力。

3.主题讨论汇报：针对主题讨论的课堂汇报结果进行考核，优劣势分析的合理性为主要考核内容。

4.主题研究汇报：针对主题研究的课堂汇报结果进行考核，汇报内容的准确性为主要考核内容。

5.项目报告：针对项目题目，应用理论知识、工具等完成项目报告，给出计算过程与结果，要求原理方法正确，结果合理。

（三）优化项目设计，提高综合能力

本课程项目设计基于教学内容，以教学目标为抓手，将复杂工程问题进行分解，变成环环相扣的简单问题，让学生在学习过程中逐步获得简单问题的解决方法，用课程支撑项目，最终解决复杂问题。以复合材料竞赛帆船船体设计项目为例，项目可分解为受力→选材→铺层→厚度→优化与验证→成型6个简单问题。教学内容对简单问题解决方法支撑作用如图2所示。

三、课程教学设计

基于上述探讨的教学模式改革，重新设计和构建复合材料性能课程整体教学框架，如图3所示。以教学知识目标和技能目标为抓手，共同支撑解决复杂工程问题能力的培养。为实现教学目标，为每项内容匹配上述探讨的教学方法，以复合材料损伤失效为例，该内容属于需重点讲辅的“硬”知识，因此进行线下教学，匹配主题练习五，并基于有限元软件在课程项目中用于设计优化与验证。同时，每项教学内容匹配对应的考核方法，全面地评价学生对教学内容的学习效果，从而最终达成解决复杂工程问题能力的培养目标。

结语

为充分发挥“复合材料性能”课程在解决复杂工程问题背景目标下的支撑作用，本文在分析课程现状、特点和主要问题的基础上，以课程教学目标为抓手，基于教学内容，设计全课程支撑的复杂工程项目。在课程改革后采取主题讨论、主题研究、主题项目、线上线下混合灵活的教学方法以及与之匹配的考核方法，并以此重新构建课程设计，达成解决复杂工程问题能力培养目标。

参考文献

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［2］李童，杨楠.新工科背景下学生友好型案例教学的理念、构建与实践［J］.高等工程教育研究，2022（1）：29-34.

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［4］李亚红.一种基于OBE理念的专业课程教学大纲制定方法探讨［J］.电脑知识与技术，2018，14（33）：119-121.

［5］姚靜，王佩.基于OBE教学理念的项目驱动式专业课程教学设计：以《液压与气压传动》为例［J］.教学研究，2017，40（3）：87-91.

［6］党方方.线上线下混合式教学模式在高校化学实验教育中的应用［J］.高教学刊，2022，8（6）：112-115.

［7］王玉生，宋晓燕，张天杰.线上线下结合的教学模式探索［J］.华北水利水电大学学报（社会科学版），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