土木工程專業(yè)研究生課程智能材料與結(jié)構(gòu)教學問題和方法論文
文章根據(jù)土木工程行業(yè)發(fā)展對人才需求及土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標定位，提出在高等院校土木專業(yè)研究生階段加強智能材料與結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容設(shè)置的必要性，結(jié)合土木工程專業(yè)學生特點探討智能材料與結(jié)構(gòu)課程研究生教學的授課內(nèi)容，并對教學方法和手段進行了實踐與探索。
智能材料結(jié)構(gòu)是材料學與多學科交叉融合發(fā)展起來的高新技術(shù)結(jié)構(gòu)，是集傳感、驅(qū)動及信息處理等功能于一體的功能性材料結(jié)構(gòu)，具有自診斷、自適應(yīng)、自學習、自修復(fù)、自增值、自衰減等六大生命功能 [1]。近20年來，智能材料結(jié)構(gòu)隨著材料科學、力學、控制理論、計算機技術(shù)、信息理論等學科的發(fā)展已成為國內(nèi)外最活躍的研究領(lǐng)域之一，國內(nèi)外學者對智能結(jié)構(gòu)的研究及探索不斷深入，智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域及技術(shù)迅速發(fā)展[2]。智能材料與智能結(jié)構(gòu)是力學的重要分支，其研究涉及土木工程、力學、材料學、化學、信息論、電子技術(shù)、機械工程、光學、計算機技術(shù)、仿生學、控制理論等一系列學科中的先進技術(shù)，同時引發(fā)出新的研究領(lǐng)域。如仿生機器人、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、傳感材料、驅(qū)動材料、元器件及材料制造新技術(shù)和新的控制理論等[3]。
智能材料與結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景，其發(fā)展不僅意味著增強結(jié)構(gòu)功能，提高結(jié)構(gòu)使用效率及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，而且也打破了許多土木工程結(jié)構(gòu)在設(shè)計、建造、維護和使用控制等方面的傳統(tǒng)觀念。目前，在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，形狀自適應(yīng)記憶合金材料及結(jié)構(gòu)減振抗風降噪的自適應(yīng)控制等方面[4]。為提高工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全性及使用可靠性，將智能材料中先進的自診斷理念引入研究領(lǐng)域，針對重大工程中結(jié)構(gòu)損傷特征及應(yīng)用對象和領(lǐng)域，研制應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的主動減振、精密位移控制、損傷主動在線監(jiān)測技術(shù)的智能材料與結(jié)構(gòu)。
在土木工程專業(yè)研究生教學中開設(shè)智能材料與結(jié)構(gòu)課程非常有必要。目前，智能材料與結(jié)構(gòu)課程教學在課程體系上較封閉，學生知識面不夠?qū)е?/p>
學習積極性不高，且由于該門課程學時的限制，教師授課時只能挑選部分章節(jié)講授，疑難問題不斷增加，給研究生科研指導(dǎo)不大，忽略了這門課程對研究生實踐能力的培養(yǎng)，嚴重影響了學生學習內(nèi)容的深度和廣度。
文中針對土木工程專業(yè)研究生的研究及專業(yè)工作背景，將智能材料與結(jié)構(gòu)課程作為選修課，對如何實現(xiàn)這門課程的教學目標，提高教學質(zhì)量，提高研究生學習的科研興趣和實踐能力進行了思考，對這門課程的選修內(nèi)容及教學、實踐、成績評定等環(huán)節(jié)進行了探索研究。
一、教學內(nèi)容
智能材料與結(jié)構(gòu)是以材料—器件—結(jié)構(gòu)—系統(tǒng)為主線，將基本理論與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，從材料與智能、智能材料、智能器件、智能材料結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等方面循序漸進地介紹智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本概念、性能特征、發(fā)展和應(yīng)用等。結(jié)合土木工程專業(yè)研究生研究課題及就業(yè)背景，選擇與土木工程行業(yè)緊密相關(guān)的智能材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)容作為教學主講內(nèi)容。
首先介紹智能材料與結(jié)構(gòu)的一些基本概況，包括驅(qū)動材料、驅(qū)動器與傳感器，以及自適應(yīng)復(fù)合材料系統(tǒng)中的模型與應(yīng)用、自適應(yīng)系統(tǒng)、旋翼應(yīng)用、航空器控制和智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用等。根據(jù)實例引入形狀記憶合金的概況，包括工作原理及應(yīng)用，重點介紹形狀記憶合金在土木工程中的隔震體系、粘彈性阻尼器、自修復(fù)埋入式智能監(jiān)測的實例。在工程結(jié)構(gòu)無損中應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域中，需介紹壓電復(fù)合材料的力學原理及應(yīng)用，重點介紹其作為智能驅(qū)動器與傳感器時在土木工程領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的應(yīng)用實例。在土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，介紹電/磁致伸縮與電/磁流變體的工作原理，磁致伸縮智能材料是一種磁致伸縮效應(yīng)強烈，具有高磁致伸縮系數(shù)并具有電磁能/機械能轉(zhuǎn)換功能的材料。磁致伸縮材料作為智能材料與結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中主要用于傳感、監(jiān)測和遠距離信息傳輸方面，具有較好的應(yīng)用前景。將智能器件置于土木工程結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)其自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能，主要介紹智能光纖材料的工作原理及其應(yīng)用，復(fù)合材料中埋入光纖傳感器和驅(qū)動器是目前應(yīng)用前景最廣、技術(shù)基礎(chǔ)最成熟的一種智能材料。最后對智能材料與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景及發(fā)展進行總結(jié)和展望。
二、教學實踐與探索
（一）不同研究方向教師的正確引導(dǎo)
研究生階段的學習關(guān)鍵已不再是掌握某個知識點，死記一些書本知識，更重要的是培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，提高學生的自主學習能力，需要在自己學習的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新性思維，實現(xiàn)再創(chuàng)造，這就需要教師的正確引導(dǎo)。同樣在智能材料與結(jié)構(gòu)這門課程中，對土木工程類研究生的教學，需要通過師生
互動形式展開，在課堂上進行課堂互動，讓研究生體驗從未知到新知的探索過程，將智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各個方面實行科普性的講解，促成研究生學習的主動性，教師的基本職能從“授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)”，讓教師真正成為學生學習的導(dǎo)師。在學習智能材料與結(jié)構(gòu)這門課程中，江蘇大學創(chuàng)新地采用多位教師講授同一門課程的方式，針對所學內(nèi)容。選擇相關(guān)研究方向的專業(yè)課程教師來上這一章節(jié)內(nèi)容。由于所選教師對研究方向的熟悉程度明顯高于以往同一位任課教師，這無形中大大提高了課程的深度和廣度，調(diào)動了學生學習的熱情，拓展了研究生科研知識面。
�。ǘ├碚撀�(lián)系實際
智能材料與結(jié)構(gòu)作為一門交叉性的課程，必須與實際相結(jié)合才能鞏固學習，激發(fā)學生的興趣。所以，在課程教學中，盡量多舉土木工程中的實例來說明各智能材料與結(jié)構(gòu)的工作原理，可以從學生感興趣的結(jié)構(gòu)和目前應(yīng)用較廣的智能材料來闡述，如智能蒙皮、結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測、土木結(jié)構(gòu)的減振與降噪、環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)以及住宅智能化等。將理論知識寓于工程應(yīng)用背景中，效果顯著。如在課堂上會增加手工制作環(huán)節(jié)，采用層合空心板制作橋梁模型，采用硬幣搭建省材工程結(jié)構(gòu)，將智能材料的節(jié)能減排理念運用到結(jié)構(gòu)設(shè)計中。
�。ㄈ┌鍟c多媒體演示的結(jié)合
智能材料與結(jié)構(gòu)課程信息量大，屬于多學科交叉綜合，不能完全采用板書教學，插入多媒體教學，可加快教學進程，提高教學效率，結(jié)合圖案或聲音，能大大提高學生的 學習興趣和學習積極性。與傳統(tǒng)的板書形式相比，多媒體教學信息量輸入緊湊，文字圖像信息清晰直觀，風格多樣，內(nèi)容豐富，也能活躍課堂氣氛，增進教學過程中的互動。但當講解一些重要的力學基本原理時，也需要放慢講課速度，通過板書的形式來講解清楚，尤其是傳感器與驅(qū)動器等智能元器件的.工作原理解釋。例如：在講解形狀記憶合金工作原理時，Ti-Ni合金的管接頭處于低溫狀態(tài)時，套在需要連接的兩根管子上，升溫到Ti-Ni合金母相狀態(tài)的室溫，套管內(nèi)徑即可回復(fù)到原來的尺寸，從而把兩根管子咬緊，完成管子的連接。采用一個版面的動畫演示即非常形象直觀地向?qū)W生解釋清楚，可以從中插入大量的工程應(yīng)用實例圖片和錄像，調(diào)動課堂氣氛。同時，在課堂教學中，增加與學生之間的互動，針對不同研究方向的研究生，選擇性地
講解智能材料與結(jié)構(gòu)的運用問題，從而不斷提高學生的學習興趣。因此，在課程教學中板書與多媒體教學相結(jié)合更有助于土木工程專業(yè)研究生掌握智能材料與結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念，加深學生印象，提高學習效率。
（四）實踐能力的培養(yǎng)
以智能材料與結(jié)構(gòu)課程中搭建土木工程結(jié)構(gòu)超聲無損檢測平臺實驗為例，采用預(yù)埋損傷的標準試塊進行結(jié)構(gòu)檢測（4學時+課余時間），構(gòu)建一個自動監(jiān)測、自動控制的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)模型，可將形狀記憶合金、磁流變材料及無線傳感理念融入其中，學生分組進行，最后分組比較創(chuàng)新性（4學時+課余時間），電測應(yīng)變測量及應(yīng)力計算（2學時）。
通過搭建實驗，進一步鍛煉學生的動手能力，訓練學生的研究方法，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。在實驗課堂上，讓部分土木工程專業(yè)優(yōu)秀本科生參與其中，學生通過實踐訓練把所學知識應(yīng)用于解決科研問題。
三、成績評定
智能材料與結(jié)構(gòu)課程共設(shè)30學時，其中實驗10學時，需要預(yù)修壓電測量學。課程教學分為課堂教學、研討、實驗三部分，考核方式采用筆試（閉卷）+平時成績+實驗成績，實驗成績通過三部分的實驗總結(jié)報告及學生答辯綜合評定。其中考試成績占70%，平時成績占10%，實驗成績占20%。通過智能材料與結(jié)構(gòu)課程三部分的考核與過程管理，既考核了學生的專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握情況，又考核了動手操作能力，更培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，開拓了視野。
四、結(jié)語
智能材料與結(jié)構(gòu)課程列舉了很多實用性和工程性強的實例，融入了最新的科研成果，是一門理論與實驗相結(jié)合的課程。因此，該領(lǐng)域為廣泛新興行業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速引進和應(yīng)用提供了巨大的潛力。通過本課程的學習，研究生將了解智能材料結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的最新動態(tài)和進展，為后續(xù)相關(guān)課程的學習及科研打好基礎(chǔ)。通過智能材料與結(jié)構(gòu)課程在土木研究生教學中的實踐與探索，為土木工程專業(yè)研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了指導(dǎo)。參考文獻：
[1] 楊大智. 智能材料與智能系統(tǒng)[M].天津：天津大學出版社， 2000.
[2] Mel Schwartz. Encyclopedia of smart materials[M]. A Wiley-Interscience Publication， 2001.
[3] 陳英杰，姚素玲.智能材料[M].機械工業(yè)出版社，2013.
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