- 相關(guān)推薦
土木工程專(zhuān)業(yè)研究生課程智能材料與結構教學(xué)問(wèn)題和方法論文
文章根據土木工程行業(yè)發(fā)展對人才需求及土木工程專(zhuān)業(yè)的培養目標定位，提出在高等院校土木專(zhuān)業(yè)研究生階段加強智能材料與結構課程內容設置的必要性，結合土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生特點(diǎn)探討智能材料與結構課程研究生教學(xué)的授課內容，并對教學(xué)方法和手段進(jìn)行了實(shí)踐與探索。
智能材料結構是材料學(xué)與多學(xué)科交叉融合發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)結構，是集傳感、驅動(dòng)及信息處理等功能于一體的功能性材料結構，具有自診斷、自適應、自學(xué)習、自修復、自增值、自衰減等六大生命功能 [1]。近20年來(lái)，智能材料結構隨著(zhù)材料科學(xué)、力學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)、信息理論等學(xué)科的發(fā)展已成為國內外最活躍的研究領(lǐng)域之一，國內外學(xué)者對智能結構的研究及探索不斷深入，智能結構領(lǐng)域及技術(shù)迅速發(fā)展[2]。智能材料與智能結構是力學(xué)的重要分支，其研究涉及土木工程、力學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、信息論、電子技術(shù)、機械工程、光學(xué)、計算機技術(shù)、仿生學(xué)、控制理論等一系列學(xué)科中的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)引發(fā)出新的研究領(lǐng)域。如仿生機器人、結構健康監測、傳感材料、驅動(dòng)材料、元器件及材料制造新技術(shù)和新的控制理論等[3]。
智能材料與結構在土木工程領(lǐng)域中有著(zhù)巨大的應用前景，其發(fā)展不僅意味著(zhù)增強結構功能，提高結構使用效率及優(yōu)化結構設計形式，而且也打破了許多土木工程結構在設計、建造、維護和使用控制等方面的傳統觀(guān)念。目前，在土木工程結構領(lǐng)域，智能材料結構系統的應用主要集中在結構的健康監測，形狀自適應記憶合金材料及結構減振抗風(fēng)降噪的自適應控制等方面[4]。為提高工程結構質(zhì)量和結構安全性及使用可靠性，將智能材料中先進(jìn)的自診斷理念引入研究領(lǐng)域，針對重大工程中結構損傷特征及應用對象和領(lǐng)域，研制應用于土木工程結構的主動(dòng)減振、精密位移控制、損傷主動(dòng)在線(xiàn)監測技術(shù)的智能材料與結構。
在土木工程專(zhuān)業(yè)研究生教學(xué)中開(kāi)設智能材料與結構課程非常有必要。目前，智能材料與結構課程教學(xué)在課程體系上較封閉，學(xué)生知識面不夠導致
學(xué)習積極性不高，且由于該門(mén)課程學(xué)時(shí)的限制，教師授課時(shí)只能挑選部分章節講授，疑難問(wèn)題不斷增加，給研究生科研指導不大，忽略了這門(mén)課程對研究生實(shí)踐能力的培養，嚴重影響了學(xué)生學(xué)習內容的深度和廣度。
文中針對土木工程專(zhuān)業(yè)研究生的研究及專(zhuān)業(yè)工作背景，將智能材料與結構課程作為選修課，對如何實(shí)現這門(mén)課程的教學(xué)目標，提高教學(xué)質(zhì)量，提高研究生學(xué)習的科研興趣和實(shí)踐能力進(jìn)行了思考，對這門(mén)課程的選修內容及教學(xué)、實(shí)踐、成績(jì)評定等環(huán)節進(jìn)行了探索研究。
一、教學(xué)內容
智能材料與結構是以材料—器件—結構—系統為主線(xiàn)，將基本理論與工程應用緊密結合，從材料與智能、智能材料、智能器件、智能材料結構和智能結構系統等方面循序漸進(jìn)地介紹智能材料與結構系統的基本概念、性能特征、發(fā)展和應用等。結合土木工程專(zhuān)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)的智能材料與結構內容作為教學(xué)主講內容。
首先介紹智能材料與結構的一些基本概況，包括驅動(dòng)材料、驅動(dòng)器與傳感器，以及自適應復合材料系統中的模型與應用、自適應系統、旋翼應用、航空器控制和智能結構應用等。根據實(shí)例引入形狀記憶合金的概況，包括工作原理及應用，重點(diǎn)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、自修復埋入式智能監測的實(shí)例。在工程結構無(wú)損中應用最為廣泛的領(lǐng)域中，需介紹壓電復合材料的力學(xué)原理及應用，重點(diǎn)介紹其作為智能驅動(dòng)器與傳感器時(shí)在土木工程領(lǐng)域中結構健康監測方面的應用實(shí)例。在土木工程結構抗震設計中，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強烈，具有高磁致伸縮系數并具有電磁能/機械能轉換功能的材料。磁致伸縮材料作為智能材料與結構在土木工程領(lǐng)域中主要用于傳感、監測和遠距離信息傳輸方面，具有較好的應用前景。將智能器件置于土木工程結構中，實(shí)現其自適應的結構功能，主要介紹智能光纖材料的工作原理及其應用，復合材料中埋入光纖傳感器和驅動(dòng)器是目前應用前景最廣、技術(shù)基礎最成熟的一種智能材料。最后對智能材料與結構的應用前景及發(fā)展進(jìn)行總結和展望。
二、教學(xué)實(shí)踐與探索
�。ㄒ唬┎煌芯糠较蚪處煹恼_引導
研究生階段的學(xué)習關(guān)鍵已不再是掌握某個(gè)知識點(diǎn)，死記一些書(shū)本知識，更重要的是培養學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng )新能力，提高學(xué)生的自主學(xué)習能力，需要在自己學(xué)習的基礎上進(jìn)行創(chuàng )新性思維，實(shí)現再創(chuàng )造，這就需要教師的正確引導。同樣在智能材料與結構這門(mén)課程中，對土木工程類(lèi)研究生的教學(xué)，需要通過(guò)師生
互動(dòng)形式展開(kāi)，在課堂上進(jìn)行課堂互動(dòng)，讓研究生體驗從未知到新知的探索過(guò)程，將智能材料與結構系統的各個(gè)方面實(shí)行科普性的講解，促成研究生學(xué)習的主動(dòng)性，教師的基本職能從“授”轉變?yōu)椤皩А�，讓教師真正成為學(xué)生學(xué)習的導師。在學(xué)習智能材料與結構這門(mén)課程中，江蘇大學(xué)創(chuàng )新地采用多位教師講授同一門(mén)課程的方式，針對所學(xué)內容。選擇相關(guān)研究方向的專(zhuān)業(yè)課程教師來(lái)上這一章節內容。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(wú)形中大大提高了課程的深度和廣度，調動(dòng)了學(xué)生學(xué)習的熱情，拓展了研究生科研知識面。
�。ǘ├碚撀�(lián)系實(shí)際
智能材料與結構作為一門(mén)交叉性的課程，必須與實(shí)際相結合才能鞏固學(xué)習，激發(fā)學(xué)生的興趣。所以，在課程教學(xué)中，盡量多舉土木工程中的實(shí)例來(lái)說(shuō)明各智能材料與結構的工作原理，可以從學(xué)生感興趣的結構和目前應用較廣的智能材料來(lái)闡述，如智能蒙皮、結構監測和壽命預測、土木結構的減振與降噪、環(huán)境自適應結構以及住宅智能化等。將理論知識寓于工程應用背景中，效果顯著(zhù)。如在課堂上會(huì )增加手工制作環(huán)節，采用層合空心板制作橋梁模型，采用硬幣搭建省材工程結構，將智能材料的節能減排理念運用到結構設計中。
�。ㄈ┌鍟�(shū)與多媒體演示的結合
智能材料與結構課程信息量大，屬于多學(xué)科交叉綜合，不能完全采用板書(shū)教學(xué)，插入多媒體教學(xué)，可加快教學(xué)進(jìn)程，提高教學(xué)效率，結合圖案或聲音，能大大提高學(xué)生的 學(xué)習興趣和學(xué)習積極性。與傳統的板書(shū)形式相比，多媒體教學(xué)信息量輸入緊湊，文字圖像信息清晰直觀(guān)，風(fēng)格多樣，內容豐富，也能活躍課堂氣氛，增進(jìn)教學(xué)過(guò)程中的互動(dòng)。但當講解一些重要的力學(xué)基本原理時(shí)，也需要放慢講課速度，通過(guò)板書(shū)的形式來(lái)講解清楚，尤其是傳感器與驅動(dòng)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(shí)，Ti-Ni合金的管接頭處于低溫狀態(tài)時(shí)，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，套管內徑即可回復到原來(lái)的尺寸，從而把兩根管子咬緊，完成管子的連接。采用一個(gè)版面的動(dòng)畫(huà)演示即非常形象直觀(guān)地向學(xué)生解釋清楚，可以從中插入大量的工程應用實(shí)例圖片和錄像，調動(dòng)課堂氣氛。同時(shí)，在課堂教學(xué)中，增加與學(xué)生之間的互動(dòng)，針對不同研究方向的研究生，選擇性地
講解智能材料與結構的運用問(wèn)題，從而不斷提高學(xué)生的學(xué)習興趣。因此，在課程教學(xué)中板書(shū)與多媒體教學(xué)相結合更有助于土木工程專(zhuān)業(yè)研究生掌握智能材料與結構的相關(guān)概念，加深學(xué)生印象，提高學(xué)習效率。
�。ㄋ模⿲�(shí)踐能力的培養
以智能材料與結構課程中搭建土木工程結構超聲無(wú)損檢測平臺實(shí)驗為例，采用預埋損傷的標準試塊進(jìn)行結構檢測（4學(xué)時(shí)+課余時(shí)間），構建一個(gè)自動(dòng)監測、自動(dòng)控制的橋梁監測系統模型，可將形狀記憶合金、磁流變材料及無(wú)線(xiàn)傳感理念融入其中，學(xué)生分組進(jìn)行，最后分組比較創(chuàng )新性（4學(xué)時(shí)+課余時(shí)間），電測應變測量及應力計算（2學(xué)時(shí)）。
通過(guò)搭建實(shí)驗，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，訓練學(xué)生的研究方法，培養學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。在實(shí)驗課堂上，讓部分土木工程專(zhuān)業(yè)優(yōu)秀本科生參與其中，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐訓練把所學(xué)知識應用于解決科研問(wèn)題。
三、成績(jì)評定
智能材料與結構課程共設30學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗10學(xué)時(shí)，需要預修壓電測量學(xué)。課程教學(xué)分為課堂教學(xué)、研討、實(shí)驗三部分，考核方式采用筆試（閉卷）+平時(shí)成績(jì)+實(shí)驗成績(jì)，實(shí)驗成績(jì)通過(guò)三部分的實(shí)驗總結報告及學(xué)生答辯綜合評定。其中考試成績(jì)占70%，平時(shí)成績(jì)占10%，實(shí)驗成績(jì)占20%。通過(guò)智能材料與結構課程三部分的考核與過(guò)程管理，既考核了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎知識掌握情況，又考核了動(dòng)手操作能力，更培養了學(xué)生的創(chuàng )新意識，開(kāi)拓了視野。
四、結語(yǔ)
智能材料與結構課程列舉了很多實(shí)用性和工程性強的實(shí)例，融入了最新的科研成果，是一門(mén)理論與實(shí)驗相結合的課程。因此，該領(lǐng)域為廣泛新興行業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速引進(jìn)和應用提供了巨大的潛力。通過(guò)本課程的學(xué)習，研究生將了解智能材料結構在土木工程領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和進(jìn)展，為后續相關(guān)課程的學(xué)習及科研打好基礎。通過(guò)智能材料與結構課程在土木研究生教學(xué)中的實(shí)踐與探索，為土木工程專(zhuān)業(yè)研究生創(chuàng )新能力的培養提供了指導。參考文獻：
[1] 楊大智. 智能材料與智能系統[M].天津：天津大學(xué)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.
【土木工程專(zhuān)業(yè)研究生課程智能材料與結構教學(xué)問(wèn)題和方法論文】相關(guān)文章：
對護理專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)教學(xué)存在的問(wèn)題和方法分析論文11-16
淺談Illustrator課程的教學(xué)模式和方法11-28
淺談藥學(xué)論文的結構及存在的問(wèn)題03-18
土木工程結構試驗論文05-22
論文的結構和排版格式02-14
復合材料結構課程設計教學(xué)研究03-28
建筑材料課程教學(xué)探討論文11-14