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摘 要：在对“航空材料概论”课程教学改革的实践中，在课程内容体系安排上制定了课程主线，有机地结合了理论和应用部分的内容，并对教学方式和考核方式等方面进行了改革和实践，提高了学生的创造能力、分析和解决问题的能力，效果良好。
关键词：数字化；可视化；教学改革
本文引用格式：安俊伟，邹龙生，Rabadanov K.M.“航空材料概论”课程教学改革的探索与实践 [J]. 教育现代化 ,2021,8(33):85-88.
The Exploration and Practice of Pedagogical Reform of “Introduction to aviation Materials” Course
AN Junwei1, ZOU Longsheng1, Rabadanov K.M.2(1. Guilin Institute of Aerospace Industry, Guilin Guangxi; 2. Dagestan State University, Russia)
Abstract: In the practice of pedagogical reform of “Introduction to Aviation Materials” course, the main line of the course was developed in the arrangement of the course content system, which organically combined the theoretical and applied parts of the content, and reformed and practiced the teaching methods and assessment methods, which improved the students’ creativity, analysis and problem-solving ability, with good results.
Keywords: digitization；visualization；pedagogical reform
一 引言
“航空材料概论”课程所讲授的航空材料是指制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材料的总称。航空材料同从基础理论到应用技术约几十个不同学科有着密切的联系，在材料科学与工程（MSE）中占有重要地位 [1]。材料科学的一个方面是研究材料结构与性能之间的关系。对于材料的设计、生产与使用，要考虑其工艺、结构、性能和应用。
“航空材料概论”是我校飞行器动力工程专业及其它及相关航空航天工程类专业课程体系中一门重要的专业课。主要介绍航空材料的四大基本要素： 结构 (Structure)、 工艺（Processing）、 应用（Performance）、性能（Properties）。航 空 材 料 的 结 构 (Structure) 取 决 于 工艺（Processing）， 性 能（Properties） 决 定 应 用（Performance），应用又对新的工艺提出要求。这四个组成部分之间的关系，形成了封闭循环，可简称
为 PSPP 关系 [2]。PSPP 关系在授课结构上得到充分体现。PSPP 关系见图 1：
二 课程教学内容体系改革
课程主要内容：航空结构材料包括航空合金材料与航空复合材料。其中航空合金材料按照应用部位与用途分为轻金属合金结构材料与高温结构材料。简单分类，轻金属合金结构材料主要用于机身，而高温结构材料主要用于航空发动机部位。
航空复合材料按照基相，可分为聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料与碳碳复合材料。教学内容体系改革的重点放在既要体现材料科学与工程（MSE）中的基本理论，又强调了其在航空工业中的应用。教学内容体系见图 2:
（一） 航空材料概论理论部分内容安排
这条主线以航空合金和航空复合材料为主展开。首先在教学实践中制定了一条课程主线，它构建在材料科学与工程（MSE）的四大基本要素：结构、性能、应用及其工艺之上，其中理论部分的性能（Properties）涉及到航空材料中的力学性能、热学性能及性能衰退。力学性能将变形与所承受的载荷或力联系起来，得到弹性模量、强度和韧性。航空材料的结构 (Structure) 取决于工艺（Processing），性能决定应用（Performance）应用又对新的工艺提出要求。这四个组成部分之间的关系，形成了封闭循环， 可简称为PSPP 关系[2]。PSPP 关系在航空材料的设计、生产和使用上也得到体现。
对于 32 个学时的课程：可安排绪论 2 学时；
第 1 章轻金属结构合金材料 10 学时；
第 2 章高温结构材料 10 学时；
第 3 章复合材料 10 学时；
每一章讲到 4 种材料，每种材料讲到以下 8 个方面：制备工艺、微观结构、变形机制、强化机制、缺陷理论、力学性能、应用和失效机制。详细内容如图 3 所示。
（二） 航空材料概论应用部分内容安排
根据飞行速度，飞行器与航天器可分为：
◇亚声速飞行器
◇跨声速飞行器
◇超声速飞行器
◇高超声速飞行器
◇再入速度航天器。
以机体结构材料中的蒙皮为例，说明不同飞行器与宇航器的飞行速度（马赫数），航空材料的用材不同。亚声速飞行器与超声速飞行器间的差别在于，亚声速飞行器机体以铝合金为主要结构材料，占比约 80%； 主要原因是铝合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀的能力，满足亚声速飞行速度范围的需求；同时得到了质量最轻的结构。而在马赫数大于 2.5 的超声速飞行器飞行中，由于气动力热，飞行器表面蒙皮温度可达200-350 摄氏度，现有铝合金在性能上已不能满足要求；而需要钛合金和蒙皮钢来代替。不同速度的飞行器与航天器的重点部位的选材及其牌号，详见图 4:
三 课程考核方式和评价的教学改革
考试形式可采用闭卷或报告的形式。我们采用 报告的形式，表 1 是评分标准：四 教学方式改革
由于该门课程涉及的材料较多，如何激发学生的自主学习能力是一个关键。为了能够进行有效的课堂教学，激发学生的主观能动性，笔者使用了以下方法：
（1）通过材易通等材料数字化、SaaS( 软件即服务 ) 材料专业服务平台，查询航空材料等专业知识， 利用“牌号查询”功能，对国际标准化组织标准（ISO）、中国国家标准（GB）、中国航空工业标准（HB）与美国航空航天材料规范（AMS）等不同标准材料进行关键字查询；对不同航空、航天、轴和轴承、紧固件与阀门等不同用途材料进行关键字查询；对不同铸造材、锻造材与粉末冶金等不同种类材料进行关键字查询。
（2）通过专题形式，引导学生关注与飞行器动力工程专业关系密切的某一类材料。例如，在陶瓷基复合材料专题问题中，对“先进 CMC-SiC 复合材料高温力学问题剖析”“陶瓷基复合材料中纤维是增强还是增韧？”“陶瓷基复合材料叶片制造技术”与 “陶瓷基复合材料对先进民用涡桨发动机总体性能带来提升”等进行专题学习。
（3）报告采用学生小组学习法（Student Team Learning, STL）。合作学习小组，每个成员是互相依赖，彼此相互助长学习。全班共分 4 个小组，每组约 11 人。每组对不同报告中所涉及的航空器及其发动机材料的制备工艺、微观结构、变形机制、强化机制、缺陷理论、力学性能、应用和失效机制做出相关调研 [4]。
五 教学效果
（一） 课堂教学效果
通过教学设计和教学实践，学生在课堂上积极主动地进行思考和回答问题，对学习充满了兴趣， 能够在教师的引导下主动构建仿真的概念、意义和流程，主动查阅参考书目提出问题。在实验课上， 大多数同学能够自发独立主动地完成实验内容的基本篇，有些同学则更为深入，与教师探讨提出程序改进思路，完成选做内容。
（二） 报告反馈教学效果
从交上来的 46 份报告中，学生对亚声速飞行器及其发动机的选材、用材；超声速飞行器及其发动机的选材、用材；高超声速飞行器及其发动机的选材、用材；运载火箭及其发动机的选材、用材等报告题目了进行了选题。报告调研了不同飞行器马赫数与空气温度的相关性；- 马赫数；飞行器及其发动机不同温度下的比强度；以及实验火箭的材料设计方法初探。培养了学生查文献，综合应用航空航天概论、飞行器动力工程导论、等其它已修课程的能力；培养了材料与工程工科科学思维与工程方法的能力。
六 结束语
航空航天飞行器的工作，除了依靠结构设计优化， 还要依赖其具有的优异特性和功能 [6]。飞机机体材料结构正跨入第五阶段。发达国家航空发动机的产值已占整个航空工业产值的 25%-30%，其性能水平很大程度上依赖于高温材料的性能水平 [5-10]。航空材料概论课程教学改革的探索与实践具有现实必要性与迫切性。
参考文献
[1]徐吉林 . 航空材料概论 [M]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社 ,2013.
[2]小威廉·卡丽斯特 . 材料科学与工程基础 [M]. 北京 : 化学工业出版社，2016.
[3]梁文萍 , 王少刚 . 航空航天工程材料 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出版社，2015.
[4]David W. Johnson,Roger T. Johnson. Making cooperative learning work[J]. Theory Into Practice,1999,38(2).
[5]李玉琴《. 航空材料学》立体化、牵引式教学初探 [J]. 教育现代化, 2019,6(27):129-131.
[6]傅恒志. 航空航天材料定向凝固[M]. 北京: 年科学出版社,2015.
[7]Buhl H. Advanced Aerospace Materials[M]. Berlin: Springer- Verlag, 1992.
[8]曹春晓 . 一代材料技术，一代大型飞机 [J]. 航空材料学报， 2008(3):701-706.
[9]李成功，傅恒志，等 . 航空航天材料 [M]. 北京 : 国防工业出版社 ,2002.
[10]王道荫 . 迈向 21 世纪的航空科学技术 [M]. 北京 : 航空工业出版社 ,1994.
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