[土木工程专业研究生课程智能材料与结构教学问题和方法]研究生土木工程专业

土木工程专业研究生课程智能材料与结构教学问题和方法

中图分类号：G6432文献标志码：A文章编号：
10052909（2015）02004103 智能材料结构是材料学与多学科交叉融合发展起来的 高新技术结构，是集传感、驱动及信息处理等功能于一体的 功能性材料结构，具有自诊断、自适应、自学习、自修复、 自增值、自衰减等六大生命功能 [1]。近20年来，智能材料 结构随着材料科学、力学、控制理论、计算机技术、信息理 论等学科的发展已成为国内外最活跃的研究领域之一，国内 外学者对智能结构的研究及探索不断深入，智能结构领域及 技术迅速发展[2]。智能材料与智能结构是力学的重要分支， 其研究涉及土木工程、力学、材料学、化学、信息论、电子 技术、机械工程、光学、计算机技术、仿生学、控制理论等 一系列学科中的先进技术，同时引发出新的研究领域。如仿 生机器人、结构健康监测、传感材料、驱动材料、元器件及 材料制造新技术和新的控制理论等[3]。

智能材料与结构在土木工程领域中有着巨大的应用前 景，其发展不仅意味着增强结构功能，提高结构使用效率及优化结构设计形式，而且也打破了许多土木工程结构在设计、 建造、维护和使用控制等方面的传统观念。目前，在土木工 程结构领域，智能材料结构系统的应用主要集中在结构的健 康监测，形状自适应记忆合金材料及结构减振抗风降噪的自 适应控制等方面[4]。为提高工程结构质量和结构安全性及 使用可靠性，将智能材料中先进的自诊断理念引入研究领域， 针对重大工程中结构损伤特征及应用对象和领域，研制应用 于土木工程结构的主动减振、精密位移控制、损伤主动在线 监测技术的智能材料与结构。

在土木工程专业研究生教学中开设智能材料与结构课 程非常有必要。目前，智能材料与结构课程教学在课程体系 上较封闭，学生知识面不够导致 学习积极性不高，且由于该门课程学时的限制，教师授 课时只能挑选部分章节讲授，疑难问题不断增加，给研究生 科研指导不大，忽略了这门课程对研究生实践能力的培养， 严重影响了学生学习内容的深度和广度。

文中针对土木工程专业研究生的研究及专业工作背景， 将智能材料与结构课程作为选修课，对如何实现这门课程的 教学目标，提高教学质量，提高研究生学习的科研兴趣和实 践能力进行了思考，对这门课程的选修内容及教学、实践、 成绩评定等环节进行了探索研究。

一、教学内容 智能材料与结构是以材料—器件—结构—系统为主线，将基本理论与工程应用紧密结合，从材料与智能、智能材料、 智能器件、智能材料结构和智能结构系统等方面循序渐进地 介绍智能材料与结构系统的基本概念、性能特征、发展和应 用等。结合土木工程专业研究生研究课题及就业背景，选择 与土木工程行业紧密相关的智能材料与结构内容作为教学 主讲内容。

首先介绍智能材料与结构的一些基本概况，包括驱动材 料、驱动器与传感器，以及自适应复合材料系统中的模型与 应用、自适应系统、旋翼应用、航空器控制和智能结构应用 等。根据实例引入形状记忆合金的概况，包括工作原理及应 用，重点介绍形状记忆合金在土木工程中的隔震体系、粘弹 性阻尼器、自修复埋入式智能监测的实例。在工程结构无损 中应用最为广泛的领域中，需介绍压电复合材料的力学原理 及应用，重点介绍其作为智能驱动器与传感器时在土木工程 领域中结构健康监测方面的应用实例。在土木工程结构抗震 设计中，介绍电/磁致伸缩与电/磁流变体的工作原理，磁致 伸缩智能材料是一种磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系 数并具有电磁能/机械能转换功能的材料。磁致伸缩材料作 为智能材料与结构在土木工程领域中主要用于传感、监测和 远距离信息传输方面，具有较好的应用前景。将智能器件置 于土木工程结构中，实现其自适应的结构功能，主要介绍智 能光纤材料的工作原理及其应用，复合材料中埋入光纤传感 器和驱动器是目前应用前景最广、技术基础最成熟的一种智能材料。最后对智能材料与结构的应用前景及发展进行总结 和展望。

二、教学实践与探索 （一）不同研究方向教师的正确引导 研究生阶段的学习关键已不再是掌握某个知识点，死记 一些书本知识，更重要的是培养学生的实践创新能力，提高 学生的自主学习能力，需要在自己学习的基础上进行创新性 思维，实现再创造，这就需要教师的正确引导。同样在智能 材料与结构这门课程中，对土木工程类研究生的教学，需要 通过师生 互动形式展开，在课堂上进行课堂互动，让研究生体验 从未知到新知的探索过程，将智能材料与结构系统的各个方 面实行科普性的讲解，促成研究生学习的主动性，教师的基 本职能从“授”转变为“导”，让教师真正成为学生学习的 导师。在学习智能材料与结构这门课程中，江苏大学创新地 采用多位教师讲授同一门课程的方式，针对所学内容。选择 相关研究方向的专业课程教师来上这一章节内容。由于所选 教师对研究方向的熟悉程度明显高于以往同一位任课教师， 这无形中大大提高了课程的深度和广度，调动了学生学习的 热情，拓展了研究生科研知识面。

（二）理论联系实际 智能材料与结构作为一门交叉性的课程，必须与实际相 结合才能巩固学习，激发学生的兴趣。所以，在课程教学中，尽量多举土木工程中的实例来说明各智能材料与结构的工 作原理，可以从学生感兴趣的结构和目前应用较广的智能材 料来阐述，如智能蒙皮、结构监测和寿命预测、土木结构的 减振与降噪、环境自适应结构以及住宅智能化等。将理论知 识寓于工程应用背景中，效果显著。如在课堂上会增加手工 制作环节，采用层合空心板制作桥梁模型，采用硬币搭建省 材工程结构，将智能材料的节能减排理念运用到结构设计中。

（三）板书与多媒体演示的结合 智能材料与结构课程信息量大，属于多学科交叉综合， 不能完全采用板书教学，插入多媒体教学，可加快教学进程， 提高教学效率，结合图案或声音，能大大提高学生的学习兴 趣和学习积极性。与传统的板书形式相比，多媒体教学信息 量输入紧凑，文字图像信息清晰直观，风格多样，内容丰富， 也能活跃课堂气氛，增进教学过程中的互动。但当讲解一些 重要的力学基本原理时，也需要放慢讲课速度，通过板书的 形式来讲解清楚，尤其是传感器与驱动器等智能元器件的工 作原理解释。例如：在讲解形状记忆合金工作原理时，Ti-Ni 合金的管接头处于低温状态时，套在需要连接的两根管子上， 升温到Ti-Ni合金母相状态的室温，套管内径即可回复到原 来的尺寸，从而把两根管子咬紧，完成管子的连接。采用一 个版面的动画演示即非常形象直观地向学生解释清楚，可以 从中插入大量的工程应用实例图片和录像，调动课堂气氛。

同时，在课堂教学中，增加与学生之间的互动，针对不同研究方向的研究生，选择性地 讲解智能材料与结构的运用问题，从而不断提高学生的 学习兴趣。因此，在课程教学中板书与多媒体教学相结合更 有助于土木工程专业研究生掌握智能材料与结构的相关概 念，加深学生印象，提高学习效率。

（四）实践能力的培养 以智能材料与结构课程中搭建土木工程结构超声无损 检测平台实验为例，采用预埋损伤的标准试块进行结构检测 （4学时+课余时间），构建一个自动监测、自动控制的桥梁 监测系统模型，可将形状记忆合金、磁流变材料及无线传感 理念融入其中，学生分组进行，最后分组比较创新性（4学 时+课余时间），电测应变测量及应力计算（2学时）。

通过搭建实验，进一步锻炼学生的动手能力，训练学生 的研究方法，培养学生分析和解决问题的能力。在实验课堂 上，让部分土木工程专业优秀本科生参与其中，学生通过实 践训练把所学知识应用于解决科研问题。

三、成绩评定 智能材料与结构课程共设30学时，其中实验10学时，需 要预修压电测量学。课程教学分为课堂教学、研讨、实验三 部分，考核方式采用笔试（闭卷）+平时成绩+实验成绩，实 验成绩通过三部分的实验总结报告及学生答辩综合评定。其 中考试成绩占70%，平时成绩占10%，实验成绩占20%。通过 智能材料与结构课程三部分的考核与过程管理，既考核了学生的专业基础知识掌握情况，又考核了动手操作能力，更培 养了学生的创新意识，开拓了视野。

四、结语 智能材料与结构课程列举了很多实用性和工程性强的 实例，融入了最新的科研成果，是一门理论与实验相结合的 课程。因此，该领域为广泛新兴行业产业的快速引进和应用 提供了巨大的潜力。通过本课程的学习，研究生将了解智能 材料结构在土木工程领域的最新动态和进展，为后续相关课 程的学习及科研打好基础。通过智能材料与结构课程在土木 研究生教学中的实践与探索，为土木工程专业研究生创新能 力的培养提供了指导。参考文献：
[1] 杨大智. 智能材料与智能系统[M].天津：天津大学 出版社， 2000. [2] Mel Schwartz. Encyclopedia of smart materials[M]. A Wiley-Interscience Publication， 2001. [3] 陈英杰，姚素玲.智能材料[M].机械工业出版社， 2013.