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A Song of Ice and Fire 冰与火之歌----小记《Composite Materials》课程居家实验

《Composite Materials》(复合材料)是玛丽女王工程学院三年级学生核心专业课程,主要从介绍复合材料的发展历史、复合材料的结构设计和制备方法、在现代工业中的巨大作用开始,探讨如何根据应用需求设计选择高性能复合材料,以及其在航空航天工程和其他高科技领域的应用。

受到疫情影响,QMUL教师Han Zhang本学期只能采取线上授课模式,为这门理论性和实践性强的课程讲授增加了新的难度。老师用风趣幽默的语言和一个个贴近生活的实例,活跃了课堂气氛,调动了学生的学习积极性。尽管居家授课没有碳纤维增强复合材料来展示复合材料各项异性的特点,Han Zhang老师决定就地取材,通过天然纤维的多层级架构和方向性向大家生动地展示概念,隔着屏幕也能感受到学生的学(截)习(图)热(技)情(巧)。

线上教学对于如何实现课程中的实验环节方法有限。为此,Han Zhang老师考虑到学生尚未返校,居家几无能用到的仪器设备,便展开了创新性的教学方案,让学生在家也能够通过做实验来学习体验复合材料的知识,并可以充分展示学生们从设计、制备、到测试、分析、总结的全方位能力。

此次居家实验名为“Ice-Composites“(冰-复合材料),希望能完成一首“冰与火之歌”。硬件需求上利用人人家中都有的冰箱就可以完成,而真正的难度,也是学习的重点,在于复合材料的选择、设计、以及性能预测和分析。冰复合材料曾在二战期间展现出优异的性能和应用,英国皇家海军成功利用木质纤维素增强冰基底的复合材料制造出了替代混凝土和钢板的防弹材料,用于保护船只及人员。在此基础上还提出了以此作为候选材料用于制造航空母舰的设计。Han Zhang老师要求学生通过在家制备冰复合材料,来充分展现自己对于复合材料的理解与思考。看似在水中随意加些东西放进冰箱冷冻的简单实验,实际却涵盖了增强相材料的选择、复合材料的设计,到制备及测试方法,从各个层面都给予了学生充分的空间去发挥自己在复合材料方面的理解力和想象力。这样既实现了学生居家实验的可能性,解决了学生可用专业材料匮乏的问题,又能让学生在趣味中更好地理解课程相关的理论知识。

实验前,同学们先进行了分组讨论和方案设计,随后就地取材,通过加入不同的材料来实现设计参数的调整,如改变增强纤维的类型、含量、长度、取向、以及纤维表面处理等。小组成员集思广益,设计了各式各样实验方案和材料参数,可谓“脑洞大开”。例如,加入纺织品或混合材料的合成纤维,加入家中食材来作为增强纤维,甚至还有加入“英国一度紧缺的”卫生纸、报纸等的纤维素,身处伦敦的Han Zhang老师也幽默地称学生在“花式炫富”。

方案设计完毕后,同学们便积极投入到实验当中。通过使用简单的家用物品,如称重秤、绳子、水桶、锤子等进行测试。在过程中遇到的技术问题,Han Zhang老师通过和各小组单独连线,进行了针对性答疑和问题总结,指导解决了学生居家实验遇到的一些困惑。

答疑过后,随着实验问题被逐一击破,同学们做实验更加有的放矢,热情也更高了。根据一组组的对比试验和测得的数据,学生们绘制出了设计图、思维导图以及数据表,每一个细节都是组内同学们共同努力的成果。冷冷的Ice-Composites配合同学们火火的热情,共同完成了一曲“A Song of Ice and Fire(冰与火之歌)”。

这次“Ice-Composites”实验灵活地利用了学生可以居家实验的物品和资源,线上视频会议的形式,克服了小组成员不能见面的阻碍,最大程度地实现了疫情期间线上教学的可行性和居家实验的可操作性,平衡了严谨性与趣味性,锻炼了学生的独立思考和创新能力,从固有思维到发散思维的转变,为突发疫情下的线上实验课提供了新思路。

文/阎菲,齐玥

图/阎菲,学生投稿

审核/孔杰