材料表面工程技術(shù)研究生課程教學(xué)新思路探討

劉瑞良+閆牧夫+喬英杰

[摘要]基于材料表面工程類課程的學(xué)習(xí)以及《材料表面工程導(dǎo)論》《功能薄膜等離子體輔助加工技術(shù)》和《材料合成與制備方法》等研究生課程的教學(xué)實踐，根據(jù)表面工程學(xué)科“綜合、復(fù)合、交叉、系統(tǒng)”的特色，提出了材料表面工程技術(shù)研究生課程講授的新思路，即由傳統(tǒng)制備技術(shù)到現(xiàn)代制備技術(shù)，由固態(tài)制備技術(shù)到氣態(tài)（真空）制備技術(shù)、由污染環(huán)境型技術(shù)到環(huán)境友好型技術(shù)、由單一制備技術(shù)到復(fù)合制備技術(shù)，采用逐步過渡、逐步遞進(jìn)的方式進(jìn)行講授。

[關(guān)鍵詞]表面工程技術(shù)；研究生課程；教學(xué)方法

[中圖分類號]G643[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634（2016）05004403

0引言

表面工程是指對機(jī)械零件表面進(jìn)行涂覆、改性或復(fù)合處理，以改變零件表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，并獲得所需特殊表面性能的系統(tǒng)工程。表面工程技術(shù)的最大優(yōu)勢是能夠制備出優(yōu)于零件本體材料性能的表面滲層/鍍層/涂層等改性層，賦予零件更好的耐磨、耐蝕、抗疲勞、耐高溫等性能[1]，已成為現(xiàn)代科學(xué)研究高新技術(shù)發(fā)展和機(jī)械工程應(yīng)用中新材料制備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，表面工程技術(shù)已經(jīng)成為一門獨立的技術(shù)和研究領(lǐng)域，世界上各高校均開設(shè)相關(guān)表面工程類的學(xué)科或方向，如英國伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院設(shè)有表面工程方向、美國凱斯西儲大學(xué)工程學(xué)院等設(shè)有表面工程方向、加拿大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)與材料工程系設(shè)有表面科學(xué)與工程方向等等。國內(nèi)已有大連理工大學(xué)開設(shè)材料表面工程專業(yè)，南昌航空大學(xué)開設(shè)的材料表面與界面工程專業(yè)，這些專業(yè)為學(xué)校自主開設(shè)的專業(yè)，為材料科學(xué)與工程專業(yè)下的二級學(xué)科。其它工科類院校雖然沒有設(shè)立專門的學(xué)科專業(yè)，但一般均開設(shè)有相應(yīng)的研究方向，如材料表面工程、材料表面改性等。

隨著我國科教興國、人才儲備等戰(zhàn)略的提出，以及家庭對教育重要性的認(rèn)識提高逐步，我國各大高校的規(guī)模不斷擴(kuò)大，研究生招生的數(shù)量也不斷增加，如何保證研究生培養(yǎng)質(zhì)量，對各大高校提出了更高的要求[2]。

1中美大學(xué)新生教育內(nèi)容的比較分析對材料表面工程專業(yè)或表面工程方向的學(xué)生來說，目前市面上見到的相關(guān)書籍或教材主要有徐濱士等編著的《材料表面工程》、趙文軫等編著的《材料表面工程導(dǎo)論》以及王振廷等編著的《材料表面工程技術(shù)》等。以趙文軫等編著的《材料表面工程導(dǎo)論》為例，該教材首先從理論上論述了固體表面的晶體構(gòu)造、理化特點以及表面強(qiáng)度等問題，然后就表面工程中10個大類表面技術(shù)的原理、工藝特點、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了論證和說明，最后介紹了表面工程中常用的一些分析和測試方法。盡管教材突出了先進(jìn)性，但其中理論性的內(nèi)容相對較多，應(yīng)用方面的內(nèi)容較少，一些新興的復(fù)合技術(shù)等未能涉及[3]。目前大多數(shù)高校的教師對材料表面工程類課程的講解均是以這些教材為藍(lán)本，這對注重基礎(chǔ)、課時充足的本科生教學(xué)是比較合適的。研究生與本科生相比，是一個特殊的學(xué)生群體，學(xué)生自身的理解能力進(jìn)一步增強(qiáng)，且研究生教學(xué)學(xué)時比本科課時少，往往少于32學(xué)時，一般為24學(xué)時甚至16學(xué)時，因此，如果采取和本科生同樣的教學(xué)方式，一方面講解的內(nèi)容難以取舍和完成。另一方面難以調(diào)動學(xué)生的積極性，往往教學(xué)效果一般[4]。

2適合研究生的新型講授思路和方法探討

研究生課程培養(yǎng)目標(biāo)：通過課堂教學(xué)，使學(xué)生了解表面工程的相關(guān)理論，掌握表面工程技術(shù)的工藝方法，為將來從事材料科學(xué)與工程方面的生產(chǎn)、管理及研究奠定基礎(chǔ)。培養(yǎng)要求：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠了解目前主流表面工程技術(shù)的基本原理，掌握典型表面工程技術(shù)的制備方法和工藝過程，掌握材料成分、組織結(jié)構(gòu)及性能的測試分析和評價方法，具有獲取表面工程技術(shù)新知識和運用新知識的能力，將來能夠解決材料領(lǐng)域生產(chǎn)及研發(fā)過程中遇到的實際問題[5，6]。

基于筆者多年對材料表面工程類課程的學(xué)習(xí)和筆者對《材料表面工程導(dǎo)論》《功能薄膜等離子體輔助加工技術(shù)》和《材料合成與制備方法》等研究生課程的教學(xué)實踐，根據(jù)表面工程學(xué)科“綜合、復(fù)合、交叉、系統(tǒng)”的特色，經(jīng)認(rèn)真歸納總結(jié)和分析，提出了《材料表面工程技術(shù)》研究生課程講授的結(jié)構(gòu)體系：由傳統(tǒng)制備技術(shù)到現(xiàn)代制備技術(shù)，由固態(tài)制備技術(shù)到氣態(tài)（真空）制備技術(shù)，由污染環(huán)境型技術(shù)到環(huán)境友好型技術(shù)，由單一制備技術(shù)到復(fù)合制備技術(shù)，采用逐步過渡、逐層推進(jìn)的方式進(jìn)行講授。以1門24學(xué)時的《材料表面工程技術(shù)》研究生課程為例，應(yīng)該采用的典型教學(xué)框架為：基礎(chǔ)知識部分4學(xué)時，典型專項技術(shù)部分16學(xué)時，新型復(fù)合技術(shù)部分4學(xué)時，如圖1所示。具體講授方法如下。

課程的第一部分應(yīng)利用4個學(xué)時進(jìn)行基礎(chǔ)知識方面的介紹，包括表面工程技術(shù)的意義及發(fā)展歷程，在這一部分，要首先介紹表面工程技術(shù)出現(xiàn)的背景和現(xiàn)實意義，回顧整個技術(shù)的發(fā)展歷程，以及標(biāo)志性的歷史事件，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)各種專項技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

課程的第二部分利用16學(xué)時重點對典型的專項技術(shù)進(jìn)行介紹，主要是基于表面工程技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和各類專項技術(shù)之間的關(guān)系，由傳統(tǒng)制備技術(shù)到現(xiàn)代制備技術(shù)，即先講授熱擴(kuò)滲技術(shù)（包括滲氮、滲碳、滲金屬、熱浸鍍等），再講授高能束技術(shù)（包括離子束技術(shù)、電子束技術(shù)、激光束技術(shù)等），最后介紹沉積技術(shù)（包括噴涂、蒸發(fā)鍍、濺射鍍等），各類專項技術(shù)之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系是改性層與基體之間的結(jié)合狀態(tài)由冶金結(jié)合到機(jī)械結(jié)合逐漸過渡，如圖2所示。

各類專項技術(shù)的講授方法是由固態(tài)制備技術(shù)到氣態(tài)（真空）制備技術(shù)，由污染環(huán)境型技術(shù)到環(huán)境友好型技術(shù)。以熱擴(kuò)滲技術(shù)的講授為例，該部分內(nèi)容可分兩個層次進(jìn)行講解，第一部分講授熱擴(kuò)滲非金屬元素（包括氮、碳、硼、硅等），由固體熱擴(kuò)滲（固體滲碳），接著講授液體熱擴(kuò)滲（鹽浴滲氮），再講授氣體熱擴(kuò)滲（氣體滲氮、滲碳）、真空熱擴(kuò)滲（真空滲氮、真空滲碳、等離子滲氮等），最后講授該類技術(shù)的最新發(fā)展（活化屏等離子體滲氮、滲碳）；第二部分講授熱擴(kuò)滲金屬元素（包括鋅、鋁、鉻、鈦等），這部分亦是先講授液體熱擴(kuò)滲技術(shù)，再講授氣體（真空）熱擴(kuò)滲技術(shù)。

以上這些工藝技術(shù)主要通過“滲進(jìn)去”和“長出來”兩種工藝過程實現(xiàn)，使材料表面組織發(fā)生相變（化學(xué)反應(yīng)），進(jìn)而使材料表面具備新的力學(xué)性能（硬度、抗疲勞等）或功能性（熱、電、磁等性能），達(dá)到材料表面改性的目的。因此，在具體講授某一種技術(shù)時，可以采用案例式教學(xué)結(jié)合生產(chǎn)實踐[5，6]，首先向?qū)W生介紹該技術(shù)的工藝過程，明確該工藝過程實現(xiàn)的是材料的“滲進(jìn)去”還是“長出來”，接著讓學(xué)生認(rèn)識到該工藝過程是否是材料表面組織發(fā)生相變，發(fā)生什么相變，然后讓學(xué)生理解發(fā)生相變的原因，最后向?qū)W生介紹這種技術(shù)特點及其應(yīng)用。

以熱擴(kuò)滲技術(shù)為例，在講授氣體滲碳時，可以汽車齒輪滲碳為案例，借助多媒體軟件（PowerPoint和視頻）進(jìn)行講解。首先向?qū)W生介紹該技術(shù)的工藝過程：即滲碳工藝制定—齒輪預(yù)處理—裝爐—升溫—通入含碳介質(zhì)—保溫—降溫—出爐。在講授過程中要重點強(qiáng)調(diào)工藝制度的制定，包括齒輪熱處理工藝的制定和滲碳工藝的制定。而預(yù)處理的過程包括齒輪的淬火和回火以及裝爐前的除油、除垢。通過講解，使學(xué)生認(rèn)識到：（1）該工藝過程實現(xiàn)的是碳元素的滲入；（2）由于碳元素的擴(kuò)散滲入，在齒輪的表面與鐵元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鐵的碳化物，由于表面碳化物的生成，在齒輪表面由表及里形成了典型的ε-Fe3Cε-Fe3C+α-Feα-Fe梯度組織；（3）表面組織的改變，使齒輪表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度顯著提高，實現(xiàn)汽車齒輪的改性。其中在（2）的介紹中，向?qū)W生重點強(qiáng)調(diào)在碳元素在擴(kuò)散過程中，碳濃度的變化規(guī)律，然后結(jié)合Fe-C相圖，分析擴(kuò)散過程中可能生成的新化合物相。這樣，在整個技術(shù)講授過程中既有理論又有實踐，兩者協(xié)同統(tǒng)一，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

鑒于表面工程新的發(fā)展趨勢以及復(fù)合表面工程技術(shù)的優(yōu)越性，在各類專項技術(shù)講授完畢后，在課程的第三部分利用4學(xué)時講授一些新型復(fù)合表面工程技術(shù)，如熱擴(kuò)滲和氣相沉積薄膜復(fù)合、離子注入和磁控濺射鍍膜復(fù)合、微弧氧化和強(qiáng)流脈沖電子束復(fù)合、等離子噴涂和激光氮化結(jié)合等。

以上是以24學(xué)時為例進(jìn)行說明的，如果講授學(xué)時少于或多于24學(xué)時，教師只需要對上述各個部分、各個層次內(nèi)容的學(xué)時作相應(yīng)的調(diào)整即可。

3結(jié)束語

針對研究生教學(xué)對象和教學(xué)課時的特殊性，根據(jù)筆者多年學(xué)習(xí)和講授經(jīng)驗，設(shè)計出更適合表面工程類研究生接受和學(xué)習(xí)的新型講授體系、思路和和方法，經(jīng)筆者及相關(guān)教師的教學(xué)實踐證明，教學(xué)效果良好，受到學(xué)生的普遍歡迎，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 師昌緒，徐濱士，張平，等.21世紀(jì)表面工程的發(fā)展趨勢[J].2001（1）：17.

[2] 王輝，徐曉莉，王環(huán).淺談研究生實踐教學(xué)與理論教學(xué)[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012（29）：4547.

[3] 趙文軫.材料表面工程導(dǎo)論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[4] 張微，張津，曾英.“材料表面工程”課程教學(xué)改革[J].四川兵工學(xué)報，2008，29（2）：125126.

[5] 王云龍，王淼，秦月梅. 將“表面文章”做到實處—高?！氨砻婀こ獭闭n程教學(xué)初探[J].考試周刊，2012（84）：155156.

[6] 譚曉京，李本昌，胡穎慧，等.高等工科院校全日制專業(yè)學(xué)位研究生實踐教學(xué)的探究[J].課程教育研究（新教師教學(xué)），2013（16）：16.

Discussion on a new teaching method for graduate course of material

surface engineering technology

Liu Ruiliang1，Yan Mufu2，Qiao Yingjie1

（1. Key Laboratory of Superlight Material and Surface Technology of Ministry of Education，College of Material Science

and Chemical Engineering，Harbin Engineering University， Harbin，Heilongjiang 150001，China；

2. National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals，School of Materials

Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin，Heilongjiang 150001，China）

AbstractBased on the study on the courses of material surface engineering and teaching on the introduction to material surface engineering technology，teaching practice of the plasma assisted processing techniques of functional films and the material synthesis and preparation methods graduate courses，according to the comprehensive，complex，interlaced and systematic characteristics of surface engineering disciplines，a new teaching method is proposed，i.e.teaching from the conventional methods to modern methods，from the solid fabrication methods to phase fabrication methods，from the environmental pollution type methods to environment friendly methods，from the simplex fabrication methods to complex fabrication methods，teaching by transitionary and accelerating ways step by step.

Key wordssurface engineering technology；graduate course；teaching method