材料表面工程技術研究生課程教學新思路探討

劉瑞良+閆牧夫+喬英杰

[摘要]基于材料表面工程類課程的學習以及《材料表面工程導論》《功能薄膜等離子體輔助加工技術》和《材料合成與制備方法》等研究生課程的教學實踐，根據表面工程學科“綜合、復合、交叉、系統”的特色，提出了材料表面工程技術研究生課程講授的新思路，即由傳統制備技術到現代制備技術，由固態制備技術到氣態（真空）制備技術、由污染環境型技術到環境友好型技術、由單一制備技術到復合制備技術，采用逐步過渡、逐步遞進的方式進行講授。

[關鍵詞]表面工程技術；研究生課程；教學方法

[中圖分類號]G643[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2016）05004403

0引言

表面工程是指對機械零件表面進行涂覆、改性或復合處理，以改變零件表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態，并獲得所需特殊表面性能的系統工程。表面工程技術的最大優勢是能夠制備出優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]，已成為現代科學研究高新技術發展和機械工程應用中新材料制備的關鍵技術之一。

目前，表面工程技術已經成為一門獨立的技術和研究領域，世界上各高校均開設相關表面工程類的學科或方向，如英國伯明翰大學冶金與材料學院設有表面工程方向、美國凱斯西儲大學工程學院等設有表面工程方向、加拿大阿爾伯塔大學化學與材料工程系設有表面科學與工程方向等等。國內已有大連理工大學開設材料表面工程專業，南昌航空大學開設的材料表面與界面工程專業，這些專業為學校自主開設的專業，為材料科學與工程專業下的二級學科。其它工科類院校雖然沒有設立專門的學科專業，但一般均開設有相應的研究方向，如材料表面工程、材料表面改性等。

隨著我國科教興國、人才儲備等戰略的提出，以及家庭對教育重要性的認識提高逐步，我國各大高校的規模不斷擴大，研究生招生的數量也不斷增加，如何保證研究生培養質量，對各大高校提出了更高的要求[2]。

1中美大學新生教育內容的比較分析對材料表面工程專業或表面工程方向的學生來說，目前市面上見到的相關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《材料表面工程導論》以及王振廷等編著的《材料表面工程技術》等。以趙文軫等編著的《材料表面工程導論》為例，該教材首先從理論上論述了固體表面的晶體構造、理化特點以及表面強度等問題，然后就表面工程中10個大類表面技術的原理、工藝特點、應用領域進行了論證和說明，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性，但其中理論性的內容相對較多，應用方面的內容較少，一些新興的復合技術等未能涉及[3]。目前大多數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本，這對注重基礎、課時充足的本科生教學是比較合適的。研究生與本科生相比，是一個特殊的學生群體，學生自身的理解能力進一步增強，且研究生教學學時比本科課時少，往往少于32學時，一般為24學時甚至16學時，因此，如果采取和本科生同樣的教學方式，一方面講解的內容難以取舍和完成。另一方面難以調動學生的積極性，往往教學效果一般[4]。

2適合研究生的新型講授思路和方法探討

研究生課程培養目標：通過課堂教學，使學生了解表面工程的相關理論，掌握表面工程技術的工藝方法，為將來從事材料科學與工程方面的生產、管理及研究奠定基礎。培養要求：通過本課程的學習，使學生能夠了解目前主流表面工程技術的基本原理，掌握典型表面工程技術的制備方法和工藝過程，掌握材料成分、組織結構及性能的測試分析和評價方法，具有獲取表面工程技術新知識和運用新知識的能力，將來能夠解決材料領域生產及研發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習和筆者對《材料表面工程導論》《功能薄膜等離子體輔助加工技術》和《材料合成與制備方法》等研究生課程的教學實踐，根據表面工程學科“綜合、復合、交叉、系統”的特色，經認真歸納總結和分析，提出了《材料表面工程技術》研究生課程講授的結構體系：由傳統制備技術到現代制備技術，由固態制備技術到氣態（真空）制備技術，由污染環境型技術到環境友好型技術，由單一制備技術到復合制備技術，采用逐步過渡、逐層推進的方式進行講授。以1門24學時的《材料表面工程技術》研究生課程為例，應該采用的典型教學框架為：基礎知識部分4學時，典型專項技術部分16學時，新型復合技術部分4學時，如圖1所示。具體講授方法如下。

課程的第一部分應利用4個學時進行基礎知識方面的介紹，包括表面工程技術的意義及發展歷程，在這一部分，要首先介紹表面工程技術出現的背景和現實意義，回顧整個技術的發展歷程，以及標志性的歷史事件，以激發學生的學習興趣，為進一步學習各種專項技術奠定理論基礎。

課程的第二部分利用16學時重點對典型的專項技術進行介紹，主要是基于表面工程技術的發展進步和各類專項技術之間的關系，由傳統制備技術到現代制備技術，即先講授熱擴滲技術（包括滲氮、滲碳、滲金屬、熱浸鍍等），再講授高能束技術（包括離子束技術、電子束技術、激光束技術等），最后介紹沉積技術（包括噴涂、蒸發鍍、濺射鍍等），各類專項技術之間內在的邏輯聯系是改性層與基體之間的結合狀態由冶金結合到機械結合逐漸過渡，如圖2所示。

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

以上這些工藝技術主要通過“滲進去”和“長出來”兩種工藝過程實現，使材料表面組織發生相變（化學反應），進而使材料表面具備新的力學性能（硬度、抗疲勞等）或功能性（熱、電、磁等性能），達到材料表面改性的目的。因此，在具體講授某一種技術時，可以采用案例式教學結合生產實踐[5，6]，首先向學生介紹該技術的工藝過程，明確該工藝過程實現的是材料的“滲進去”還是“長出來”，接著讓學生認識到該工藝過程是否是材料表面組織發生相變，發生什么相變，然后讓學生理解發生相變的原因，最后向學生介紹這種技術特點及其應用。

以熱擴滲技術為例，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）進行講解。首先向學生介紹該技術的工藝過程：即滲碳工藝制定—齒輪預處理—裝爐—升溫—通入含碳介質—保溫—降溫—出爐。在講授過程中要重點強調工藝制度的制定，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，使學生認識到：（1）該工藝過程實現的是碳元素的滲入；（2）由于碳元素的擴散滲入，在齒輪的表面與鐵元素發生化學反應，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、耐磨性和疲勞強度顯著提高，實現汽車齒輪的改性。其中在（2）的介紹中，向學生重點強調在碳元素在擴散過程中，碳濃度的變化規律，然后結合Fe-C相圖，分析擴散過程中可能生成的新化合物相。這樣，在整個技術講授過程中既有理論又有實踐，兩者協同統一，達到良好的教學效果。

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

以上是以24學時為例進行說明的，如果講授學時少于或多于24學時，教師只需要對上述各個部分、各個層次內容的學時作相應的調整即可。

3結束語

針對研究生教學對象和教學課時的特殊性，根據筆者多年學習和講授經驗，設計出更適合表面工程類研究生接受和學習的新型講授體系、思路和和方法，經筆者及相關教師的教學實踐證明，教學效果良好，受到學生的普遍歡迎，值得推廣應用。

參考文獻

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

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

[3] 趙文軫.材料表面工程導論[M].西安：西安交通大學出版社，2003.

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

[5] 王云龍，王淼，秦月梅. 將“表面文章”做到實處—高校“表面工程”課程教學初探[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學位研究生實踐教學的探究[J].課程教育研究（新教師教學），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