材料表面技术概论教学中学生科研能力的培养

王灿明 孙宏飞

[摘 要]材料表面技术概论课程的教学要将教学和科研结合起来，培养学生科研能力，合理设计教学内容，把教师的科研工作和专业课程的教学结合在一起，鼓励学生参加科技立项活动，根据授课内容采用多样化的教学方法，强化实验教学和开设创新性实验可有效提高学生的专业兴趣，培养学生的创新能力和科学素养。

[关键词]表面技术 教学方法 科研能力 创新性实验

[中图分类号] G424.1[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）07-0149-02

在传统工业生产及新材料研发领域，表面技术具有非常重要的地位。目前，材料表面技术概论课程已经成为许多高等院校金属材料、焊接、材料成型与控制、材料加工工程等专业的技术基础课程。通过该课程的学习，学生可以初步掌握材料的表面基础理论、表面涂层技术、表面涂层设计及表面质量检测技术等。这是一门所学内容可直接面向工业应用的专业课程，具有非常强的实践性，通过该课程的学习能够有效提高同学们运用所学知识解决实际问题的能力，培养学生的开拓创新能力，同时，也为学生学习其他相关课程、毕业设计和将来从事的生产技术工作奠定必要的专业基础。

该课程一般安排在大三下学期或大四上学期，是同学们学完物理化学、材料科学基础、材料工程基础等课程后的延伸课程。本课程授课内容虽然理论性不强，但涉及知识面广，包含了工业生产及科研中所能用到的各类表面技术知识，具有较强的专业性和实践性。针对这一特点及授课对象的知识储备程度，作者在多年教学实践的基础上，尝试从以下几个方面对材料表面技术概论课程进行教学改革，重点培养学生动手能力、设计能力和创新能力，锻炼并提高学生的科研素养。

一、科研与教学结合，培养学生的专业兴趣

对于高校教师来说，教学与科研是相辅相成、互相促进的。教学是高校教师的基本职责，是从事科研工作的基础和依托。科研能够让高校教师熟悉本学科的最新进展，有助于革新教学内容，反哺教学，不断的提高教学质量。[1]高校教师如果不开展科学研究，知识更新慢，授课内容得不到及时的更新，在教学过程中就难以引导学生积极地学习和思考，创新能力培养也就成为空谈。[2]在课堂教学中，教师应当结合自己的科研工作，及时地将表面技术领域的新动态、新技术和新工艺充实到教学内容中，鼓励有兴趣的同学进入实验室，成为老师的科研小助手。

山东科技大学材料学科在表面技术领域具有突出特色，拥有“山东省金属材料与表面工程研究中心”和“山东省耐磨耐蚀材料工程技术研究中心”两个省级工程技术研究中心。在硬件设备方面，拥有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、等离子熔敷、激光熔敷、物理气相沉积、化学气相沉积、微弧氧化等完善的表面技术实验设备，在师资队伍方面，拥有专业从事涂层技术和涂层材料开发的教授、副教授和讲师组成的科研和教学团队，为该课程的教学改革提供了强有力的支撑。在本课程教学中，积极鼓励学生参与到教师的科研项目中，成立科研兴趣小组，利用业余时间辅助老师承担部分科研工作，以提高学生的动手能力、分析能力和创新精神。学校每年组织一次面向学生的科研立项活动，鼓励学生根据自身爱好组建科技创新团队，承担部分小的科研课题，将课程学习与科研立项活动结合起来。在课题进行的过程中同学们协助自主设计实验方案，制备样品，分析检测，并在教师的指导下撰写科研论文或申请专利。在这一过程中，同学们的综合能力得到全面的锻炼，提高了对材料，特别是对表面技术的专业兴趣。

二、巧用多种教学方法，启发、引导学生思考

水无常态，教无定法。在材料表面技术概论的教学过程中，可根据授课内容，采用多种教学手段和教学方法，引导学生自觉的学习和思考。以热喷涂章节的教学为例，学习内容主要包括火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂三大部分，共安排8个学时的教学时间。由于在大学阶段专业课程的学习中，学生普遍反映实验偏少，动手机会偏少，不清楚所学知识能够应用在哪些领域，因此在该课程的教学中，针对上述问题，结合学校实验条件，安排了4个学时用于课堂理论教学，其中2个学时讲授热喷涂原理，2个学时讲授热喷涂材料及其应用。让学生对热喷涂技术原理、热喷涂材料有了全面的了解后，再安排2个学时的时间在实验室现场教学，主要内容包括参观、讲解火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂设备，演示喷涂过程;选取在工业和科研中应用到的典型热喷涂产品，给同学们讨论、分析讲解。如高炉风帽的热喷涂防护，首先给同学们分析高炉风帽的工作环境：风帽端部深入炉膛内部，工作温度在1400℃左右，承受炉料的冲刷作用，指出高温下炉料的冲刷作用是造成风帽失效的主要原因。如何解决这一问题？引导同学们思考，提出对防护涂层的基本性能要求：抗高温冲刷性能好，导热性差，具有热障功能。然后再提出问题：具有这种特性的涂层材料一般是什么，是金属、金属陶瓷或氧化物陶瓷吗？让同学们讨论，最后得出结论：氧化物陶瓷如Al2O3、ZrO2抗高温性能好，导热性差，可用于高炉风帽的表面防护涂层，这类涂层材料熔点高，一般采用等离子喷涂工艺制备涂层。采用这种现场参观、演示、讲解、提问和讨论的方式，大大提高了同学们学习该课程的兴趣。最后2个学时为热喷涂实验，由老师预先准备好标准规格的钢板，热喷涂材料，同学们在老师的指导下独立完成热喷涂前处理（主要是喷砂粗化）、喷涂、涂层质量检测等工作。通过这8个学时的学习，同学们对热喷涂技术、设备和热喷涂材料有了较为全面的认识和了解。

在课堂教学中，部分章节可以采取预先布置任务、分组讨论的方式，让学生参与到教学中来，成为课堂上的主体，教师在中间主要起到组织、引导和协调的作用。如在讲述电镀和化学镀这一章节时，可采用任务驱动法。老师在讲述完基本知识点后，给学生布置系列探究性学习任务，5-6人分成一个小组，指导学生通过学校图书馆提供的各种渠道查阅文献资料，如通过中国知网学术文献总库查阅中文期刊、学位论文以及会议论文，通过Elsevier、SpringerLink、EBSCO数据库平台查阅和下载英文论文等。各个小组根据老师分配的任务，查阅相关论文和信息，然后进行筛选、提炼、归纳和分析，完成综述性报告，并做成ppt形式，每个小组轮流在课堂上向大家展示和讲解。通过这种任务分配、查阅资料、信息检索与提炼、整理报告和汇报的过程，提高了学生的分析和归纳能力，部分同学还能在整理和查阅资料的过程中提出新的问题和看法，创新能力得到了很好的锻炼。

三、设计创新性实验，培养学生的综合能力

长期以来，材料专业基础课程辅助实验多数是验证型、演示型实验，由实验老师讲解实验内容，学生按照老师要求及实验指导书上规定的内容、方法和步骤机械的完成实验内容即可，在这一过程中需要学生自主设计和创新的地方较少。著名的美国教育家布鲁纳雷曾说过，知识乃是一个过程，不是结果。开设实验教学的真正目的不仅仅是为了去验证一些已知的结果，而是在实验过程中培养学生从事材料应用或科学研究的能力，并在此基础上开阔视野，发展思维，培养学生的专业兴趣。[3]多年的教学经验表明，合理设计课程实验，增加学生的动手机会，对提高课程教学的质量至关重要。我校材料学科以表面技术为特色，拥有包括热喷涂、物理气相沉积、微弧氧化、喷焊等较为齐全的实验条件，为本课程实验的设置和实施提供了有力的支撑。

在本课程教学中，设置了4学时的标准实验课程，以验证性为主，以加深学生对课本知识的理解。同时，通过这些验证性实验让学生了解和熟悉表面技术试验设备，为创新性实验做好准备。在本课程进行到中期的时候，给同学们布置创新性实验任务，内容可广泛选用在生活、工业或科研中遇到的，和表面技术有关的课题，如钢结构的长效防腐、高速公路护栏的防护涂层技术、门把手的装饰及防腐涂层技术、家用碳钢自来水管的防锈技术、水轮机叶片的抗冲蚀涂层技术、机械传动齿轮接触齿面的表面强化技术等，让学生根据自己的兴趣分组选择合适的题目，设计涂层工艺和涂层材料，并制订详细的实验方案，经指导教师审核后进入实验室，自主进行实验。为了确保该实践教学环节的质量，加强实验过程的管理，指导教师应做好实验进度跟踪和管理，做好实验安全培训，合理安排、协调公共实验设备的使用时间。对于学生在实验中遇到的难题，要及时的给予提示或协助解决。实验结束后，以小组为单位提交一份实验报告作为评分依据。通过创新性实验，学生经历了查阅、收集资料，设计实验方案，实验操作及实验数据分析等过程，熟悉了科研工作的基本环节，从事科研工作的能力得到了有效的锻炼。

四、结束语

在材料表面技术概论专业课程教学中，通过鼓励同学们进入实验室，协助老师承担部分科研工作，加强课堂教学内容和教学方法的改革，增加创新性实验等措施，有效提高了学生的动手能力和科研能力。尤其是创新性实验的设立，和传统专业课程辅助实验形成了良好的互补作用，对提高学生的综合素质、实践能力和充分发挥学生的创新能力起到了重要的促进作用。由于材料表面技术发展迅速，涂层新材料、新工艺革新非常快，在以后的教学中将及时更新授课内容，进一步强化实验教学，跟踪表面技术发展的新趋势，更好的培养学生的专业兴趣和科研能力。

[ 注 释 ]

[1] 黄秋燕.教学型地方高校遥感课程教学与科研互动模式探索[J].高教论坛，2008（5）：74-76.

[2] 吕迎，李俊刚，吴明忠，等，现代表面技术教学和科研相结合的教学改革探讨[J].铸造设备与工艺，2012（4）：52-54.

[3] 周衡志，巴志新，王章忠.应用型本科材料专业表面工程综合实验课程改革初探[J].科教文汇（下旬刊），2010（10）：39-40.

[责任编辑：钟 岚]