材料表面工程技术研究生课程教学新思路探讨

刘瑞良+闫牧夫+乔英杰

[摘要]基于材料表面工程类课程的学习以及《材料表面工程导论》《功能薄膜等离子体辅助加工技术》和《材料合成与制备方法》等研究生课程的教学实践，根据表面工程学科“综合、复合、交叉、系统”的特色，提出了材料表面工程技术研究生课程讲授的新思路，即由传统制备技术到现代制备技术，由固态制备技术到气态（真空）制备技术、由污染环境型技术到环境友好型技术、由单一制备技术到复合制备技术，采用逐步过渡、逐步递进的方式进行讲授。

[关键词]表面工程技术；研究生课程；教学方法

[中图分类号]G643[文献标识码]A[文章编号]10054634（2016）05004403

0引言

表面工程是指对机械零件表面进行涂覆、改性或复合处理，以改变零件表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，并获得所需特殊表面性能的系统工程。表面工程技术的最大优势是能够制备出优于零件本体材料性能的表面渗层/镀层/涂层等改性层，赋予零件更好的耐磨、耐蚀、抗疲劳、耐高温等性能[1]，已成为现代科学研究高新技术发展和机械工程应用中新材料制备的关键技术之一。

目前，表面工程技术已经成为一门独立的技术和研究领域，世界上各高校均开设相关表面工程类的学科或方向，如英国伯明翰大学冶金与材料学院设有表面工程方向、美国凯斯西储大学工程学院等设有表面工程方向、加拿大阿尔伯塔大学化学与材料工程系设有表面科学与工程方向等等。国内已有大连理工大学开设材料表面工程专业，南昌航空大学开设的材料表面与界面工程专业，这些专业为学校自主开设的专业，为材料科学与工程专业下的二级学科。其它工科类院校虽然没有设立专门的学科专业，但一般均开设有相应的研究方向，如材料表面工程、材料表面改性等。

随着我国科教兴国、人才储备等战略的提出，以及家庭对教育重要性的认识提高逐步，我国各大高校的规模不断扩大，研究生招生的数量也不断增加，如何保证研究生培养质量，对各大高校提出了更高的要求[2]。

1中美大学新生教育内容的比较分析对材料表面工程专业或表面工程方向的学生来说，目前市面上见到的相关书籍或教材主要有徐滨士等编著的《材料表面工程》、赵文轸等编著的《材料表面工程导论》以及王振廷等编著的《材料表面工程技术》等。以赵文轸等编著的《材料表面工程导论》为例，该教材首先从理论上论述了固体表面的晶体构造、理化特点以及表面强度等问题，然后就表面工程中10个大类表面技术的原理、工艺特点、应用领域进行了论证和说明，最后介绍了表面工程中常用的一些分析和测试方法。尽管教材突出了先进性，但其中理论性的内容相对较多，应用方面的内容较少，一些新兴的复合技术等未能涉及[3]。目前大多数高校的教师对材料表面工程类课程的讲解均是以这些教材为蓝本，这对注重基础、课时充足的本科生教学是比较合适的。研究生与本科生相比，是一个特殊的学生群体，学生自身的理解能力进一步增强，且研究生教学学时比本科课时少，往往少于32学时，一般为24学时甚至16学时，因此，如果采取和本科生同样的教学方式，一方面讲解的内容难以取舍和完成。另一方面难以调动学生的积极性，往往教学效果一般[4]。

2适合研究生的新型讲授思路和方法探讨

研究生课程培养目标：通过课堂教学，使学生了解表面工程的相关理论，掌握表面工程技术的工艺方法，为将来从事材料科学与工程方面的生产、管理及研究奠定基础。培养要求：通过本课程的学习，使学生能够了解目前主流表面工程技术的基本原理，掌握典型表面工程技术的制备方法和工艺过程，掌握材料成分、组织结构及性能的测试分析和评价方法，具有获取表面工程技术新知识和运用新知识的能力，将来能够解决材料领域生产及研发过程中遇到的实际问题[5，6]。

基于笔者多年对材料表面工程类课程的学习和笔者对《材料表面工程导论》《功能薄膜等离子体辅助加工技术》和《材料合成与制备方法》等研究生课程的教学实践，根据表面工程学科“综合、复合、交叉、系统”的特色，经认真归纳总结和分析，提出了《材料表面工程技术》研究生课程讲授的结构体系：由传统制备技术到现代制备技术，由固态制备技术到气态（真空）制备技术，由污染环境型技术到环境友好型技术，由单一制备技术到复合制备技术，采用逐步过渡、逐层推进的方式进行讲授。以1门24学时的《材料表面工程技术》研究生课程为例，应该采用的典型教学框架为：基础知识部分4学时，典型专项技术部分16学时，新型复合技术部分4学时，如图1所示。具体讲授方法如下。

课程的第一部分应利用4个学时进行基础知识方面的介绍，包括表面工程技术的意义及发展历程，在这一部分，要首先介绍表面工程技术出现的背景和现实意义，回顾整个技术的发展历程，以及标志性的历史事件，以激发学生的学习兴趣，为进一步学习各种专项技术奠定理论基础。

课程的第二部分利用16学时重点对典型的专项技术进行介绍，主要是基于表面工程技术的发展进步和各类专项技术之间的关系，由传统制备技术到现代制备技术，即先讲授热扩渗技术（包括渗氮、渗碳、渗金属、热浸镀等），再讲授高能束技术（包括离子束技术、电子束技术、激光束技术等），最后介绍沉积技术（包括喷涂、蒸发镀、溅射镀等），各类专项技术之间内在的逻辑联系是改性层与基体之间的结合状态由冶金结合到机械结合逐渐过渡，如图2所示。

各类专项技术的讲授方法是由固态制备技术到气态（真空）制备技术，由污染环境型技术到环境友好型技术。以热扩渗技术的讲授为例，该部分内容可分两个层次进行讲解，第一部分讲授热扩渗非金属元素（包括氮、碳、硼、硅等），由固体热扩渗（固体渗碳），接着讲授液体热扩渗（盐浴渗氮），再讲授气体热扩渗（气体渗氮、渗碳）、真空热扩渗（真空渗氮、真空渗碳、等离子渗氮等），最后讲授该类技术的最新发展（活化屏等离子体渗氮、渗碳）；第二部分讲授热扩渗金属元素（包括锌、铝、铬、钛等），这部分亦是先讲授液体热扩渗技术，再讲授气体（真空）热扩渗技术。

以上这些工艺技术主要通过“渗进去”和“长出来”两种工艺过程实现，使材料表面组织发生相变（化学反应），进而使材料表面具备新的力学性能（硬度、抗疲劳等）或功能性（热、电、磁等性能），达到材料表面改性的目的。因此，在具体讲授某一种技术时，可以采用案例式教学结合生产实践[5，6]，首先向学生介绍该技术的工艺过程，明确该工艺过程实现的是材料的“渗进去”还是“长出来”，接着让学生认识到该工艺过程是否是材料表面组织发生相变，发生什么相变，然后让学生理解发生相变的原因，最后向学生介绍这种技术特点及其应用。

以热扩渗技术为例，在讲授气体渗碳时，可以汽车齿轮渗碳为案例，借助多媒体软件（PowerPoint和视频）进行讲解。首先向学生介绍该技术的工艺过程：即渗碳工艺制定—齿轮预处理—装炉—升温—通入含碳介质—保温—降温—出炉。在讲授过程中要重点强调工艺制度的制定，包括齿轮热处理工艺的制定和渗碳工艺的制定。而预处理的过程包括齿轮的淬火和回火以及装炉前的除油、除垢。通过讲解，使学生认识到：（1）该工艺过程实现的是碳元素的渗入；（2）由于碳元素的扩散渗入，在齿轮的表面与铁元素发生化学反应，形成铁的碳化物，由于表面碳化物的生成，在齿轮表面由表及里形成了典型的ε-Fe3Cε-Fe3C+α-Feα-Fe梯度组织；（3）表面组织的改变，使齿轮表面的硬度、耐磨性和疲劳强度显著提高，实现汽车齿轮的改性。其中在（2）的介绍中，向学生重点强调在碳元素在扩散过程中，碳浓度的变化规律，然后结合Fe-C相图，分析扩散过程中可能生成的新化合物相。这样，在整个技术讲授过程中既有理论又有实践，两者协同统一，达到良好的教学效果。

鉴于表面工程新的发展趋势以及复合表面工程技术的优越性，在各类专项技术讲授完毕后，在课程的第三部分利用4学时讲授一些新型复合表面工程技术，如热扩渗和气相沉积薄膜复合、离子注入和磁控溅射镀膜复合、微弧氧化和强流脉冲电子束复合、等离子喷涂和激光氮化结合等。

以上是以24学时为例进行说明的，如果讲授学时少于或多于24学时，教师只需要对上述各个部分、各个层次内容的学时作相应的调整即可。

3结束语

针对研究生教学对象和教学课时的特殊性，根据笔者多年学习和讲授经验，设计出更适合表面工程类研究生接受和学习的新型讲授体系、思路和和方法，经笔者及相关教师的教学实践证明，教学效果良好，受到学生的普遍欢迎，值得推广应用。

参考文献

[1] 师昌绪，徐滨士，张平，等.21世纪表面工程的发展趋势[J].2001（1）：17.

[2] 王辉，徐晓莉，王环.浅谈研究生实践教学与理论教学[J].中国科教创新导刊，2012（29）：4547.

[3] 赵文轸.材料表面工程导论[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[4] 张微，张津，曾英.“材料表面工程”课程教学改革[J].四川兵工学报，2008，29（2）：125126.

[5] 王云龙，王淼，秦月梅. 将“表面文章”做到实处—高校“表面工程”课程教学初探[J].考试周刊，2012（84）：155156.

[6] 谭晓京，李本昌，胡颖慧，等.高等工科院校全日制专业学位研究生实践教学的探究[J].课程教育研究（新教师教学），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