《表面与界面》研究生课程教学探讨

余金山　刘东青　王洪磊　周新贵

摘要：表面与界面在材料科学中占有重要的地位。《表面与界面》课程是材料工程专业研究生的一门学科基础选修课，通过该课程的学习，可以使研究生了解材料的表面及界面的结构特征，熟悉有关表面改性的方法，为今后开展材料科学与工程领域的科学研究打下牢固基础。本文从《表面与界面》的课程定位与教学目标制定、教学内容设置、教学改革等方面进行阐述。

关键词：材料；表面；界面；课程目标；研究生教学

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）26-0183-02

一、前言

固体材料的表面性质由其特定的表面结构决定，研究固体材料的表面结构是表面科学的基本课题。任何材料都有与外界接触的表面或与其他材料区分的界面，表面与界面在材料科学中占有重要的地位。开设本课程的作用和任务是，使研究生了解与熟悉材料的表面及界面的结构特征，掌握表面界面现象的规律，了解复合材料及纳米材料的表、界面特型及其对性能的影响，了解有关表面改性的方法，为今后开展材料科学与工程领域的科学研究及论文写作打下牢固基础。

二、教学目的

采用课内多媒体教学、研讨和参观见习等方式，从表面与界面结构、表面与界面现象、复合材料与纳米材料的表面与界面特性、表面改性与薄膜技术等不同侧面，阐述表面与界面的有关重要规律，探索前沿问题。它旨在使学生熟悉材料表面及界面的结构特征，掌握表面与界面现象的基本规律，了解表面与界面的相关基础理论，掌握复合材料的界面特点及其对性能的影响规律，了解纳米材料的表面与界面行为，熟悉有关表面改性的方法。

三、教学内容和要求

（一）材料的表面结构

主要内容包括：表面原子结构、表面电子结构、表面态与表面空间电荷层、表面势垒和电子亲和势、清洁表面结构、实际表面结构；要求掌握表面结构的基本概念，能够运用基本理论进行初步的表面分析。

（二）材料与薄膜的界面结构

主要内容包括：材料的晶界、相界结构模型，薄膜的界面结构、界面特性及其对薄膜性质的影响，超晶格薄膜结构及其特性；要求掌握材料的晶界、相界的结构模型，了解薄膜的结构特点。

（三）表面与界面现象

主要内容包括：表面张力与表面能、界面张力与界面能、吸附与脱附、偏析与富集、表面与界面扩散、金属与合金的氧化；要求掌握各种表面与界面现象及存在规律，了解其特点。

（四）复合材料的界面

主要内容包括：复合材料的界面理论、先进复合材料界面、复合材料界面研究方法；要求了解复合材料界面的基本概念，掌握复合材料的界面设计方法。

（五）纳米材料的表面与界面

主要内容包括：纳米粒子的表面化学特性、纳米材料的表面与界面现象、纳米材料表面与界面的分析方法；要求了解纳米材料的独特的表面与界面特性，运用相关理论并结合复合材料制备工艺来指导科研实践。

（六）表面改性与薄膜技术简介

主要内容包括：化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶—凝胶方法，离子束、电子束及激光束方法，其他新技术；要求了解表面处理的技术和方法，重点掌握化学气相沉积和物理气相沉积的技术原理，现场参观实验设备，观摩表面处理过程。

此外，还有实验课程内容，主要包括纳米材料的BET法测比表面积、X射线光电子谱测量材料表面化学组成及价态、原子层沉积法制备表面涂层等。

四、課程设计思路

本课程教学由课堂教学、实验教学两大部分组成。

课堂教学与工程实践相结合，加强工程实践教学环节，在课堂着重介绍先进材料表面与界面的基础理论，并结合工程实践应用介绍材料表面改性技术。如利用我校复合材料领域研究工作的优势，通过实验室或工厂观摩教学，以复合材料界面及界面层结构及改性对复合材料性能的影响为切入点，使学员对材料表面与界面的基础理论及界面改性对材料性能影响产生理性的认识。

五、教学内容改革设想

1.国防科学技术大学材料学科以先进复合材料及其构件为特色，包含很多材料表、界面的基本理论及科学问题，为本课程提供了丰富的案列和实践机会。本课程教学内容除了传统的材料表、界面基本理论外，将结合我校材料科学与工程专业领域研究内容进行丰富的扩展。

2.除课堂教学以外，还将深入生产现场，到长沙力元新材股份有限公司和长沙三才镀膜有限公司观摩和实习，将课堂和书本上的理论落实到现场，并且更好地与实践联系在一起。另外，也将深入实验室，尝试动手操作X射线光电子谱（XPS）等表面分析测试设备，以加深对基础知识的理解，做到理论联系实际。

六、教学模式改革设想

（一）促进不同学科领域的人才培养

本课程涉及多门学科的基本知识和理论，内容丰富，信息量大，适应不同学科领域人才培养的需求。该课程除了面对广大工程硕士研究生，还可以面向继续教育的高级人才、基层部队的广大工程技术人员，教学模式可以灵活多样。

（二）结合教学实践基地建设，促进教学改革

进一步完善课程多媒体课件，购置实践课程配套设备，为工程硕士研究生教学提供教学实践平台。将课堂和书本上的理论落实到现场，并且更好地与实践联系在一起，让学生亲身体验或者亲自动手参与其中，使抽象的知识具体化。

七、结束语

表面科学领域有个说法：当上帝创造了固体时，魔鬼创造了表面。（While God created the solids，the Devil created the surfaces！）足见材料的表面与界面对整个材料性质性能的影响有多重要。通过本课程的学习，研究生可以掌握材料的表面及界面的结构特征，掌握表面界面现象的规律，了解复合材料及纳米材料的表、界面特性及其对性能的影响，了解有关表面改性的方法。这是材料专业今后工作和研究所必需的。本文主要对该课程的教学目标定位、教学内容设置以及教学理念进行了探讨。

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