计算材料学在摩擦学课程教学中的改革与实践

周青 华东鹏 王海丰

基金项目：西北工业大学教育教学改革研究项目“《热力学与相变》高质量全英文教材探索与建设”（项目编号：2024JGY74）；西北工业大学教育教学改革研究项目“面向‘碳中和的金属基超润滑材料与技术教学探索与实践”（项目编号：ST2 023JGWG01）。

作者简介：周青（1988—），男，博士，西北工业大学材料学院副教授，研究方向为摩擦润滑；华东鹏（1996—），男，博士在读，西北工业大学材料学院，研究方向为摩擦润滑；王海丰（1981—），男，博士，西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心常务副主任，西北工业大学材料学院教授，研究方向为摩擦润滑。

摘  要：摩擦学专业人才培养是发展高端特种装备的重要抓手，摩擦学课程教学是摩擦学专业研究生培养体系中的关键环节。摩擦学作为一门涉及物理、化学、材料等多学科交叉的综合学科，仅通过传统照本宣科的教学方法很难实现摩擦学专业人才培养的目的。本研究通过将计算材料学应用到摩擦学课程教学中，结合课程特点和研究生具体方向，以研究生科研能力培养为导向，优化教学内容，构建“三位一体”的教学模式，建立新型的多元化课程考核体系，极大增强了学生的创新意识与学习兴趣，提升了学生的综合素养。

关键词：摩擦学；计算材料学；教学改革；研究生培养

中图分类号：G643.2    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）14-0133-04

一、研究背景

进入新时代以来，在碳达峰、碳中和的背景下，我国急需推进产业结构向绿色节能低碳转型，［1］“双碳”领域人才的缺口对高等教育提出了更高的要求。［2］减少摩擦是节约能源的关键，对摩擦领域的深入研究有助于我国更好实现“双碳”目标。因此，培养摩擦学领域专业人才是关乎国计民生的重要抓手。研究生教育是培养国家高端人才的重要环节。作为系统全面阐述整个摩擦领域全貌的课程，“摩擦学原理”在摩擦学专业研究生教育培养体系中具有重要的地位。

“摩擦学原理”是摩擦学方向研究生的核心基础课程，课程从摩擦磨损机理与控制、摩擦学设计及应用等方面入手，讲解摩擦学基本理论与设计方法。传统的课堂讲授式教学方法，以教师为主体，通过课本讲解向学生灌输大量的摩擦学专业知识，使得学生很难理解摩擦学相关理论，无法应用所学知识解决实际问题。因此迫切需要进行课程改革，以增强学生对摩擦学理论的理解以及理论联系实际的能力。

近年来，随着高性能计算机的迅速发展，计算模拟技术逐渐成为推动摩擦学发展的关键技术之一。在众多的计算机模拟方法中，第一性原理方法与分子动力学方法是摩擦学领域较为常见的模拟手段。虽然计算的尺度不甚相同，但对剖析材料及摩擦现象的本质都具有积极的意义。使用第一性原理方法研究摩擦磨损涵盖了各种材料体系，如二维润滑材料石墨烯、二硫化钼、MXene，高分子润滑油等，［3-6］均取得了较出色的成果。分子动力学模拟（Molecular dynamics，MD）方法忽略原子中电子运动，使用经典牛顿运动定律来分析原子核运动。目前基于MD方法研究摩擦过程的研究甚多，如纳米划痕、纳米抛光、纳米切削等。［7-9］上述的两种计算模拟方法结果可靠、计算精度好，在分析纳米级及以下的介观、微观摩擦行为中具有广泛的适用性。可以将计算模拟手段引入摩擦学原理课程教学中。

目前摩擦学发展的趋势由宏观入微观，由静态入动态，由定性入定量。摩擦学与计算模拟手段的深入结合，可以为材料的设计和应用提供更加准确和可靠的数据和方法。将计算材料学与“摩擦学原理”课程的教学相结合，可以提高课程的教学效果，培养兼顾计算材料学和摩擦学知识的复合型人才，为学生的综合素质提升和未来独立科学研究打下坚实的基础。

二、计算材料学在摩擦学教学课程中应用

（一）构筑兼顾广度与深度的理论教学体系

计算材料学在摩擦学教学课程中涉及材料、物理、数学及计算机等学科，相关学科的基础理论和算法内容复杂，需要结合摩擦学原理知识对现有材料进行计算模拟，即从实验到模拟，还要运用计算模拟指导未来材料发展，即从模拟到实验。因此需全面深入掌握各学科涉及的内容与方法，在课程体系、教学方法和考察方式上积极改革与创新，建立较为完善的科学探索与应用教学体系，［10］搭建理论教学、实验教学和模拟教学的“三位一体”教育体系，培养交叉学科复合型人才，如图1所示。

■ 图1  理论教学、实验教学、模拟教学“三位一体”线路图

在该系列课程教学中构建兼顾广度与深度的理论教学体系，需要重点实现两个目标：首先是要完成摩擦学理论教学目标，系统地对摩擦学基本原理与应用进行教学，从摩擦磨损机理与控制、润滑理论与润滑材料、摩擦学设计应用三部分入手，讲解摩擦学基本理论与设计方法，了解常用摩擦学测试方法及原理，能够分析和判断复杂的磨损失效实际问题。其次教授计算材料学相关理论，模型构建以及评价方法，帮助学生学习了解计算材料学在摩擦领域的基础知识、研究方法和发展前沿，掌握模型搭建的相关方法和软件工具，处理分析模型数据，使学生能够在后续的科研工作中实践应用。通过计算材料学教学延伸摩擦学相关交叉学科研究领域，［11］培養研究生结合模拟与实验探究解决实际材料学研究问题的能力。

（二）注重理论实际结合，搭建实验教学体系

在传统计算材料学课程教学工程中，针对学生的培养方案大多关注计算材料基础理论教学，对于实际摩擦学实验涉及较少，对专业知识的获取途径单一，导致学生掌握的计算模拟知识与摩擦实验应用之间衔接不够充分，容易造成理论与实际相脱节。因此，实验教学体系搭建是促进计算材料学在摩擦领域应用的关键步骤。

推进课程建设，实验教学方案设计、设施、检测一体化，通过开展实验课，促进学生理论与实践相结合，使学生掌握材料磨损行为规律和失效形式，搭建计算材料学模型建立和实验实际情况相结合。［12］例如在课程教学中开展摩擦磨损实验与原子力显微镜（Atomic force microscope，AFM）表面观测实验，有利于学生充分理解摩擦磨损测试实施和检测过程，适当安排材料表征实验，帮助学生了解摩擦过程中的材料性能和组织变化机理。为了进一步促进理论与实际有效结合，在课堂教学中应用生产实习及典型失效事例、图片和视频进行教学，使学生能够直观化、形象化地理解课程内容，对于模型搭建在实际实验中有更清晰的认知。［13］

（三）把握基础知识，推进模拟教学

计算材料学课程涉及跨层次、跨学科和跨尺度的基础理论和实践知识，该课程实践难度高，需要结合摩擦学基本理论，极具前瞻性和挑战性。该专业课程还需要更加具备针对性和方向性，推进模拟实验教学，以建促学，边建边学，提高学生模型搭建和分析能力。

计算材料学课程不能墨守成规，需转变传统教学思维，需要更加注重基本理论知识和概念教学。该课程可从物理化学模拟、原子间相互作用势等基础理论知识切入。在课程中期引入计算材料学应用最广和极具代表性的分子动力学方法和蒙特卡罗方法进行详细教学，结合密度泛函理论和第一性原理计算内容实施教学，重点教学其理论知识。增设上机实训，帮助学生熟悉常用软件使用，提高学生主动性和参与性，做到以点带面，简化课堂内容，提倡理解基础知识进而推动思维发散。

三、实际应用案例

文章将从两个具体的案例来论证教改方案的科学可行性和相比于传统摩擦学课程教学的显著优势。笔者提出计算材料学在摩擦学课程教学改革方案后，首先在本课题组选择了两名研究生进行了试点教学。在课程教学中，笔者首先带领学生在5个课时内快速了解摩擦学原理课程的全部内容，包括润滑理论于润滑设计，摩擦磨损机理与控制等理论教学内容，重点关注应用摩擦学。在应用摩擦学教学过程中，引导学生充分发挥兴趣导向和专业导向，立足于现实应用背景，研究具体科学问题。经过系统调研发现，金属玻璃（Metallic glasses，MGs）薄膜因其光滑的表面、良好热塑性成型能力和卓越的性能，如高硬度、大弹性极限和高抗拉强度，已经在微机电系统中表现出优异的应用潜力。［14］尽管对MG的表面摩擦学行为进行了大量研究，但影响MG微纳尺度摩擦性能的结构和化学起源的仍然未知，以及MG自身的高脆性，限制了MG的产业化应用。

第一位研究生探究了影响MG纳米尺度摩擦性能的结构和化学起源。首先分别制备了铸态，退火态和氧化态的Zr-基MG，然后分别进行了AFM压痕和纳米摩擦学试验。根据需要重点学习高度相关的纳米摩擦学机理，用以解释实验结果。研究从黏附和犁沟两方面系统阐明了结构弛豫和氧化对非晶纳米摩擦学性能的影响机理，确立了氧化在磨损过程中优于结构弛豫的贡献。结合经典分子动力学模拟和第一性原理计算揭示了弛豫结构效应和氧化化学效应影响纳米摩擦性能的本质原因。结构弛豫导致自由体积降低，从而表现出较优的耐磨性。氧化主要是通过大幅降低界面黏附能实现摩擦性能的显著改善。这些发现验证了滑动试验中结构变化和氧化行为的贡献，填补了MG的微观摩擦机制和宏观磨损之间的空白，并为设计耐磨MGs提供了指导。该工作相关论文最后发表在材料学顶刊《Acta Materialia》上。［15］

第二位研究生从增强MG韧性的角度出发，设计了一种具有优异耐磨性的MG复合材料。经过对现有改善MG脆性措施的调研，该生发现仿生多层设计理念是实现增强韧性和摩擦学性能的一种有效方法。此时，第二相材料的选择是决定多层复合材料性能的重要因素。聚焦科学前沿，石墨烯是一种非常理想的第二相材料。因此，该生首先采用PVD和CVD相结合的方法制备了具有层状结构的MG/石墨烯复合膜，并通过纳米压痕和纳米划痕测试研究了多层膜的力学性能和摩擦学性能。然后引导学生有选择性地深入学习需要用的摩擦学理论知识，并应用到实验结果分析中。结果表明，由于石墨烯的高强度和弹性模量，与MG膜相比，复合多层膜的硬度和弹性模量均得到了显著提升。多层膜在重复的纳米磨损测试中表现出更好的耐磨性和较低的摩擦系数。结合经典分子动力学模拟证明了石墨烯的加入赋予了MG超弹性恢复能力，提高了MG基体的均匀变形能力和损伤容限，从而起到了减摩抗磨的作用。这些结果表明了交替层叠的MG/石墨烯多层设计是一种提高MG薄膜的耐磨性的有效方法。该工作相关论文最后发表在摩擦学顶刊《Friction》上。［7］

以上两个案例的成功，表明这种“三位一体”的教学方案的可行性和优越性。摩擦学课程教学不再像传统教学只教学生学习书本上枯燥的理论知识，而是注重应用导向。从具体科学问题入手，重点学习相关理论知识，设计实验教学方案，引导学生在应用中理解摩擦学理论知识，掌握摩擦问题研究方法。进一步结合计算模拟教学，从微观可视化的角度去增强对抽象摩擦机理的具象理解。

四、课程考核方式

高校课程教学需要进行期末考核，但是考核的目的不是筛选人才，而是检验学生对知识的掌握程度。因此，传统课程教学采用的答卷考核方式将不再适用高校专业课程教学考核。经过调研显示，学生为了通过答卷考核，通常在考试前一周才对书本上的理论知识死记硬背。虽然这种短期记忆可以帮助学生应对考试，但造成了一种考过即忘的普遍现象，这不仅意味着课程教学的失败，也意味着老师和学生共同在这门课程上付出的时间和精力的严重浪费。

因此，作者提出的摩擦专业课教改方案建立了一种新的考核模式。在课程开始，指导学生根据自己研究方向选定研究课题。在课上带领学生了解摩擦学基本原理，重点教授学生摩擦研究的实验方法和计算模拟方法；课后指导学生对选定课题开展实验研究和模擬研究；期末让学生提交一份研究报告。而最终考核成绩结合课堂出勤率，研究报告完成情况进行综合评价。其中，课堂出勤率占10%，研究报告占90%。课程教学结束后，对每位学生的研究工作进行指导，直到研究成果以论文或专利形式发表。

这种考核方式不是短时的，而是长期的，不是空洞的，而是有成果的。一方面可以增强学生对理论知识的掌握与应用，全面提升学生的综合能力；另一方面可以激发学生学习研究的动力，真正实现自主学习，学以致用。

五、结语

摩擦学专业课程教学是培养摩擦学专业人才的重要环节。传统“填鸭式”教学模式导致学生学无所用，考过即忘，完全没有实现专业人才培养的目的。摩擦学课程改革的目标， 是以科研能力培养为导向，培养兼备创新能力与科研能力的摩擦学专业人才。通过重构摩擦学原理教学内容，把实验教学和计算模拟引入课程教学体系，构建“三位一体”的教学模式，塑造研究型教学氛围，把教学从课堂上转移到课堂下，把课程考核转化为研究成果。实践证明，这种教学改革更有利于挖掘学生自身潜力，增强学生的主观能动性，提升学生的创新科研思维和综合素质，为以后的科学研究打下坚实的基础。

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（责任编辑：黄文波）