“材料表面功能化与创新生活”课程案例设计与教学探讨

摘 要 新生研讨课是面向大一新生开设的小班研讨类课程。文章以“材料表面功能化与创新生活”课程为例，在教学过程中结合哈尔滨工业大学的航天特色与教师的科研方向，融入材料表面功能化的工程应用案例，引入行业发展前沿内容，培养新生的创新意识、科学精神、批判性思维和学术表达能力，尽早引领学生开展科学研究。同时，在课程教学过程中引入思政元素，致力于培养具备较强实践能力的应用型复合人才。

关键词 新生研讨课；创新实践能力；案例教学；课程思政

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.17.031

Case Design and Teaching Exploration of "Surface Functionalization

of Materials and Innovative Life" Course

WANG Yaming， WANG Shuqi， ZOU Yongchun

（School of Materials Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001）

Abstract Freshman seminar is a small class seminar course designed for freshmen. The article takes the course "Material Surface Functionalization of Materials and Innovative Life" as an example. In the teaching process， it combines the aerospace characteristics of Harbin Institute of Technology and the scientific research direction of teachers， integrates engineering application cases of surface functionalization of materials， introduces cutting-edge industry development content， cultivates new students' innovative consciousness， scientific spirit， critical thinking and academic expression ability， and leads students to conduct scientific research as early as possible. At the same time， introducing ideological and political elements into the curriculum teaching process is committed to cultivating applied composite talents with strong practical abilities.

Keywords freshmen seminar; innovative practical ability; case teaching; course ideological and political education

“得天下英才而育之，为师之至乐之事也。”哈尔滨工业大学为了充分发挥科研强势对教学的反哺作用，致力于构建研究型大学的人才培养体系，倡导以探索和研究为基础、以师生互动为主要方式的“边学习、边研究、边实践”的新颖研究型教学，于2016年秋季学期首次面对大一新生设立了新生研讨课，课程性质为选修课。新生研讨课将有助于新生确立为学为人的目标，尽快适应研究型大学的学习环境[1]。中国制造2025绘就新蓝图，“先进制造，材料先行”，“材料表面功能化”是通过多种表面工程技术复合处理形成表面功能化层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、生物活化等性能，为航空航天、新能源、医疗器械、智能制造等插上腾飞的翅膀，在深海、深地、深空、深蓝等战略领域的装备制造更是不可或缺。课程取名为“材料表面功能化与创新生活”，充分体现知识与趣味的结合。考虑到该研讨课面向大一新生，在教学内容上以国家大力推动的重点领域，特别是结合哈工大航天特色所需要的材料表面功能化技术为案例予以分析，兼具科学性、先进性和实用性。同时考虑适合或略高于大一学生的知识水平和接受能力，遵循依托经典、追踪前沿、引领探索的原则，设置不同的研讨专题，通过讨论让学生充分了解材料表面功能化国内外关注的热点方向与难点问题。将工程应用案例和思政元素融入课程教学，结合院校实际开展强针对性的实践课程辅助教学，调动学生的学术积极性并培养学生的创新实践能力，为培养新时代复合型人才提供新范式。

1 课程内容确定

1.1 结合学校航天特色与教师科研方向，确定教学内容案例

《光明日报》以“哈尔滨工业大学：把基础研究这个冷板凳坐热”为题，报道了我校紧紧围绕基础研究主力军和重大科技突破策源地的一流大学定位，不断强化航天第一校“尖兵”作用发挥，加强原创性和引领性科技攻关，打造更多国之重器[2]。哈工大航天特色鲜明，学生就业领域、教师科研方向主要集中在航天飞行器设计与制造等行业，这些行业急需先进的热防护材料、耐磨减摩材料、耐蚀防腐材料等，因此在确定“材料表面功能化与创新生活”教学内容的重点时要侧重于航天轻金属材料表面的热防护涂层、耐磨减摩涂层、耐蚀防腐涂层等功能性涂层的设计、制备、性能检测与应用探索等。例如：长征七号火箭伺服抗磨密封“内胆”；航天器表面神奇的高温防护“棉袄”；卫星与空间站表面热控“外衣”；辐射散热表面的妙用等。上述教学内容安排旨在践行习近平总书记在首个“中国航天日”到来之际作出的重要指示强调——要铭记历史、传承精神，激发全民尤其是青少年崇尚科学、探索未知、敢于创新的热情，为实现中华民族伟大复兴的中国梦凝聚强大力量[3]。

1.2 结合行业发展前沿，确定教学案例

我国大力推动的重点领域要实现突破性发展，均离不开材料表面功能化技术，因此在确定“材料表面功能化与创新生活”教学内容的重点时还应侧重于结合重点领域的行业发展前沿，确定教学内容与案例。例如：①新一代信息技术产业，集成电路芯片制造需要在硅晶片表面进行真空镀膜和电路刻蚀的表面功能化；②航天飞行器、高档数控机床和机器人，需要突破航天伺服系统、机器人本体、减速器、伺服电机等关键零部件的表面耐磨减摩润滑密封等功能化技术瓶颈；③航空航天装备推动载人航天、月球探测工程，深空探测，推进航天技术转化与空间技术应用，需要大量抗辐照热控涂层的功能化表面；④海洋工程装备及高技术船舶，需要苛刻的耐海洋腐蚀/抗微生物腐蚀的功能化表面涂层；⑤先进轨道交通装备，需要关节轴承高精度耐磨润滑表面、关键零部件的先进修复再制造表面等。

上述教学内容与国家大力推动的重点领域相结合、与实际需求相结合，将空洞深奥难懂的理论知识落实到行业应用前沿与日常生活。拓宽学生学科前沿知识视野，使其了解行业发展趋势，为其日后择业就业、升学深造提供参考。

2 实际工程应用案例引入课堂教学

在课程实践中将本专业的航天实际工程应用案例引入课堂教学，能引起学生共鸣，起到事半功倍的效果。在研讨轻量化航天器高精密控制部件表面耐磨密封功能化时，引入哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所表面工程科研团队的案例。长征七号是我国新一代运载火箭家族的主要成员，是载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的中型运载火箭，伺服系统作为火箭飞行控制执行机构，负责摇摆液氧煤油发动机，肩负实现火箭飞行过程姿态稳定和方向调整的重要使命。伺服机构蓄压器壳体作为长七系列火箭伺服控制系统的关键部件，直接关系飞行控制精度的可靠性，一旦磨损破坏，“失之毫厘，谬之千里”，将严重影响飞行精度。该团队突破了陶瓷涂层致密化理论与技术、复杂型腔内壁涂层均匀生长与抛光等技术难题，并研发出钛合金蓄压器壳体耐磨动密封涂层，保障伺服机构作用可靠性。

在新生研讨课的课堂上，引入身边鲜活的案例可以增强学生的学习兴趣和国家民族自豪感，让新生真切地感受到关键技术的创新来源于身边朝夕相处的教师们的科研成果，进而增强学生投身科研事业的热情，为将来国家攻关“卡脖子”的关键技术贡献自己的力量。

3 思政元素融入教学内容

在研讨课教学过程中适时融入“传承爱国、实践成材”的思政元素，对于引导和帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观，培养德才兼备的创新型人才至关重要。

与传承专业精神相关的案例设计：以我国著名金属材料及热处理专家、国际材料热处理与表面工程领域著名学者和教育家、哈工大“八百壮士”的代表、哈工大材料学专业奠基人雷廷权院士为例，先生被称为学术界的“特种钢”，对科学执着追求，坚毅如钢，先生不仅理论功底深厚、学术造诣高超，还具有超群的学术敏感和创新精神，他的科研工作重心总是瞄准国内、国际前沿科学领域，并取得了丰硕成果。他坚持理论联系实际，注重将科技成果转化为现实生产力，第一次在国际上提出“形变化学热处理”，在国内率先开展双相钢及双相组织热处理研究，在双相组织微观变形与断裂行为、双相钢强度理论及实际应用等方面提出了一系列新的观点，在国际上产生重要影响。先生长期从事金属材料摩擦磨损和表面改性的基础理论与工程应用研究，尤其在激光熔覆、微弧氧化工艺与应用方面贡献卓著，提出了金属表面陶瓷化的新机制。也正是因为创新性成果和突出贡献，1993年他被选为国际热处理联合会（后改为国际热处理与表面工程联合会）主席，为国家争得了荣誉[4]。以雷廷权先生的事迹来宣扬传承“特种钢”精神，激励学生在科研探索中要坚毅如钢、勇于创新。

与成就校友表面功能化事业反哺母校相关的案例设计：姚力军校友（宁波江丰电子材料股份有限公司创始人）是全球掌握集成电路制造用超高纯度金属材料及溅射靶材核心技术的著名专家，2005年回国创立宁波江丰电子材料股份有限公司，专门从事超大规模集成电路芯片制造用超高纯度金属材料及溅射靶材的研发生产，填补了国内多项技术空白。表面溅射与光刻功能化技术是制备芯片的重要手段，向学生介绍我国与世界的差距，以及我国科研工作者通过不断研发，逐渐缩短了与溅射靶材领域世界强国之间的距离，激发学生对表面微细功能化的兴趣，帮助他们树立为国家集成电路领域快速发展赶超世界强国而努力的志向[5]。姚力军校友大力支持学校发展建设，于2021年向学校捐赠1000万元。饮水思源、心系母校，为企业谋发展的同时，时刻不忘回馈社会、回馈母校，充分彰显了新时代企业家的责任担当。

通过材料表面功能化相关的一系列思政教学探索和实践，课堂教学内容上恰到好处地提及国内科研工作者取得原创性科研成果的事迹，以激发学生强烈的民族自豪感与民族自信心。思政元素的引入，可提高教学质量，增强学生科研探索精神，以及树立为国家科研事业贡献力量的远大志向。

4 理论教学与实践教学深度融合

以“产教融合、科教融汇”思想理念引领理论教学与实践教学的深度融合，理论教学时运用实践案例，实践教学时有理论支撑，构建课堂教学—科学实验—工程实践—型号攻关多元结构的理论/实践教学充分结合的课程体系。在教学过程中，根据学校和学院表面处理技术设备的实际情况，带领学生分批次参观并实际观看相关表面处理技术的操作过程。例如，在讲授长征七号火箭伺服抗磨密封“内胆”用微弧氧化技术时，带领学生观看载人航天、飞船发射、空间对接等航天领域振奋人心的视频资料，并讲解火箭伺服机构蓄压器壳体的微弧氧化涂层耐磨防护技术。让学生近距离学习微弧氧化制备陶瓷涂层的电解液成分选择、电压、频率、占空比、时间、电极设置等工艺参数，观察与体会“长征七号”新一代大推力火箭钛合金蓄压器壳体是如何突破致密纳米晶层的工艺控制、复杂型腔内壁涂层均匀生长等关键技术。让学生感受到教师所从事的国家重大/重点项目与讲授课程的密切联系，进而提高学生学习和科研兴趣。这种实践课程和理论教学相结合的方式，有助于学生更好地掌握课本知识，使其能够做到活学活用，培养学生解决问题的能力。

5 结语

“材料表面功能化与创新生活”课程是一门理论与实践相结合的研讨类课程，通过结合学校航天特色、行业发展前沿及教师科研方向，确定教学内容；通过引入表面功能化工程应用案例、融入思政元素、拓展实践教学等“教、学、做”一体化教学模式改革与探索，不仅提高了学生思考、分析和解决问题的能力，同时培养了学生的爱国主义情怀与实践精神，成为符合新工科建设需求的高素质应用型复合人才。

基金项目：国家自然科学基金项目2021年度“铌合金表面Nb5Si3/NbSi2/Nb2O5-SiO2/硅化物多层涂层构建与辐射热防护强化机制”（52071114）。

参考文献

[1] 哈尔滨工业大学关于开展新生研讨课立项与结题工作的通知[EB/OL].（2018-07-29）.http：//today.hit.edu.cn/article/58128.

[2] 张士英，刘培香，梁英爽.哈尔滨工业大学：把基础研究这个冷板凳坐热[N].光明日报2022-06-07（08）.

[3] 习近平李克强分别对首个“中国航天日”作出指示批示[EB/OL].（2016-04-24）.http：//www.gov.cn/xinwen/2016-04/24/content_5067424.htm.

[4] 王福平.八百壮士（第二卷，雷廷权卷）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.

[5] 校党委书记熊四皓为宁波江丰电子材料股份有限公司董事长姚力军校友颁发名誉校董纪念奖牌[EB/OL].（2022-09-27）.https：//news.hit.edu.cn/2022/0926/c11508a232187/page.htm.