計算材料學在摩擦學課程教學中的改革與實踐

周青 華東鵬 王海豐

基金項目：西北工業大學教育教學改革研究項目“《熱力學與相變》高質量全英文教材探索與建設”（項目編號：2024JGY74）；西北工業大學教育教學改革研究項目“面向‘碳中和的金屬基超潤滑材料與技術教學探索與實踐”（項目編號：ST2 023JGWG01）。

作者簡介：周青（1988—），男，博士，西北工業大學材料學院副教授，研究方向為摩擦潤滑；華東鵬（1996—），男，博士在讀，西北工業大學材料學院，研究方向為摩擦潤滑；王海豐（1981—），男，博士，西北工業大學先進潤滑與密封材料研究中心常務副主任，西北工業大學材料學院教授，研究方向為摩擦潤滑。

摘? 要：摩擦學專業人才培養是發展高端特種裝備的重要抓手，摩擦學課程教學是摩擦學專業研究生培養體系中的關鍵環節。摩擦學作為一門涉及物理、化學、材料等多學科交叉的綜合學科，僅通過傳統照本宣科的教學方法很難實現摩擦學專業人才培養的目的。本研究通過將計算材料學應用到摩擦學課程教學中，結合課程特點和研究生具體方向，以研究生科研能力培養為導向，優化教學內容，構建“三位一體”的教學模式，建立新型的多元化課程考核體系，極大增強了學生的創新意識與學習興趣，提升了學生的綜合素養。

關鍵詞：摩擦學；計算材料學；教學改革；研究生培養

中圖分類號：G643.2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）14-0133-04

一、研究背景

進入新時代以來，在碳達峰、碳中和的背景下，我國急需推進產業結構向綠色節能低碳轉型，［1］“雙碳”領域人才的缺口對高等教育提出了更高的要求。［2］減少摩擦是節約能源的關鍵，對摩擦領域的深入研究有助于我國更好實現“雙碳”目標。因此，培養摩擦學領域專業人才是關乎國計民生的重要抓手。研究生教育是培養國家高端人才的重要環節。作為系統全面闡述整個摩擦領域全貌的課程，“摩擦學原理”在摩擦學專業研究生教育培養體系中具有重要的地位。

“摩擦學原理”是摩擦學方向研究生的核心基礎課程，課程從摩擦磨損機理與控制、摩擦學設計及應用等方面入手，講解摩擦學基本理論與設計方法。傳統的課堂講授式教學方法，以教師為主體，通過課本講解向學生灌輸大量的摩擦學專業知識，使得學生很難理解摩擦學相關理論，無法應用所學知識解決實際問題。因此迫切需要進行課程改革，以增強學生對摩擦學理論的理解以及理論聯系實際的能力。

近年來，隨著高性能計算機的迅速發展，計算模擬技術逐漸成為推動摩擦學發展的關鍵技術之一。在眾多的計算機模擬方法中，第一性原理方法與分子動力學方法是摩擦學領域較為常見的模擬手段。雖然計算的尺度不甚相同，但對剖析材料及摩擦現象的本質都具有積極的意義。使用第一性原理方法研究摩擦磨損涵蓋了各種材料體系，如二維潤滑材料石墨烯、二硫化鉬、MXene，高分子潤滑油等，［3-6］均取得了較出色的成果。分子動力學模擬（Molecular dynamics，MD）方法忽略原子中電子運動，使用經典牛頓運動定律來分析原子核運動。目前基于MD方法研究摩擦過程的研究甚多，如納米劃痕、納米拋光、納米切削等。［7-9］上述的兩種計算模擬方法結果可靠、計算精度好，在分析納米級及以下的介觀、微觀摩擦行為中具有廣泛的適用性。可以將計算模擬手段引入摩擦學原理課程教學中。

目前摩擦學發展的趨勢由宏觀入微觀，由靜態入動態，由定性入定量。摩擦學與計算模擬手段的深入結合，可以為材料的設計和應用提供更加準確和可靠的數據和方法。將計算材料學與“摩擦學原理”課程的教學相結合，可以提高課程的教學效果，培養兼顧計算材料學和摩擦學知識的復合型人才，為學生的綜合素質提升和未來獨立科學研究打下堅實的基礎。

二、計算材料學在摩擦學教學課程中應用

（一）構筑兼顧廣度與深度的理論教學體系

計算材料學在摩擦學教學課程中涉及材料、物理、數學及計算機等學科，相關學科的基礎理論和算法內容復雜，需要結合摩擦學原理知識對現有材料進行計算模擬，即從實驗到模擬，還要運用計算模擬指導未來材料發展，即從模擬到實驗。因此需全面深入掌握各學科涉及的內容與方法，在課程體系、教學方法和考察方式上積極改革與創新，建立較為完善的科學探索與應用教學體系，［10］搭建理論教學、實驗教學和模擬教學的“三位一體”教育體系，培養交叉學科復合型人才，如圖1所示。

■ 圖1? 理論教學、實驗教學、模擬教學“三位一體”線路圖

在該系列課程教學中構建兼顧廣度與深度的理論教學體系，需要重點實現兩個目標：首先是要完成摩擦學理論教學目標，系統地對摩擦學基本原理與應用進行教學，從摩擦磨損機理與控制、潤滑理論與潤滑材料、摩擦學設計應用三部分入手，講解摩擦學基本理論與設計方法，了解常用摩擦學測試方法及原理，能夠分析和判斷復雜的磨損失效實際問題。其次教授計算材料學相關理論，模型構建以及評價方法，幫助學生學習了解計算材料學在摩擦領域的基礎知識、研究方法和發展前沿，掌握模型搭建的相關方法和軟件工具，處理分析模型數據，使學生能夠在后續的科研工作中實踐應用。通過計算材料學教學延伸摩擦學相關交叉學科研究領域，［11］培養研究生結合模擬與實驗探究解決實際材料學研究問題的能力。

（二）注重理論實際結合，搭建實驗教學體系

在傳統計算材料學課程教學工程中，針對學生的培養方案大多關注計算材料基礎理論教學，對于實際摩擦學實驗涉及較少，對專業知識的獲取途徑單一，導致學生掌握的計算模擬知識與摩擦實驗應用之間銜接不夠充分，容易造成理論與實際相脫節。因此，實驗教學體系搭建是促進計算材料學在摩擦領域應用的關鍵步驟。

推進課程建設，實驗教學方案設計、設施、檢測一體化，通過開展實驗課，促進學生理論與實踐相結合，使學生掌握材料磨損行為規律和失效形式，搭建計算材料學模型建立和實驗實際情況相結合。［12］例如在課程教學中開展摩擦磨損實驗與原子力顯微鏡（Atomic force microscope，AFM）表面觀測實驗，有利于學生充分理解摩擦磨損測試實施和檢測過程，適當安排材料表征實驗，幫助學生了解摩擦過程中的材料性能和組織變化機理。為了進一步促進理論與實際有效結合，在課堂教學中應用生產實習及典型失效事例、圖片和視頻進行教學，使學生能夠直觀化、形象化地理解課程內容，對于模型搭建在實際實驗中有更清晰的認知。［13］

（三）把握基礎知識，推進模擬教學

計算材料學課程涉及跨層次、跨學科和跨尺度的基礎理論和實踐知識，該課程實踐難度高，需要結合摩擦學基本理論，極具前瞻性和挑戰性。該專業課程還需要更加具備針對性和方向性，推進模擬實驗教學，以建促學，邊建邊學，提高學生模型搭建和分析能力。

計算材料學課程不能墨守成規，需轉變傳統教學思維，需要更加注重基本理論知識和概念教學。該課程可從物理化學模擬、原子間相互作用勢等基礎理論知識切入。在課程中期引入計算材料學應用最廣和極具代表性的分子動力學方法和蒙特卡羅方法進行詳細教學，結合密度泛函理論和第一性原理計算內容實施教學，重點教學其理論知識。增設上機實訓，幫助學生熟悉常用軟件使用，提高學生主動性和參與性，做到以點帶面，簡化課堂內容，提倡理解基礎知識進而推動思維發散。

三、實際應用案例

文章將從兩個具體的案例來論證教改方案的科學可行性和相比于傳統摩擦學課程教學的顯著優勢。筆者提出計算材料學在摩擦學課程教學改革方案后，首先在本課題組選擇了兩名研究生進行了試點教學。在課程教學中，筆者首先帶領學生在5個課時內快速了解摩擦學原理課程的全部內容，包括潤滑理論于潤滑設計，摩擦磨損機理與控制等理論教學內容，重點關注應用摩擦學。在應用摩擦學教學過程中，引導學生充分發揮興趣導向和專業導向，立足于現實應用背景，研究具體科學問題。經過系統調研發現，金屬玻璃（Metallic glasses，MGs）薄膜因其光滑的表面、良好熱塑性成型能力和卓越的性能，如高硬度、大彈性極限和高抗拉強度，已經在微機電系統中表現出優異的應用潛力。［14］盡管對MG的表面摩擦學行為進行了大量研究，但影響MG微納尺度摩擦性能的結構和化學起源的仍然未知，以及MG自身的高脆性，限制了MG的產業化應用。

第一位研究生探究了影響MG納米尺度摩擦性能的結構和化學起源。首先分別制備了鑄態，退火態和氧化態的Zr-基MG，然后分別進行了AFM壓痕和納米摩擦學試驗。根據需要重點學習高度相關的納米摩擦學機理，用以解釋實驗結果。研究從黏附和犁溝兩方面系統闡明了結構弛豫和氧化對非晶納米摩擦學性能的影響機理，確立了氧化在磨損過程中優于結構弛豫的貢獻。結合經典分子動力學模擬和第一性原理計算揭示了弛豫結構效應和氧化化學效應影響納米摩擦性能的本質原因。結構弛豫導致自由體積降低，從而表現出較優的耐磨性。氧化主要是通過大幅降低界面黏附能實現摩擦性能的顯著改善。這些發現驗證了滑動試驗中結構變化和氧化行為的貢獻，填補了MG的微觀摩擦機制和宏觀磨損之間的空白，并為設計耐磨MGs提供了指導。該工作相關論文最后發表在材料學頂刊《Acta Materialia》上。［15］

第二位研究生從增強MG韌性的角度出發，設計了一種具有優異耐磨性的MG復合材料。經過對現有改善MG脆性措施的調研，該生發現仿生多層設計理念是實現增強韌性和摩擦學性能的一種有效方法。此時，第二相材料的選擇是決定多層復合材料性能的重要因素。聚焦科學前沿，石墨烯是一種非常理想的第二相材料。因此，該生首先采用PVD和CVD相結合的方法制備了具有層狀結構的MG/石墨烯復合膜，并通過納米壓痕和納米劃痕測試研究了多層膜的力學性能和摩擦學性能。然后引導學生有選擇性地深入學習需要用的摩擦學理論知識，并應用到實驗結果分析中。結果表明，由于石墨烯的高強度和彈性模量，與MG膜相比，復合多層膜的硬度和彈性模量均得到了顯著提升。多層膜在重復的納米磨損測試中表現出更好的耐磨性和較低的摩擦系數。結合經典分子動力學模擬證明了石墨烯的加入賦予了MG超彈性恢復能力，提高了MG基體的均勻變形能力和損傷容限，從而起到了減摩抗磨的作用。這些結果表明了交替層疊的MG/石墨烯多層設計是一種提高MG薄膜的耐磨性的有效方法。該工作相關論文最后發表在摩擦學頂刊《Friction》上。［7］

以上兩個案例的成功，表明這種“三位一體”的教學方案的可行性和優越性。摩擦學課程教學不再像傳統教學只教學生學習書本上枯燥的理論知識，而是注重應用導向。從具體科學問題入手，重點學習相關理論知識，設計實驗教學方案，引導學生在應用中理解摩擦學理論知識，掌握摩擦問題研究方法。進一步結合計算模擬教學，從微觀可視化的角度去增強對抽象摩擦機理的具象理解。

四、課程考核方式

高校課程教學需要進行期末考核，但是考核的目的不是篩選人才，而是檢驗學生對知識的掌握程度。因此，傳統課程教學采用的答卷考核方式將不再適用高校專業課程教學考核。經過調研顯示，學生為了通過答卷考核，通常在考試前一周才對書本上的理論知識死記硬背。雖然這種短期記憶可以幫助學生應對考試，但造成了一種考過即忘的普遍現象，這不僅意味著課程教學的失敗，也意味著老師和學生共同在這門課程上付出的時間和精力的嚴重浪費。

因此，作者提出的摩擦專業課教改方案建立了一種新的考核模式。在課程開始，指導學生根據自己研究方向選定研究課題。在課上帶領學生了解摩擦學基本原理，重點教授學生摩擦研究的實驗方法和計算模擬方法；課后指導學生對選定課題開展實驗研究和模擬研究；期末讓學生提交一份研究報告。而最終考核成績結合課堂出勤率，研究報告完成情況進行綜合評價。其中，課堂出勤率占10%，研究報告占90%。課程教學結束后，對每位學生的研究工作進行指導，直到研究成果以論文或專利形式發表。

這種考核方式不是短時的，而是長期的，不是空洞的，而是有成果的。一方面可以增強學生對理論知識的掌握與應用，全面提升學生的綜合能力；另一方面可以激發學生學習研究的動力，真正實現自主學習，學以致用。

五、結語

摩擦學專業課程教學是培養摩擦學專業人才的重要環節。傳統“填鴨式”教學模式導致學生學無所用，考過即忘，完全沒有實現專業人才培養的目的。摩擦學課程改革的目標， 是以科研能力培養為導向，培養兼備創新能力與科研能力的摩擦學專業人才。通過重構摩擦學原理教學內容，把實驗教學和計算模擬引入課程教學體系，構建“三位一體”的教學模式，塑造研究型教學氛圍，把教學從課堂上轉移到課堂下，把課程考核轉化為研究成果。實踐證明，這種教學改革更有利于挖掘學生自身潛力，增強學生的主觀能動性，提升學生的創新科研思維和綜合素質，為以后的科學研究打下堅實的基礎。

參考文獻：

［1］ 林伯強. 碳中和進程中的中國經濟高質量增長［J］. 經濟研究，2022，57（01）：56-71.

［2］ 晉浩天. “雙碳”來了，高等教育如何發力［N］. 光明日報，2021-11-30（13）.

［3］ 王建軍，王飛，原鵬飛，等. 石墨烯層間納米摩擦性質的第一性原理研究［J］. 物理學報，2012，61（10）：337-343.

［4］ Vazirisereshk M R，Ye H，Ye Z J，et al. Origin of nanoscale friction contrast between supported graphene， MoS2， and a graphene/MoS2 heterostructure［J］. Nano Letters，2019，19（08）：5496-5505.

［5］ Marquis E，Cutini M，Anasori B，et al. Nanoscale MXene interlayer and substrate adhesion for lubrication：A density functional theory study［J］. Acs Applied Nano Materials，2022，5（08）：10516-10527.

［6］ Kumari S，Chouhan A，Sharma O P，et al. Surface functionalization of WS2 nanosheets with alkyl chains for enhancement of dispersion stability and tribological propertie［J］. Acs Applied Materials & Interfaces，2022，14（01）：1334-1346.

［7］ Zhou Q，Luo D W，Hua D P，et al. Design and characterization of metallic glass/graphene multilayer with excellent nanowear properties［J］. Friction，2022，10（11）：1913-1926.

［8］ 王婉，周青，華東鵬，等. 因瓦合金納米拋光材料去除機理的分子動力學模擬［J］. 中國表面工程，2021，34（06）：160-167.

［9］ 房豐洲，賴敏. 納米切削機理及其研究進展［J］. 中國科學：技術科學，2014，44（10）：1052-1070.

［10］ 陳逸凡，陸瀟曉，鮑亮，等. “計算材料學”課程教學的改革與實踐［J］. 黑龍江生態工程職業學院學報，2020，33（01）：126-128.

［11］ 楊宗凱，姬紅兵，田聰. 需求導向培養高層次人才——以西安電子科技大學為例［J］. 大學與學科，2021，2（01）：5-12.

［12］ 王焰新. 完善科教融合校企融合機制提升研究生創新實踐能力［J］. 中國高等教育，2018（Z3）：56-58.

［13］ 劉曉玲，郭峰，王健. 案例教學法在摩擦學原理教學中的應用［J］. 中國冶金教育，2018（06）：23-24.

［14］ Louzguine-Luzgin D V，Nguyen H K，Nakajima K，et al. A study of the nanoscale and atomic-scale wear resistance of metallic glasses［J］. Materials letters，2016（185）：54-58.

［15］ Jia Q，He W H，Hua D P，et al. Effects of structure relaxation and surface oxidation on nanoscopic wear behaviors of metallic glass［J］. Acta Materialia，2022（232）：117934.

（責任編輯：黃文波）