“材料表面功能化與創(chuàng)新生活”課程案例設(shè)計(jì)與教學(xué)探討

摘 要 新生研討課是面向大一新生開設(shè)的小班研討類課程。文章以“材料表面功能化與創(chuàng)新生活”課程為例，在教學(xué)過程中結(jié)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)的航天特色與教師的科研方向，融入材料表面功能化的工程應(yīng)用案例，引入行業(yè)發(fā)展前沿內(nèi)容，培養(yǎng)新生的創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神、批判性思維和學(xué)術(shù)表達(dá)能力，盡早引領(lǐng)學(xué)生開展科學(xué)研究。同時(shí)，在課程教學(xué)過程中引入思政元素，致力于培養(yǎng)具備較強(qiáng)實(shí)踐能力的應(yīng)用型復(fù)合人才。

關(guān)鍵詞 新生研討課；創(chuàng)新實(shí)踐能力；案例教學(xué)；課程思政

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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，為師之至樂之事也。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)為了充分發(fā)揮科研強(qiáng)勢對(duì)教學(xué)的反哺作用，致力于構(gòu)建研究型大學(xué)的人才培養(yǎng)體系，倡導(dǎo)以探索和研究為基礎(chǔ)、以師生互動(dòng)為主要方式的“邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊實(shí)踐”的新穎研究型教學(xué)，于2016年秋季學(xué)期首次面對(duì)大一新生設(shè)立了新生研討課，課程性質(zhì)為選修課。新生研討課將有助于新生確立為學(xué)為人的目標(biāo)，盡快適應(yīng)研究型大學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境[1]。中國制造2025繪就新藍(lán)圖，“先進(jìn)制造，材料先行”，“材料表面功能化”是通過多種表面工程技術(shù)復(fù)合處理形成表面功能化層，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、生物活化等性能，為航空航天、新能源、醫(yī)療器械、智能制造等插上騰飛的翅膀，在深海、深地、深空、深藍(lán)等戰(zhàn)略領(lǐng)域的裝備制造更是不可或缺。課程取名為“材料表面功能化與創(chuàng)新生活”，充分體現(xiàn)知識(shí)與趣味的結(jié)合。考慮到該研討課面向大一新生，在教學(xué)內(nèi)容上以國家大力推動(dòng)的重點(diǎn)領(lǐng)域，特別是結(jié)合哈工大航天特色所需要的材料表面功能化技術(shù)為案例予以分析，兼具科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性。同時(shí)考慮適合或略高于大一學(xué)生的知識(shí)水平和接受能力，遵循依托經(jīng)典、追蹤前沿、引領(lǐng)探索的原則，設(shè)置不同的研討專題，通過討論讓學(xué)生充分了解材料表面功能化國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)方向與難點(diǎn)問題。將工程應(yīng)用案例和思政元素融入課程教學(xué)，結(jié)合院校實(shí)際開展強(qiáng)針對(duì)性的實(shí)踐課程輔助教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)術(shù)積極性并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，為培養(yǎng)新時(shí)代復(fù)合型人才提供新范式。

1 課程內(nèi)容確定

1.1 結(jié)合學(xué)校航天特色與教師科研方向，確定教學(xué)內(nèi)容案例

《光明日?qǐng)?bào)》以“哈爾濱工業(yè)大學(xué)：把基礎(chǔ)研究這個(gè)冷板凳坐熱”為題，報(bào)道了我校緊緊圍繞基礎(chǔ)研究主力軍和重大科技突破策源地的一流大學(xué)定位，不斷強(qiáng)化航天第一校“尖兵”作用發(fā)揮，加強(qiáng)原創(chuàng)性和引領(lǐng)性科技攻關(guān)，打造更多國之重器[2]。哈工大航天特色鮮明，學(xué)生就業(yè)領(lǐng)域、教師科研方向主要集中在航天飛行器設(shè)計(jì)與制造等行業(yè)，這些行業(yè)急需先進(jìn)的熱防護(hù)材料、耐磨減摩材料、耐蝕防腐材料等，因此在確定“材料表面功能化與創(chuàng)新生活”教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)時(shí)要側(cè)重于航天輕金屬材料表面的熱防護(hù)涂層、耐磨減摩涂層、耐蝕防腐涂層等功能性涂層的設(shè)計(jì)、制備、性能檢測與應(yīng)用探索等。例如：長征七號(hào)火箭伺服抗磨密封“內(nèi)膽”；航天器表面神奇的高溫防護(hù)“棉襖”；衛(wèi)星與空間站表面熱控“外衣”；輻射散熱表面的妙用等。上述教學(xué)內(nèi)容安排旨在踐行習(xí)近平總書記在首個(gè)“中國航天日”到來之際作出的重要指示強(qiáng)調(diào)——要銘記歷史、傳承精神，激發(fā)全民尤其是青少年崇尚科學(xué)、探索未知、敢于創(chuàng)新的熱情，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢凝聚強(qiáng)大力量[3]。

1.2 結(jié)合行業(yè)發(fā)展前沿，確定教學(xué)案例

我國大力推動(dòng)的重點(diǎn)領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展，均離不開材料表面功能化技術(shù)，因此在確定“材料表面功能化與創(chuàng)新生活”教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)時(shí)還應(yīng)側(cè)重于結(jié)合重點(diǎn)領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展前沿，確定教學(xué)內(nèi)容與案例。例如：①新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，集成電路芯片制造需要在硅晶片表面進(jìn)行真空鍍膜和電路刻蝕的表面功能化；②航天飛行器、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人，需要突破航天伺服系統(tǒng)、機(jī)器人本體、減速器、伺服電機(jī)等關(guān)鍵零部件的表面耐磨減摩潤滑密封等功能化技術(shù)瓶頸；③航空航天裝備推動(dòng)載人航天、月球探測工程，深空探測，推進(jìn)航天技術(shù)轉(zhuǎn)化與空間技術(shù)應(yīng)用，需要大量抗輻照熱控涂層的功能化表面；④海洋工程裝備及高技術(shù)船舶，需要苛刻的耐海洋腐蝕/抗微生物腐蝕的功能化表面涂層；⑤先進(jìn)軌道交通裝備，需要關(guān)節(jié)軸承高精度耐磨潤滑表面、關(guān)鍵零部件的先進(jìn)修復(fù)再制造表面等。

上述教學(xué)內(nèi)容與國家大力推動(dòng)的重點(diǎn)領(lǐng)域相結(jié)合、與實(shí)際需求相結(jié)合，將空洞深?yuàn)W難懂的理論知識(shí)落實(shí)到行業(yè)應(yīng)用前沿與日常生活。拓寬學(xué)生學(xué)科前沿知識(shí)視野，使其了解行業(yè)發(fā)展趨勢，為其日后擇業(yè)就業(yè)、升學(xué)深造提供參考。

2 實(shí)際工程應(yīng)用案例引入課堂教學(xué)

在課程實(shí)踐中將本專業(yè)的航天實(shí)際工程應(yīng)用案例引入課堂教學(xué)，能引起學(xué)生共鳴，起到事半功倍的效果。在研討輕量化航天器高精密控制部件表面耐磨密封功能化時(shí)，引入哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種陶瓷研究所表面工程科研團(tuán)隊(duì)的案例。長征七號(hào)是我國新一代運(yùn)載火箭家族的主要成員，是載人航天工程為發(fā)射貨運(yùn)飛船而全新研制的中型運(yùn)載火箭，伺服系統(tǒng)作為火箭飛行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)搖擺液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，肩負(fù)實(shí)現(xiàn)火箭飛行過程姿態(tài)穩(wěn)定和方向調(diào)整的重要使命。伺服機(jī)構(gòu)蓄壓器殼體作為長七系列火箭伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系飛行控制精度的可靠性，一旦磨損破壞，“失之毫厘，謬之千里”，將嚴(yán)重影響飛行精度。該團(tuán)隊(duì)突破了陶瓷涂層致密化理論與技術(shù)、復(fù)雜型腔內(nèi)壁涂層均勻生長與拋光等技術(shù)難題，并研發(fā)出鈦合金蓄壓器殼體耐磨動(dòng)密封涂層，保障伺服機(jī)構(gòu)作用可靠性。

在新生研討課的課堂上，引入身邊鮮活的案例可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和國家民族自豪感，讓新生真切地感受到關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新來源于身邊朝夕相處的教師們的科研成果，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生投身科研事業(yè)的熱情，為將來國家攻關(guān)“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)貢獻(xiàn)自己的力量。

3 思政元素融入教學(xué)內(nèi)容

在研討課教學(xué)過程中適時(shí)融入“傳承愛國、實(shí)踐成材”的思政元素，對(duì)于引導(dǎo)和幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新型人才至關(guān)重要。

與傳承專業(yè)精神相關(guān)的案例設(shè)計(jì)：以我國著名金屬材料及熱處理專家、國際材料熱處理與表面工程領(lǐng)域著名學(xué)者和教育家、哈工大“八百壯士”的代表、哈工大材料學(xué)專業(yè)奠基人雷廷權(quán)院士為例，先生被稱為學(xué)術(shù)界的“特種鋼”，對(duì)科學(xué)執(zhí)著追求，堅(jiān)毅如鋼，先生不僅理論功底深厚、學(xué)術(shù)造詣高超，還具有超群的學(xué)術(shù)敏感和創(chuàng)新精神，他的科研工作重心總是瞄準(zhǔn)國內(nèi)、國際前沿科學(xué)領(lǐng)域，并取得了豐碩成果。他堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，注重將科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，第一次在國際上提出“形變化學(xué)熱處理”，在國內(nèi)率先開展雙相鋼及雙相組織熱處理研究，在雙相組織微觀變形與斷裂行為、雙相鋼強(qiáng)度理論及實(shí)際應(yīng)用等方面提出了一系列新的觀點(diǎn)，在國際上產(chǎn)生重要影響。先生長期從事金屬材料摩擦磨損和表面改性的基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用研究，尤其在激光熔覆、微弧氧化工藝與應(yīng)用方面貢獻(xiàn)卓著，提出了金屬表面陶瓷化的新機(jī)制。也正是因?yàn)閯?chuàng)新性成果和突出貢獻(xiàn)，1993年他被選為國際熱處理聯(lián)合會(huì)（后改為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)）主席，為國家爭得了榮譽(yù)[4]。以雷廷權(quán)先生的事跡來宣揚(yáng)傳承“特種鋼”精神，激勵(lì)學(xué)生在科研探索中要堅(jiān)毅如鋼、勇于創(chuàng)新。

與成就校友表面功能化事業(yè)反哺母校相關(guān)的案例設(shè)計(jì)：姚力軍校友（寧波江豐電子材料股份有限公司創(chuàng)始人）是全球掌握集成電路制造用超高純度金屬材料及濺射靶材核心技術(shù)的著名專家，2005年回國創(chuàng)立寧波江豐電子材料股份有限公司，專門從事超大規(guī)模集成電路芯片制造用超高純度金屬材料及濺射靶材的研發(fā)生產(chǎn)，填補(bǔ)了國內(nèi)多項(xiàng)技術(shù)空白。表面濺射與光刻功能化技術(shù)是制備芯片的重要手段，向?qū)W生介紹我國與世界的差距，以及我國科研工作者通過不斷研發(fā)，逐漸縮短了與濺射靶材領(lǐng)域世界強(qiáng)國之間的距離，激發(fā)學(xué)生對(duì)表面微細(xì)功能化的興趣，幫助他們樹立為國家集成電路領(lǐng)域快速發(fā)展趕超世界強(qiáng)國而努力的志向[5]。姚力軍校友大力支持學(xué)校發(fā)展建設(shè)，于2021年向?qū)W校捐贈(zèng)1000萬元。飲水思源、心系母校，為企業(yè)謀發(fā)展的同時(shí)，時(shí)刻不忘回饋社會(huì)、回饋母校，充分彰顯了新時(shí)代企業(yè)家的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

通過材料表面功能化相關(guān)的一系列思政教學(xué)探索和實(shí)踐，課堂教學(xué)內(nèi)容上恰到好處地提及國內(nèi)科研工作者取得原創(chuàng)性科研成果的事跡，以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的民族自豪感與民族自信心。思政元素的引入，可提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生科研探索精神，以及樹立為國家科研事業(yè)貢獻(xiàn)力量的遠(yuǎn)大志向。

4 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)深度融合

以“產(chǎn)教融合、科教融匯”思想理念引領(lǐng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合，理論教學(xué)時(shí)運(yùn)用實(shí)踐案例，實(shí)踐教學(xué)時(shí)有理論支撐，構(gòu)建課堂教學(xué)—科學(xué)實(shí)驗(yàn)—工程實(shí)踐—型號(hào)攻關(guān)多元結(jié)構(gòu)的理論/實(shí)踐教學(xué)充分結(jié)合的課程體系。在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)校和學(xué)院表面處理技術(shù)設(shè)備的實(shí)際情況，帶領(lǐng)學(xué)生分批次參觀并實(shí)際觀看相關(guān)表面處理技術(shù)的操作過程。例如，在講授長征七號(hào)火箭伺服抗磨密封“內(nèi)膽”用微弧氧化技術(shù)時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生觀看載人航天、飛船發(fā)射、空間對(duì)接等航天領(lǐng)域振奮人心的視頻資料，并講解火箭伺服機(jī)構(gòu)蓄壓器殼體的微弧氧化涂層耐磨防護(hù)技術(shù)。讓學(xué)生近距離學(xué)習(xí)微弧氧化制備陶瓷涂層的電解液成分選擇、電壓、頻率、占空比、時(shí)間、電極設(shè)置等工藝參數(shù)，觀察與體會(huì)“長征七號(hào)”新一代大推力火箭鈦合金蓄壓器殼體是如何突破致密納米晶層的工藝控制、復(fù)雜型腔內(nèi)壁涂層均勻生長等關(guān)鍵技術(shù)。讓學(xué)生感受到教師所從事的國家重大/重點(diǎn)項(xiàng)目與講授課程的密切聯(lián)系，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)和科研興趣。這種實(shí)踐課程和理論教學(xué)相結(jié)合的方式，有助于學(xué)生更好地掌握課本知識(shí)，使其能夠做到活學(xué)活用，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

5 結(jié)語

“材料表面功能化與創(chuàng)新生活”課程是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的研討類課程，通過結(jié)合學(xué)校航天特色、行業(yè)發(fā)展前沿及教師科研方向，確定教學(xué)內(nèi)容；通過引入表面功能化工程應(yīng)用案例、融入思政元素、拓展實(shí)踐教學(xué)等“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式改革與探索，不僅提高了學(xué)生思考、分析和解決問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的愛國主義情懷與實(shí)踐精神，成為符合新工科建設(shè)需求的高素質(zhì)應(yīng)用型復(fù)合人才。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2021年度“鈮合金表面Nb5Si3/NbSi2/Nb2O5-SiO2/硅化物多層涂層構(gòu)建與輻射熱防護(hù)強(qiáng)化機(jī)制”（52071114）。

參考文獻(xiàn)

[1] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)關(guān)于開展新生研討課立項(xiàng)與結(jié)題工作的通知[EB/OL].（2018-07-29）.http：//today.hit.edu.cn/article/58128.

[2] 張士英，劉培香，梁英爽.哈爾濱工業(yè)大學(xué)：把基礎(chǔ)研究這個(gè)冷板凳坐熱[N].光明日?qǐng)?bào)2022-06-07（08）.

[3] 習(xí)近平李克強(qiáng)分別對(duì)首個(gè)“中國航天日”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.八百壯士（第二卷，雷廷權(quán)卷）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[5] 校黨委書記熊四皓為寧波江豐電子材料股份有限公司董事長姚力軍校友頒發(fā)名譽(yù)校董紀(jì)念獎(jiǎng)牌[EB/OL].（2022-09-27）.https：//news.hit.edu.cn/2022/0926/c11508a232187/page.htm.