時(shí)間：2023-02-09 05:40:47
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇工程熱物理論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
英文名稱：Journal of Shaanxi University of Technology(Natural Science Edition)
主管單位：陜西省教育廳
主辦單位：陜西理工學(xué)院
出版周期：季刊
出版地址：陜西省漢中市
語(yǔ)
種：中文
開(kāi)
本：大16開(kāi)
國(guó)際刊號(hào)：1673-2944
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：61-1444/N
郵發(fā)代號(hào)：
發(fā)行范圍：國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時(shí)間：1985
期刊收錄：
核心期刊：
期刊榮譽(yù)：
Caj-cd規(guī)范獲獎(jiǎng)期刊
聯(lián)系方式
期刊簡(jiǎn)介
《陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版）原名《陜西工學(xué)院學(xué)報(bào)》，是由陜西理工學(xué)院主辦的自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1985年，季刊。
同等學(xué)力申碩考試報(bào)名條件：申請(qǐng)人獲學(xué)士學(xué)位后工作3年以上；通過(guò)學(xué)位授予單位的資格審查；通過(guò)學(xué)位授予單位組織的課程考試；通過(guò)同等學(xué)力人員申請(qǐng)碩士學(xué)位的外國(guó)語(yǔ)水平及學(xué)科綜合水平全國(guó)統(tǒng)一考試（申請(qǐng)人自通過(guò)資格審查之日起，須在4年內(nèi)通過(guò)學(xué)位，授予單位的全部課程考試和國(guó)家組織的水平考試。否則，本次申請(qǐng)無(wú)效。）；
在通過(guò)全部考試后的一年內(nèi)提出學(xué)位論文，并在半年內(nèi)完成論文答辯；論文答辯未通過(guò)，本次申請(qǐng)無(wú)效。但論文答辯委員會(huì)建議修改論文后再重新答辯者，可在半年后至一年內(nèi)重新答辯一次，答辯仍未通過(guò)或逾期未申請(qǐng)者，本次申請(qǐng)無(wú)效。申請(qǐng)人通過(guò)同等學(xué)力水平認(rèn)定，經(jīng)學(xué)位授予單位學(xué)位評(píng)定分委員會(huì)同意，報(bào)學(xué)位評(píng)定委員會(huì)批準(zhǔn)，授予碩士學(xué)位并頒發(fā)學(xué)位證書(shū)。
同學(xué)力申碩考試報(bào)考時(shí)間：凡進(jìn)入“信息平臺(tái)”的申請(qǐng)人，須在每年3月20日前通過(guò)“信息平臺(tái)”申請(qǐng)參加考試的語(yǔ)種或?qū)W科、參加考試的地點(diǎn)。考生一般應(yīng)在接受其碩士學(xué)位申請(qǐng)的學(xué)位授予單位所在省（自治區(qū)、直轄市）參加考試。如有特殊情況，需申請(qǐng)?jiān)诠ぷ鲉挝凰诘貐⒓涌荚嚨模仨毥?jīng)接受其碩士學(xué)位申請(qǐng)的學(xué)位授予單位同意。
學(xué)位授予單位要認(rèn)真核對(duì)考生的資格、報(bào)考語(yǔ)種或?qū)W科以及參加考試的地點(diǎn)等信息。發(fā)現(xiàn)不符的或有弄虛作假的要及時(shí)糾正或取消申請(qǐng)資格。
外國(guó)語(yǔ)水平和學(xué)科綜合水平考試的報(bào)名信息的匯總、命題、考務(wù)及閱卷工作委托教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心（以下簡(jiǎn)稱“學(xué)位中心”）組織實(shí)施，相關(guān)工作的具體安排由“學(xué)位中心”另行通知。各省、自治區(qū)、直轄市學(xué)位與研究生教育主管部門(mén)根據(jù)“學(xué)位中心”的統(tǒng)一安排，組織本地區(qū)的考務(wù)工作。
同等學(xué)力考試形式：同等學(xué)力申碩統(tǒng)考即全國(guó)統(tǒng)一組織的外國(guó)語(yǔ)水平考試和學(xué)科綜合水平考試，于每年5月份舉行。
同等學(xué)力考試科目：外國(guó)語(yǔ)水平考試的主要語(yǔ)種有：英語(yǔ)、俄語(yǔ)、法語(yǔ)、德語(yǔ)和日語(yǔ)。
學(xué)科綜合水平考試的學(xué)科范圍包括：哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)（含理論經(jīng)濟(jì)學(xué)、應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)）、法學(xué)、政治學(xué)、社會(huì)學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、中國(guó)語(yǔ)言文學(xué)、新聞傳播學(xué)、生物學(xué)、歷史學(xué)、地理學(xué)、機(jī)械工程、動(dòng)力工程及工程熱物理、電氣工程、電子科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、建筑學(xué)、作物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、管理科學(xué)與工程、工商管理、農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理、公共管理和圖書(shū)館、情報(bào)與檔案管理等27個(gè)學(xué)科。
申請(qǐng)人自通過(guò)資格審查之日起，須在4年內(nèi)通過(guò)學(xué)位授予單位的全部課程考試和國(guó)家組織的水平考試
（來(lái)源：文章屋網(wǎng) ）
關(guān)鍵詞: 通風(fēng); 空調(diào); 熱管; 節(jié)能
中圖分類(lèi)號(hào)：TE08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
引 言：早在1942年，Gauler就曾提出熱管技術(shù)原理。熱管是用綜合液體蒸發(fā)、冷凝和毛細(xì)管現(xiàn)象設(shè)計(jì)的。熱管理論是在1965年有Cotter首次提出較完整的理論的。熱管的結(jié)構(gòu)主要有外殼、吸液芯和工作液組成。本文對(duì)熱管技術(shù)在通風(fēng)空調(diào)工程節(jié)能應(yīng)用中出現(xiàn)的一般性問(wèn)題進(jìn)行較系統(tǒng)的分析,為實(shí)際工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考。
1、通風(fēng)空調(diào)的能流特征
采用集中式空調(diào)的建筑物，為了保證室內(nèi)空氣品質(zhì),要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男嘛L(fēng)置換，小型建筑物主要通過(guò)門(mén)、窗自然排出、滲入,而大型建筑物往往設(shè)集中排風(fēng)、新風(fēng)系統(tǒng)。建筑物通風(fēng)空調(diào)廢熱(冷)具有以下特點(diǎn):(1) 排出的空氣狀態(tài)參數(shù)接近室內(nèi)空氣的溫、濕度，對(duì)于大型建筑物，排出的廢熱(冷)相當(dāng)于總負(fù)荷的30% ~40%。(2) 排風(fēng)中的廢熱(冷)與新風(fēng)處理所需能源品位比較接近。(3) 排風(fēng)中的廢熱(冷)與新風(fēng)處理能源需求在時(shí)間上完全同步,如果通過(guò)熱交換方式回收排風(fēng)中的廢熱(冷)則無(wú)須增設(shè)復(fù)雜的蓄熱裝置。
2 熱管技術(shù)在通風(fēng)空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用
2.1 熱管技術(shù)在通風(fēng)空調(diào)節(jié)能中的優(yōu)勢(shì)
熱管換熱器與其他形式的換熱器相比，用于通風(fēng)空調(diào)能源回收的熱管屬于常溫?zé)峁埽邆湟韵聝?yōu)勢(shì): （1）傳熱效率高。熱管換熱器主要通過(guò)工質(zhì)相變傳熱,具有很高的軸向傳熱能力,在小溫差傳熱方面具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。但徑向傳熱并無(wú)太大的改善,應(yīng)重點(diǎn)考慮徑向傳熱強(qiáng)化。（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。熱管換熱設(shè)備的冷凝、蒸發(fā)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間布置非常靈活,特別適應(yīng)空間狹小和改造工程等情況下的排風(fēng)廢熱(冷)回收。（3） 管壁溫度具有可調(diào)性。可獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷凝段的傳熱面積,達(dá)到獨(dú)立改變蒸發(fā)段和冷凝段熱流密度的目的。（4） 屬于二次間壁換熱。可以避免新風(fēng)與回、排風(fēng)的交叉污染,因此特別適合工廠、醫(yī)院等特殊場(chǎng)合下排風(fēng)熱(冷)回收。（5）管壁溫度具有可調(diào)性。可獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷凝段的傳熱面積,達(dá)到獨(dú)立改變蒸發(fā)段和冷凝段熱流密度的目的。
2.2 熱管技術(shù)在通風(fēng)空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用
2.2.1 房間空調(diào)的換氣熱(冷)回收
房間空調(diào)器在潮濕地區(qū)使用時(shí),會(huì)因除濕能力不足而不能很好地形成舒適的室內(nèi)環(huán)境。熱管-空調(diào)器系統(tǒng)的整體性能受旁通風(fēng)量比例、新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)參數(shù)等運(yùn)行條件的影響較大,系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行很重要[12]。另外,由于增加了熱管換熱器,氣流阻力有所增加,需要適當(dāng)增加空調(diào)器風(fēng)機(jī)壓頭。設(shè)備造價(jià)、總體尺寸都有所加大。
2.2.2 集中排風(fēng)廢熱(冷)回收
公共建筑規(guī)模大,同時(shí)由于人員密度大或者生產(chǎn)工藝要求,換氣次數(shù)大,例如醫(yī)院潔凈手術(shù)室要求換氣次數(shù)40次/h以上,因而集中排風(fēng)廢熱(冷)回收潛力很大。通過(guò)分離式熱管換熱器,利用空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱(冷)能量預(yù)處理新風(fēng),新風(fēng)比按30%計(jì)算,可使空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能7%以上。隨著排風(fēng)與新風(fēng)溫差的增大和新風(fēng)比的增大,節(jié)能效果更加顯著,實(shí)驗(yàn)表明冷、熱氣流溫差只要超過(guò)3e即可回收能量。據(jù)此,上海、南京等長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季排風(fēng)廢冷能量回收的時(shí)間可達(dá)1 500 h以上, 3 a內(nèi)可收回設(shè)備造價(jià)。平翅片、百葉式翅片比錐形翅片、針形翅片換熱效果好,而且壓力損失小,主要原因是平翅片、百葉式翅片與管壁接觸更充分,而錐形翅片、針形翅片導(dǎo)致氣流擾動(dòng)增強(qiáng)。風(fēng)道風(fēng)速為0. 5 m/s時(shí),采用一排平翅片或百葉式翅片熱管,熱交換效率可達(dá)40%,二排可接近70%,之后隨著熱管排數(shù)增加,熱交換效率提高的趨勢(shì)漸緩,壓力損失明顯增大。熱管單元交錯(cuò)排列與矩形排列比較,熱交換效率略有提高,但壓力損失顯著提高。
3 熱管技術(shù)在工程中的應(yīng)用
3.1傳統(tǒng)形式熱管
傳統(tǒng)形式熱管換熱器中的熱管的熱傳遞存在著一系列制約因素,主要有毛細(xì)力極限、聲速極限、攜帶極限、沸騰極限等,并與熱管結(jié)構(gòu)、工作介質(zhì)、吸液芯結(jié)構(gòu)、工作溫度等有關(guān)[3]。毛細(xì)力極限是最有普遍意義的制約因素,對(duì)于適當(dāng)數(shù)量網(wǎng)目的吸液芯,增加層數(shù),可以提高熱管的傳熱能力和毛細(xì)力極限,但是,增加到一定層數(shù)時(shí),由于通道減少,傳熱能力有可能受聲速極限的制約而下降[13]。另外,傳統(tǒng)熱管生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成本較高。
3.2 分離式熱虹吸管
分離式熱虹吸管由于蒸氣與液體分道流動(dòng),故不存在攜帶極限,限制其傳熱能力的因素主要有干涸極限、聲速極限和冷凝極限。實(shí)際上,它是一個(gè)氣液自然循環(huán)系統(tǒng),循環(huán)動(dòng)力是下降管系統(tǒng)與上升管系統(tǒng)中工作介質(zhì)壓力差,因此,只有當(dāng)冷凝段和蒸發(fā)段達(dá)到一個(gè)最小高度差,足以克服各段循環(huán)阻力,這時(shí)蒸發(fā)段出口截面含氣率為1,工質(zhì)循環(huán)倍率為1,即認(rèn)為達(dá)到最佳工作點(diǎn)。
3.3 熱虹吸管
熱虹吸管沒(méi)有吸液芯,冷凝液在重力作用下回流,傳熱極限主要有攜帶極限、干涸極限和沸騰極限。影響熱虹吸管傳熱性能的因素有熱虹吸管幾何尺寸、放置傾角、充液量、工質(zhì)的熱物理性質(zhì)和工作溫度等,其中充液量和傾角影響最大。關(guān)于充液量,Imura[14]得到的結(jié)果是最佳充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的1/5~1/3, Harada[15]等提出充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的25% ~30%為宜,還有人[16]得到的最佳充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的18% ~20%。
3.4 熱管工質(zhì)的選擇
熱管依靠工質(zhì)的相變來(lái)傳遞熱量,工質(zhì)選擇一般考慮以下原則:
（1）工作液體與殼體、吸液芯材料應(yīng)相容,且應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性。
（2） 工作液體應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū),并有適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮骸?/p>
（3）工作液體應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì)要求液體的輸運(yùn)因子、熱導(dǎo)因子較高,還要考慮液體在工作溫度下的過(guò)熱度。
（4）其他原則包括經(jīng)濟(jì)性、毒性、環(huán)境污染等。
結(jié) 語(yǔ)：
熱管換熱技術(shù)應(yīng)用于通風(fēng)空調(diào)能源回收,結(jié)構(gòu)形式建議首選熱虹吸管或者分離式熱虹吸管,工質(zhì)建議選用甲醇、丙酮,充液率等問(wèn)題有待系統(tǒng)和深入研究,其經(jīng)濟(jì)性也有待更多的實(shí)際工程檢驗(yàn)。由于通風(fēng)空調(diào)工況條件與工業(yè)節(jié)能應(yīng)用有很大差異,在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上不能簡(jiǎn)單套用工業(yè)節(jié)能應(yīng)用的方法和理論體系。熱管傳熱機(jī)理復(fù)雜,由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒃囼?yàn)條件、分析方法等的差異,不同研究者得出的一些具體結(jié)果差異較大,其一般性意義有待檢驗(yàn)。
參考文獻(xiàn):
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論文關(guān)鍵詞：光碟機(jī),熱量,ANSYS,分析
隨著機(jī)電產(chǎn)品使用時(shí)間的增加，通電時(shí)間越長(zhǎng)必然導(dǎo)致集成芯片發(fā)熱量增大，其散熱問(wèn)題是一個(gè)必須要考慮的問(wèn)題。如果熱量不能以合適的方式及時(shí)的散出去，必將影響機(jī)電產(chǎn)品的功能。光碟機(jī)就是一個(gè)比較典型的機(jī)電產(chǎn)品，其散熱問(wèn)題的考慮是一個(gè)很經(jīng)典的設(shè)計(jì)。ANSYS是目前應(yīng)用比較廣泛的有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的有限元分析功能和人性化的人機(jī)交互界面，使用該軟件，能夠有效地降低分析成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間[1]。本文通過(guò)對(duì)這一問(wèn)題的分析研究，對(duì)光碟機(jī)的熱分析問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，采取了合情合理的散熱方式，采用有限元分析軟件ANSYS9.0對(duì)散熱墊的散熱狀況進(jìn)行散熱模擬，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
1 散熱理論
熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程[2]：
1．1輻射
輻射是指機(jī)體以發(fā)射紅外線方式來(lái)散熱，物體發(fā)射能量并被其他物體吸收轉(zhuǎn)化為熱量能量交換[2]。當(dāng)皮膚溫高于環(huán)境溫度時(shí)，機(jī)體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環(huán)境溫度和機(jī)體有效輻射面積等因素有關(guān)。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當(dāng)然，如果環(huán)境溫度高于皮膚溫，機(jī)體就會(huì)吸收輻射熱。
1．2傳導(dǎo)
傳導(dǎo)就是機(jī)體通過(guò)傳遞分子動(dòng)能的方式散發(fā)熱量，幾個(gè)完全接觸的物體之間或同一物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的熱量交換[2]。當(dāng)人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時(shí)，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個(gè)原理，CPU上的平板式散熱片[3]也是利用了傳導(dǎo)的原理。
1．3對(duì)流
對(duì)流就是空氣的流動(dòng)，這是以空氣分子為介質(zhì)的一種散熱方式，物體表面與周?chē)h(huán)境之間，由于溫度差而引起的熱量交換[2]。與身體最接近的一層空氣被體溫加熱而上升，周?chē)^冷的空氣隨之流入。這樣，空氣不斷地對(duì)流體熱就不斷地向空氣中散發(fā)。對(duì)流散熱量的大小，取決于皮膚溫與環(huán)境溫度之差和風(fēng)速。
1．4蒸發(fā)
液體汽化需要熱量，自人體表面每蒸發(fā)1ml水，可帶走2.32/kJ熱量。當(dāng)氣溫高于皮溫時(shí)，其他幾種散熱方式都失去作用，蒸發(fā)便成為唯一的散熱途徑。
2 光碟機(jī)介紹
2.1 光碟機(jī)組成
光碟機(jī)組成按結(jié)構(gòu)功能來(lái)劃分主要有三大部分，一是機(jī)芯，二是PCBA，三是承載機(jī)構(gòu)和外殼等，如圖1所示:
圖1 碟機(jī)結(jié)構(gòu)
Fig1. ODD structure
2.2光碟機(jī)熱量散發(fā)系統(tǒng)
散熱系統(tǒng)主要有：下蓋（BC），散熱墊（Heat sink），集成芯片（IC）和PCB四部分相接觸的物體組成，如圖2所示：
圖2 散熱系統(tǒng)
Fig2. Heat dissipating system
3 熱傳導(dǎo)散熱分析
ANSYS的熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，通過(guò)有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度分布，并由次導(dǎo)出其他熱物理量參數(shù)[2]。電子元器件功率的不斷提升導(dǎo)致了更多熱量的產(chǎn)生[3]，因而散熱顯的極為重要[4]。本例中采用穩(wěn)態(tài)分析，參數(shù)設(shè)定：自然對(duì)流條件(10W/m2.K)，熱源設(shè)定6W(12V*0.5A)，光碟機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度設(shè)定為42℃，光碟機(jī)器外部環(huán)境溫度設(shè)定為30℃。各零件的熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1：
表 1
零件縮寫(xiě)
熱傳導(dǎo)系數(shù)k(W/m.K)
BC
18.5
Heat sink
3.2
IC
50
PCB
0.36
4 分析結(jié)果
經(jīng)過(guò)上述設(shè)置后，可得到散熱墊的溫度場(chǎng)分布圖，如圖3所示：從圖中可看出，使用該散熱墊后最高溫度可達(dá)165.92℃。
圖3 溫度場(chǎng)分布
Fig3.Temperature field distribute
5 結(jié)束語(yǔ)
ANSYS不僅能用于常規(guī)工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)有限元分析，還能在諸如流體力學(xué)，熱力學(xué)（溫度場(chǎng)）、電磁場(chǎng)等方面進(jìn)行有限元的模擬與計(jì)算[5]。一個(gè)成熟的熱設(shè)計(jì)可以為為我們帶來(lái)一個(gè)可靠的產(chǎn)品,同時(shí)也為我們的使用創(chuàng)造舒適性[6]。本例中通過(guò)對(duì)散熱墊模擬現(xiàn)場(chǎng)情況的分析，得出散熱墊的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而可比較不同散熱墊帶來(lái)的不同散熱效果,選擇合適的散熱墊來(lái)散熱，為碟機(jī)的散熱設(shè)計(jì)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)也值得其它需要散熱的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者借鑒學(xué)習(xí)。
參考文獻(xiàn)：
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論文關(guān)鍵詞：高等工程熱力學(xué)；研究生；教學(xué)方法
為適應(yīng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)對(duì)高層次專門(mén)人才的要求，研究生教學(xué)應(yīng)追蹤世界最新科學(xué)研究方向，反映新知識(shí)、新成就，采用有益和有效的新經(jīng)驗(yàn)、新方法、新體系，注意培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。研究生課程的學(xué)習(xí)對(duì)提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量舉足輕重，而課程的教學(xué)方式被認(rèn)為是實(shí)施創(chuàng)新教育的重要環(huán)節(jié)。
“高等工程熱力學(xué)”是工程熱物理、熱能工程、動(dòng)力機(jī)械及工程、制冷及低溫工程等專業(yè)碩士研究生的一門(mén)主要學(xué)科基礎(chǔ)課程，為學(xué)位必修課。在傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)過(guò)程中，深感學(xué)生學(xué)完這門(mén)課程后卻不能很好地將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)際工程或自己的研究工作當(dāng)中去，顯然這種教學(xué)方式是不符合研究生創(chuàng)新教育及綜合能力培養(yǎng)要求的。筆者在教學(xué)過(guò)程中逐步探索的新教學(xué)方法將與大家共享，以其對(duì)研究生教學(xué)改革起到推波助瀾的作用。
一、課堂上的多種教學(xué)方式相結(jié)合
1.精略結(jié)合的教學(xué)模式
最基本的教學(xué)方法是在課堂上教師與學(xué)生面對(duì)面進(jìn)行傳道、授業(yè)、解惑。課堂上教師可以在有限時(shí)間內(nèi)濃縮課程的精華，采取“細(xì)嚼慢咽”與“蜻蜓點(diǎn)水”兩種截然不同的講課模式相結(jié)合的策略。對(duì)課程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容，教師可結(jié)合板書(shū)與多媒體課件等其他教學(xué)方法，采取課堂上的“細(xì)嚼慢咽”精講模式。對(duì)學(xué)生容易掌握的部分，教師則采用“蜻蜓點(diǎn)水”式引導(dǎo)、歸納總結(jié)、學(xué)生自學(xué)等略講模式。精略結(jié)合還體現(xiàn)在對(duì)課程中例題的處理上，注重對(duì)學(xué)生的啟發(fā)，把解決問(wèn)題的思路、技巧傳授給學(xué)生，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)涉及熱力學(xué)問(wèn)題的分析能力與解決能力的培養(yǎng)，而淡化具體的求解計(jì)算過(guò)程。
2.恰如其分的雙語(yǔ)教學(xué)
“高等工程熱力學(xué)”是一門(mén)概念多、理論性與工程性均較強(qiáng)的課程，且緊隨時(shí)代不斷發(fā)展。若采用純中文教學(xué)模式，雖然學(xué)生掌握和理解教學(xué)內(nèi)容更加容易些，但對(duì)他們查閱相關(guān)英文資料、了解國(guó)際相關(guān)知識(shí)、及時(shí)撲捉行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)是不利的。倘若在課堂上教師完全采用英語(yǔ)授課或雙語(yǔ)教學(xué)中英語(yǔ)所占比重較大，勢(shì)必影響學(xué)生對(duì)基本理論的深刻理解與正確應(yīng)用。為提高教學(xué)效果，在課件的制作及課堂教學(xué)上僅僅對(duì)專業(yè)名詞術(shù)語(yǔ)采用英語(yǔ)模式。這樣既不會(huì)增加課程的難度、不影響學(xué)生對(duì)課程基本知識(shí)的理解與掌握，還能讓學(xué)生了解并掌握專業(yè)英語(yǔ)詞匯，對(duì)今后查閱專業(yè)文獻(xiàn)資料及國(guó)際交流奠定良好的基礎(chǔ)。
3.鼓勵(lì)學(xué)生“質(zhì)疑”，靈活運(yùn)用啟發(fā)引導(dǎo)與討論式教學(xué)
對(duì)于已經(jīng)習(xí)慣“填鴨式”教學(xué)的學(xué)生，教師在課堂教學(xué)中創(chuàng)造機(jī)會(huì)，提倡學(xué)生獨(dú)立思考，增強(qiáng)自信，鼓勵(lì)學(xué)生從學(xué)會(huì)“質(zhì)疑”到敢于“質(zhì)疑”、善于“質(zhì)疑”。“質(zhì)疑”使教學(xué)形式從教師的“一言堂”到師生的“群言堂”的轉(zhuǎn)變。通過(guò)“質(zhì)疑”，培養(yǎng)了學(xué)生的自信，使學(xué)生敢于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。
教師可靈活應(yīng)用啟發(fā)引導(dǎo)與同學(xué)間、師生間互動(dòng)的討論式教學(xué)方法。例如，在每一章授課結(jié)束后學(xué)生可先提出自己的問(wèn)題或理解不透徹的內(nèi)容，或者是現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，教師鼓勵(lì)其他學(xué)生為提問(wèn)的同學(xué)解答，教師適時(shí)引導(dǎo)或加以補(bǔ)充，最后教師總結(jié)。
教師也可結(jié)合一些社會(huì)現(xiàn)象，或針對(duì)一些在學(xué)科發(fā)展中曾令人困擾的問(wèn)題、熱點(diǎn)問(wèn)題向?qū)W生發(fā)問(wèn)，而學(xué)生通過(guò)思考、收集資料、課堂內(nèi)外的討論等方式提出解決方案，教師最后對(duì)學(xué)生的解決方案做現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)評(píng)。如對(duì)熵及熵變的理解、關(guān)于“水變油”事件以及“節(jié)能減排”問(wèn)題等等都可以進(jìn)行討論。通過(guò)教師的啟發(fā)引導(dǎo)、課堂互動(dòng)交流，不同觀點(diǎn)相互碰撞與切磋，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性、主動(dòng)性與積極性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與意識(shí)與創(chuàng)新欲望，再配以教師的總結(jié)與點(diǎn)評(píng)，可強(qiáng)化理論知識(shí)、活躍課堂氣氛，也提高了教學(xué)質(zhì)量。這種教學(xué)方式勢(shì)必增加教師教學(xué)的動(dòng)力和壓力，鞭策教師勤于學(xué)習(xí)，不斷更新知識(shí)，提高講課技能；同時(shí)，這種教學(xué)方式也使學(xué)生能夠感受到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣和師生間的平等關(guān)系，增進(jìn)師生之間的交流，提高了教學(xué)效果。
4.采用案例教學(xué)法
在大部分基本理論內(nèi)容講授后，可針對(duì)工程中的實(shí)際相關(guān)問(wèn)題，開(kāi)展案例教學(xué)，以增加學(xué)生對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的分析能力與解決能力。例如，在講工質(zhì)的通用熱力性質(zhì)這一章后，針對(duì)實(shí)際氣體混合物的配制計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行案例教學(xué)。通過(guò)該案例教學(xué)，學(xué)生不僅能綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，還可掌握該類(lèi)問(wèn)題的理論分析與計(jì)算方法，對(duì)今后工作中涉及這方面問(wèn)題打下深刻烙印。又如，在講述完化學(xué)熱力學(xué)內(nèi)容后，針對(duì)本校專業(yè)特點(diǎn)，可針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行案例教學(xué)，強(qiáng)化了運(yùn)用熱力學(xué)基本理論對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析的能力，對(duì)學(xué)生在研究生論文中進(jìn)行理論分析也有一定指導(dǎo)意義。
5.采用“雙5教學(xué)法”
“雙5教學(xué)法”是指在課堂教學(xué)上充分利用“起始5分鐘教學(xué)法”及課堂教學(xué)“最后5分鐘教學(xué)法”。任課教師可充分有效地利用課堂教學(xué)“開(kāi)始5分鐘教學(xué)法”，在課堂教學(xué)剛開(kāi)始的5分鐘內(nèi)對(duì)上節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)、回顧，把學(xué)生的思維及注意力轉(zhuǎn)移到本門(mén)課程上來(lái)，同時(shí)注意對(duì)相關(guān)內(nèi)容的上下銜接，對(duì)本節(jié)內(nèi)容起到拋磚引玉的作用。
在以教師教、學(xué)生聽(tīng)為主，涉及重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題的課堂精講教學(xué)過(guò)程中，課堂最后5分鐘也十分關(guān)鍵。在這有限的5分鐘內(nèi)，教師不僅可進(jìn)行總結(jié)、布置討論題，還可以采用“答題交條”的方式以激發(fā)學(xué)生的興趣與注意力。“答題交條”就是教師出一道涉及本節(jié)課程內(nèi)容的比較重要的、或易出錯(cuò)的、或趣味性的簡(jiǎn)答題，要求學(xué)生把問(wèn)題的答案、姓名與學(xué)號(hào)寫(xiě)在一個(gè)小紙條上，并在離開(kāi)教室前交到老師手中。“答題交條”意義有三：首先，可充分利用最后的5分鐘，強(qiáng)調(diào)本次課程的重點(diǎn)內(nèi)容或易出錯(cuò)的地方，或增加教學(xué)內(nèi)容的趣味性；其次，可初步了解學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度；最后，該方式可作為一種點(diǎn)名手段，考查學(xué)生的出勤情況。學(xué)生答案的正誤、出勤都作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的一部分，同時(shí)對(duì)學(xué)生上課認(rèn)真聽(tīng)講有促進(jìn)作用，一舉多得。
例如，在講完“焦耳—湯姆孫系數(shù)”這節(jié)后，若能抽出課堂最后5分鐘，可出一道關(guān)于“水蒸氣絕熱節(jié)流后的溫度變化趨勢(shì)”問(wèn)題，以強(qiáng)化生活及工程中水蒸氣節(jié)流現(xiàn)象的特征。又如，在講過(guò)理想氣體性質(zhì)后可出一道“若一個(gè)門(mén)窗開(kāi)著的房間室內(nèi)空氣的壓力不變而溫度升高了，問(wèn)室內(nèi)空氣的比熱力學(xué)能及總熱力學(xué)能將發(fā)生怎樣變化”的簡(jiǎn)答題，以增加教學(xué)趣味性，培養(yǎng)學(xué)生從熱力學(xué)角度分析周?chē)氖挛锱c現(xiàn)象。
二、課外的綜合能力提升
為了提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，課外綜合能力的培養(yǎng)也尤為關(guān)鍵。“高等工程熱力學(xué)”課程的課外教學(xué)實(shí)踐模式，不僅強(qiáng)化了學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。
1.開(kāi)展換位教學(xué)
該換位教學(xué)以學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)為前提，結(jié)合課程相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)學(xué)生查閱資料、獨(dú)立鉆研和認(rèn)真思考，獨(dú)立完成換位教學(xué)的匯報(bào)材料（如講稿、ppt）并進(jìn)行匯報(bào)，從而鍛煉學(xué)生對(duì)所研究素材的自學(xué)、整理能力及表現(xiàn)能力。
2.寫(xiě)課程總結(jié)
課程總結(jié)在課程開(kāi)始時(shí)先布置下去，在課程結(jié)束后要求每位學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的基本理論知識(shí)、難點(diǎn)、重點(diǎn)及學(xué)習(xí)心得進(jìn)行總結(jié)，以文字的形式上交。該課程總結(jié)表面上是讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步整理，實(shí)質(zhì)上是學(xué)生在整理過(guò)程中的進(jìn)一步強(qiáng)化吸收過(guò)程。另外，通過(guò)學(xué)生的心得體會(huì)，教師還可以發(fā)現(xiàn)本輪課程教學(xué)中的不足，以便今后更好地完成該課程的教學(xué)工作。
3.鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
學(xué)生根據(jù)所研究方向，選定或獨(dú)創(chuàng)一個(gè)與課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行試驗(yàn)的可行性調(diào)研與分析。若試驗(yàn)條件具備、方案可行，則要獨(dú)立準(zhǔn)備及開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并以實(shí)驗(yàn)教師的身份對(duì)同學(xué)進(jìn)行講解，最后要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)嵺`總結(jié)報(bào)告。
三、改革課程教學(xué)評(píng)價(jià)方法
通過(guò)近幾年逐步在“高等工程熱力學(xué)”中開(kāi)展課程教學(xué)改革，新的課程評(píng)價(jià)體系也逐步建立，使教學(xué)評(píng)價(jià)上完成從“一張?jiān)嚲矶ǜ呦隆钡桨磳W(xué)生在課堂內(nèi)外的實(shí)際表現(xiàn)和能力來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)的轉(zhuǎn)變。該課程的教學(xué)效果評(píng)價(jià)分為基本理論知識(shí)的考核與學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、綜合素質(zhì)的提高等方面。課堂基本理論知識(shí)的評(píng)價(jià)通過(guò)考試的方式進(jìn)行，占總成績(jī)的50％；綜合素質(zhì)考評(píng)，占總成績(jī)的50％，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、完成作業(yè)、課堂討論及換位教學(xué)情況、學(xué)生的課程總結(jié)報(bào)告及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的論證、準(zhǔn)備、操作、報(bào)告等內(nèi)容綜合評(píng)定。
關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對(duì)材料,特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開(kāi)發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來(lái),材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來(lái)在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過(guò)2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無(wú)能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類(lèi)極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來(lái)代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類(lèi)
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):
1)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。
圖2
2.2FGM的分類(lèi)
根據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類(lèi)方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。FGM的應(yīng)用[8]見(jiàn)圖3。
圖3FGM的應(yīng)用
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動(dòng)用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺(jué)器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過(guò)濾器
超聲波振動(dòng)子
IC
磁盤(pán)
磁頭
電磁鐵
長(zhǎng)壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類(lèi)元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽(yáng)電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究?jī)?nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。FGM的研究開(kāi)發(fā)體系如圖4所示[8]。
設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
圖4FGM研究開(kāi)發(fā)體系
4.1FGM設(shè)計(jì)
FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足使用條件的材料組合、過(guò)渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評(píng)價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過(guò)合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過(guò)控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡(jiǎn)單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡(jiǎn)稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應(yīng)過(guò)程示意圖
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過(guò)不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來(lái)得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來(lái)制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過(guò)程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無(wú)需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會(huì)產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過(guò)程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過(guò)控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來(lái)獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)速度來(lái)控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過(guò)高,涂層表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過(guò)將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過(guò)程中,通過(guò)連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場(chǎng)中,通過(guò)注入另一相的懸浮液使之混合,并通過(guò)控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場(chǎng)作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來(lái),最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為T(mén)iO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過(guò)控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類(lèi)。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過(guò)控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無(wú)須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過(guò)程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過(guò)加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對(duì)基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過(guò)伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過(guò)施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對(duì)于位置測(cè)量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評(píng)價(jià)
功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開(kāi)發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測(cè)定、機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測(cè)定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對(duì)熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前,日本、美國(guó)正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問(wèn)題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開(kāi)辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢(shì)[13、15、19-20]
1）開(kāi)發(fā)的低成本、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的制備技術(shù)；
2）開(kāi)發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開(kāi)發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問(wèn)題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6結(jié)束語(yǔ)
FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開(kāi)發(fā)階段[8]。FGM的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國(guó)際化合作的方向發(fā)展。
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傳統(tǒng)研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)術(shù)化和程式化培養(yǎng)方案，嚴(yán)重制約學(xué)生的實(shí)踐能力。該文從現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)課程教學(xué)及研究生培養(yǎng)的現(xiàn)狀出發(fā)，以學(xué)生研究前沿的文獻(xiàn)資料作為新的教學(xué)內(nèi)容，利用實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)儀器，組織學(xué)生自帶樣品進(jìn)行測(cè)試，采集并解析圖譜，建立教學(xué)案例(卡片庫(kù))。該課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革，有利于提升研究生的創(chuàng)新意識(shí)，增進(jìn)其操作技能，為后續(xù)科研論文的順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞
現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù);研究生培養(yǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;能力
研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育人才培養(yǎng)體系中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)方案，通常采用已有的學(xué)術(shù)研究成果，進(jìn)行驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并按照實(shí)驗(yàn)教材的順序程式化進(jìn)行。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，內(nèi)容乏味，很難提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和實(shí)踐能力。研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新激情，進(jìn)而培養(yǎng)其獨(dú)立自主的創(chuàng)新能力［1－2］。因此，需對(duì)其現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行大膽改革。華南理工大學(xué)十分重視研究生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提高研究生動(dòng)手能力，自2010年起，獨(dú)立設(shè)置了化學(xué)類(lèi)研究生2個(gè)學(xué)分的選修課———“現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)”課程。該課程作為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)重要手段，在各領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為鑒定各種化合物以及測(cè)定其結(jié)構(gòu)的最常用方法。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，極大地提升了學(xué)生對(duì)學(xué)科前沿知識(shí)的認(rèn)知，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際操作技能，同時(shí)為其后期的科研論文的順利實(shí)施打下了良好的科研基礎(chǔ)。本文闡述了在該課程教學(xué)改革方面的探索與認(rèn)識(shí)。
1化學(xué)研究生創(chuàng)新實(shí)踐現(xiàn)狀
1.1現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)課程現(xiàn)狀
在國(guó)內(nèi)外，“現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)”通常作為化學(xué)、化工、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥食品等諸多領(lǐng)域的碩士研究生專業(yè)基礎(chǔ)課。一般側(cè)重介紹光、電、色、磁等物理化學(xué)方法基礎(chǔ)理論知識(shí);通過(guò)授課培訓(xùn)、實(shí)際操作等方式，向?qū)W生講解每一臺(tái)儀器設(shè)備的基本內(nèi)容，讓學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)了解儀器設(shè)備構(gòu)成，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立操作如核磁共振儀、X－射線衍射儀等貴重儀器設(shè)備的能力，為其從事科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在華南理工大學(xué)，現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)課程作為化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生的學(xué)位選修課，是圓滿完成碩士學(xué)位論文的基礎(chǔ)。目前，開(kāi)設(shè)該課程的專業(yè)主要有:有機(jī)化學(xué)，應(yīng)用化學(xué)，分析化學(xué)，無(wú)機(jī)化學(xué)，物理化學(xué)，化學(xué)工程等。自2010年開(kāi)設(shè)以來(lái)，該課程深受各相關(guān)專業(yè)碩士生的歡迎與好評(píng)(每學(xué)期約有60位研究生選修)，同時(shí)吸引了本院和外院的博士生來(lái)旁聽(tīng)。甚至有許多學(xué)生是帶著科研任務(wù)中遇到的實(shí)際問(wèn)題來(lái)聽(tīng)課和參與討論的。該課程的開(kāi)設(shè)，不僅幫助學(xué)生解決實(shí)際科研中存在的諸多問(wèn)題，而且能大大提升學(xué)生利用現(xiàn)代化學(xué)分析方法和技術(shù)解析化合物結(jié)構(gòu)的能力。
1.2化學(xué)研究生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀
當(dāng)前，隨著全國(guó)研究生招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高等學(xué)校發(fā)展層次不平衡。如“985”“211”學(xué)校，教育部及地方投入了大量的資金，構(gòu)建了一流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并從國(guó)內(nèi)外引進(jìn)大量的高素質(zhì)、高水平科研人才，為研究生創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)、研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ);而普通高等院校，由于財(cái)力的原因，實(shí)驗(yàn)設(shè)施簡(jiǎn)陋、老化，很難適應(yīng)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)分析的需求;研究生導(dǎo)師自身因?yàn)榭蒲匈Y金有限，導(dǎo)致研究生從事一些低水平、重復(fù)性的科研工作，這不僅浪費(fèi)人才資源，同時(shí)使學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)大打折扣。另一方面，當(dāng)前研究生教育只重視傳授基本理論和方法，較少關(guān)注現(xiàn)代技術(shù)的不斷創(chuàng)新和根據(jù)研究生導(dǎo)師的研究方向、結(jié)合研究前沿進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生常常只是依照老的實(shí)驗(yàn)教材，進(jìn)行驗(yàn)證式的實(shí)驗(yàn)操作，不僅適應(yīng)不了現(xiàn)代化學(xué)實(shí)踐的需要，而且對(duì)學(xué)生創(chuàng)新興趣、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)產(chǎn)生消極影響。基于化學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)技術(shù)在現(xiàn)代相關(guān)領(lǐng)域研究中所起的重要作用，結(jié)合我校實(shí)際情況，并從化學(xué)化工、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥食品等相關(guān)專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，迫切需要加強(qiáng)研究生現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)課程的改革，建立其大型儀器測(cè)試創(chuàng)新實(shí)踐基地。
2化學(xué)研究生創(chuàng)新實(shí)踐教育舉措
2.1推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的創(chuàng)新
化學(xué)分析方法發(fā)展迅速，教學(xué)應(yīng)該引入最新知識(shí)。當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，科研成果不斷涌現(xiàn)。與此相對(duì)應(yīng)，現(xiàn)代分析儀器日新月異，分析手段不斷創(chuàng)新，因此，二者有機(jī)結(jié)合，就能快速、有效地推動(dòng)研究生的認(rèn)知能力、并提升其研究水平。為適應(yīng)新發(fā)展，“現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)”課程教學(xué)應(yīng)該以導(dǎo)師的研究方向?yàn)橹笇?dǎo)，以最新相關(guān)文獻(xiàn)、資料等為教學(xué)內(nèi)容，建立新的分析方法，使學(xué)生初步掌握現(xiàn)代儀器的基本原理、操作規(guī)程及步驟，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和判斷，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為學(xué)生從事后期科研論文的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。教師結(jié)合本校相關(guān)領(lǐng)域的課題，整理和收編科研實(shí)踐中的譜圖以及采集和解析譜圖的經(jīng)驗(yàn)，建立相關(guān)教學(xué)案例(卡片庫(kù))，使學(xué)生有更多機(jī)會(huì)進(jìn)行有效的實(shí)例演習(xí)，以提升學(xué)生解決實(shí)際科研中所遇到問(wèn)題的能力。“現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)”課程不能囿于現(xiàn)有教學(xué)模式，但又不能完全脫離。在理論教學(xué)上需重視教學(xué)內(nèi)容的新穎性、先進(jìn)性，在實(shí)踐教學(xué)上需結(jié)合現(xiàn)代儀器的新特點(diǎn)、新方法，是一種全新新型教學(xué)模式。該課程共開(kāi)設(shè)32學(xué)時(shí)，其中，教師課堂理論講授16學(xué)時(shí);設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。課堂講授包括:大型儀器實(shí)驗(yàn)室安全及現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)(2學(xué)時(shí));紫外、紅外光譜儀(2學(xué)時(shí));氣相、氣－質(zhì)聯(lián)用儀(2學(xué)時(shí));離子色譜、高效液相色譜儀(2學(xué)時(shí));原子吸收、等離子體原子發(fā)射儀(2學(xué)時(shí))，熱重差熱聯(lián)用熱分析儀(2學(xué)時(shí));粒度儀、X－射線衍射儀(2學(xué)時(shí))，以及核磁共振儀(2學(xué)時(shí))。在16學(xué)時(shí)的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，著重加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生綜合技能的培養(yǎng)。由于X－射線衍射儀和核磁共振儀的價(jià)格比較昂貴，在國(guó)內(nèi)多數(shù)開(kāi)設(shè)的儀器分析課程中，甚至學(xué)生在實(shí)際科研中，學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)動(dòng)手操作這些貴重儀器。而在國(guó)外，這些儀器對(duì)研究生，甚至本科生都是開(kāi)放的。為了提高本校研究生的綜合技能和素質(zhì)，該課程利用化學(xué)與化工學(xué)院的資源，組織學(xué)生帶上自己科研中的樣品進(jìn)行操作培訓(xùn)，采集樣品圖譜。在教師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下，學(xué)生能快速掌握從選擇合適的分析方法，準(zhǔn)備樣品，采集圖譜，處理數(shù)據(jù)到最后解析圖譜的一般程序。研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施5年來(lái)，取得了較好的教學(xué)效果。如核磁共振儀，學(xué)生學(xué)會(huì)了利用Mestrenova譜圖處理軟件處理核磁原始數(shù)據(jù)的能力，運(yùn)用ChemDraw進(jìn)行譜圖模擬、進(jìn)而進(jìn)行譜圖解析的能力，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到二維譜圖在結(jié)構(gòu)鑒定中的重要作用，提高了學(xué)生譜圖分析和解釋問(wèn)題的能力。
2.2推動(dòng)大型儀器測(cè)試創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)
近年來(lái)，為適應(yīng)新形勢(shì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)各高校紛紛投入巨資建設(shè)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐基地，積極開(kāi)展科技創(chuàng)新活動(dòng)，為研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式提供創(chuàng)新平臺(tái)［3－5］。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)學(xué)校多年的財(cái)經(jīng)投入，擁有了一批先進(jìn)的大型儀器設(shè)備，為廣大教師、研究生科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立了較好的測(cè)試創(chuàng)新實(shí)踐基地。該基地的大型儀器設(shè)備主要包括:用于樣品結(jié)構(gòu)和組成表征的紅外、紫外、核磁共振儀、X－射線衍射儀、等離子體原子發(fā)射光譜儀、離子色譜儀等;用于樣品高效分離的氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀、高效液相色譜儀等;以及樣品熱物性、粒度、電性分析的熱重－差熱聯(lián)用分析儀、粒度儀、電化學(xué)工作站等。多年來(lái)，這些大型儀器設(shè)備一直向廣大師生開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、規(guī)范地為教學(xué)科研服務(wù)，取得了豐富的科研成果［6－7］。依托該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師不斷地豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作水平;學(xué)生依據(jù)其研究方向、結(jié)合學(xué)術(shù)前沿，進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容、產(chǎn)品的測(cè)試，不僅為其后期研究課題的選題打下良好的科研基礎(chǔ)，而且通過(guò)課程實(shí)踐，極大地提升了學(xué)生對(duì)相關(guān)儀器設(shè)備的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作技能，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、開(kāi)拓創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新水平。借助該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教學(xué)與科研有機(jī)融合，完善了人才培養(yǎng)方式與創(chuàng)新教育模式。創(chuàng)新型化學(xué)研究生的培養(yǎng)，不僅能為研究生解決實(shí)際科研問(wèn)題、提升學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，而且隨著大型儀器創(chuàng)新平臺(tái)合理利用，將為社會(huì)提供更多的創(chuàng)新性科研專門(mén)人才，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。以信息工程學(xué)院核磁共振儀為例，隨著核磁共振儀的開(kāi)放共享，為學(xué)院化學(xué)、化工學(xué)科、特別是化學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。如核磁共振儀自2010年開(kāi)放使用至今，幾乎滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，使用機(jī)時(shí)數(shù)達(dá)4.6萬(wàn)，測(cè)試樣品數(shù)約15萬(wàn)個(gè)，發(fā)表SCI一區(qū)TOP科研論文達(dá)80余篇，外部專用索引(ESI)進(jìn)入國(guó)際前1，為我院化學(xué)學(xué)科首次進(jìn)入世界大學(xué)前200強(qiáng)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
2.3提高學(xué)生綜合素養(yǎng)和擇業(yè)水平
目前，化學(xué)研究生擇業(yè)的主要方向?yàn)榛瘜W(xué)、化工相關(guān)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及高等院校等。這些行業(yè)考察并接納學(xué)生的主要依據(jù)就是學(xué)生的綜合素質(zhì)及科研能力。如結(jié)合導(dǎo)師研究方向和科學(xué)前沿，學(xué)生能獨(dú)立開(kāi)展文獻(xiàn)檢索，并能初步提出科學(xué)問(wèn)題;學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐中養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)記錄習(xí)慣;培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、實(shí)事求是的科研作風(fēng)等;科研素質(zhì)提升的外在表現(xiàn)就是學(xué)生科研能力的提高。如查閱文獻(xiàn)、提高科技英語(yǔ)閱讀、寫(xiě)作的能力;學(xué)生在測(cè)試過(guò)程中觀察能力、分析能力、特別是動(dòng)手能力的培養(yǎng);撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力等。現(xiàn)代社會(huì)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的有機(jī)融合。化學(xué)研究生為適應(yīng)這個(gè)開(kāi)放、現(xiàn)代、繁榮的社會(huì)，順應(yīng)這個(gè)發(fā)展潮流，需提升自己的綜合素養(yǎng)和技能，使自己在將來(lái)的擇業(yè)上立于不敗之地。華南理工大學(xué)為化學(xué)研究生開(kāi)設(shè)的新型化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，就是為學(xué)生后期順利開(kāi)展研究課題提供預(yù)演。學(xué)生借助新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，進(jìn)行獨(dú)立上機(jī)操作，不僅能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理、測(cè)試方法及測(cè)試步驟，更能培養(yǎng)掌握和操作大型儀器設(shè)備的技能，掌握現(xiàn)代先進(jìn)儀器的檢測(cè)手段，為將來(lái)走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［8－10］。
3結(jié)束語(yǔ)
研究生是我國(guó)發(fā)展生產(chǎn)力、進(jìn)行科技攻關(guān)的主力軍。化學(xué)研究生是化學(xué)、化工、材料、環(huán)保等領(lǐng)域的中堅(jiān)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已無(wú)法適應(yīng)這變化多端、日新月異的科學(xué)社會(huì)。因此，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法的改革勢(shì)在必行。化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革立足學(xué)術(shù)前緣、結(jié)合導(dǎo)師的研究方向，以高校現(xiàn)代先進(jìn)儀器設(shè)備作為教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)獨(dú)立上機(jī)的操作方式、結(jié)合課堂理論，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立從事科學(xué)研究的能力，提升學(xué)生從事科學(xué)研究的綜合素養(yǎng)，形成了以學(xué)生為主體的實(shí)踐教學(xué)模式［11－12］。為學(xué)生更好地融入創(chuàng)新型社會(huì)打下牢固的基礎(chǔ)。
作者：梁向暉 鐘偉強(qiáng) 毛秋平 單位：華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院
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摘要傳統(tǒng)建筑學(xué)專業(yè)以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的教學(xué)模式，往往重藝術(shù)、輕技術(shù)，重形態(tài)分析、輕客觀量化，這與當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展背道而馳。筆者嘗試挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的建筑教學(xué)模式，從技術(shù)理論教學(xué)中引入綠色建筑設(shè)計(jì)，并在綠色設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)能耗模擬技術(shù)等一系列量化分析手段。然而，筆者發(fā)現(xiàn)以建筑技術(shù)理論為主導(dǎo)的綠色建筑設(shè)計(jì)，學(xué)生往往重技術(shù)而輕藝術(shù)，特別是過(guò)分注重計(jì)算機(jī)能耗模擬分析，反而忽略建筑設(shè)計(jì)這一根本。論文分析造成這種問(wèn)題的主觀和客觀原因，以期實(shí)現(xiàn)技術(shù)與藝術(shù)更好地結(jié)合。
關(guān)鍵詞建筑技術(shù)；教學(xué)改革；綠色設(shè)計(jì)；理論教學(xué)
引言
綠色建筑無(wú)疑是未來(lái)建筑發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。然而，我國(guó)傳統(tǒng)的以建筑設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的建筑教學(xué)中，都會(huì)偏重建筑的藝術(shù)性，忽視技術(shù)性，重主觀分析，輕客觀量化[1、2]。這就造成建筑師對(duì)技術(shù)的漠視和生疏，設(shè)計(jì)實(shí)踐中建筑設(shè)計(jì)構(gòu)思與綠色技術(shù)策略脫節(jié)；即使那些做了些綠色設(shè)計(jì)的方案，也很少能夠進(jìn)行量化分析。眾所周知，缺乏數(shù)據(jù)支持的綠色設(shè)計(jì)很難做到真正的節(jié)能。此外，一些建筑師雖然采用了計(jì)算機(jī)能耗模擬分析，但對(duì)數(shù)值分析結(jié)果知之甚少，無(wú)法將分析與設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)[3]。如果不正視這些問(wèn)題，這些綠色建筑設(shè)計(jì)就會(huì)陷入對(duì)形式的操弄和概念把玩中，走向“偽綠色”和“反生態(tài)”[4]。作為培養(yǎng)未來(lái)建筑師搖籃，大學(xué)建筑教育在灌輸技術(shù)理論知識(shí)和綠色建筑設(shè)計(jì)理念方面責(zé)無(wú)旁貸。盡管我國(guó)高校建筑學(xué)系近些年來(lái)一直倡導(dǎo)綠色和可持續(xù)建筑教育，但我國(guó)大部分建筑學(xué)專業(yè)采用傳統(tǒng)的線性教學(xué)模式[5]，即將建筑技術(shù)理論和建筑設(shè)計(jì)分成涇渭分明的兩條線，建筑技術(shù)課程在內(nèi)容上偏重技術(shù)理論知識(shí)，枯燥深?yuàn)W，與建筑實(shí)踐聯(lián)系較少，而在師資配備上往往選擇純技術(shù)背景的教師，由于不具備建筑設(shè)計(jì)背景，這些教師很少能將技術(shù)理論與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合講解，就更別提讓學(xué)生將所學(xué)的技術(shù)理論應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)之中[6、7]。筆者自2010年起在南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院教授建筑學(xué)三年級(jí)本科的建筑技術(shù)課程。為改變當(dāng)前現(xiàn)狀，筆者嘗試從建筑技術(shù)理論教學(xué)中引入綠色建筑設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)能耗模擬技術(shù)等一系列量化分析手段。筆者的教改無(wú)疑讓建筑學(xué)學(xué)生更為重視技術(shù)理論和綠色建筑理念，然而卻出現(xiàn)了一些值得探討的問(wèn)題，即學(xué)生往往過(guò)分重視理論和量化分析，忘記了建筑設(shè)計(jì)這一根本。論文分析造成這些問(wèn)題的主、客觀原因，并希望拋磚引玉，來(lái)引導(dǎo)和促進(jìn)我國(guó)建筑技術(shù)課程的全面改革和創(chuàng)新。
1教學(xué)調(diào)整
筆者所教授的建筑技術(shù)課程有兩門(mén)—‘建筑技術(shù)II-建筑聲、光、熱’和‘建筑技術(shù)III-建筑設(shè)備’，這兩門(mén)都為技術(shù)核心課。前者為建筑學(xué)傳統(tǒng)的‘建筑物理’，主要學(xué)習(xí)建筑熱工、光學(xué)、聲學(xué)中的概念和原理，以及一些基本的節(jié)能知識(shí)。后者為‘建筑設(shè)備’課程，主要介紹建筑給排水系統(tǒng)、采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電氣工程的基本理論、知識(shí)和技能。這兩門(mén)課的主要特點(diǎn)是技術(shù)理論性強(qiáng)，學(xué)科跨度大，知識(shí)點(diǎn)多，涉及面廣。為了使這兩門(mén)課程能夠更能適合當(dāng)代綠色和可持續(xù)建筑發(fā)展，筆者在教學(xué)內(nèi)容上做了以下調(diào)整和修改：（1）大量介紹綠色建筑優(yōu)秀設(shè)計(jì)案例。除基礎(chǔ)技術(shù)理論教學(xué)外，筆者介紹了大量的優(yōu)秀綠色建筑設(shè)計(jì)。比如以倫佐•皮亞諾所設(shè)計(jì)的Tjibaou文化中心，來(lái)講解如何利用當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)來(lái)進(jìn)行被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)。在講解建筑如何適應(yīng)干熱和濕熱這兩種不同氣候特點(diǎn)時(shí)，以不同地域的當(dāng)?shù)孛窬訛橹埸c(diǎn)，從整體規(guī)劃到單體建筑的設(shè)計(jì)案例來(lái)分析如何通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境。（2）強(qiáng)調(diào)主動(dòng)和被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合。被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是建筑對(duì)氣候和自然環(huán)境的適應(yīng)，特別是在減少甚至是不依賴主動(dòng)節(jié)能設(shè)備的情況下，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)手段來(lái)創(chuàng)造較為舒適的建筑物理環(huán)境，這對(duì)于建筑學(xué)學(xué)生尤為重要。但同時(shí)隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，也不可能忽視建筑設(shè)備在建筑設(shè)計(jì)中所占的地位。筆者以ReynerBanham的《ArchitectureoftheWell-temperedEnvironment》一書(shū)為基點(diǎn)[8]，講解現(xiàn)代建筑技術(shù)如何影響和改變現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和理念，幫助學(xué)生重視被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)的同時(shí)，也要兼顧主動(dòng)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。（3）注重大建筑環(huán)境的整體可持續(xù)發(fā)展。美國(guó)綠色建筑委員會(huì)（U.SGreenBuildingCouncil）建立并推行的LEED評(píng)估體系（LeadershipinEnergyandEnvironmentalDesign），對(duì)城市生態(tài)和基地的自然保護(hù)非常重視，特別是建筑節(jié)水和水循環(huán)利用方面，但相關(guān)知識(shí)在我國(guó)建筑學(xué)教育中卻相對(duì)薄弱，僅在建筑設(shè)備教材中介紹了一些設(shè)備節(jié)水和中水處理的基礎(chǔ)理論知識(shí)。對(duì)于如何通過(guò)利用規(guī)劃和設(shè)計(jì)來(lái)綜合考慮雨水收集、廢水利用等則是完全沒(méi)有涉及。為了增強(qiáng)這方面的知識(shí)，筆者引入了與建筑與景觀設(shè)計(jì)最為密切的LID技術(shù)。LowImpactDevelopment（英文簡(jiǎn)稱：LID）技術(shù)是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起的暴雨管理和面源污染處理技術(shù)，和傳統(tǒng)的技術(shù)如濕地、滯留塘、草溝等不同的是LID技術(shù)是通過(guò)分散的，小規(guī)模的源頭控制來(lái)達(dá)到對(duì)暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染的控制，使開(kāi)發(fā)地區(qū)盡量接近于自然的水文循環(huán)[9]。LID技術(shù)所涵蓋的內(nèi)容包括：城市自然排水體系、雨水花園、生態(tài)滯留草溝、綠色街道、可滲透路面、生態(tài)屋頂、雨水再生系統(tǒng)等都一一被介紹到，與LID技術(shù)相關(guān)的各種網(wǎng)站也都提供給學(xué)生[10]。（4）強(qiáng)化量化分析的意識(shí)和手段。我國(guó)綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)面臨另一個(gè)重大問(wèn)題是缺乏量化分析，而真正的綠色設(shè)計(jì)往往需要客觀數(shù)據(jù)的支持，只有通過(guò)對(duì)其綠色設(shè)計(jì)的定量評(píng)價(jià)，才具有可信性與科學(xué)性。為加強(qiáng)量化分析手段，筆者將Autodesk公司的Ecotect這一能耗模擬軟件引入到建筑技術(shù)課程中。Ecotect具有較全面的整體環(huán)境分析手段，可以對(duì)建筑物的朝向、立面、空間劃分等進(jìn)行能耗比較分析。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，筆者在教授過(guò)程中會(huì)一再?gòu)?qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)模擬軟件的優(yōu)劣性，以及如何解讀模擬結(jié)果。此外，筆者還組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)地參觀和測(cè)量、邀請(qǐng)校外專家進(jìn)行專題講座、參與各種綠色設(shè)計(jì)競(jìng)賽等一系列方式來(lái)加深和拓寬學(xué)生對(duì)綠色建筑理念的認(rèn)識(shí)。
2綠色設(shè)計(jì)
為了讓建筑技術(shù)理論更好地與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合，筆者取消了與設(shè)計(jì)課脫節(jié)的作業(yè)和理論知識(shí)考試，而是布置了一個(gè)既有建筑的綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)。選擇既有建筑可以讓學(xué)生掌握建筑技術(shù)的實(shí)踐知識(shí)，而專項(xiàng)設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，還能使設(shè)計(jì)課題更具有針對(duì)性。既有建筑的綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)分成兩部分。首先是實(shí)地考察該建筑的現(xiàn)狀，以小組為單位選擇一個(gè)中型公共建筑，實(shí)地測(cè)量和評(píng)估該建筑的聲、光、熱物理環(huán)境現(xiàn)狀，此外還要求學(xué)生去調(diào)查建筑的用水量、照明和設(shè)備用電量等能耗信息。在此基礎(chǔ)上，就是針對(duì)改建筑進(jìn)行綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求是可以不考慮改造室內(nèi)平面布局和建筑物整體結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩怼夂蛱攸c(diǎn)，進(jìn)行可持續(xù)再利用改造，如增加遮陽(yáng)、綠色屋面（屋頂花園）、垂直綠化、被動(dòng)和主動(dòng)太陽(yáng)能利用、雨水回收及再利用、固體垃圾分類(lèi)處理等。為配合課程需要，設(shè)計(jì)還要求學(xué)生研究一些基礎(chǔ)的節(jié)能設(shè)計(jì)手段，如改變既有建筑的窗墻比、增加遮陽(yáng)、利用自然通風(fēng)等，或改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能等手法，進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管要求學(xué)生利用計(jì)算機(jī)能耗模擬分析等手段，定量研究不同的綠化節(jié)能設(shè)計(jì)，并進(jìn)行方案優(yōu)化比較，但也說(shuō)明如果某些綠色節(jié)能設(shè)計(jì)較難進(jìn)行定量分析，可采用概念設(shè)計(jì)，但需要有設(shè)計(jì)詳圖和一定的文字進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。筆者希望以建筑技術(shù)理論為主導(dǎo)的綠色建筑設(shè)計(jì)，可以改變建筑系學(xué)生重藝術(shù)而輕技術(shù)，重形態(tài)分析而輕客觀量化的問(wèn)題。然而兩年的教改實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人失望，學(xué)生的綠色設(shè)計(jì)走向令一個(gè)極端。盡管也有一些優(yōu)秀的綠色設(shè)計(jì)出現(xiàn)（圖1），但大部分學(xué)生在綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)中過(guò)分看重技術(shù)和客觀量化分析，反而忽略建筑設(shè)計(jì)這一根本，圖2為一個(gè)典型的學(xué)生作業(yè)。筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生將主要時(shí)間和精力集中在計(jì)算機(jī)能耗模擬分析上，在節(jié)能設(shè)計(jì)上大部分學(xué)生傾向于利用技術(shù)手段而不是設(shè)計(jì)手法，如采用先進(jìn)的建筑保溫隔熱材料來(lái)減少建筑的能耗。盡管筆者在今年增加了強(qiáng)制性被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)要求，但很多學(xué)生往往采用一些如增加遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，減少窗墻比等簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)措施，真正好的綠色設(shè)計(jì)卻很少見(jiàn)。此外，就是深入設(shè)計(jì)問(wèn)題，如在課程中介紹了LID技術(shù)后，很多學(xué)生都想到收集雨水，但大部分只是簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)了一個(gè)雨水收集池，但卻沒(méi)有人能做進(jìn)一步的考慮，包括如何處理收集來(lái)的雨水以及與周?chē)h(huán)境相配合等。
3分析與討論
表1是筆者對(duì)2014、2015年度65名南大建筑學(xué)系三年級(jí)學(xué)生的綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)的分析總結(jié)。從表1可以看出大部分學(xué)生雖然掌握了建筑節(jié)能相關(guān)的理論知識(shí)，卻沒(méi)有很好的運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)中。從分析中可以發(fā)現(xiàn)有70%學(xué)生雖然提出了一些綠色節(jié)能概念，但有半數(shù)停步在簡(jiǎn)單的綠色節(jié)能概念運(yùn)用上，有些對(duì)綠色節(jié)能改造設(shè)計(jì)做了嘗試，但卻不知道如何深化自己的設(shè)計(jì)。一般而言，設(shè)計(jì)能力較強(qiáng)的學(xué)生在作業(yè)中表現(xiàn)地較好，無(wú)論是在設(shè)計(jì)創(chuàng)意、深化設(shè)、圖面表達(dá)上等都略勝一籌。造成課程設(shè)計(jì)的結(jié)果不盡人意存在著很多主觀和客觀原因，與普通的建筑設(shè)計(jì)課程相比，主要包括:（1）教學(xué)內(nèi)容和方式的差異性。我國(guó)建筑學(xué)專業(yè)采用的傳統(tǒng)地線性教學(xué)模式，不僅使建筑技術(shù)理論課程與建筑設(shè)計(jì)課相脫節(jié)，也導(dǎo)致二者無(wú)論在教學(xué)內(nèi)容還是教學(xué)方式上也有著本質(zhì)的不同。我國(guó)技術(shù)理論課程的教學(xué)方式以老師授課為主，課堂時(shí)間即無(wú)法留給學(xué)生做設(shè)計(jì)，老師也無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)。而建筑設(shè)計(jì)課程則是以學(xué)生自己動(dòng)手做設(shè)計(jì)，老師的課堂時(shí)間主要是進(jìn)行講解和修改。此外，教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)也是不同，例如以綠色設(shè)計(jì)為主題的建筑設(shè)計(jì)課通常也是以建筑設(shè)計(jì)為主，綠色為輔，更多的強(qiáng)調(diào)建筑設(shè)計(jì)的合理性和藝術(shù)性。盡管筆者在技術(shù)理論課中大量引入和強(qiáng)調(diào)了綠色設(shè)計(jì)實(shí)踐，但課程內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)還是基礎(chǔ)理論和專業(yè)技術(shù)知識(shí)，因而從建筑技術(shù)理論課中引入的建筑設(shè)計(jì)，課程內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)本身會(huì)給學(xué)生造成以技術(shù)為主的指向作用，因而在設(shè)計(jì)中自然而然會(huì)更強(qiáng)調(diào)技術(shù)。（2）設(shè)計(jì)命題的差異性。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)課程，特別本科教學(xué)中的建筑設(shè)計(jì)課的命題往往針對(duì)某種類(lèi)別的建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，如學(xué)校、賓館或商業(yè)綜合體等。而本次課程設(shè)計(jì)則是問(wèn)題化命題，即通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)設(shè)計(jì)解決一個(gè)專業(yè)問(wèn)題，這要求學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，再將知識(shí)融入到自己的設(shè)計(jì)之中。但顯然學(xué)生還不是很適應(yīng)這種工作模式和思維方式。特別是選擇既有建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)改造，學(xué)生更覺(jué)得具有一定的局限性，因而限制了一些的學(xué)生設(shè)計(jì)構(gòu)思。（3）數(shù)字技術(shù)教學(xué)需要進(jìn)一步探討。無(wú)論是建筑設(shè)計(jì)課程還是技術(shù)課程都面對(duì)著同樣的問(wèn)題，就是日新月異的數(shù)字化技術(shù)是一把雙刃劍，一方面它是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)輔助手段，但另一方面它也僅僅是一個(gè)工具而已，因而有必要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)字技術(shù)本身的局限性以及其僅僅作為工具的特性[11]。尤其是當(dāng)前的能耗模擬軟件，往往都是對(duì)先進(jìn)設(shè)備和新材料進(jìn)行更有效能的模擬，如將窗體從普通玻璃更換成LOW-E玻璃的節(jié)能效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一些復(fù)雜而需要深入考慮的被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)，學(xué)生就更傾向于簡(jiǎn)單而效果相對(duì)較好的節(jié)能設(shè)計(jì)。此外，就是學(xué)生在學(xué)了計(jì)算機(jī)能耗模擬軟件后，往往會(huì)將多種能耗模擬分析結(jié)果作為設(shè)計(jì)主體。盡管筆者一直在做這方面的教學(xué)探索，但收效甚微。由此可見(jiàn)，將數(shù)字化技術(shù)較好的應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作或量化分析上，需要一套從理論、方法到技術(shù)的完整教育體系，而這一新體系的建立可能需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間的艱苦探索。結(jié)語(yǔ)如何將建筑技術(shù)與藝術(shù)完美的融合，一直是當(dāng)前業(yè)界探討的問(wèn)題。綠色節(jié)能建筑不是技術(shù)的自然生成，也不是形式和概念的把玩。建筑設(shè)計(jì)是基本要素，技術(shù)是不可缺少的手段，二者需要有機(jī)融合。筆者的教學(xué)探索表明建筑技術(shù)類(lèi)課程需要一個(gè)全面的改革，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)完全無(wú)法滿足培養(yǎng)綠色建筑設(shè)計(jì)人才的需要，筆者建議教學(xué)改革可以從以下三方面做起：（1）打破我國(guó)傳統(tǒng)專業(yè)教師和設(shè)計(jì)教師之間的壁壘。在這里可以借鑒香港大學(xué)的教學(xué)體制，即設(shè)計(jì)教師在教授設(shè)計(jì)課時(shí)，同時(shí)必須開(kāi)設(shè)1-2門(mén)專業(yè)課（建筑技術(shù)、歷史、理論均可），從教師結(jié)構(gòu)上創(chuàng)造專業(yè)課與設(shè)計(jì)課的結(jié)合環(huán)境，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)知識(shí)的同時(shí)，也會(huì)學(xué)到專業(yè)教師所側(cè)重的專業(yè)技術(shù)知識(shí)[12]。（2）打破建筑技術(shù)課和設(shè)計(jì)課程在教學(xué)上的壁壘。改革我國(guó)傳統(tǒng)建筑學(xué)線性教學(xué)結(jié)構(gòu)，采用技術(shù)課程與建筑設(shè)計(jì)課程的交叉式教學(xué)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)課程安排，引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)技術(shù)理論學(xué)習(xí)。（3）打破建筑技術(shù)課和設(shè)計(jì)課程在作業(yè)和評(píng)分上的壁壘。取消建筑技術(shù)課程的作業(yè)，而是結(jié)合設(shè)計(jì)課程的某個(gè)設(shè)計(jì)題目，通過(guò)給出的不同技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分項(xiàng)、分段設(shè)計(jì)和計(jì)分，而學(xué)生最終設(shè)計(jì)成果中包括相關(guān)課題的分項(xiàng)成果。筆者認(rèn)為只有讓學(xué)生在設(shè)計(jì)中掌握技術(shù)理論知識(shí)的需求，在掌握理論知識(shí)后有用到設(shè)計(jì)中的動(dòng)力，才是做好綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。失敗是成功之母，希望業(yè)內(nèi)同行以此為鑒，共同探索建筑技術(shù)課程的全面教學(xué)改革，為我國(guó)培養(yǎng)出一代可持續(xù)發(fā)展型的設(shè)計(jì)人才。
作者：吳蔚
癡心報(bào)國(guó)不言悔
1982年9月，作為吉林省蛟河市偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)村中學(xué)的高中畢業(yè)生，張福成以優(yōu)異的高考成績(jī)被燕山大學(xué)的前身――東北重型機(jī)械學(xué)院金屬材料專業(yè)錄取。大學(xué)期間，私下里他曾聽(tīng)到一些同學(xué)對(duì)專業(yè)前景的“描繪”：畢業(yè)后只能到輔助部門(mén)工作，不僅沒(méi)有發(fā)展前途，而且將終日在粉塵和高溫的惡劣環(huán)境中工作。張福成卻認(rèn)為，“行行出狀元”，只要是國(guó)家的發(fā)展建設(shè)需要，就不應(yīng)計(jì)較個(gè)人的得失。尤其是他從專業(yè)課上得知：全世界每年因磨損就消耗掉200萬(wàn)噸以上的奧氏體錳鋼。他越發(fā)堅(jiān)定了努力學(xué)好專業(yè)知識(shí)，在金屬材料專業(yè)領(lǐng)域有所作為的堅(jiān)定信念。從此，張福成便與耐磨材料結(jié)下了不解之緣。本科畢業(yè)論文的題目，他選的是耐磨材料方面的；碩士、博士研究生的研究方向，他仍選擇了耐磨材料。1986年本科畢業(yè)時(shí)，當(dāng)時(shí)實(shí)行的是統(tǒng)招統(tǒng)分的政策，張福成在全專業(yè)四年總成績(jī)排名第一，但他毅然放棄了到北京和上海工作的機(jī)會(huì)。讀碩士和博士研究生時(shí)，他沒(méi)有選擇當(dāng)時(shí)一些人趨之若鶩的熱門(mén)專業(yè)，也經(jīng)受住了“下海經(jīng)商”大潮的巨大誘惑，始終默默地在被有些人看不上眼的耐磨材料領(lǐng)域里上下求索，潛心鉆研，一點(diǎn)一滴地打下了堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。
1986年，正在燕大讀研究生的張福成參與了碩士生導(dǎo)師鄭煬曾教授承擔(dān)的國(guó)家“七五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“濕式中硬礦特大磨球機(jī)襯板材料的研究”的科研工作，也開(kāi)始了他在耐磨材料領(lǐng)域不斷拼搏進(jìn)取的科研生涯。研究耐磨材料需要經(jīng)常做磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)中作為磨料的石英石會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，長(zhǎng)期在這種環(huán)境中工作容易得矽肺病。從1988年至1998年，張福成教授整整與石英石粉塵打了10年的交道，經(jīng)常是每天1 O多個(gè)小時(shí)的磨損試驗(yàn)一做就是半年。從事耐磨材料的研究，還要經(jīng)常到工作環(huán)境惡劣的水泥廠、煉鋼廠和礦山做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，有時(shí)還要冒意想不到的風(fēng)險(xiǎn)。1994年的一天，張福成教授正在山東的一個(gè)鋼廠的煉鋼爐前作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，投入煉鋼爐的廢鋼鐵中混入了一發(fā)舊炮彈。若不是突然停電，張福成和同伴將面臨不堪設(shè)想的后果!從小在農(nóng)村艱苦的勞動(dòng)生活中磨煉出的堅(jiān)強(qiáng)意志和吃苦耐勞的品格，使張福成在科研工作中遇到的各種困難面前總是從容不迫，知難而進(jìn)。
22年來(lái)。正是憑著堅(jiān)韌不拔的意志和科學(xué)的創(chuàng)新精神，張福成在耐磨材料領(lǐng)域的科研能力和水平不斷提高，并取得了豐碩的科研成果，從而奠定了他在我國(guó)耐磨材料領(lǐng)域中舉足輕重的地位。作為課題負(fù)責(zé)人或主要完成人。他先后完成了國(guó)家“七五”、“八五”攻關(guān)項(xiàng)目，國(guó)家“973”項(xiàng)目和省部級(jí)以上的科研項(xiàng)目二十多項(xiàng)。在耐磨材料的理論研究方面，他提出了“耐磨奧氏體錳鋼中合金元素原子呈短程有序偏聚分布”的理論，圓滿地解釋了學(xué)術(shù)界近百年來(lái)在奧氏體錳鋼研究領(lǐng)域中一直有爭(zhēng)議的一些理論問(wèn)題，如加工硬化機(jī)制、耐磨機(jī)理及其中的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變機(jī)制等。根據(jù)這個(gè)理論，張福成教授又設(shè)計(jì)了新型耐磨材料――新型耐磨奧氏體錳鋼，其耐磨性比原普通高錳鋼提高1倍以上。這種新型耐磨材料已被全國(guó)的五十多家企業(yè)采用，用于制作球磨機(jī)襯板、鐵路轍叉、齒板、破碎篦、鏟齒和履帶板等各行業(yè)急需的耐磨零部件，累計(jì)為國(guó)家創(chuàng)造利稅6億元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。這項(xiàng)成果先后獲得2002年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2000年中國(guó)高校科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
隨著鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，高速、重載、跨區(qū)間無(wú)縫線路已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。這對(duì)鐵路轍叉的使用壽命和結(jié)構(gòu)形式提出了新的更高的要求，然而，其中有許多技術(shù)問(wèn)題十分棘手，它們已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展的瓶頸和障礙。
高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌的焊接是我國(guó)鐵路實(shí)現(xiàn)全面提速的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)際上只有法國(guó)和奧地利擁有該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明專利。從1997年起，始終在耐磨材料領(lǐng)域不懈地探索的張福成教授又毅然承擔(dān)了國(guó)家科委重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目――“高速鐵路用高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌焊接”這一長(zhǎng)期困擾著材料焊接領(lǐng)域發(fā)展和全國(guó)鐵路大提速的難題。此前，我國(guó)的幾十家科研單位曾進(jìn)行了20多年的研究，但始終沒(méi)有取得突破性的成果。高碳鋼焊接要求緩冷，以防止熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體和產(chǎn)生大的熱應(yīng)力。然而，高錳鋼焊接卻要求快冷，以抑止奧氏體晶界的碳化物析出。否則會(huì)產(chǎn)生熱裂紋和韌性急劇下降的后果；同時(shí)，兩種材料的熱物理性能差異很大，直接焊接將導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，不僅降低接頭的強(qiáng)度和韌性，而且嚴(yán)重降低其疲勞壽命。因此，高錳鋼轍叉與高碳鋼鋼軌焊接技術(shù)一直是制約我國(guó)鐵路提速的難題之一。
在攻關(guān)的過(guò)程中，張福成教授查閱了國(guó)內(nèi)外關(guān)于焊接技術(shù)的最新理論，做了上百次的等離子焊、鑄焊、氬弧焊等試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)5年的反復(fù)研究后終于提出了利用材料性質(zhì)梯度過(guò)渡的思路。并設(shè)計(jì)了一種物理性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)介于高錳鋼和高碳鋼之間的材料作為焊接材料，并優(yōu)化出焊接速度快、自動(dòng)化程度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的閃光焊接方法作為高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌的焊接技術(shù)；同時(shí)對(duì)高錳鋼進(jìn)行特殊的變質(zhì)處理，降低晶界碳化物析出和液化裂紋形成的傾向，從而發(fā)明了高錳鋼轍叉焊接技術(shù)。高錳鋼轍叉焊接技術(shù)使高錳鋼轍叉使用壽命進(jìn)一步提高60％以上，平均過(guò)載量從1.8億噸提高到3.0億噸以上，最高達(dá)到5億噸以上，減少了火車(chē)對(duì)鐵路路軌的沖擊。提高了鐵路路軌和火車(chē)的使用壽命。高錳鋼轍叉焊接技術(shù)的發(fā)明使我國(guó)成為世界上第三個(gè)自主擁有該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家，在我國(guó)鐵路全面提速中發(fā)揮了重要作用。與法國(guó)和奧地利兩個(gè)國(guó)家的技術(shù)相比，張福成教授發(fā)明的技術(shù)具有綜合成本低、工藝簡(jiǎn)單和性能優(yōu)異等特點(diǎn)。2001年，在秦嶺隧道建設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)上，鐵道部科技司的一位領(lǐng)導(dǎo)對(duì)參會(huì)的近百名鐵道部所屬院校和科研單位的科研人員講話時(shí)說(shuō)“鐵路轍叉焊接項(xiàng)目，鐵道部曾經(jīng)給一所大學(xué)和鐵道部研究部門(mén)800多萬(wàn)元進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。最終沒(méi)有搞成，而只給了燕山大學(xué)12萬(wàn)元，項(xiàng)目就搞成了，所以，今后我們要加強(qiáng)路內(nèi)路外科研單位的項(xiàng)目合作。”鐵道部組織的成果鑒定委員會(huì)認(rèn)為：這項(xiàng)成果“是我國(guó)高錳鋼與鋼軌焊接技術(shù)的重大突破”，“填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，總體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”，“它為實(shí)現(xiàn)我國(guó)高速、重載、跨區(qū)間無(wú)縫線路的技術(shù)跨越創(chuàng)造了條件”。這項(xiàng)技術(shù)在近幾年的國(guó)際招標(biāo)中連續(xù)幾十次中標(biāo)，已成為我國(guó)高錳鋼轍叉焊接采用的唯一技術(shù)，并在中鐵山橋集團(tuán)有限公司投產(chǎn)，產(chǎn)品出口加拿大、澳大利亞、新西蘭、伊朗、印尼、委內(nèi)瑞拉等十幾個(gè)國(guó)家和香港地區(qū)，僅高錳鋼轍叉一項(xiàng)年產(chǎn)值就達(dá)8000余萬(wàn)元，出口創(chuàng)匯450萬(wàn)美元。
近幾年來(lái)，繼發(fā)明高錳鋼轍叉焊接技術(shù)之后，張福成教授在鐵路轍又用材研究領(lǐng)域又連續(xù)取得了一系列新的研究成
果：純凈高錳鋼轍叉制造新技術(shù)、高錳鋼轍叉爆炸硬化技術(shù)、鍛造高錳鋼轍叉制造技術(shù)、含氮高錳鋼轍叉用鋼、高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌焊接材料及其制造技術(shù)、高錳鋼轍叉專用堆焊材料及其制造技術(shù)和鐵路轍叉用貝氏體鋼及其制造技術(shù)等。目前，這些新成果中的大部分已被應(yīng)用在我國(guó)和外國(guó)的提速或高速鐵路線路中。
20多年來(lái)，張福成教授先后主持了二十幾項(xiàng)國(guó)家“七五”、“八五”攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目、鐵道部重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目和河北省自然基金項(xiàng)目，并在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上100余篇，獲得國(guó)家發(fā)明專利16項(xiàng)。
嘔心瀝血培育創(chuàng)新型人才
在科研領(lǐng)域不斷勇攀高峰，取得累累碩果的同時(shí)，從1989年研究生畢業(yè)起就承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的張福成教授也無(wú)愧于人民教師的光榮稱號(hào)。張福成教授認(rèn)為，大學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的搖籃，作為一名高校教師，在不斷地提高自身素質(zhì)的同時(shí)，還應(yīng)自覺(jué)主動(dòng)地改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。為社會(huì)培養(yǎng)出更多的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。在長(zhǎng)期的教學(xué)工作中，無(wú)論是對(duì)待本科生還是對(duì)待研究生，他都堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和敢為人先的膽識(shí)，大膽地進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和方法的改革。在講授每一門(mén)專業(yè)課前，他都認(rèn)真地查閱大量文獻(xiàn)資料。并結(jié)合自己的科研工作，把國(guó)內(nèi)外最新的科研動(dòng)態(tài)和成果寫(xiě)進(jìn)講義；講課時(shí)，他總是結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，毫無(wú)保留地把自己多年從事科研工作的成功經(jīng)驗(yàn)傳授給學(xué)生。為培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，根據(jù)當(dāng)代科技發(fā)展呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的趨勢(shì)，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，張福成教授鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生不斷拓展自己的知識(shí)面，使自己的視野更開(kāi)闊，為走上工作崗位后的科技創(chuàng)新活動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
根據(jù)自己多年從事創(chuàng)新性科研工作的切身體會(huì)，張福成教授十分重視培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。在金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)課的教學(xué)中，他發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期以來(lái)，金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)課的教學(xué)一直沿用傳統(tǒng)的課堂講授為主、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔的方法，而忽略了金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)課是讓學(xué)生掌握金屬試樣的制備及組織分析方法，了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理及應(yīng)用技術(shù)的主要目的。以致使學(xué)生在金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)課結(jié)業(yè)時(shí)，從試樣的制備到金相組織的分析能力都達(dá)不到應(yīng)有的要求。張福成教授看在眼里，急在心上，他決心改變這種現(xiàn)狀。經(jīng)過(guò)認(rèn)真的思考和充分的準(zhǔn)備，從1996年秋季起，張福成教授在實(shí)驗(yàn)室的老師們的支持和配合下，開(kāi)始了改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式的改革實(shí)踐。他把金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)課的課堂直接搬到實(shí)驗(yàn)室，由具有豐富實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)、講解實(shí)驗(yàn)。然后他再對(duì)較深的理論進(jìn)行課堂講解。他在實(shí)驗(yàn)室講課時(shí)，堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力為主，講解為輔的原則，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題再進(jìn)行講解，使學(xué)生既鍛煉了動(dòng)手能力，又提高了觀察問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力。金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)課教學(xué)改革的實(shí)踐證明，學(xué)生的動(dòng)手能力和金相組織分析能力明顯地得到了提高。
20年來(lái)，張福成教授講授的專業(yè)課始終受到本科生和研究生的歡迎。許多本科生由此對(duì)專業(yè)產(chǎn)生了興趣，許多人畢業(yè)后考上了研究生。張福成教授指導(dǎo)培養(yǎng)的研究生知識(shí)面廣、基礎(chǔ)扎實(shí)、科技創(chuàng)新能力強(qiáng)，不少人目前已成為國(guó)內(nèi)材料科學(xué)研究領(lǐng)域的骨干。
