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《表面工程技术》在民航院校课程体系中的建设
发布时间:2019-12-11 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
《表面工程技术》在民航院校课程体系中的建设
 
丁坤英,孙宇博,程涛涛 
(中国民航大学,航空工程学院,天津,300300)
 
摘要:为了体现表面工程技术课程在民航院校课程体系中的特色,讨论了课程的建设内容、知识要点、教学方法和考核方式。提出采用案例式教学方法将知识模块和知识要点进行串联,加强实验模块设计,并提出多元化考核的课程建设方案。
关键词:表面工程技术,民航,工程应用课程,教学内容,案例教学法     教育教学论坛
Construction of "Surface Engineering Technology" in the course system of Civil Aviation Colleges and Universities
 
Ding Kunying, Sun Yubo, Cheng Tao Tao
 
(CAAC University, School of Aeronautical Engineering, Tianjin, 300300)
 
Absrtact: in order to reflect the characteristics of surface engineering courses in civil aviation colleges and universities, the contents of course construction, the main points of knowledge, teaching methods and examination methods are discussed. This paper puts forward the method of case based teaching to connect the knowledge module with the key points of knowledge, to strengthen the design of experiment module, and to put forward the course construction scheme of diversified examination.
 
Keywords: surface engineering technology, civil aviation, engineering application course, teaching content, case teaching method
 
一、引言
表面工程是材料表面经过预处理后,通过表面沉积、表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变金属或非金属表面的化学成分、组织结构和应力状况,以获得表面所需性能的系统工程。利用这种工程技术可以在不改变零件主体结构的基础上,赋予零件表面耐磨、耐腐蚀、润滑、耐热、抗氧化、密封、导电、绝缘、辐射和防辐射等单一或综合的性能[1,2]。这种表面工程技术的价值一方面体现在“创新性”,利用先进的表面工程技术可以控制原子的沉积过程,调节原子的配比,改变原子的排列结构,从而获得制备传统加工方法不能实现的新性能。例如利用电镀技术可以制备非晶膜层和复合材料膜层,利用离子注入技术可以制备非正常价配比的新型材料。表面工程技术的价值另一方面体现在其经济性,表面工程仅仅改变材料表面的性状,而不用大规模的加工制造,有效地降低了生产成本[3]。 先进的表面工程技术在工程机械制造业中的应用产生了极大的经济效益和社会效益。因此在高等教育阶段,很多的工科院校设置了表面工程技术相关的课程进行知识的讲授。表面工程技术是一门多学科交叉技术,相关课程的综合性、实践性较强,同时又会随科学技术的发展而不断更新,在教学过程中需要将理论和实际工程应用紧密结合,更重要的是需要根据专业培养计划规划相应的教学重点,突出人才培养的特色。本文分析了表面工程技术在民用航空器持续适航保障方面的应用价值,分析了民航院校在机务维修类人才培养中安排哪些表面工程技术知识进行传授,探讨了如何根据具有特色的教学大纲制定教学计划、提高课堂教学质量、改革考核方式,丰富学生的理论知识内容和动手操作能力,培养应用型人才。
 
二、民用航空器对表面工程技术的需求
按照Matton博士的分类方法,表面工程技术可以进行如下分类:1)原子沉积;2)颗粒沉积;3)整体覆盖;4)表面改性。民用航空器工作环境比较复杂,存在着如高温、冲蚀、摩擦磨损、静电积累等,因此对于部件的表面性能要求较高,需要表面工程技术进行防护。在民用航空器制造和维修过程中常用到的表面工程技术包括电镀、热喷涂、堆焊、阳极氧化等。
电镀是传统表面工程技术,在民用航空器中常用到的是电镀硬铬和电镀镉。电镀硬铬主要解决的是飞机起落架部件的表面磨损和腐蚀问题。电镀镉解决的是异种金属接触时的电化学腐蚀问题。热喷涂技术适用性广,在航空器部件表面防护中应用的也是最广泛。例如,利用等离子喷涂技术制备陶瓷热障涂层,提升发动机热端部件的热防护能力;利用火焰喷涂技术制备封严涂层,解决航空发动机的气路密封问题。堆焊是利用焊接的方法恢复部件形状和尺寸的有效方法,在发动机叶片和机匣的尺寸恢复过程中经常采用。阳极氧化方法是在金属的表层形成一种氧化物膜层,是解决铝合金、钛合金耐磨和防腐问题的有效途径。民用航空器持续适航保障技术包含故障诊断、无损检测、损伤修复、装配试车等。其中部件的损伤往往发生在表面区域,因此在损伤修复过程中采用的技术一般为表面工程技术。在部件的损伤修复过程中需要具备表面工程相关技术的人员,这也给学校的人才培养提出了相应的要求。
三、民航院校表面工程技术课程的建设
表面工程涉及到的技术领域较广,怎样在有限的课时内帮助学生建立系统的工程思想同时突出民用航空器维修制造的特色,是民航行业院校表面工程技术课程讲授过程中需要考虑的重点。以下将分几个方面进行讨论。
1.表面工程课程内容的安排
表面工程课程的内容较为零散、相对独立,适合采用“模块式”教学的方式安排教学内容。根据民航制造和维修领域的需求,教学内容应该涉及到如下几个模块:“表面与界面基础”、“电镀和化学镀”、“化学转化膜”、“化学热处理”“表面涂覆技术”“表面堆焊技术”“表面改性技术”。每个模块都有自己的知识要点,其关系图如表1所示。这些知识点有些是基础知识,有些是应用型知识。在应用型知识点的讲授过程中,需要突出知识的适用性和先进性。例如“表面堆焊技术”模块中的“堆焊材料”知识点应该侧重于航空制造中经常采用的镍基高温合金,“高能束堆焊”知识点应该侧重于发动机叶片堆焊过程中经常采用的微弧等离子束堆焊。
 
表1  表面工程技术知识模块
 
知识模块 表面与界面基础知识 电镀和化学镀 化学转化膜 化学热处理 表面涂覆技术 表面堆焊技术 表面改性技术
知识点1 表面晶体特征 电化学极化 黑色金属氧化 活化与扩散 粒子加温加速 熔池反应 表面喷丸
知识点2 真实表面特征 电镀沉积过程 有色金属氧化 渗碳与渗氮 粒子撞击过程 堆焊材料 表面化学热处理
知识点3 物理和化学吸附 共沉积原理 阳极氧化 金属扩渗 涂层结构特点 高能束堆焊 离子注入
知识点4   化学镀特点 微弧氧化   涂层的应用    
 
2.“案例式”教学方法的应用
表面工程课程模块化内容较多,为了让学生在学习过程中留下较为深刻的印象,需要采用“案例式”教学方法进行关键知识点的讲解。例如在讲解“表面涂覆技术”模块中“涂层的应用”知识点时,可以采用航空发动机燃烧室热障涂层的应用案例进行讲解。在讲解案例之前让学生自行查阅热障涂层的相关知识,了解热障涂层的作用。教师在课上讲解涂层的结构特点、结构对隔热性能的影响、结构的控制方法等。通过这个案例把热喷涂的加温加速过程、粒子的撞击过程、涂层结构的控制方法等相关知识点串联起来,使“表面涂覆技术”模块形成一个整体。
3.实验实践模块的设置
表面工程是一门侧重于实践应用的课程,因此实验实践模块的设置尤为重要。在民用航空器制造与维修工程中用到的“表面涂覆技术”所占的比例最高,因此优先考虑表面涂覆的实验内容。在选择实验内容时以等离子喷涂氧化锆陶瓷涂层为宜,一方面此内容与案例教学相呼应,另一方面此实验内容最能体现热喷涂涂层技术特点,可以设置涂层喷涂演示实验、涂层结构分析实验和涂层硬度测试实验3个实验模块。
4.考核方法的改革
表面工程知识模块既涉及到基础知识,也涉及到了应用型知识,若采用单一的考核模式不能体现不同模块知识要求方面的差异性。在考核方面可以通过试卷的方式考核学生对基础知识的掌握程度,同时利用书面小报告的形式考察学生对应用型知识的应用能力。赋予两种考核方式不同的分值比例,通过考核达到促进学生对于知识点的掌握。
四、结语
表面工程技术课程本身具有“理、工”兼备的特色,需要在表面晶体学、表面扩散、表面物理化学的理论基础设置工程应用的模块。表面工程技术在民航维修和制造中应用广泛,民航类院校在此课程的知识模块设计中需要突出 “民航特色”和“科学前沿性”。为了实现上述教学目标需要教师精选教学内容并引入科学的教学方法。“表面涂覆技术”、“表面改性技术”应该是此类课程的主要教学内容。在教学过程中引入“案例教学法”能够增加学生的学习主动性,提升学习的效率。改变传统的考核方式,通过试卷考核和书面报告相结合的方式更能引导学生对于知识点的掌握。
参考文献
[1]安冬敏, 周青军, 仝晓强, 等. 《材料表面工程导论》课程教学改革的初步探讨[J]. 亚太教育, 2016(5): 293.
[2]田立辉, 卢向雨. 《材料表面工程技术》本科教学改革探索[J]. 产业与科技论坛, 2017, 26(3): 217-218.
[3]张磊先, 杜静, 李文学. 先进焊接技术在国内航空制造领域内的应用和发展概况[J]. 新技术新工艺, 2012(9): 61-64.
收稿日期:2019-1-7