董 赟，廉芳銘，惠偉斌，丁雨松

(蘭州理工大學機電工程學院 甘肅蘭州 730050)

0 引 言

摩擦及其引起的磨損對當今世界的能源、環(huán)境、技術和經濟等方面有著巨大影響。摩擦幾乎存在于所有的機械設備中，降低摩擦對提高機械系統(tǒng)的可靠性、工作效率、環(huán)境兼容性和延長產品的使用壽命等都具有非常重要的意義[1]。據(jù)估計，全球約1/5 的總能源因摩擦而損耗，約80%的機械零部件失效因摩擦磨損造成，導致工業(yè)化國家的經濟損失占國內生產總值(GDP)的5%～7%[2-3]。若按中國2021 年GDP約合人民幣114.37 萬億元計算，摩擦造成的損失一年約5.72 萬億～8.01 萬億元。因此，為了推動全國經濟的高質量發(fā)展和全面落實“中國制造2025”規(guī)劃，我國高校應培養(yǎng)大量從事摩擦學研究的科技人才。然而由于摩擦學是包含機械、材料、力學、物理、化學等多學科交叉融合的邊緣學科，各高校在培養(yǎng)理論聯(lián)系工程實踐的摩擦學綜合人才時要整合多種學科，必將面臨巨大挑戰(zhàn)。

摩擦為什么總是存在于2 個接觸的相對運動物體之間？摩擦的起源是什么？對這個問題的研究最早可追溯到15 世紀，意大利科學家達芬奇(Leonardo de Vinc)最先用實驗觀測到了固體接觸表面間的摩擦特性，后來Amontons 和Coulomb 通過實驗進行補充，并形成了經典的摩擦學定律：①摩擦力與法向載荷成正比；②摩擦力與名義接觸面積無關；③摩擦力與滑動速度無關且小于靜摩擦力。在宏觀尺度下，結合以上定律，摩擦被認為是由表面微凸起引起的磨損或塑性變形而產生的[4]。此說法可以解釋大多數(shù)宏觀摩擦現(xiàn)象，但還有一些實驗結果與之相悖，如大部分膠體在法向力為零甚至為負值時依然會有摩擦產生等；而且利用現(xiàn)代技術可將固體接觸界面的磨損、黏著、塑性變形和粗糙度等降到最低限度，以實現(xiàn)具有原子級光滑度的平整接觸表面，但此時摩擦也存在，甚至相當顯著，且與宏觀尺度摩擦規(guī)律明顯不同[5]。這說明除了傳統(tǒng)的摩擦機理(如粗糙峰的嚙合、變形、黏著、剪切和犁溝等效應)之外，還存在更為基本的摩擦機理。人們認為宏觀摩擦是原子尺度發(fā)生的摩擦效應總和，因此，從構造物體單位的原子層面分析，光滑接觸相當于眾多粗糙峰接觸，宏觀應用的連續(xù)介質接觸理論也不再適用于微觀離散接觸模型。為了簡化研究對象，同時從根本上解釋摩擦規(guī)律，人們寄希望于對單凸粗糙峰接觸的摩擦機理進行研究。隨著原子力顯微鏡(AFM)及在此基礎上的摩擦力顯微鏡(FFM)、表面力儀(SFA)、石英晶稱天平(QCM)等掃描探針顯微技術和分子動力學(MD)等模擬技術的迅速發(fā)展，使得對單凸體/光滑表面的摩擦力測量成為可能，對摩擦學的研究也深入到原子尺度。圖1 是探究摩擦機理的發(fā)展歷程。摩擦學已進入了一個全新的領域，即納米摩擦學[6-8]。至此，摩擦這個古老的學科不再局限于工程領域，而是拓展到了基礎科學領域，其在完善自身理論的同時也在推動著基礎科學的發(fā)展。

圖1 探究摩擦機理的發(fā)展歷程Fig.1 Development process for exploring friction mechanism

以納米摩擦學為代表的納米技術是當今世界各國熱衷探索的前沿領域，科學界和工程界正借助納米摩擦技術深化對客觀世界的認知，并影響著諸多領域的發(fā)展方向[9-11]。為保證我國在納米技術領域的研究處于世界前列，納米摩擦技術人才的培養(yǎng)刻不容緩。圍繞國家對納米技術人才的培養(yǎng)需求，本文結合我國高校現(xiàn)有條件就納米摩擦學相關課程的教學現(xiàn)狀、改革及創(chuàng)新進行探索。

1 開展納米摩擦學教學的意義

納米技術研究是當代各國的“兵家必爭之地”。早在21 世紀初，歐盟委員會就建議各成員國將納米科技納入大學教程來推動納米科技教育普及，進而帶動納米技術和其他學科間的合作，其目的是為了讓歐洲迅速在納米科技領域占據(jù)優(yōu)勢地位?！笆陿淠荆倌陿淙恕?，人才是未來科技發(fā)展的第一生產力，擁有更多從事納米技術的人才就意味著更容易站上高科技的巔峰。習近平總書記在中央人才工作會議上指出，“要制定實施基礎研究人才專項，長期穩(wěn)定支持一批在自然科學領域取得突出成績且具有明顯創(chuàng)新潛力的青年人才”。為了中國制造由大變強成功轉型，攻克“卡脖子”技術和產業(yè)關鍵核心技術，實現(xiàn)在納米研究領域的突破，培養(yǎng)納米人才隊伍，健全建設納米技術有關的科研和教育體制尤為重要。納米摩擦學是納米技術的一個重要分支，可以從微觀摩擦學的視角探索宏觀摩擦現(xiàn)象的本質。納米摩擦學的發(fā)展和應用影響著物理、化學、數(shù)學等多領域的共同進步，是人類探索微觀世界的重要窗口。要實現(xiàn)納米摩擦技術的創(chuàng)新、突破和引領摩擦學研究的發(fā)展趨勢，就是要確立納米摩擦學人才在高校培養(yǎng)過程中的主體地位。因此，高等學校開展納米摩擦學相關課程的教學具有重要的戰(zhàn)略和科學意義。

2 納米摩擦學教學現(xiàn)狀

2.1 教學難點

2.1.1 綜合性過強

學習納米摩擦學的最終目的是解決工程領域的實際問題。高等學校在實施納米摩擦學的教學時不能僅停留在理論階段，還要延伸到工程應用層面，應時刻在理論教學和實際應用之間架起一座橋梁。如前所述，納米摩擦學是一門綜合性強、跨度大、多學科交叉融合的邊緣學科，在開展納米摩擦學的教學過程中涉及物理、化學、生物、機械、電子學、計算機等多種學科，無論在硬件還是軟件上對各高校都有較高的要求。因此，高校在傳授納米摩擦技術時既有時代發(fā)展賦予的機遇，同時也面臨著軟硬件薄弱帶來的巨大挑戰(zhàn)。

2.1.2 學習時間過長

納米摩擦學所研究的空間尺度一般在幾十納米以內，時間尺度在fs(10-15s)級別，主要探索摩擦界面原子的各種振動特性在飛秒級時間尺度上的變化規(guī)律[12]。在原子和分子級的尺度范圍內，各學科間的界限逐漸模糊，此時物理、化學、力學等各類知識交雜在一起，僅擁有單一學科的知識遠不能解決納米摩擦學領域的相關問題。在實踐中常常會因為其他學科知識的缺乏而阻礙對摩擦問題的徹底解決。即使意識到納米摩擦學在科研和工程領域的重要性，但在開設該課程時，部分高校尤其是西部欠發(fā)達省份的省屬院校承受著消耗過多人力、物力和財力的巨大壓力。這導致高校要培養(yǎng)出能解決納米摩擦學相關實際問題的人才時需要花足夠長的時間，淺嘗輒止的教學方式不可能培養(yǎng)出專業(yè)的、深層次的納米摩擦技術人才。

2.2 教學困境

2.2.1 起步較晚

早在20 世紀末，很多歐美發(fā)達國家的高校就已經較大范圍地將納米摩擦技術引入到常規(guī)的課堂教學當中。近年來，我國的一些高校和科研院所也在部分理工科專業(yè)開設了納米摩擦類課程，但無論是高校的數(shù)量還是課程的種類，都和發(fā)達國家有不小的差距。即使是開設了納米摩擦學的高校，相關課程的學時數(shù)也比傳統(tǒng)學科要少很多。此外，由于起步較晚，各相關學科之間沒有建立起交叉樞紐，導致課程內容缺乏系統(tǒng)性和連貫性。尤其是在教學體系和教學內容上，教學人員和管理人員對這一新興領域還很難達成統(tǒng)一，各高校之間在教學目的、教學大綱和教學結構上亦存在明顯的水平差異。

2.2.2 硬件設備缺乏

納米摩擦學屬于前沿學科，是工程應用和理論科學的結合，想要深入研究和理解納米摩擦學的內容，顯然不能只學習理論知識，熟練操作實驗設備和工程應用中的相關設施甚至更重要。目前我國高校實驗室的納米加工、測試所需要的設備大多都需要進口，在這個“百年未有之大變局”的時代[13]，整個中國包括高校在內的各行各業(yè)都處在追趕發(fā)達國家的過程中。盡管習近平總書記倡導“堅持和平發(fā)展道路，推動構建人類命運共同體”[14]，但中國的高科技領域還是受到發(fā)達國家的各種打壓，中國高校的各類高端實驗設備均出現(xiàn)了被“卡脖子”的現(xiàn)象[15-16]。即使通過各種努力能夠買到一些設備，但由于此類設備多屬于技術密集型的高附加值產品，價格普遍昂貴，導致這些設備主要集中在中國科學院、985、211、雙一流大學、雙一流學科高校，以及東部沿海經濟較發(fā)達省份的省屬高校。眾所周知，中國絕大多數(shù)的大學生都在“四非”高校[17](即除985、211、雙一流大學、雙一流學科高校以外的其他大學)學習，這些高?？蒲薪涃M較少，也很難買到屬于高精尖領域的納米摩擦學有關的實驗設備。盡管中國科學院等科研院所已經開放了納米加工和測試平臺，但普通高校的師生缺乏對設備前期認知，即使在短時間內得到了科研的相關數(shù)據(jù)，還是很難將設備的操作方式教授給自己學校的師生?？傊袊咝Ｄ壳八鶕碛械募{米摩擦學相關的加工、測試設備還不足以支持大規(guī)模人才培養(yǎng)。

2.2.3 師資力量不足

“納米摩擦學”概念的正式提出和發(fā)展不過短短30 年[18]，中國著名科學家溫詩鑄先生在1998 年對原子尺度的摩擦學進行了總結和展望后，我國納米摩擦學的發(fā)展才進入了快車道。和傳統(tǒng)學科相比，從事納米摩擦學等納米技術的科研人才總量相對較少。現(xiàn)代科技正朝著高精密和微型化發(fā)展，世界各國在納米技術研究領域競爭激烈，目前在納米研究領域還有很多亟待解決的問題等待著從事納米科技的研究人員去探索和突破。納米摩擦學作為納米技術的一個重要分支，在全國范圍來說，專門研究納米摩擦學相關專業(yè)的學者尚少，而這些學者又大多集中在科研機構和以研發(fā)為主的企業(yè)，能夠有余力在高校承擔教學工作的學者就更少了。此外，納米摩擦學是多學科交叉的邊緣學科，在高等學校要將多種學科進行融合面臨著巨大挑戰(zhàn)?？傊?，師資力量不足也成為當前高校開展納米摩擦相關課程的又一難題。

3 納米摩擦學教學改革探索

3.1 加強科學作風和科學倫理教育

科技人才是科學研究的主體，科技人才的科學作風、科學精神對科學技術的發(fā)展有著至關重要的影響，良好的科學作風和科學精神是培養(yǎng)科技人才的治學之本。培養(yǎng)科技人才應首先培養(yǎng)其擁有正確的科學精神和科學作風?？蒲腥藛T如果缺少為科學事業(yè)獻身的精神，缺乏嚴謹認真的科研作風，就無法為科學事業(yè)做出應有的貢獻。即使有千萬分之一的人通過天賦和靈感在科學研究領域走出捷徑，但大多數(shù)科學家都是通過汗水和勤勞換來科研成果的。愛因斯坦、居里夫人或楊振寧等世界級科學家無不都是通過勤勞刻苦為世界帶來新的科學發(fā)現(xiàn)從而促進科技進步?？茖W容不得半點謊言和虛偽，幾乎所有的科研成果都要經歷無數(shù)次的嘗試、驗證、失敗、累積等過程。加強科學作風教育，培養(yǎng)科學精神，不僅需要社會倡導、學校培養(yǎng)，更需要教師以身作則。

以納米摩擦學為代表的納米技術在應用領域有其特殊性，納米科技的發(fā)展和應用有可能引發(fā)生命和道德倫理問題，科研人員要警惕一切技術崇拜。不可否認，納米技術的發(fā)展打開了科學家探索未知事物的好奇心，為人類發(fā)展帶來了躍進式的技術變革，這種吸引力無疑是巨大的。但學者們要維護人類社會最基本的公平和正義，警惕將違背倫理道德的知識傳授給學生，牢記科學發(fā)展最初的目的。同時，國家要加強基礎立法，守衛(wèi)人類倫理底線，將科學倫理教育轉化為法治教育。

3.2 改革教育體制

中國高校在傳統(tǒng)專業(yè)的人才培養(yǎng)方面已經建立了較成熟的培養(yǎng)體系，但在納米技術等新興領域，人才培養(yǎng)教育教學體制仍不夠完善。建立健全教育教學機制要做到以下幾點。

①完善教育教學條件。針對中國高校(尤其是西部欠發(fā)達省份的省屬院校)在納米摩擦學教育方面的硬件設備缺乏、師資力量不足的現(xiàn)狀，國家應建立專款專項，為有財政困難的教育機構添置科研教學所需的硬件設備。建立高標準的教學體系，對教學人員進行統(tǒng)一的崗前培訓，提高教學人員的教學素養(yǎng)和教學能力。此外，從國家層面，對設立納米摩擦學相關專業(yè)和課程的高校進行師資力量的補充，鼓勵不同高校間納米技術領域的學者們相互交流和學習。

②統(tǒng)一教育資源。統(tǒng)籌相關高校的教學內容、教學大綱和教學結構，進行統(tǒng)一的教學質量考核，實現(xiàn)規(guī)范化教學，力爭在較短時間內實現(xiàn)規(guī)?；瞬排囵B(yǎng)。

③建立完善的教學流程。納米摩擦技術涉及多個學科，在傳授此類課程時不能一蹴而就、淺嘗輒止。從時間尺度來說，本科4 年的通識教育對培養(yǎng)高質量的納米摩擦專業(yè)技術人才是遠遠不夠的。高校應鼓勵優(yōu)質的本科畢業(yè)生進入碩士、博士階段的學習，從而實現(xiàn)更系統(tǒng)、深入的理論研究，建立一套完整的從通識教育到精英教育的教學流程。

3.3 更新課程設置

我國高校現(xiàn)有的學科設置大多比較專一，各學科之間相互交叉學習的現(xiàn)象還比較少[19-20]。納米摩擦學等納米技術類學科不是由單一課程構成的，而是涵蓋了多個學科的知識。除數(shù)學、物理等基礎課程在不同的理工科專業(yè)開設之外，諸如納米摩擦學這種比較專業(yè)的課程大多僅在機械和材料專業(yè)設置。如前所述，納米摩擦學是集數(shù)學、物理、化學、材料、機械、力學、計算機甚至生物等學科相互交叉在一起的一門學科。納米摩擦學的教育過程應在強調專業(yè)深度的同時加強學生對專業(yè)廣度的理解。高校要增強學生對其他相關學科的學習，當學生遇到實際工程問題時才會及時在對應學科找到解決問題的方法。納米摩擦學專業(yè)培養(yǎng)的人才應是綜合、全面的，在工作崗位中既要解決摩擦學相關難題，也能擴展到其他相近專業(yè)。因此，高校應該從學校層面對摩擦學課程進行更新改革，將涉及摩擦學相關的各類課程進行統(tǒng)籌，并制定新的課程大綱、學習計劃和教學目的。

3.4 創(chuàng)新教學模式

我國的傳統(tǒng)教育是主動授予式的，倡導將老師作為主體給學生傳道授業(yè)解惑，進而實現(xiàn)知識的傳播。雖然授予式教育具有簡單、高效等優(yōu)勢，但在講授摩擦學這種具有工程應用背景的課程時如果不能將所學課程和工程實踐相結合，就會阻礙新技術的產生和發(fā)展。納米摩擦學是一門基于較強理論，又與生產實際相結合的新興學科。教學的最高境界是將教育與思想結合，知行合一?？茖W技術的最終目的是為了促進社會的發(fā)展，只有將課堂知識應用于實際，才能激發(fā)學生的創(chuàng)造和推動新技術的發(fā)展?；凇胺D課堂”的教學模式，順應新時代教學改革的潮流，結合先進的教學手段，已經發(fā)展成具有創(chuàng)新性、針對性和實效性的創(chuàng)新型教學模式[21-23]。老師將教學內容通過視頻或文件包的形式提前發(fā)送給學生，學生通過5G 等先進手段將授課知識與工程實際相結合，在正式的教學課堂中對遇到的問題向老師進行請教，進而提高教學課堂效率及教學質量。因此，在納米摩擦學的教學過程中實行創(chuàng)新型的翻轉課堂模式能起到事半功倍的效果。

3.5 積極推進成果轉化

近年來，隨著我國對基礎研究經費的大量投入，科研論文、專利等研究成果數(shù)量激增，但一些核心技術，尤其是納米尺度制造技術嚴重依賴國外。因此，高等學校有必要和企業(yè)聯(lián)合建立產學研研究中心，促進納米摩擦學等納米技術相關成果盡快應用到生產實踐中。本科階段培養(yǎng)出的納米摩擦學相關人才還未擁有進行科學研究和在生產實踐中解決問題的能力，要實現(xiàn)將課堂知識和工程應用相結合，必須建立本科—碩士—博士培養(yǎng)的閉環(huán)課堂體系。而納米摩擦學研究中心可以提供將課堂知識、科學研究、生產實踐和成果轉化相統(tǒng)一的功能。在高校建立產學研納米摩擦研究中心有諸多優(yōu)點：有利于爭取到學校和社會資本的投資，以及購買所需的實驗儀器和設備；可以針對本校各層次的學生進行選拔，發(fā)掘具有發(fā)展?jié)摿Φ暮诵目蒲泄歉桑淮罱▽W校和相關企業(yè)的橋梁，有利于進行成果轉化和商業(yè)化推廣應用。

4 結 語

摩擦及其引起的磨損對當今世界的能源、環(huán)境和裝備制造業(yè)等有著巨大影響。宏觀摩擦被認為是納米尺度摩擦效應的疊加，因此，應從國家層面出發(fā)培養(yǎng)出一批從事納米摩擦學相關專業(yè)的高端技術人才。本文結合中國經濟發(fā)展現(xiàn)狀和納米摩擦學課程的特點，對高等學校開展納米摩擦學時遇到的難點、困境和造成的原因進行了深入分析，并針對性地提出了納米摩擦學教學改革及創(chuàng)新的人才培養(yǎng)方案?？傊?，培養(yǎng)出從事納米摩擦學專業(yè)的產學研一體化的高素質人才隊伍對加快我國制造業(yè)的轉型升級和推進高耗能產業(yè)節(jié)能減排，以及早日實現(xiàn)碳達峰、碳中和的遠景目標均具有重要戰(zhàn)略意義?！?/p>