董 赟，廉芳銘，惠偉斌，丁雨松

(蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

0 引 言

摩擦及其引起的磨損對當(dāng)今世界的能源、環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟等方面有著巨大影響。摩擦幾乎存在于所有的機械設(shè)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(chǎn)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(dǎo)致工業(yè)化國家的經(jīng)濟損失占國內(nèi)生產(chǎn)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(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展和全面落實“中國制造2025”規(guī)劃，我國高校應(yīng)培養(yǎng)大量從事摩擦學(xué)研究的科技人才。然而由于摩擦學(xué)是包含機械、材料、力學(xué)、物理、化學(xué)等多學(xué)科交叉融合的邊緣學(xué)科，各高校在培養(yǎng)理論聯(lián)系工程實踐的摩擦學(xué)綜合人才時要整合多種學(xué)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(xué)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(jīng)典的摩擦學(xué)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(guān)；③摩擦力與滑動速度無關(guān)且小于靜摩擦力。在宏觀尺度下，結(jié)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)生等；而且利用現(xiàn)代技術(shù)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(dāng)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(yīng))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(yīng)總和，因此，從構(gòu)造物體單位的原子層面分析，光滑接觸相當(dāng)于眾多粗糙峰接觸，宏觀應(yīng)用的連續(xù)介質(zhì)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(chǔ)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(shù)和分子動力學(xué)(MD)等模擬技術(shù)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(xué)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(xué)已進入了一個全新的領(lǐng)域，即納米摩擦學(xué)[6-8]。至此，摩擦這個古老的學(xué)科不再局限于工程領(lǐng)域，而是拓展到了基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，其在完善自身理論的同時也在推動著基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)為代表的納米技術(shù)是當(dāng)今世界各國熱衷探索的前沿領(lǐng)域，科學(xué)界和工程界正借助納米摩擦技術(shù)深化對客觀世界的認知，并影響著諸多領(lǐng)域的發(fā)展方向[9-11]。為保證我國在納米技術(shù)領(lǐng)域的研究處于世界前列，納米摩擦技術(shù)人才的培養(yǎng)刻不容緩。圍繞國家對納米技術(shù)人才的培養(yǎng)需求，本文結(jié)合我國高?，F(xiàn)有條件就納米摩擦學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀、改革及創(chuàng)新進行探索。

1 開展納米摩擦學(xué)教學(xué)的意義

納米技術(shù)研究是當(dāng)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(xué)教程來推動納米科技教育普及，進而帶動納米技術(shù)和其他學(xué)科間的合作，其目的是為了讓歐洲迅速在納米科技領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢地位。“十年樹木，百年樹人”，人才是未來科技發(fā)展的第一生產(chǎn)力，擁有更多從事納米技術(shù)的人才就意味著更容易站上高科技的巔峰。習(xí)近平總書記在中央人才工作會議上指出，“要制定實施基礎(chǔ)研究人才專項，長期穩(wěn)定支持一批在自然科學(xué)領(lǐng)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(zhuǎn)型，攻克“卡脖子”技術(shù)和產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)在納米研究領(lǐng)域的突破，培養(yǎng)納米人才隊伍，健全建設(shè)納米技術(shù)有關(guān)的科研和教育體制尤為重要。納米摩擦學(xué)是納米技術(shù)的一個重要分支，可以從微觀摩擦學(xué)的視角探索宏觀摩擦現(xiàn)象的本質(zhì)。納米摩擦學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用影響著物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多領(lǐng)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(shù)的創(chuàng)新、突破和引領(lǐng)摩擦學(xué)研究的發(fā)展趨勢，就是要確立納米摩擦學(xué)人才在高校培養(yǎng)過程中的主體地位。因此，高等學(xué)校開展納米摩擦學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)具有重要的戰(zhàn)略和科學(xué)意義。

2 納米摩擦學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 教學(xué)難點

2.1.1 綜合性過強

學(xué)習(xí)納米摩擦學(xué)的最終目的是解決工程領(lǐng)域的實際問題。高等學(xué)校在實施納米摩擦學(xué)的教學(xué)時不能僅停留在理論階段，還要延伸到工程應(yīng)用層面，應(yīng)時刻在理論教學(xué)和實際應(yīng)用之間架起一座橋梁。如前所述，納米摩擦學(xué)是一門綜合性強、跨度大、多學(xué)科交叉融合的邊緣學(xué)科，在開展納米摩擦學(xué)的教學(xué)過程中涉及物理、化學(xué)、生物、機械、電子學(xué)、計算機等多種學(xué)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(shù)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(xué)習(xí)時間過長

納米摩擦學(xué)所研究的空間尺度一般在幾十納米以內(nèi)，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(nèi)，各學(xué)科間的界限逐漸模糊，此時物理、化學(xué)、力學(xué)等各類知識交雜在一起，僅擁有單一學(xué)科的知識遠不能解決納米摩擦學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)問題。在實踐中常常會因為其他學(xué)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(xué)在科研和工程領(lǐng)域的重要性，但在開設(shè)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(dǎo)致高校要培養(yǎng)出能解決納米摩擦學(xué)相關(guān)實際問題的人才時需要花足夠長的時間，淺嘗輒止的教學(xué)方式不可能培養(yǎng)出專業(yè)的、深層次的納米摩擦技術(shù)人才。

2.2 教學(xué)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(jīng)較大范圍地將納米摩擦技術(shù)引入到常規(guī)的課堂教學(xué)當(dāng)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(shè)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(shè)了納米摩擦學(xué)的高校，相關(guān)課程的學(xué)時數(shù)也比傳統(tǒng)學(xué)科要少很多。此外，由于起步較晚，各相關(guān)學(xué)科之間沒有建立起交叉樞紐，導(dǎo)致課程內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性和連貫性。尤其是在教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容上，教學(xué)人員和管理人員對這一新興領(lǐng)域還很難達成統(tǒng)一，各高校之間在教學(xué)目的、教學(xué)大綱和教學(xué)結(jié)構(gòu)上亦存在明顯的水平差異。

2.2.2 硬件設(shè)備缺乏

納米摩擦學(xué)屬于前沿學(xué)科，是工程應(yīng)用和理論科學(xué)的結(jié)合，想要深入研究和理解納米摩擦學(xué)的內(nèi)容，顯然不能只學(xué)習(xí)理論知識，熟練操作實驗設(shè)備和工程應(yīng)用中的相關(guān)設(shè)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(shè)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(nèi)的各行各業(yè)都處在追趕發(fā)達國家的過程中。盡管習(xí)近平總書記倡導(dǎo)“堅持和平發(fā)展道路，推動構(gòu)建人類命運共同體”[14]，但中國的高科技領(lǐng)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(shè)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(shè)備，但由于此類設(shè)備多屬于技術(shù)密集型的高附加值產(chǎn)品，價格普遍昂貴，導(dǎo)致這些設(shè)備主要集中在中國科學(xué)院、985、211、雙一流大學(xué)、雙一流學(xué)科高校，以及東部沿海經(jīng)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(xué)生都在“四非”高校[17](即除985、211、雙一流大學(xué)、雙一流學(xué)科高校以外的其他大學(xué))學(xué)習(xí)，這些高?？蒲薪?jīng)費較少，也很難買到屬于高精尖領(lǐng)域的納米摩擦學(xué)有關(guān)的實驗設(shè)備。盡管中國科學(xué)院等科研院所已經(jīng)開放了納米加工和測試平臺，但普通高校的師生缺乏對設(shè)備前期認知，即使在短時間內(nèi)得到了科研的相關(guān)數(shù)據(jù)，還是很難將設(shè)備的操作方式教授給自己學(xué)校的師生。總之，中國高校目前所擁有的納米摩擦學(xué)相關(guān)的加工、測試設(shè)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(xué)”概念的正式提出和發(fā)展不過短短30 年[18]，中國著名科學(xué)家溫詩鑄先生在1998 年對原子尺度的摩擦學(xué)進行了總結(jié)和展望后，我國納米摩擦學(xué)的發(fā)展才進入了快車道。和傳統(tǒng)學(xué)科相比，從事納米摩擦學(xué)等納米技術(shù)的科研人才總量相對較少?，F(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(shù)研究領(lǐng)域競爭激烈，目前在納米研究領(lǐng)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(xué)作為納米技術(shù)的一個重要分支，在全國范圍來說，專門研究納米摩擦學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)者尚少，而這些學(xué)者又大多集中在科研機構(gòu)和以研發(fā)為主的企業(yè)，能夠有余力在高校承擔(dān)教學(xué)工作的學(xué)者就更少了。此外，納米摩擦學(xué)是多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，在高等學(xué)校要將多種學(xué)科進行融合面臨著巨大挑戰(zhàn)?？傊?，師資力量不足也成為當(dāng)前高校開展納米摩擦相關(guān)課程的又一難題。

3 納米摩擦學(xué)教學(xué)改革探索

3.1 加強科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)倫理教育

科技人才是科學(xué)研究的主體，科技人才的科學(xué)作風(fēng)、科學(xué)精神對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響，良好的科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)精神是培養(yǎng)科技人才的治學(xué)之本。培養(yǎng)科技人才應(yīng)首先培養(yǎng)其擁有正確的科學(xué)精神和科學(xué)作風(fēng)?？蒲腥藛T如果缺少為科學(xué)事業(yè)獻身的精神，缺乏嚴謹認真的科研作風(fēng)，就無法為科學(xué)事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻。即使有千萬分之一的人通過天賦和靈感在科學(xué)研究領(lǐng)域走出捷徑，但大多數(shù)科學(xué)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(xué)家無不都是通過勤勞刻苦為世界帶來新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)從而促進科技進步?？茖W(xué)容不得半點謊言和虛偽，幾乎所有的科研成果都要經(jīng)歷無數(shù)次的嘗試、驗證、失敗、累積等過程。加強科學(xué)作風(fēng)教育，培養(yǎng)科學(xué)精神，不僅需要社會倡導(dǎo)、學(xué)校培養(yǎng)，更需要教師以身作則。

以納米摩擦學(xué)為代表的納米技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域有其特殊性，納米科技的發(fā)展和應(yīng)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(shù)崇拜。不可否認，納米技術(shù)的發(fā)展打開了科學(xué)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(shù)變革，這種吸引力無疑是巨大的。但學(xué)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(xué)生，牢記科學(xué)發(fā)展最初的目的。同時，國家要加強基礎(chǔ)立法，守衛(wèi)人類倫理底線，將科學(xué)倫理教育轉(zhuǎn)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(jīng)建立了較成熟的培養(yǎng)體系，但在納米技術(shù)等新興領(lǐng)域，人才培養(yǎng)教育教學(xué)體制仍不夠完善。建立健全教育教學(xué)機制要做到以下幾點。

①完善教育教學(xué)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(xué)教育方面的硬件設(shè)備缺乏、師資力量不足的現(xiàn)狀，國家應(yīng)建立?？顚ｍ?，為有財政困難的教育機構(gòu)添置科研教學(xué)所需的硬件設(shè)備。建立高標準的教學(xué)體系，對教學(xué)人員進行統(tǒng)一的崗前培訓(xùn)，提高教學(xué)人員的教學(xué)素養(yǎng)和教學(xué)能力。此外，從國家層面，對設(shè)立納米摩擦學(xué)相關(guān)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(shù)領(lǐng)域的學(xué)者們相互交流和學(xué)習(xí)。

②統(tǒng)一教育資源。統(tǒng)籌相關(guān)高校的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱和教學(xué)結(jié)構(gòu)，進行統(tǒng)一的教學(xué)質(zhì)量考核，實現(xiàn)規(guī)范化教學(xué)，力爭在較短時間內(nèi)實現(xiàn)規(guī)模化人才培養(yǎng)。

③建立完善的教學(xué)流程。納米摩擦技術(shù)涉及多個學(xué)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(zhì)量的納米摩擦專業(yè)技術(shù)人才是遠遠不夠的。高校應(yīng)鼓勵優(yōu)質(zhì)的本科畢業(yè)生進入碩士、博士階段的學(xué)習(xí)，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(xué)流程。

3.3 更新課程設(shè)置

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

3.4 創(chuàng)新教學(xué)模式

我國的傳統(tǒng)教育是主動授予式的，倡導(dǎo)將老師作為主體給學(xué)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(xué)這種具有工程應(yīng)用背景的課程時如果不能將所學(xué)課程和工程實踐相結(jié)合，就會阻礙新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。納米摩擦學(xué)是一門基于較強理論，又與生產(chǎn)實際相結(jié)合的新興學(xué)科。教學(xué)的最高境界是將教育與思想結(jié)合，知行合一?？茖W(xué)技術(shù)的最終目的是為了促進社會的發(fā)展，只有將課堂知識應(yīng)用于實際，才能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造和推動新技術(shù)的發(fā)展?；凇胺D(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，順應(yīng)新時代教學(xué)改革的潮流，結(jié)合先進的教學(xué)手段，已經(jīng)發(fā)展成具有創(chuàng)新性、針對性和實效性的創(chuàng)新型教學(xué)模式[21-23]。老師將教學(xué)內(nèi)容通過視頻或文件包的形式提前發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生通過5G 等先進手段將授課知識與工程實際相結(jié)合，在正式的教學(xué)課堂中對遇到的問題向老師進行請教，進而提高教學(xué)課堂效率及教學(xué)質(zhì)量。因此，在納米摩擦學(xué)的教學(xué)過程中實行創(chuàng)新型的翻轉(zhuǎn)課堂模式能起到事半功倍的效果。

3.5 積極推進成果轉(zhuǎn)化

近年來，隨著我國對基礎(chǔ)研究經(jīng)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(shù)，尤其是納米尺度制造技術(shù)嚴重依賴國外。因此，高等學(xué)校有必要和企業(yè)聯(lián)合建立產(chǎn)學(xué)研研究中心，促進納米摩擦學(xué)等納米技術(shù)相關(guān)成果盡快應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中。本科階段培養(yǎng)出的納米摩擦學(xué)相關(guān)人才還未擁有進行科學(xué)研究和在生產(chǎn)實踐中解決問題的能力，要實現(xiàn)將課堂知識和工程應(yīng)用相結(jié)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(xué)研究中心可以提供將課堂知識、科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐和成果轉(zhuǎn)化相統(tǒng)一的功能。在高校建立產(chǎn)學(xué)研納米摩擦研究中心有諸多優(yōu)點：有利于爭取到學(xué)校和社會資本的投資，以及購買所需的實驗儀器和設(shè)備；可以針對本校各層次的學(xué)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(xué)校和相關(guān)企業(yè)的橋梁，有利于進行成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)化推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語

摩擦及其引起的磨損對當(dāng)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(yīng)的疊加，因此，應(yīng)從國家層面出發(fā)培養(yǎng)出一批從事納米摩擦學(xué)相關(guān)專業(yè)的高端技術(shù)人才。本文結(jié)合中國經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀和納米摩擦學(xué)課程的特點，對高等學(xué)校開展納米摩擦學(xué)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(xué)教學(xué)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(xué)專業(yè)的產(chǎn)學(xué)研一體化的高素質(zhì)人才隊伍對加快我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和推進高耗能產(chǎn)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>