“双碳”目标下金属基润滑材料与技术教学探索与实践

［摘 要］ 在“双碳”背景下，我国亟须推进产业结构向绿色低碳转型，“双碳”领域人才缺口对高等教育也提出了更高的要求。减少摩擦是提高能源利用效率的关键，金属基润滑材料与技术有望大幅度降低能源与资源消耗，是实现“双碳”目标的重要手段。以“双碳”为切入点，贯通跨专业的知识与技能，建立以碳中和理念“大通识”、摩擦减排领域全景概览“小通识”和金属基润滑材料与技术“专业知识”有机融合的通专融合培养体系。结合相关教学实践，论证了基于“双碳”目标的教育教学改革的有效性和可行性，以及其对“双碳”高素质人才培养的效果，探索了在校园推进“双碳”目标落地的特色树人方案。

［关键词］ “双碳”；教学探索；金属基润滑材料；实践能力

［基金项目］ 2023年度西北工业大学教育教学改革研究项目“面向‘碳中和’的金属基超润滑材料与技术教学探索与实践”（23GZ13264）

［作者简介］ 周 青（1988—），男，陕西西安人，博士，西北工业大学材料学院先进润滑与密封材料研究中心研究员，副教授，主要从事PVD合金涂层表面防护和应用研究；谢明达（2000—），男，广东广州人，硕士，西北工业大学材料学院先进润滑与密封材料研究中心助教，主要从事高熵合金固体自润滑材料开发研究；王海丰（1981—），男，河南安阳人，博士，西北工业大学材料学院先进润滑与密封材料研究中心教授（通信作者），主要从事耐磨及润滑材料、多元多相合金非平衡凝固理论及固态相变理论研究。

［中图分类号］ G643.2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）10-0104-05 ［收稿日期］ 2023-12-01

引言

多年来，全球二氧化碳排放量持续增长，过量的碳排放导致的气候变暖、温室效应，以及极端恶劣天气等问题日趋严重。截至2021年，全球二氧化碳浓度创下百万分之417.2的新纪录，大气中的二氧化碳浓度已比工业化前高出51%［1］。同时，2013年至2021年期间的平均温度估计比工业化前基线高出1.14 ℃，在过去30年里，全球平均海平面每年上升3.4毫米。此外，在气候变化的大背景下，全球频繁遭遇极端热浪、干旱、洪水和瘟疫等自然灾害［2-3］。控制碳排放已成为时下国际社会共同关注的话题。

据国际能源署统计，2021年中国二氧化碳排放量约119亿吨，占全球总量的33%，中国的积极参与对全球控制碳排放的成效举足轻重［4］。2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话强调：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”［5］党的二十大报告指出，积极稳妥推进碳达峰碳中和，积极参与应对气候变化全球治理［6］。实现碳达峰碳中和中长期目标，既是我国积极应对气候变化、主动担当大国责任推动构建人类命运共同体的责任担当，也是我国贯彻新发展理念、推动高质量发展的必然要求。

建立绿色低碳循环的工业发展体系，既是实现“双碳”目标的基础，也是推动我国绿色发展迈上新台阶的重要机遇。提高能源利用效率、推进能源结构调整和重点领域节能、建立碳排放权交易体系等内容在各地政府工作报告中也多有体现，为地方碳中和人才培养提供了政策支撑。此外，据统计，摩擦消耗掉全世界30%的一次性能源，约有80%的机器零部件因磨损而失效［7-8］。我国每年因摩擦磨损造成的损失约占国内生产总值的4.5%，采取合理的策略来减少摩擦，是实现“双碳”目标的有效手段［9］。金属基润滑材料与技术被认为是有希望大幅度降低能源与资源消耗，提高运动部件能效，实现“双碳”目标的有效途径［10-12］。服务于“双碳”目标，不仅需要相关产业结构不断升级，也势必会涌现一系列新兴行业，具体到金属基润滑材料与技术，其涉及多学科交叉融合，对材料、化学、物理及机械等方面知识的广度和深度均具有极高的要求［13-14］。“双碳”目标的实现离不开高质量的复合型创新型人才，长远来看传统高等教育模式和人才培养理念难以适应“双碳”目标国家战略发展方向，需要贯彻“厚基础、宽口径、重实践、求创新”理念，改革教育教学模式，培养引领“双碳”领域未来发展的领军人才［15］。本文以“双碳”目标为牵引，系统分析其技术人才需求，在消除传统课程体系弊端的基础上，提出建立以习近平生态文明思想为核心的碳中和理念“大通识”、摩擦减排领域全景概览“小通识”和金属基润滑材料与技术“专业知识”有机融合的教育模式创新。

一、教学改革思路和方法

实现碳中和需要在新能源材料、摩擦润滑材料、核用材料、材料基因工程等领域培养高素质专业人才。其中，金属基润滑材料在多个工业领域发挥了关键作用，能显著提升机械系统效率，延长使用寿命，改善可靠性。因此，金属基润滑材料与技术是实现碳中和的关键之一。教学方面，探索和实践面向碳中和的金属基润滑材料与技术是培养碳中和前沿领域人才的重要组成部分，如图1所示。

实现碳中和要培养具备创新和交叉思维的前沿人才，他们需在碳中和与润滑技术领域有广泛认知和独创性研究能力。将绿色低碳理念融入一流人才培养，引导学生对碳中和有宏观认识，构建以习近平生态文明思想为核心的碳中和“大通识”。以“双碳”为引领，指导学生深入研究金属基润滑材料与技术，建立“‘双碳’大通识+小通识+润滑专业知识”特色培养体系，构建专业知识纵横贯通、数字技术底层承载的复合型人才知识架构，培养学生具备深厚专业知识、集成能力，使其能够跨足不同学科，为实现“双碳”目标贡献力量。

二、构筑通专融合、兼顾广度与深度的特色教学体系

为实现“双碳”目标，亟须培养一批具有能源和碳减排等相关专业知识的高质量人才。已有课程体系的单一性和金属基润滑材料的学科交叉特性之间存在尖锐的矛盾，前沿润滑技术培养的人才要求掌握多学科、宏观与微观相结合的综合知识，然而当前课程培养方案下的知识结构较为专一，导致学生对专业的横向跨学科领域宽度偏窄，限制了学生对金属基润滑材料的理解深度。因此须全面深入掌握各学科涉及的内容与方法，在课程体系、教学方法和考查方式上积极改革与创新，建立较为完善的科学探索与应用教学体系，将复杂的理论知识系统化、全面深入地传授给学生，培养面向我国“双碳”目标的领军人才。

首先，面向“双碳”，我们通过专业课程进行学科交叉改革，强调“双碳”目标对课程广度的提高。课程中着重强化“双碳”目标的国家需求，培养学生运用“工具学科”知识解释和解决“应用学科”问题的能力。通过深入讲解“双碳”目标内涵、润滑实现的技术方法，以及对国民经济的影响，凸显其对国家地位与国际影响力的重要性。旨在让学生深刻认识实现“双碳”目标的必要性、可行性和重要性，并将个人发展融入国家发展趋势中。对于金属基润滑材料，强调其涉及多学科的交叉融合，需要培养综合型、复合型、创新型人才以适应形势发展。已有材料专业课程教学可拓宽专业知识广度，将不同科目的共性知识整合学习，建立学科间的交叉联系，实现全方位的综合培养。

其次，建立金属基润滑材料教学体系，注重内容广度与深度。为培养固体润滑技术人才，必须设立完善的摩擦学科专业体系，详细阐述润滑的内涵、发展现状，强调润滑系统的组成结构、功用及实现技术，深刻解析超润滑机理的复杂性、多学科性和系统依赖性。除了覆盖金属基润滑材料制备、力学、表面工程等领域的知识，还需建立润滑材料表界面原理、分析及应用的教学体系。现代分析测试方法的基本原理、试验方法、仪器设备及其应用应是学生需掌握的基本内容。随着超润滑机理研究的深入，学生应理解微观粒子在表界面的分布和运动状态，了解表面和界面、表面自由能、不同类型的界面、吸附作用、表面黏附以及分子动力学建立超润滑模型的原理。

针对金属基润滑材料与技术概念抽象难懂的特点，如何激发学生的自主学习兴趣，让学生深入学习“双碳”概念及金属基润滑材料与技术，不仅需要教师的细致教学，更加需要明确教学目标，教师通过课程设计改革引导学生进行自主思考和热情投入，才能够激发学生的学习热情。因此，围绕“双碳”目标构建研讨式教学模式是构筑通专融合、兼顾广度与深度特色教学体系的重要手段。通过教师引导、“双碳”案例教学、课堂汇报和归纳总结等环节增强学生的学习自主意识，调动学生的学习创造性，以“双碳”目标教学为切入点提高学生的综合素质，弥补传统教学模式中以教师为中心的不足。

在保证金属基润滑材料与技术的基础理论知识教学和“双碳”教学的基础上，增加课程互动模式，以学生为中心，让学生化被动为主动，在课程教学中增加金属基固体润滑与液体润滑这两个具有代表性意义的知识内容展开案例分析和小组讨论，让学生上台演讲知识点，促进学生参与教学过程。采用穿插式教学将实际案例如生产实习及典型失效事例和有关图片、视频等穿插在课堂学习中。通过在总课时中将理论教学与实际案例相结合，学生能够将课本理论知识与实际案例相结合，提高学习效率。

在《固体润滑结构》章节中，教师讲解固体润滑材料的制备方法、固体润滑剂及其特性，并通过案例引导学生学习。金属基体，如铜、铝、镍和铁等作为广泛研究与应用的固体自润滑材料，其力学性能、导电性能和高温力学性能对金属基固体自润滑复合材料综合性能及摩擦磨损性能产生显著影响。固体超润滑在降低摩擦系数、提高效率、减少碳排放等方面具有显著应用前景，包括基于MoS2、石墨烯二维材料非公度接触的结构超润滑。学生可思考金属基固体润滑材料的磨损机理进行研讨，并结合个人研究方向进行样品制备与摩擦实验。与固体润滑相比，液体润滑在工程方面具有明显优势，固—液复合超润滑在提高承载能力、减少磨损和缩短磨合时间方面表现更显著。在我国“双碳”目标提出的背景下，对金属基超润滑材料与技术的需求日益迫切。

面向“双碳”目标，重点突出润滑材料与技术在发动机、轴承和液压泵等关键运动部件上减摩、增效和延寿的重要性；突出润滑实践对服役工况以及摩擦学试验设备的依赖性，课程教学中应在摩擦学基本知识的基础上，针对典型的运动部件，系统阐述与润滑材料相关的摩擦学测试技术的基本原理、实验技术、分析方法、常用设备及其应用情况，构建“双碳”牵引的金属基润滑材料教学体系。

三、注重产研结合，完善考核评价方式

在传统的专业课程教学中，针对学生的培养方案大多注重理论知识的教学，对实际的工程实践涉及较少，对专业知识的获取途径单一，导致学生掌握的专业知识和工程应用之间衔接不够充分，难以运用已有理论知识解决实际工程难题，造成理论与实际的脱节。因此，产研结合将是以技术创新引领低碳发展新格局的必由之路。

践行校企联动实践教学理念，推动金属基润滑材料与技术在“双碳”目标中的应用。培养“双碳”领域的领军人才，不仅要有过硬的理论功底，也要有良好的工程性思维。“双碳”目标的工程应用型特点，决定了需要培养从实际应用出发、具有战略性思维的高水平人才。在授课方式上，在现有知识体系的基础上，结合前沿润滑材料的应用进展，创新采用“理论教学+实验操作+企业专家讲座”的教学方式。理论教学部分突出以图形化教学方式代替传统公式推导，并结合工业应用实践来讲解，旨在使学生掌握知识之间的内在逻辑关系，便于学生更好地理解和消化；实验教学可以激发学生的科研兴趣和求知欲，锻炼学生的实验操作技能，培养观察问题、分析问题和解决问题的能力；企业专家讲座帮助学生深刻理解金属基润滑材料在实际工程中的应用，弥补理论知识与实际应用之间的不足。

随着教学内容的改革，考核方式也应同步进行修正，推行多元化、全方位考核评价模式，与教学内容形成高度配合。在课程考核方式上，区别于传统教学所采用的单一的全闭卷考试，转变为多元化评价，注重实践能力的考查。突出强调学生自行成组，选择适合自己且感兴趣的课题进行深入研究，课后指导学生开展实验研究与模拟研究，并在课程终期互相交流学习。另外，进行题库建设和考试方法的改革，建立基于金属基润滑材料与技术的“双碳”题库并使考试更加规范化；将传统的以期末考试决定学生成绩的方式，改变为课堂表现、课后调研、实践成效、实验技能、期中考试和期末考试综合结合的考核方式，其中课堂表现、实践成效与期中考试和期末考试共占总成绩的90%，课堂出勤率占10%，在课程结束后仍对学生的研究工作进行指导，直至形成研究成果以论文或专利的形式发表。