光学工程论文范文10篇

光学工程论文范文篇1

目前有相当一部分科研人员，他们的科研目的不是为国家解决重大发展问题，而是为了写论文、发表文章。现在的科技界，太强调论文了，有了能被SCI或《工程索引》数据库收录的论文，就可以申请“杰青”、评教授，甚至参与院士评选。还有在各种评审中，出现了太多不符合实际情况的浮夸，比如有的评审项目距离国际水平还有很大差距，却要写上“达到国际先进水平”；有的项目明明没有取得什么重要进展也要写上有“重大进展”等等，目的就是忽悠国家，忽悠自然科学基金委，忽悠863、973。

为什么会这样？首先，评审制度不严格是造成这种情况的主要原因。一些人把是否能获得部级大奖作为参评院士的条件，拼命甚至不择手段争取获奖，导致部级奖励质量下降，有些科技进步奖、发明奖名不副实。其次，惩罚力度不够。当发现有违学术道德的行为时，事后追究、惩罚不够。有些科研人员多途径申请项目，争取到很多经费，但实际的研究内容只有一个，应该说这是对国家资源的一种浪费。这种现象较为普遍，但到目前为止还没有办法制止。问题还是出在评审制度不严。

现在的科技项目立项，很多是各级管理人员有实质性的决定权，专家评审机制越来越流于形式。评审太过频繁，以至于评审质量下降，甚至科技界也出现了“评审专业户”的现象；科技评价缺乏真正的学术评价，现行的奖励制度已成为一些官员追求政绩和一些科技人员获取名利的渠道。

再有，邓小平同志领导科教工作时，表示要当好科学家的“后勤部长”。而现在，我们一些科技部门不是为科学家服务，而是把自己变成了“指挥员”领导科学家工作。

科学问题还是要由科学家做主，要征求科学家的意见。比如一些科研专项、课题，搞“时间节点”，把它弄成了一条“生产线”，用指挥生产的方法来指挥科研项目，原因就是行政指挥过度。

在一些目标明确，如“两弹一星”、“载人航天工程”等大科学工程上，我们可以发挥集中力量办大事的社会主义制度的优越性，组织大规模的人财物进行攻关。但真正要产生创新的、原创性成果，还是要靠在一线工作的科研人员的自主能动性和创造性，他们才是原创性的主体。只有在第一线的科研人员才能找到他所在领域的切入点在哪里，哪些方面是可以做出创新成果的。

目前管理人员权力过大，一些科研人员把大量的精力花在跑项目、跑经费上面，花在各种评审方面，真正在一线工作的时间过少，严重影响了科研工作进展和质量。

由于很多科研决策是由管理干部制定的，很多重大项目的执行也是在管理干部的干预下做的。因此，目前存在一个不正常的现象，就是科研人员特别是年轻的科研人员，怕管理人员，专家评审变成管理人员手中的工具。由于院士群体的顾虑比较少，敢于直言，因此很多场合，管理干部就排斥院士们参与项目的制定和决策。

以863计划中人工晶体专题为例。在2000年以前，人工晶体专题由科学家为主来制定五年计划，也是由专家组管理和执行的。因此就非常强调创新和晶体生长的探索研究，执行的结果非常有效。目前在人工晶体领域的几项重大成果和创新，例如大尺寸KTP、LBO晶体生长及产业化、深紫外非线性光学晶体KBBF等晶体的发现及其光学性能的确定等一大批具有重大国际影响的成果，就是从“七五”到“九五”一直得到863计划支持的。自进入新世纪以来，863计划改由管理人员任命所谓的年轻人工晶体“专家”(实际上也是管理人员)来制定计划，结果人工晶体专题被取消，稍微长远的晶体材料研究计划，例如深紫外非线性光学晶体的生长及器件研究也被取消。于是，自新世纪以来连续10年，863计划没有支持人工晶体领域中好的研究课题，自然也没有得到任何有影响的成绩。公务员之家:

光学工程论文范文篇2

［关键词］研究性学习；创新能力培养；物理教学模式

近年来，国家对工程人才的要求越来越高，需求越来越大，工程教育改革迫在眉睫。“新工科”建设在这样的背景下应运而生。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，以期培养未来多元化、创新型的卓越工程人才。同时，世界一流大学和一流学科建设，简称“双一流”，是中共中央国务院做出的重大战略决策，亦是中国高等教育领域继“211工程”“985工程”之后的又一国家战略，有利于提升中国高等教育综合实力和国际竞争力，为实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦提供有力支撑。为实现“新工科”建设和“双一流”建设目标，高校的主要任务就是培养拔尖创新人才及提升科学研究水平。高等教育的根本任务是人才培养，即不仅要培养高素质、厚基础的人才，更要培养具有实践能力与研究性创新型的高质量人才。学生是学校培养的主体，教学工作要以学生为主开展。因此，以人才培养为目标的一切教学活动应以学生为中心是学校教学行为的一个基本教学理念。“以学生为中心”的教学本质应该是在教师指导下的学生自主型研究性的学习，这一模式强调在教师引导与激励下的学生自主学习、创新实践和综合发展。其核心是充分激发学生内在学习兴趣和动力，教师不仅传道、受业、解惑，更肩负激发学生主动探究兴趣、培养学生实践能力和创新精神的重任。因此，教师应对课程讲授方式开展多模式的改革与尝试，以促进高等教育进入全面提高质量、内涵建设、协同创新的发展阶段。同时，创新意识与创新能力的培养也是落实科学发展与实现科技强国战略的迫切需要，是21世纪中国高等教育改革的热点与重点问题。德国大学将科学研究引进教学过程的改革使德国在几十年内一跃而成为拥有世界上最先进大学制度的国家。美国大学创造性地继承了德国大学的做法，建立了历史上第一所研究型大学——约翰·霍普金斯大学，更加强调研究在大学教学中的地位和作用。但是由于长期以来研究型大学过分强调教师的研究，以及高等教育大众化的到来等原因，导致了教学与研究从统一走向分离，出现了重科研轻教学、知名教授极少给本科生上课、学生解决实际问题的能力下降等现象。后来美国开始重构大学本科研究型教育，各个大学纷纷创设或者扩展原有本科教学计划，形式多种多样，如MIT的大学生研究计划、独立活动计划、工程实习项目、综合研究项目、回归工程计划以及新生研究指导计划等。近年来，欧洲研究型大学逐渐认识到，大学的科学研究必须与本科教育紧密结合，本科生教育不能孤立于研究活动之外，应该成为大学不可分割的组成部分。我国研究型大学近年来在课程教学和实践教学等方面开展了本科研究性教学的实践活动，如清华大学实施本科生“学生研究训练”，浙江大学增设综合性、研究型、项目化课程及实施大学科研训练计划等。物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的学科。它的基本理论渗透到自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是自然科学和工程技术的基础。以物理学基础为内容的大学物理课程，是高等学校理工科学生一门重要的通识性必修基础课，该课程所讲授的重要的基本概念、基本理论和基本方法是学生科学素质的重要组成部分，是一个科学工作者和技术人员所必备的。大学物理蕴含着极其丰富的创新思维，从古希腊的亚里士多德、阿基米德到伽利略、牛顿，再到近代物理的普兰克、爱因斯坦等，这些物理学家们的创新性思维推动了人类科学的进步。正如主席指出,当前世界正处在新科技革命和产业革命的交汇点上，科学技术在广泛交叉和深度融合中不断创新。而我国能否从科技大国走向科技强国的关键在于人才培养的质量高低，而大学物理教学在创新人才培养方面应该发挥独特的重要作用。虽然近些年随着大学物理教学改革的不断深入，大学物理教学在教学内容、教学方法和手段等方面都有了很大的改进和提高，但是仍存在许多不足，无法满足新工科背景下人才培养的需要。教学内容上，尽管大多高校都加强了近、现代物理内容的教学，但在用现代物理观点审视和改革经典物理、用普通物理方法阐述近代物理以及在经典物理中增加应用技术内容等方面明显不足，无法真正贯彻和实现“普通物理现代化和现代物理普通化”的思想，更不利于培养学生的工程能力和创新能力。在教学方法和手段上，尽管大多高校都尝试采用了参与式、讨论式、渗透式等多种先进的教学方法，但总体上仍主要以“灌输式”方法为主，整体教学效果并不理想。针对目前大学物理教学的现状，如何在教学内容、教学方法和手段、提高教师工程素质等方面进行全方位改革，真正发挥大学物理课程在培养和提高学生创新能力与科学素质方面的优势，实现大学物理在跨界复合人才培养上的支撑指导作用，是目前我国高等学校新工科建设面临的紧迫任务。因此，本文从大学物理“教什么”“怎么教”两个核心层面，探讨新工科背景下跨界创新人才培养及各个专业工程教育认证对大学物理教学提出的要求，以及与之相适应的改革，以便促进大学物理整体教学水平的不断提高。

一、教与学模式的改革——研究性教学模式

（一）问题导入式教学模式

学习始于学习者的注意，而影响注意的一个重要因素就是兴趣，兴趣是学生积极探究某些事物产生与发展的动力。一个实际生活中的问题可以很好地激发学生的兴趣与好奇心。我们改变了传统的教学模式，采用以问题研究为导向，围绕系列综合物理现象展开物理教学和实践的教学模式。例如：围绕“望远镜”相关现象，将单透镜望远镜、伽利略望远镜、开普勒望远镜的制作和几何光学、波动光学中光学成像的放大率、清晰度、分辨率等相关知识相结合展开学习；围绕“气球降温——冷气球”和“热表面水珠的莱氏星星”现象和形成机理，将热学中体积功、热传递、热力学第一定律、热力学第二定律和流体相关的基础知识和实践相结合……近5年来，我们总结了80多个这样具有代表性的趣味现象及其相关的理论和实践教学方案，在教学中鼓励引导学生去思考实际问题的物理本质，把所学物理学原理与实际生活相结合，即从如何分析问题到对实际问题进行简化近似、建立数学模型和概念模型，再到运用相应物理学原理来解决问题等一系列分析处理方法。学生反映这样的教学模式使自己很容易理解所学物理学的各项原理，再也不需要生硬地记忆各种定律的公式了。

（二）采用同伴教学法采用同伴教学法，实现课堂翻转

在传统的讲授教学方法中，学生是被动的倾听者、接受者，他们的注意力主要集中在对知识点的掌握上，而不是对知识的探究式学习上。同伴教学法最先应用于哈佛大学的基础物理课程中，变传统单一的讲授为基于问题的自主学习和学生之间的合作探究。教学中坚持以学生为主体、以教师为主导的教学理念。教师在教学过程中就精讲的重点、难点、疑点和关键点等教学内容，启迪学生的思维，营造一个师生互动、生生互动和激发学生学习兴趣、引导学生探究及翻转课堂的学习环境。教学中教师从学生现有的知识水平出发，通过一些影响学生认知能力的问题不断地对学生进行激励、唤醒与鼓舞，来引发学生学习的自主性，引导他们之间的合作学习，进而使其获得新的认识和产生新的思想，达成思维、情感与意志的和谐发展。课堂教学中为学生设计了相互讨论、合作学习的环节，让学生有机会在相互争辩、讨论、交流中共同解决问题。这样，他们会对物理概念形成更丰富、更深刻的理解，同时学会与他人进行合作、交流、协商和共享经验。学生在与他人的相互接触、相互影响之中，得到更完善的发展。教学中还注重鼓励学生的质疑精神和批判性思维。我国一直有尊师重教良好风尚，学生很难去怀疑老师，学生不敢也不爱提问题，这就很大程度上制约了学生探究性思维及创新能力的培养。在实际教学中，我们鼓励学生阐述自己观点，倾听别人的陈述和批评，在获得更多信息的同时反思自己和别人的观点，评价不同的概念和观点的科学性，通过思辨得出新的结论，并清楚地表达自己的看法。具有这样灵活性和适应性的学生，比起那些仅仅掌握了专门知识体系的学生，更有可能进行创新与创造。

二、实践创新——构建创新第二课堂

（一）开设系列创新选修课

作为对大学物理课堂教学的实践与创新能力培养的进一步深化，我们在全校范围内分阶段地开设“物理创新基础（公共）—物理创新应用（公共）—物理创新设计（实践）”教学和实践一体化的创新课堂选修课。具体做法是采用每年从各国征集来的国际青年物理学家锦标赛的题目，围绕解决给定的实际物理问题的基本知识、理论分析、实验方案、结果讨论等进行开放性的探索与研究，学生需对多个给定的物理实际问题在理论模型与实验平台搭建等方面展开一系列的合作及探究。这些题目贴近生活，开放度大、研究性强，考察面广，很少甚至几乎不设置限定性条件或参量，而是由学生在研究中充分调动开放性思维，考察各种不同的情况（实验条件）、实验参量等对研究结果的影响，没有统一标准答案。其对于提高大学生的创新能力与综合素质等方面发挥了独特作用。

（二）实践创新实践创新：指导学生自制物理教学演示仪器

教育家苏霍姆林斯基说：“上课要有趣，课上得有趣，学生就可以带着一种高涨的、激动的情绪从事学习和思考，对前面展示的真理感到惊奇和震惊。”演示实验不仅可以建立直观的教学情境以激发学生进一步探索的兴趣，还可以促进其将已掌握的理论知识运用于实验现象分析。演示实验在物理教学中的地位不可替代，甚至可以说一节物理课如果没有演示实验是不完整的，因此，可以说演示实验是物理教学的重要辅助手段，也是提高物理教学效果的一种有效措施。而我校大学物理教学中演示实验一直是空白的。我们利用创新第二课堂组织指导学生自己设计制作物理演示仪器。起初，学生感觉太难了，无从下手。在教师的指导下，他们慢慢产生了浓厚的兴趣，对物理现象的好奇逐渐转化为对物理知识探究学习的动力及不断探索的积极性。从购买一件件材料部件开始，到最终搭建出可以展示预想或超出预想的实验现象，学生的实践动手能力、创新思维与创新能力得到了很大提高。他们的作品有基于半导体材料温差电动势的“手触式蓄电池”、基于电磁学原理的“电磁阻尼演示仪”、基于超导材料的“磁悬浮列车演示仪”、基于波动光学的“多缝衍射花样动态演示实时显示装置”等10余项装置。

（三）创新成果和学术规范创新成果和学术规范：指导学生撰写学术论文

指导学生撰写学术论文是一项针对本科生的必要学术训练，指导学生进行科学研究总结并用规范的学术语言写成学术论文，这个过程完全不同于常见的知识传授的应试教育过程，学生在掌握基本理论、基本知识和基本技能的基础上综合运用各方面知识进行首次学术创新的过程,也是全面提高本科生自身综合素质和培养初级科研能力的过程，是必要的学术训练和学术规范教育，是一种名副其实的创新教育过程，也是培养本科生创新意识和创新能力的有效途径。依托开设的创新课堂，我们指导本科生撰写学术研究成果，目前已在《大学物理》等刊物发表10余篇学术论文、申请获批20余项实用新型专利；指导大学生参加创新创业训练项目10余项、参加大学物理演示仪器设计竞赛获奖10余项。

三、以物理竞赛为依托，加强创新能力培养

面对大学物理理论教学学时一再压缩的新形势，要提高教学质量，我们尝试以大学生物理学术竞赛为载体，将有限的课内教学延伸至课外的实践探索，在实践中培养学生的创新意识与创新能力。大学生物理学术竞赛是借鉴国际青年物理学家锦标赛的模式，在全国高校本科学生中开展的一项学生团体学术赛事。该竞赛摆脱应试教育的模式，体现知识学习与探索实践相结合、物理学与日常生活相结合、学术能力与人际交往能力相结合、个人与团队合作相结合的理念。每届竞赛都是在全世界范围内的物理学家中征集题目，内容涵盖力、热、光、电等与日常生活或工程技术密切相关的实际物理问题，使学生认识到物理学不是抽象的理论体系，而是反映自然界甚至就是身边的非常有趣且活生生的问题。题目具有开放性，即所有赛题都没有现成的标准答案。学生在研究中，需要充分调动开放性思维，多次尝试不同的实验条件、采用不同的实验方案、讨论不同的实验参量对实验结果的影响等。也正因为如此，该项赛事非常具有挑战性。我校已经连续6年举办了这项竞赛，学生报名非常踊跃，参赛人数由首届的39支队伍增加到今年的130支参赛队伍670多人，涵盖了我校23个的理工科专业，不仅有作为主力的大二的学生，更是吸引了许多刚入学的大一新生。通过对竞赛题目的探究，学生们主动获取知识与信息的能力、建立物理与数学模型的能力、应用数值计算与仿真工具软件的能力、采集与处理实验数据的能力、逻辑推理能力与创新能力与综合素质均会得到一个质的提升。

四、结语

研究性教学是运用科学研究的方式、思维来组织教学，激发学生的学习兴趣和学习自主性和创造性，培养学生发现问题、解决问题的能力，提高学生的实践、创新能力。我校经过几年的探索，基于研究性学习与创新能力培养的物理教学模式改革取得了一定的成果，是培养学生创新思维和创造力的有效途径。

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光学工程论文范文篇3

论文摘要：以青年教师讲课比赛作为特殊的教研活动，既满足了青年教师展现自我的要求，又实现了对青年教师教学技能的集体辅导。青年教师参与的主动性、积极性高，课堂教学水平提高快，教学设计、多媒体教学都有长足的进步.

近年来引进的青年教师大多具有博士学位，专业知识基础较深厚，但没有经过系统的高等教育理论学习，缺乏教学上的严格训练，在教学实践初期存在许多不足。中国计量学院与其他高校一样对青年教师的培养也十分重视，制定了一系列政策和措施对新教师实行岗前培训，建立了导师制，健全了学校和分院两级教学督导机制，开展生评教活动等。这些措施对青年教师的培养发挥了较好的作用，但在实践中也暴露出一些问题，例如教育理论培训的内容过于理论化、抽象化，不能解决在实践中出现的问题;老教师因教学科研压力也难抽出很多时间与青年教师进行交流。因此，青年教师教学技能的培养问题没有得到根本解决。

近三年以来中国计量学院以讲课比赛的形式让青年教师进行讲课演练，取得了较好的效果。在学校每年组织的青年教师讲课比赛中都能抱奖而归，学生评教的得分也稳步提高，在测评优秀的名单中，青年教师已超过一半，有三分之一的青年教师获得了教学质量优秀奖。

一、讲课比赛成为锻炼新教师的有效形式

学校每年举办青年教师讲课比赛，比赛分预赛推荐和决赛两个阶段，从报名到决赛大致需三到四个月，持续时间较长，这有利于我们借讲课比赛锻炼年轻教师。学校要求每位年轻教师至少参加一次讲课比赛，并做好动员工作。青年教师参与积极性很高:生评教中得分高的教师满怀信心争取获奖，而得分低的教师渴望通过比赛改变自己的形象。在推荐、选拔和决赛前学校会组织多场讲课演练，每次演练年轻教师都要参加，并安排老教师点评指导。每次选手讲完课之后，讨论都十分热烈，从开场白到结束语，从选手不经意的口头禅、不太优雅的小动作，到声音语速的控制、跌宕起伏的情节设计，从多媒体课件的制作技巧到教学重点难点的把握，无所不谈。青年教师们每次比赛前都投入大量精力，赛前找导师或学生演练。因此，讲课比赛结束后，参加比赛的选手在教学技能方面都有明显的进步。

讲课比赛也让未参赛教师从讲课比赛活动中受益。选手在试讲中暴露出来的问题可能同样存在于其他教师的教学活动中，好的方法、技巧也可借鉴。每次讲课演练都有老教师参加，老教师现身说法，针对本堂课的内容，讲解“启发式”怎么用，“以问题为中心”怎样讲，等等。老教师的示范授课提示年轻教师，不仅要注意表面的、细节性的东西，也要思考教学目标、教学方法、教学思想等深层次问题。

与一般教学观摩或集体听课不同，讲课比赛变成了一种特殊的教研活动，实现了对青年教师教学技能的集体辅导，青年教师参与的主动性、积极性很高，真的下了工夫动了脑子，收获较大。

二、树立以生为本的教学理念

按照讲课比赛规则，参赛选手应当是讲授课程的主讲教师，只有学生反映良好的选手才有资格最终获奖。这就促使选手们充分重视学生的意见，主动与学生沟通，树立起以生为本的基本教学理念。我们光学与电子科技学院涉及光信息科学与技术、光电信息工程、电子科学与技术、微电子学等专业的教学工作，学生生源结构复杂，生源质量相差很大。因此要让学生听懂就需要了解学生，以学生为本，因材施教。

时常听到教师抱怨现在的学生不爱学习，基础太差。其实，学生在接触课程的初期，新鲜感较强，一般都愿意听课。但随着内容的深入，新鲜感、神秘感消失，学生的学习兴趣会降低。理工科的课程，前后内容相关性较强，如果前面有部分内容未搞懂，则后面的内容学起来会感到很困难，甚至使学生产生惧怕心理，而这种心理容易在学生中蔓延。所以，教师要通过作业、课堂提问、辅导、答疑等多种形式了解学生的学习情况，及时解决学习中的问题。不能以师道尊严采用高压的手段对待学生，任何可能伤害学生自尊心的方法都是不可取的。

讲课比赛的评分标准特别重视采用启发式教学，所以如何调动学生的学习积极性、能动性，活跃课堂气氛是试讲演练的重点之一。青年教师应学会在课堂上调整课堂气氛，循循善诱，引导学生的思维始终围绕着教学内容;在课堂上还应注意尽量面对学生，视线随时自然地关照学生，使学生思想不易开小差。理工科的课程内容比较单调乏味，概念抽象，过程复杂，离日常生活较远，很难举出生动的例子，学习的艰苦性远大于文科专业。青年教师一方面要尽可能利用现代化教学手段将抽象、枯燥的过程变得直观、生动;另一方面要利用和学生的年龄差距小、比较了解学生的思想状况、容易和学生交流的特点，课堂内外多与学生接触，让学生产生信任感。师生距离的拉近，会增加学生对所授课程的兴趣，学生在课堂上也会充分配合。

三、提高课堂教学设计能力

在讲课比赛的评分标准中，教学方案的设计占20%。教学方案简称教案，是任课教师按照预定的教学目标和教学计划，经过充分的准备和缤密的考虑所指定的实施教学的具体方案。对初次登上大学讲台的青年教师来说，教学方案的设计是教学活动的初始环节，是顺利完成教学任务的前提和基础。教学设计的好与坏，直接影响到教学效果。

教师进行教学设计时，首先要明确教学目标。也就是通过本堂课要让学生了解什么、理解什么、掌握什么，虽然这些在教学大纲中已有表述，但一般较为粗略，需要细化。这要求青年教师仔细研究大纲，从总体知识上了解课程的教学目的、任务，掌握课程的整体结构、知识体系及与其他课程的关系，从而把握教学的方向:并且要了解各章节的地位、作用及相互间的内在联系，把握章节要领，确定教学重点;要熟悉全部教学内容，明确哪些是重点，哪些是难点，哪些知识是学生必须掌握的，哪些知识是学生容易接受的。

其次要对教学内容进行加工整理，设计逻辑主线，将各知识点合理地连接起来。条理性与逻辑性是讲好课的基本要素，讲授时条理清楚逻辑性强，则学生就能由浅入深，由此及彼，由表及里，逐步理解课堂内容各个要点，又掌握内容的整体。一堂课的内容应合理地划分成若干相关又相对独立的段落，讲授不同段落内容时用小标题等标记显示层次性，并注意承上启下。最好列一个提纲，或画一个图表，描述讲课的总体思路。

接下来是细节设计，教师运用各种教学技巧，选择适当的教学方法，追求最佳的教学效果。板书设计要注意文字简练，教师必须提炼出能够高度概括相应的一段内容的一个或若干个关键词。学生记下这些关键词，能够在脑海里再现有关知识内容的主要梗概。语言设计要注入一定的情感，语言要简练，适当的抑扬顿挫才会生动，具有感染力，产生深刻印象，避免平铺直叙。举例一定要能够说明问题，避免泛泛举例。好的开头和结尾也很重要，开头可以以问题引入等方式引起注意，激发兴趣;结尾应能概括本次课程的内容梗概，回应开头提出的问题。

以讲课比赛为手段，通过赛前的各种技能训练，青年教师教学设计能力提高很快，一些教案被当作范本在校内交流推广。

四、交流多媒体教学经验

多媒体教学可以直观表现三维结构、生动描写运动过程、课堂信息含量大、节省板书时间、题材丰富形象、形式活泼多样以及便于学生课后复习查询，因此多媒体教学成为理工科教师必须掌握的教学手段，是教师教学的荃本功。而讲课比赛为多媒体技术交流提供了很好的平契机。青年教师的计算机应用能力较强，多媒体课件的制作往往各有所长，有的喜欢Authorware，有的擅长3DMAX，有的熟悉Flash制作。讲课比赛时的交流与学习，不仅让青年教师们相互学习了多媒体制作的技术，也有利于提升自己的多媒体课件制作水平。

多媒体课件的制作是很费时间的事情，要提倡资源、信息共享。不同课程有些素材是相同的，例如在专业基础课中用到的各种干涉、衍射和偏振等现象原理分析图，各种光的干涉、衍射图样，不同光学系统的成像示意图、光路图等，在一些专业课中也可能用到。各种光学仪器及实验设备的结构图、仪器及设备的实物照片，也可以共享。另外拍摄仪器操作过程，制作分解动作图等都需要各位教师通力协作。网上也有许多信息资源可以利用，相互告知并交流下载方式。

光学工程论文范文篇4

1.全国工程硕士教育现状工程硕士是我国专业学位硕士中的一种学位类型。专业学位是相对于学术性学位而言的学位类型。专业学位研究生的培养目标是掌握某一专业（或职业）领域坚实的基础理论和宽广的专业知识、具有较强的解决实际问题的能力、能够承担专业技术或管理工作、具有良好的职业素养的高层次应用型专门人才。专业学位与学术性学位处于同一层次，培养规格各有侧重，在培养目标上存在明显差异。学术性学位按照学科设立，主要以科学研究为导向，偏重理论研究，以培养科研机构的研究人员和大学教师为主要目标；而专业学位以专业实践为导向，重视应用和实践，主要培养在专门技术上的高层次复合型人才。专业学位教育的突出特点是学术性与职业性紧密结合。获得专业学位的人，主要从事具有明显职业背景的工作。我国专业学位教育制度的设立为社会建设培养了大量高层次、应用型专门人才。截至2010年，我国工程硕士培养单位数共计241家，涵盖40个工程领域。在1997年，我国仅有14个按工程领域培养工程硕士的试点高等学校，共招收1525名工程硕士研究生。到2009年，招收89244名工程硕士研究生，是1997年的58倍。目前，工程硕士教育已发展成为我国专业学位中涉及专业最多、招生规模最大的一种学位类型。

2.河南省工程硕士教育现状河南省自2001年郑州大学开始招收工程硕士研究生以来，经过十几年的建设和发展，目前已经有13家培养单位招收工程硕士研究生，涵盖工程领域32个，分别是安全工程、材料工程、测绘工程、车辆工程、地质工程、电气工程、电子与通信工程、动力工程、纺织工程、工业工程、工业设计工程、光学工程、化学工程、环境工程、机械工程、集成电路工程、计算机技术、建筑与土木工程、交通运输工程、控制工程、矿业工程、农业工程、轻工技术与工程、软件工程、生物工程、食品工程、水利工程、物流工程、项目管理、冶金工程、仪器仪表工程、制药工程。

二、中原经济区建设背景下工程硕士教育面临的机遇与挑战

1.建设创新型国家为工程硕士教育提供巨大动力2006年1月9日，国家主席在全国科技大会上宣布中国未来15年科技发展的目标为：2020年建成创新型国家，使科技发展成为经济社会发展的有力支撑。走中国特色自主创新道路，建设创新型国家，需要我国高等教育培养出更多富有创新精神的创新型人才。未来15年，经济社会的发展将为高校工程人才培养的发展带来旺盛的需求，也必将成为工程人才培养发展的重要战略时期。

2.建设中原经济区战略新兴产业为工程硕士教育提供巨大动力2011年9月28日，国务院下发了《国务院关于支持河南省加快建设中原经济区的指导意见》（以下简称《意见》）。《意见》明确了在河南省即将积极培育的六大战略性新兴产业：生物、新材料、新能源、新能源汽车、高端装备和节能环保产业。人才是发展战略性新兴产业的最关键要素。新兴产业不同于传统制造业，对于人力资源的要求非常高。在新兴产业发展的过程中，需要的不再是大量的廉价劳动力，而是高学历、高素质、高水平的智能型人才。缺乏人力资源的持续供给，发展新兴产业无疑是纸上谈兵。河南省人才队伍长期存在着人才总量不足、整体素质不高、结构性矛盾比较突出、分布不甚合理等现象。注重人才培养，必需建立战略性新兴产业人才配套体系，培养大量掌握最新工程科学技术知识、具有跨学科与国际化视野的创新型工程人才。

三、中原经济区建设背景下工程硕士教育的特色

1.突出培养“高层次、应用型人才”河南省工程硕士教育始终坚持科学研究紧密结合经济建设，注重面向中原经济区建设战略目标及经济社会发展的重大战略需求，以突出应用性研究、深化产学研合作、加强自主创新为主线，以培养基础性研究与应用性研究人才并重、以应用性研究为主的人才为最终目标。紧密结合工程硕士的培养特色，以培养具有创新、创业和实践能力的高层次应用型人才为工程硕士教育的培养目标，增强服务于国家经济社会发展的能力，促进社会发展与人才培养实际需求，加快结构调整的步伐，使河南省工程硕士教育成为制造行业工程师和高端应用型人才培养的基地。

2.以“产、学、研”为培养手段教育部在下发的《关于做好全日制硕士专业学位研究生培养工作的若干意见》（教研[2009]1号）中指出：要提供和保障开展实践的条件，建立多种形式的实践基地，加大实践环节的学时数和学分比例。注重吸纳和使用社会资源，合作建立校企联合培养基地，联合培养专业学位研究生，改革创新实践性教学模式。推进专业学位研究生培养与用人单位实际需求的紧密联系，积极探索人才培养的供需互动机制。加强科教结合，鼓励高校与科研院所联合培养研究生是培养拔尖创新人才的重要途径。当知识经济成为社会发展的趋势后，人力资源成为各种企业在激烈的竞争中立于不败的关键因素，企业渴望人才，也愿意积极考虑如何使用人才和培养人才，因而如何发挥企业在工程师人才培养中的作用可以说是我国工程硕士专业学位教育发展最直接的制约因素。[1]长期以来，在国家有关部门的鼓励和支持下，河南省高校积极开展了与企业间各种形式的联合培养研究生工作，在联合培养的管理机制创新和培养模式创新等方面取得了有益的经验和积极的成效。多数高校兴建了“企业研究生创新工作站”、“企业研究生创新中心”和“企业研究生培养实践基地”，联合企业已经成为工程硕士培养的专业实践基地。工程硕士不仅可以在企业中进行专业实践，根据企业具体需求来开展课题研究，而且能尽早接触到企业环境、企业运作方式和企业文化，缩短由研究生转变为技术人员的适应期。

3.建设特色工程领域，吸引高层次生源工程领域的设置与一定时期国家的政治、经济、文化息息相关，同时随着社会的发展变化进行不断调整。随着建设创新型国家目标的提出以及中原经济区建设的逐步深入，河南省工程领域的设置紧密反映了市场需求，工程领域的特色逐渐显现。特别是河南省工程硕士教育涵盖的工程领域，如生物工程、软件工程、物流工程、电子与通信工程等工程领域满足了社会对于新兴产业的迫切需求。需要进一步加强特色工程领域的建设，服务于行业需求，为河南省新兴产业提供高素质工程人才支撑。

4.以高水平的导师为保障发展工程硕士教育的关键是建构一支结构合理、具有较高理论水平和丰富实践经验的工程硕士教育的师资队伍。可以选派经验丰富、责任心强、熟悉企业生产实践、在专业领域取得一定成绩的教师担任工程硕士的校内导师，聘请具有丰富实践经验、较强基础理论知识的企业技术人员担任工程硕士的校外导师，组成导师指导小组，实行工程硕士双导师制。校内导师以理论指导为主，校外企业导师以工程实践指导为主，充分发挥校内导师的理论指导优势和企业导师的工程实践优势。实行双导师制。在研究生论文选题、研究和论文撰写过程中，双导师制能够充分发挥双方导师的优势、取长补短，有利于理论联系实际，提高论文的真实水平和含金量，提高研究生的工程实践能力和综合能力。

5.运用多类型培养模式为了满足国家尤其是河南省对高层次创新人才培养的需求，结合本省工程人才培养特色，高校积极与科研机构、高新技术企业之间开展科研合作，建立研究生校外教育创新实践基地，对工程硕士采用不同时段培养方式、培养两段式、双导师制模式联合培养硕士研究生等多种培养模式。针对不同的生源，明确定位，制订多种培养方案，进行多类型培养。根据课题的需要，尝试采取了“1+1+1”、“1+2（1）”、“1+2（2）”等几种培养模式。“1+1+1”培养模式就是研究生第1学年到相关企业或研究单位或其他高校从事课题研究，第2学年回学校从事课程学习和课题研究，第3学年再回到相关企业开展课题研究并完成学位论文，在企业从事课题研究期间企业导师和校内导师共同指导。“1+2（1）”和“1+2（2）”两种培养模式均是研究生第1学年在校主要从事课程学习；前一种培养模式为研究生的传统培养模式，即后两个学年在校从事课题研究并完成学位论文，小部分时间到企业开展课题调研和实验研究；后一种模式是研究生的后两个学年到企业从事课题研究并完成学位论文，在此期间研究生由校内外导师共同指导。

四、创新工程硕士培养机制，服务中原经济区建设

1.加快学科专业结构优化高校工程硕士教育必须主动适应建设创新型国家发展的需要，加快学科专业结构的调整与优化，创新课程改革，结合本单位的学科特点与新兴产业技术的发展制订培养方案与培养计划。实行多类型的教学组织形式，并在教学过程中注重提升学生的实践能力，使工程人才培养与产业创新发展紧密联系起来，起到真正服务中原经济区建设的作用。

2.鼓励交叉学科人才培养工程硕士创新能力的培养是工程硕士教育的重要内容。大学的学科是实现人才培养、科学研究和社会服务的基础，是研究生教育的载体。对学科基础相关、内在联系紧密、资源共享、优势互补的学科群进行交叉，对学科的发展、科学研究的开展，尤其是对研究生创新人才的培养具有十分重要的意义。[2]学科之间的交叉、渗透、融合有利于工程硕士教育内容的丰富、优化，并且可以及时对教育内容进行组合、补充。同时，学术团队中不同知识结构以及专业背景的成员的互相交流有利于运用优化、综合的教学手段，进一步激发研究生的创新思维，提高研究生的创新能力。具有交叉学科知识背景的工程人才能够更快掌握适用于本工程领域建设需要的现代化先进技术手段，并了解本工程领域的技术发展动态及技术前沿。开展多学科交叉研究能够突破一些制约产业创新发展的瓶颈问题，更好地服务于中原经济区战略新兴产业的建设。

3.加强校内外导师的协调管理采取双导师指导工程硕士生既发挥了企业的作用，又促进校企交流，优势互补。但部分校内导师缺乏工程实践背景，企业高层次技术人才与高校之间的互动相对匮乏，企业导师和校内导师难以保证指导研究生方面的联系与互动。需要进一步强化校内外导师间互动，邀请企业导师到高校中不定期开展讲座与进行现场授课，通过讲授面向工程实践的知识增强学生对专业的了解。校内导师应积极开展与相关企业的互动，增加实践经验，为培养素质良好的高层次创造性人才奠定基础。总体来讲，增进校内外导师的互动、推动校企间合作是一项比较复杂的系统工程，不仅依赖于高校的积极性，更有赖于企业的配合。学校应当积极协调学校、学生、企业三方，有效推动校企间合作，加强校内外导师的协调互动。

4.加强校企协同创新通过校企协同创新推进工程硕士与高新技术企业之间的创新技术合作，使工程硕士的论文选题既来自于企业生产实际又能够为企业解决实际问题，强化课题研究工作的实用价值，同时确保学位论文的理论性比例，力求研究生论文理论性和实践性相统一。校企间的密切合作可以使工程硕士培养方案的设置更加合理、有效，针对企业的需要开设或增设一些实用的、具有前瞻性的专业选修课程，尝试对工程硕士进行“订单式”培养，使工程硕士迅速成长为企业所需要的复合型、应用型人才。

五、结语

光学工程论文范文篇5

【关键词】中韩;研究生;凝聚态;物理教育;教育模式;管理

当代的研究生教育模式，由于文化起源的不同，大致可分为西方和东方教育模式。其中，东方模式以中、日、韩为代表，受儒家思想影响较大，主要以灌输式教育为主；西方以欧美国家为代表，以让学生尝试体验，在解决难点中积累和得到结论。本文以中国长江大学和韩国东国大学的研究生教育代表，通过比较理论课程、实践课程以及学术交流的设置，分析利弊，找到对我校及我国研究生凝聚态物理学教育的启发。韩国半导体、凝聚态物理专业，为韩国强势专业，为韩国培养大批人才，为韩国半导体行业的崛提供了强大的动力。同时，中国的半导体、凝聚态物理研究生教育也有长足的发展和自身的特点。但是，在半导体领域落后于韩国是不争的事实。因此，本文从凝聚态物理的研究生教育入手，希望对我国、我校研究生教育有所启发，促进我校凝聚态物理相关教育的进步。

1.中韩研究生教育发展和培养目标

1.1中韩两国研究生教育发展历程：中、韩两国研究生教育体制的确立，相对西方发达国家而言比较较晚。就中国而言，在新中国成立前，国内几乎没有研究生相关教育活动。新中国成立后，才逐渐开始有研究生的招生和培养尝试。但是，发展过程也比较曲折。改革开放以来，我过研究生教育得到蓬勃发展。经过近40年的探索和改革，我国研究生教育逐渐成熟，学科组织和课程设置等都变得更加合理。招生人数不断扩大，为社会输送了大量高素质人才。韩国研究生教育，开始于上世纪五十年代。韩国研究生教育制度，除了受到儒家思想影响外，还较好的借鉴了美国的教育模式。首尔大学通过借鉴美国研究生教育模式，在1959年创办了韩国首个专门研究生院。为了进一步提升国民素质和国家GDP，韩国政府大力支持研究生教育，为韩国的发展培养了一大批高科技人才[1]。1.2中韩两国研究生教育培养目标：中国研究生的大致可以分为两大类：学术型研究生和专业型研究生。学术型研究生的培养以学术研究为主，注重基础研究和学术创新。专业型硕士，注重技术创新和工程实践。学制均为三年，研究生可以根据自身实际情况申请提前毕业。从毕业要求看，要求毕业生具有系统的知识体系和基本的研究思路。同时，要求学生在未来的科学研究工作中能够担负重任，推动学科领域的理论研究与技术创新发展。韩国的研究生培养模式为“三院制”。普通研究生院以培养学术型人才为核心，和中国的学术型硕士类似。主要从事基础科学研究和学习；专门研究生院则和中国专业型硕士类似，注重培养研究生的专业实践能力和实践操作能力，课程设置具有较大的实践性，主要培养实践能力较高的综合型人才；第三类为特殊研究生院，主要招生对象主要在职人士，为其提供深造平台，注重课程的灵活性与实用性。第三类研究生院，非常具有韩国特色，它为很多人提供了进一步深造和提高的机会，也体现了终身学习的理念。所以，在韩国研究生学习期间，我们经常发现一些白发苍苍的同学，非常值得中国学习和借鉴。韩国的“三院制”充分体现了韩国对研究生培养目标的广泛性和终身教育的理念[2]。

2.中韩研究生凝聚态物理培养模式比较

从中韩两国研究生教育制度的确立与发展，虽然两国研究生教育制度的确立都相对较晚，但经过几十年的发展，基本都形成了自己的鲜明特色。中、韩两国在凝聚态研究生教育方面，重视文化的传承，也重视对西方教育理念的学习，两国的教育模式受到本国文化的影响，既有共性也有自己的特色。2.1中韩凝聚态物理研究生的课程设置比较：目前，我国综合性大学、学院以及职业院校均开设了材料、半导体、凝聚态物理相关专业。本文以长江大学为例，长江大学是湖北省规模最大、学科门类较全的综合性大学。长江大学物理与光电工程学院是“十二五”湖北省重点学科建设单位，具有湖北省重点学科———物理学专业，同时拥有“物理学”和“光学工程”两个一级学科硕士学位授予权。长江大学的凝聚态物理课程设置包括学位课、非学位课和实践课，课程总学分为34以上。学位课为必修课，含公共课、专业基础课，学分为21学分；非学位课最低修满11学分；实践课为必修课，含专业实践、社会实践和教学实践，学分为2学分。学位课七门，包括自然辩证法、中国特色社会主义理论与实践、科技英语写作与翻译、国际学术交流实用英语、高等量子力学、群论、固体物理，总共21个学分。非学位课由导师和硕士生根据专业培养方案的要求和研究方向的需要，具有较大的灵活性，至少修满11个学分。比如长江大学根据学科需要，凝聚态物理开设了：学术活动，光学精密测量技术与仪器，薄膜物理，半导体物理与器件，材料分析测试技术等。非常具有学校和学科特色。研究生课程设置是根据培养目标制定的，培养德、智、体全面发展，具有坚实系统的理论物理基础和系统的专门知识，熟悉理论物理学科相关方向的国内外研究历史、现状和发展方向，具有从事科学研究、高等学校教学工作或独立担负有关专门技术工作能力，适应社会发展需要的高层次人才。韩国的研究生教育实行地方分权制，国家没有过于统一管理，对于高校教育的管理也未成立专门的政府部门。各地方高校对课程的编制、教学管理等方面拥有较大的自主管理权力。因此，韩国大学的教育政策比较开放。例如东国大学凝聚态物理专业研究生课程提供固体物理学、表面科学、电子动力学的入门课程。第二学期开始，课程中提供了更先进的高级实验物理、高级固体物理、应用物理的特殊研究、量子电子学、固体物理特殊问题研究方法、先进半导体器件等主要课程。硕士生学习年限为两年，共四个学期，前三个学期需要修够24学分，最后一学期撰写毕业论文。从课程设置看，整体理论课程少于实践课程，且没有中国的例如自然辨证法等公共课程。学生可以花更多的时间和精力，学习与专业有关的知识，学习的知识也更加贴近毕业后的实际应用。同时，韩国研究生教育，实践和学术交流所占比重非常大，学校也有专款提供学术交流和学习，开拓学生眼界。以东国大学为例，一名研究生一年学校至少组织和支持两次参加国际学术会议机会，而中国三年仅支持一次国内会议的机会。因此，在实践和学术交流上，非常值得中国学习。总之，韩国研究生教育，受西方研究生教育影响较大，认为研究生教育注重过程，和学术基本技能培养。由此看出，中国凝聚态物理研究生教育的课程设置，德育和英语教育占了一半比例，而专业基础知识的教育占一半的比例。所以，中国的研究生教育更重视德育。而韩国研究生教育，将德育重点放在初高中教育，少数放在本科教育。所以，在研究生教育中，完全没有德育或者政治教育相关课程。我认为，我国在本科及以前教育，已经将政治教育、德育、外语基础教育放在比较重的位置，已经为学生树立正确的政治观点和外语基础。而研究生教育，是培养更加专业的人才，可以适当减少相关的课程开设。2.2中韩研究生凝聚态物理教育的实践比较：长江大学硕士研究生的实践环节，学术活动为必选，教学实践、社会实践、科研实践任选其一。实践环节总共两个学分。从学分上看，研究生教育对实践环节，非常不重视。相反，韩国研究生教育，将实践环节看得非常重要。在两年研究生期间，至少参加两次以上的学术活动，至少有两次将自己的工作，制作为墙报或者口头报告和同行交流。同时，韩国物理协会，每年会组织全国研究生科研、学术、报告技能的综合比赛，从而很好的锻炼研究生的实践技能。作者有幸，曾获得一次韩国全国研究生学术交流一等奖。在这个过程中，学术交流、英语水平等得到实质的提高和锻炼。同时，鼓励研究生参加中小学教育实践，提高教学技能。另外，在中国的大学生创新创业实践活动，基本都是教师带领本科生完成。而韩国，基本都是研究生带领本科生做相关工作。同时，研究生基本都会作为助教，参与本科生教学，一方面提高学生教育技能，另一方面给予学生适当生活补助。综上所述，长江大学，研究生凝聚态物理教育实践阶段可分为校内校外两种，理论与实践并重。东国大学研究生教育实践通过举办学术活动、比赛、加强与中小学或者企业合作、助教等形式，学生实践环节在研究生教育占很大比重。

3.韩国研究生凝聚态物理教育模式

对中国的借鉴研究生教育不仅是对学术知识素养和体系的提高，更是对学生人文素养和人格的完善，因此具有重要的价值。对比两国研究生教育，特别是凝聚态物理研究生教育的差异性，我们可以获得一些启发，从而有意识的改进我们在研究生教育中的侧重点。3.1研究生导师的时间和精力投入。笔者通过与四川大学、电子科技大学、陕西师范大学、西北大学和长江大学等研究生导师交流和学习。发现，在我国研究生教育中存在普遍问题：研究生导师精力投入普遍不足。特别一些研究生，一年能只能见到导师1-2次；导师将大量精力放在项目申请、人际关系和创业上；从上课来讲，研究生课程基本集中在1-2个学期完成，且由部分导师，并未将心思放在安心给学生上课上，后面两年都在进行实验室或者论文相关的工作。笔者个人认为，如此，何来质量可言。相反，在韩国学习期间，不管导师学术成果多么优秀，每周或者每月均会举行组内讨论，检查学生科研进展。同时，大学院也非常注重研究生导师对学生基础知识的培养和教学质量的检查，督促老师给学术打好基础。如此，短期看，影响单个导师学术成果的产出；长期看，给学术打好了良好的学术基础、给学术授之以渔，对整个国家和学生长期发展非常有益。笔者亲身经历来讲，在韩国学习期间，只有最后一个学期没有进行基础知识的学习。在课堂中，导师基本都是英文教学，给学生英文的环境。我撰写的每一篇学术论文，都是导师一字一字的修改和思考，我在中国是非常难见到的。然而，学术成果，光从研究生学术成果产出来讲，韩国研究生的产出并不比中国研究生的产出低。3.2实践和学术交流环节应加大投入。中国的研究生教育，普遍存在实践环节薄弱的问题。所研究的对象，与毕业后所从事的工作没有关系。因此，可以采取多种形式的实践，例如：适当安排学生去学校实习，这样既开拓了学生视野，也为学生踏入社会，更好的适应社会，为社会培养更有用的人才提供机会。同时，可以根据公司需要，签订定向培养合同，安排相应的理论和实践课程，开拓学生就业口面和空间。同时，学生的学术交流，也是促进研究生进步的重要组成环节。从1977年开始,韩国政府每年选派大量成绩优异的大学毕业生到国外攻读硕士学位或博士学位,并由政府提供奖学金；同时,韩国政府也将支持研究生进行短期或长期的海外培训,邀请海外著名学者到韩国讲学。因此，我国研究生教育也可以借鉴，除了选派交换生以外，可以加大学术交流的投入和教师的短期培训门槛。

总之，韩国高校研究生凝聚态物理专业的教育，更注重基础知识和技能的教育，课程的学习几乎贯穿整个研究生学习阶段；英文通过营造全英文教学环境促使学生学习。在对研究生导师时间投入上，学院也采取大量鼓励和监督措施，督促研究生导师回归教育，加大对学术的关注和时间投入，给研究生授之以渔。而我国高校对凝聚态物理专业的研究生培养注重德育、基础知识和学科知识的完整性，实践模式中理论因素太大，实践投入普遍不足。通过对比韩国研究生教育模式，未来中国研究生凝聚态物理教育模式的发展需要增加实践环节，减少英语等基础知识在必修课中的比例，加大专业知识课程的比例，加大对导师在研究生教育的精力投入。从而，增加研究生的理论深度和适应社会的能力。

参考文献：

[1]蒋妍捷，张玉山.中韩研究生陶艺教育实践模式比较研究[J].陶瓷科学与艺术，2018（08）：12-14

[2]孟建新，战红.韩国研究生教育发展论析[J].石油教育.2006(1)

[3]孟宪华，牟为娇.BK21工程与韩国高等教育改革[J].东北亚论坛.2004(7)

[4]谢作栩.韩国高等教育大众化的发展历程和特征[J].外国教育研究.2002（1）

光学工程论文范文篇6

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

6结束语

FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。

参考文献：

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[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.

光学工程论文范文篇7

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials

JinliangCui

(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

图2

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。

图3FGM的应用

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。

设计设计

图4FGM研究开发体系

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

图6SHS反应过程示意图

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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

图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

6结束语

FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。

参考文献：

[1]杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]李永,宋健,张志民等.梯度功能力学[M].北京:清华大学出版社.2003.

[3]王豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理,2000,29(4):206-211.

[4]曾黎明.功能复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.

[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.

[7]李智慧,何小凤,李运刚等.功能梯度材料的研究现状[J].河北理工学院学报,2007,29(1):45-50.

[8]李杨,雷发茂,姚敏,李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J].菏泽学院学报,2007,29(5):51-55.

[9]林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报,2006,6:1-4.

[10]庞建超,高福宝,曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J].金属制品,2005,31(4):4-9.

[11]戈晓岚,赵茂程.工程材料[M].南京:东南大学出版社，2004.

[12]唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社,2007.

[13]李进,田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J].宁夏工程技术,2007,6(1):80-83.

[14]戴起勋,赵玉涛.材料科学研究方法[M].北京：国防工业出版社,2005.

[15]邵立勤.新材料领域未来发展方向[J].新材料产业,2004,1:25-30.

[16]自蔓延高温合成法.材料工艺及应用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm

[17]远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.

[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.

光学工程论文范文篇8

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基

体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-

20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

6结束语

FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。

参考文献：

[1]杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]李永,宋健,张志民等.梯度功能力学[M].北京:清华大学出版社.2003.

[3]王豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理,2000,29(4):206-211.

[4]曾黎明.功能复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.

[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.

[7]李智慧,何小凤,李运刚等.功能梯度材料的研究现状[J].河北理工学院学报,2007,29(1):45-50.

[8]李杨,雷发茂,姚敏,李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J].菏泽学院学报,2007,29(5):51-55.

[9]林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报,2006,6:1-4.

[10]庞建超,高福宝,曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J].金属制品,2005,31(4):4-9.

[11]戈晓岚,赵茂程.工程材料[M].南京:东南大学出版社，2004.

[12]唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社,2007.

[13]李进,田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J].宁夏工程技术,2007,6(1):80-83.

[14]戴起勋,赵玉涛.材料科学研究方法[M].北京：国防工业出版社,2005.

[15]邵立勤.新材料领域未来发展方向[J].新材料产业,2004,1:25-30.

[16]自蔓延高温合成法.材料工艺及应用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm

[17]远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.

[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.

光学工程论文范文篇9

1.1MIT航空航天学科专业设置MIT的航空航天专业是美国同领域中最有名的专业，其人才培养理念和课程设置举世闻名[3]。MIT在1959年成立航空航天系（TechnologyDepartmentofAeronau-ticsandAstronautics），分属于工学院。在20世纪70年代早期，航空航天系建立起统一的工程课程体系，包括静力学、固体力学、材料学、动力学、流体力学、热动力学与推进、线性系统等。注重各课程之间的内在联系，同时强调作为本领域的领导者需要考虑技术解决方法与经济、政治、社会、环境需求和社会约束之间互相关系的理念[4]。在21世纪初，科学知识与工程实践相结合逐步形成现代工程理论体系，航空航天系对课程体系进行了彻底改革，经过两年的全面发展，形成一种全新工程教育理念和实施体系[5]———CDIO，CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），这对MIT产生了根本而持久的制度影响，更广泛地影响了全美工程教育，其航空航天学科从20世纪90年代起连续多年位居全美工科第一。独特的航空航天工程教育不仅促进了科技创新与发展，也引领着世界工程教育的改革方向，对美国在航空航天领域走在世界的前列起着极其重要的作用。学生在航空航天工程（AerospaceEngineering）和工程学（Engineering）经过4年学习，将获得理学学士学位（BachelorofScience）。工程学是航空航天工程的一个补充，对多学科关联的工程技术领域如机器人与控制、计算工程、力学或工程管理等有更深入、更广泛的理解，由ABET（AccreditationBoardforEngineeringandTechnology）工程认证委员会授予学位[6]。航空航天系设有航空与航天科学工程和航空与航天信息科学工程两个本科专业方向[7]。1.2国内综合性大学航空航天学科专业设置航空航天是工程性极强的行业，集中了许多尖端技术，涉及机械、电子、光学、信息科学、计算机技术、材料科学等高新技术，是一个极其庞大、复杂、综合的系统工程，依赖于多学科背景知识的支撑。根据教育部高等教育司颁布的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》[8]，航空航天类分属工学学科门类，基本专业包括航空航天工程、飞行器设计与工程、飞行器制造工程、飞行器动力工程、飞行器环境与生命保障工程等5个专业；特设专业包括飞行器质量与可靠性和飞行器适航技术两个专业。在《国家中长期科技发展规划纲要》(2006—2020年)发展目标提到生物、材料和航天等领域的前沿技术达到世界先进水平，大型飞机、载人航天与探月工程被列入16个重大专项，空天技术也被列入前沿技术中[9]。显示出中央对我国航空航天事业发展的高度重视，给原来航空航天的高校带来了巨大的发展机遇。原航空工业部时期的六大高校：南京航空航天大学、北京航空航天大学、南昌航空大学、沈阳航空航天大学、郑州航空工业管理学院和西北工业大学。哈尔滨工业大学始终保持航天特色，航天学院是1987年经国家航天工业部批准成立，原隶属于工业和信息化部。在办学历史上有航空航天血统的高校如清华大学（2004年）、浙江大学（2007年）、厦门大学（2015年）、上海交通大学（2008年）等积极重建航空航天类专业；北京大学（2008年）、电子科技大学（2012年）、中南大学（2009年）等也在各自学科特色的基础上建设了航空航天类专业。对比MIT与我国综合性大学专业设置，我国航空航天学科专业设置较细，除《普通高等学校本科专业目录（2012）》设置含5个基本专业和两个特设专业外，各综合性大学依据自身学科所长进行专业设置，专业分属的学院也有差异，如西北工业大学航空学院飞行器控制与信息工程、航天学院探测制导与控制技术、哈尔滨工业大学航天学院工程实验班的工程力学和复合材料与工程两个专业方向等。在一定程度上来说，专业设置的具体化对专业人才培养发挥了积极促进作用，为我国航空航天领域发展解决了工程技术人才的基础供给问题。然而，专业设置过于具体化不利于学生创新能力的培养，适应国家发展战略要求，改革人才培养模式已经成为发展的必然趋势。目前，我国高校招生已逐步按学科大类招生，如在2017清华大学年打破院系和专业壁垒，将所有本科专业划分为数理类、人文与社会类、机械、航空与动力类等16个大类进行招生。按学科大类招生将改变原有的教学和人才培养模式，使学生可以根据自己的能力和兴趣学习，从而形成宽基础、交叉复合的知识结构，有利于专业深入和创新能力培养。这符合航空航天高技术产业应用要求，契合对工程领军人才和具有开创探索精神的工程精英人才的时代要求。

2航空航天学科教育课程体系

2.1MIT教育课程体系典型的课程体系结构有两种：一类是层次化课程体系，循序渐进、逻辑性强。另一类是模块化课程体系，能够突破学科专业领域的界限，满足学生全面发展和个性发展需求。MIT的教育课程体系是典型的模块化课程体系。MIT航空航天系航空航天工程专业课程计划如表1所示。表1MIT航空航天系航空航天工程专业课程计划MIT的课程体系包括两大模块，模块一为全校性统一要求课程(GeneralInstituteRequirements，简称GIRs)，包括：（1）基础科学课程包括数学、物理、化学和生物类；（2）人文、艺术、社会科学课程（Humanities,Arts,andSocialSciences,简称HASS）；（3）科学与技术课程包括生态、环境、地质、结构、材料、计算机、能源等；（4）实验课程包括数字系统导论实验（IntroductoryDigitalSystemsLaboratory）、实验项目Ⅰ（ExperimentalProjectsⅠ）、实验项目Ⅱ（ExperimentalProjectsⅡ）、飞行器发展（FlightVehicleDevelopment）和空间系统发展（SpaceSystemsDevelopment），选择其中1门。这些课程一般在前两学年完成。模块二为航空航天系要求课程(DepartmentalProgram)，系核心课程为8门必修课程和1门二选一课程，包括计算机科学与编程导论、材料与结构、信号系统等。专业领域课程在至少3个专业领域选择4门课程，包括航空动力学、结构力学、通讯系统等。实验与前沿课程二选一课程是飞行器工程和空间系统工程，三选一课程是机器人学、实验项目和前沿课程，包括飞行器前沿和空间系统前沿。非限选课课程类别较多，可任意选择修读，达到48个学分要求。MIT的教育课程计划将模块一和模块二相结合，其中模块一为模块二的学习奠定基础。模块一开设的基础科学和科学与技术限选课程共需完成8门课程，而开设的人文、艺术和社会科学课程也需完成8门课程，因此，科学类课程与人文素养课程作为模块一的核心课程，同等重要，文理兼修得到充分体现。同时，从模块一的实验课程到模块二的实验与前沿课程，实践教育在MIT的教育课程计划中贯穿始终。实现了高校教育与工程实践关系的重构———在继续加强基础理论学习的基础上，向生产实践回归[10]。2.2国内典型航空航天学科的教育课程体系我国综合性大学的航空航天学科课程计划普遍采用模块化课程体系，根据自身学科所长开设课程有所差异，但模块设置和课程计划大同小异。西北工业大学是我国原航空工业部老牌的综合性大学，是唯一一所同时发展航空、航天、航海（三航）工程教育和科学研究的多学科、研究型、开放式大学[12]。飞行器设计与工程专业是西北工业大学办学历史最为悠久的学科之一，实力雄厚。以西北工业大学飞行器设计与工程专业培养方案为代表，进行航空航天学科教育课程体系介绍，表2是西北工业大学飞行器设计与工程专业的课程计划（2015年）[13]。西北工业大学飞行器设计与工程专业的课程计划（2015年）主要包括4个模块：通识通修、学科专业、综合素养和实践训练。（1）通识通修，可分为必修课程和限选课程，其中必修课程包括思想政治理论课、职业规划与发展课程、心理成长与个人发展课程、军事课程。限选课程包括公共通修基础课程和分层次通修课程，其中公共通修基础课程包括计算机类基础课程、大学英语基础课程类、体育类和程序设计实验。分层次通修课程包括非专业数学类课程和自然科学基础课程。通识通修课程一般在前两学年完成。（2）综合素养，包括三航概论和艺术素养类课程，在艺术素养课程中至少选修2学分，未建议修读学期。（3）学科专业课，包括学科基础课、专业核心课程、学科前沿课程和专业选修课程。学科前沿课程包括学科前沿系列讲座和航空航天技术概论两门。专业选修课程根据学科方向和个人发展进行选择，有70余门课程可供选择，至少选修9学分，跨学科至少选修2学分。（4）综合实践包括毕业设计/论文、集中实践环节和科研训练三部分，其中集中实践环节主要包括金工实习、认识实习、生产实习、课程设计等内容。西北工业大学飞行器设计与工程专业的课程计划（2015年）的通识通修模块为学科专业模块的学习奠定基础。特别提出的是在通识通修模块中开设了思想政治理论类和军事课程。这符合《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中指出：“坚持德育为先。立德树人，把社会主义核心价值体系融入国民教育全过程”的要求。综合素养课程除去三航概论的0.5学分，需修满11.5学分，体现了对人文素养课程的重视。同时，综合实践形成独立模块，从第三学期金工实习A开始到第八学期的毕业设计/论文，每学期均有不同的实践课程，并在第六、七学期开展了科研训练课程。与MIT航空航天学科教育课程体系相比，我国综合性大学航空航天学科教育课程体系改革原有层次化教育课程体系为现行的模块化课程体系，注重知识、能力、素质的融合，以专业系统知识为核心，开设思想政治理论类和军事课程、体育类课程、人文艺术素养类课程，全面提高学生综合素质，培养学生的创新能力和实践能力。以德育为先，能力为重，全面发展，使学生成为德智体全面发展的社会主义建设者和接班人[14]。

3结语

光学工程论文范文篇10

关键词：应用技术型人才；转型发展；大学物理课程；教学改革

国家经济发展方式的转变、产业结构的转型升级需要大量高素质、多样化的应用型人才，向应用技术型高校转型是新建地方本科院校走向内涵式发展的必然选择和重大机遇。在向应用技术型大学转型的背景下，各新建地方本科院校突出了“应用型”办学定位[1]。然而，目前多数新建地方本科院校仍然沿用传统的大学物理教学模式，侧重理论知识的教学，对不同专业未加以区分，在教材选用、教学内容、授课方式和考核评价等方面仍采用同一标准。不同专业有不同的特点和人才培养目标，对大学物理课的教学的需求也不尽相同，缺乏专业针对性的大学物理教学模式显然已不适合新形势下应用型人才综合素质培养的要求。因此，如何将大学物理与各理工科专业有机结合，进行具有专业针对性的大学物理课程教学模式改革的探索与实践具有重要的意义。

1．目前大学物理课程设置中存在的问题

1.1大学物理课程与理工科各专业其它课程结合度差

目前，多数新建地方本科院校各理工科专业使用统一的大学物理教材,与各个具体的专业结合不够紧密,专业针对性差。虽然大学物理是理工科各专业的公共基础课，但各专业有各自的专业特色和要求，因此对大学物理课的要求也不尽相同[2]。大学物理课程缺乏专业针对性容易使学生产生物理无用论的错觉，认为学习物理对专业知识、课程的学习没有帮助，学习积极性不高，学习效果差。

1.2教学内容陈旧，较少体现现代性和专业针对性

当今社会科技发展日新月异，物理新知识、新技术不断涌现，为其它学科的进步奠定了重要的理论和物质基础，推动了诸如信息科学、材料科学、生命科学以及农业科学等学科的进步。然而目前多数新建地方本科院校使用的物理教材，教学内容陈旧，侧重于经典物理学中的力学、热学、振动和波动光学以及电磁学基本知识和理论的教学，较少涉及高新技术、科技在现实社会中的应用，同时缺乏专业针对性，对与信息科学、材料科学以及生物科学等学科关系紧密的激光信息技术、量子通信技术、同步辐射核磁共振波谱技术、新型显微技术、混沌理论和耗散结构等鲜有介绍。

1.3课程体系结构设置不合理

向应用技术型大学转型的大形势下大学物理地位被削弱，大学物理教学面临着学时少而教学内容多的突出的矛盾。目前，大多数新建地方本科院校各理工科专业主要是通过删减教学内容来克服学时少的矛盾，侧重于经典物理知识的教学而对于近现代物理技术及其应用仅作简单介绍或干脆完全删除，在课程体系设置方面则主要还是采用单一的必修课。物理新知识、新技术的发展带动了其他学科的发展，因此，有必要对物理学新进展、新技术及其在各专业中的应用加以介绍。显然，单一的课程结构已不能适应物理学知识的深度与广度上不断发展的趋势,不能满足各理工科专业对物理新知识的需求。

2.改革的具体措施

2.1优化教学内容、加强专业关联性

物理学包括经典物理学，近代物理学与当代物理学三个部分。经典物理学主要涉及力学、热学、光学和电磁学等内容，这部分内容的教学对理工科专业学生的科学素养、数理思维以及分析解决实际问题能力的培养具有重要意义。在向应用技术型技术大学转型发展的背景下虽然大学物理的地位被弱化、教学课时被缩减，但笔者认为大学物理中经典物理知识的完整性不应被削弱和破坏，但要结合各专业特点进行优化整合[3]。在学时有限的前提下，那些与专业课程联系不是特别紧密的内容只需围绕物理学基本知识、概念、定律和思想方法进行定性介绍，只要能够使学生建立清晰的物理图像即可，避免繁杂的数学论证和理论推导；而那些对专业课程具有较大影响的内容则要进行重点教学。比如，对于通信工程和电子信息工程类专业的学生，电磁学部分要进行重点教学。对于这些专业的学生而言，《电磁场理论》是一门非常重要的专业课。电磁场和电磁波作为信息的重要载体，在通信领域应用非常广泛，在雷达、遥感、导航等技术领域也有广泛的应用。因此，通信工程和电子信息工程类的学生必须熟练掌握电磁场与电磁波的基本性质、传播规律和传输、辐射、散射的基本理论。作为《电磁波理论》的先导课程，大学物理课程教学时应该突出电磁学部分的教学，重点介绍电磁感应现象和变化的电磁场等内容，使学生对感应定律、自感和互感、电磁振荡、电磁波和电磁波谱的基本理论和规律有充分的认识，为《电磁波理论》的学习奠定良好的基础。对于土木工程类专业大学物理在教学内容上应该侧重于力学部分；而对于石油化工等专业则需要侧重于流体力学和热力学基础定律等知识。近现代物理学与当代物理学前沿知识的教学可以开阔学生的视野，有利于学生创新意识和创新思维的培养。在有限的课时内，需结合理工科各专业的特点从众多物理学新知识和新技术中选择与专业紧密相关的内容进行重点教学。比如对于材料类专业，应选择与材料检测、分析息息相关的电子扫描显微镜、X射线衍射仪、激光超声检测等先进检测技术的原理和方法进行重点教学；对于通信类专业，应选择激光信息技术、量子通信技术、量子计算机和光复用与光放大等技术进行重点介绍。

2.2完善课程结构,将必修、选修和网络课程有机结合

各专业的特点和人才培养目标不同，对大学物理课的教学需求不尽相同。因此，需要对大学物理课程体系进行调整，改变单一化的课程模式，丰富大学物理课程体系[4]。根据大学物理教学内容与各专业的紧密程度，可以分成必修、选修和自主学习三个模块。必修模块主要包括经典物理理论基础知识和核心内容，其中重点在于与各专业联系紧密的物理知识，是学生必须掌握的部分，学生通过该模块的学习可以形成基本的科学素养、数理思维以及分析解决实际问题能力；选修模块则侧重于物理知识的延展与应用，主要包括与各专业联系最紧密的物理学前沿知识、技术及其在各专业中的应用，本模块可为理工科各专业学生后续的实践、操作课程奠定理论基础，增强学生的实际动手能力；科技发展日新月异，知识量、信息量剧增，除了通过必修模块和选修模块将经典物理学内容和与各专业联系密切的近现代物理学前沿知识、技术传授给学生，还应优选与专业关系紧密的物理学最新进展，如“高亮度发光二极管”、“超导体与超流体”、“混沌理论”和“熵信息论”等内容制成网络教学视频，供学生根据兴趣和需要自主学习，达到开阔学生视野，培养学生创新型思维的目的。

2.3丰富教学方式、手段，开展多元化教学

如上所述，为适应转型发展的需要大学物理课程的教学内容、课程体系需要根据理工科各专业的特点和应用型人才培养的目标做出相应调整。教学内容和课程体系的调整要求教学方式和教学手段也必须作出相应的变革。

2.3.1传统教学方式与研讨式、启发式有机结合

向应用技术型大学转型的背景下，大学物理课程课时被大幅压缩。传统的大学物理教学是以保姆式、注入式的教学方式为主，需要耗费较多的课时，而且教师一言堂讲授式教学往往忽略了学生的主体地位，教学效果普遍不佳[5]。因此，应该根据教学内容的特点和专业特色，将传统的教学方式与启发式、研讨式等教学方式有机结合。比如讲解“位移电流”时，教师可以利用奥斯特实验进行启发式教学。通过奥斯特实验学生已经知道了变化的电场会产生磁场。因此，教师可以类比地提出问题“变化的磁场是否产生电场”，通过类比的方法，引导学生提出“位移电流”的假设，并与“传导电流”进行比较，从而使学生对于“位移电流”的本质有一个清晰的认识。除了传统的讲授式和启发式教学外，对于那些与各专业的工程技术和实际生活联系紧密的，学生又易混淆、难以理解和掌握的物理概念和知识，可以通过创设问题情境的方式引导学生研讨，使学生对原本模糊的概念、知识和规律有清晰的认识。比如，为了加深学生对极性分子的极化、取向变化以及电磁感应和涡流加热原理的理解，在教学中可以让学生讨论为何金属容器不能放进微波炉而电磁炉只能使用钢、铁等金属容器？在学生文献查阅、交流讨论的基础上，教师进行物理相关知识进行总结概括，最终使学生电磁感应和涡流加热原理。

2.3.2优化多媒体、电视教学等现代教学技术的应用

多媒体、动画演示、仿真视频等技术手段可以将抽象的物理概念、现象形象化，可以帮助学生从直观的物理现象中加深对基本物理概念、物理规律的理解和掌握，同时避免概念、定理等文字性内容的板书，显著增加课堂的容量。但是，在大学物理课程教学中应当注意多媒体等现代教学技术不能偏离课堂教学辅助手段的定位，不能忽略教学内容的主导作用，应根据教学内容的特点适当地使用多媒体技术，避免过分依赖多媒体课件。对于抽象的概念和侧重演示与观摩的教学内容，使用多媒体和电视教学等现代教学技术进行辅助教学可以获得较好的教学效果；而对于侧重理论推导和定量计算的教学内容，传统的授课方式效果更好。比如推导“麦克斯韦方程”时，传统的推导式教学可以引导、培养学生的思维，学生更容易形成自己的逻辑推理能力，而用多媒体演示的效果要差得多。

2.4优化考核、评价体系

现有的大学物理课程基本上是采用结合平时作业、考勤和期末闭卷考试卷面成绩的考核方式，其中又以期末闭卷考试为主。闭卷考试的考核方式容易造成学生为了应付考试而死记硬背例题，从而忽略对知识的理解和应用。为适应应用型人才培养的要求，对学生的考核、评价体系也应当根据教学内容、课程体系和教学方法的改革同步地作出调整，宜采用多元化和累加式的考核方式，增加平时考核的项目和比重[5]。平时测试可以包括随堂测试、单元考核和攥写探究性论文等形式。比如在讲授电场强度时，教师在分析了均匀带电圆环在其轴线上的电场分布后可以随堂测试学生是否能够推导出均匀带电圆盘在其轴线上的电场分布情况。教师还可以将教学内容分成几个单元，在每个单元教学结束后针对本单元的教学重点和难点给出知识应用型题目，采用开卷答题考试的方式考察学生掌握情况。除此之外，教师还可以针对生活中常见的物理现象提出问题，让学生通过自主查阅文献资料，撰写科技小论文。除了平时测试，针对基本知识和教学重点，每学期末再进行一次开卷答题考试。最终按照作业10%，考勤10%，平时测试成绩40%，期末考试成绩40%的比例核定总成绩。

3.结语

围绕服务新建地方本科院校向应用技术型高校转型发展和高素质、应用型人才培养的目的，结合学科、专业的特点对《大学物理》课程从教学内容、课程体系、教学方式和考核评价体系几个环节开展教学改革的讨论和探索，给出了改革的具体建议，希望能够对转型发展形势下的《大学物理》课程教学工作有所促进。

作者:颜慧贤 曾振武 杨秀珍 单位:三明学院机电工程学院

参考文献:

［1］李宏,谷建生,莫文玲.结合专业特色的大学物理课程教学改革探索[J].物理与工程，2014,24(3):48-50.

［2］韩桂华,王钰.应用型人才培养模式下的大学物理课程教学改革[J].黑龙江高教研究,2009,6:185-186.

［3］李慧,周燕南,陈贺.民办高校转型发展下大学物理课程改革的探索与实践[J].科技视界，2015,26:15.