扩散边界层（共3篇）
扩散边界层 篇1
0 引言
燃气轮机是现代最重要的动力机械设备之一。为了获得更高的工作功率,科研工作者各施其能,特别是在工作条件要求较高的涡轮机叶片方面,或优化设计[1],或选用新型的耐高温材料[2],又或在叶片表面添加高温防护涂层[3,4,5],这些都能有效地提高燃气轮机的工作效率。高温防护涂层的表面涂覆由于容易实现、原理简单、效果明显而受到了材料工作者的广泛关注。但是,在长时间的高温服役过程中,涂层与基体间的元素互扩散会导致涂层性能发生退化,其中包括[6,7]:(1)涂层中的Al和Cr等元素向基体扩散,导致涂层中的有益元素缺失,降低涂层本身的自愈能力[8];基体中的Ti、W和Mo等元素进入涂层,破坏涂层表面保护性氧化膜的连续性和致密性;(2)在涂层/基体界面附近形成Kir-kendall孔穴,降低体系的力学性能和涂层的粘附力;(3)扩散区中脆性相的出现会造成裂纹的形核和扩展。图1是涂覆了NiCoCrAlY涂层的叶片(基体为IC6合金)经过360h的地面发动机测试后的实物图及截面形貌图[6]。由图1可见有Kirkendall孔穴和脆性相产生。为了抑止有害影响元素的互扩散,在防护涂层和基体之间加入扩散阻挡层是一种行之有效的方法[4,7]。
1 扩散阻挡层的作用机理
扩散阻挡层是人们在对涂层的不断认识过程中发现并逐渐投入应用的。最初,在对铁器进行氧化保护时,Rolls和Shaw[9,10]发现在铁基体和混合氧化物(Na2O·2B2O3或CaO·B2O3)涂层之间形成的4FeO·Fe2O3·B2O3化合物能够阻止金属离子的扩散,从而提高了整个体系的抗氧化性能。当时,他们把扩散阻挡层的作用分为阻断(Blocking)作用和阻挡(Barrier)作用。其中,阻断作用的机理是通过形成复杂多相产物,减少金属离子扩散的通道从而达到降低元素扩散的目的,4FeO·Fe2O3·B2O3化合物就是起这样的作用,界面孔穴等缺陷有利于阻断作用的提高;而阻止作用机理则是优先形成含易扩散离子的产物来降低离子本身的迁移速率。但事实上,扩散阻挡层的这2种机理经常是同时起作用的,因为扩散阻挡层的存在不但降低了其他离子的扩散速率,而且在后续反应过程中也会减弱反应离子本身的扩散。而本文讨论的扩散阻挡层多是以中间层的形式加入的,在氧化初期主要是阻断机理起作用,当合金元素扩散至阻挡层发生反应后,阻断机理和阻挡机理同时发挥作用。
2 扩散阻挡层的种类和性能
在高温防护涂层体系中,研究者曾选用过不同种类的扩散阻挡层。按照材料属性可将这些扩散阻挡层分为贵金属、难熔金属、双(多)金属和陶瓷层等。
2.1 贵金属
贵金属由于稳定性强,很早就受到了研究者的关注。Lehnert等[11]曾用Pt或含Pt的合金作为扩散阻挡层沉积于Ni基合金和Ni基涂层之间,与没有添加扩散阻挡层的体系相比,发现含阻挡层的体系抗氧化能力有了很大的提高,后者的使用寿命是前者的4倍强;在1050℃和150℃间进行热冲击10000次,带扩散阻挡层的涂层未发现有诸如开裂之类的损坏。但如果在Co基合金上使用相同的涂层体系,效果并不明显;通过在Co基合金上预沉积一层Ni合金,性能有所改善。可见,Pt及其合金适合作为Ni基合金的扩散阻挡层。但贵金属扩散阻挡层由于成本较高,一直没有得到更广泛的研究和应用。
2.2 难熔金属
难熔金属具有高的熔点,高温下稳定性好,一直被当作重要的扩散阻挡层进行研究。Lehnert等[11]研究发现,通过扩散作用能使Cr在涂层和基体界面间聚集形成扩散阻挡层,这样的Cr扩散阻挡层能阻碍Al元素由涂层向基体扩散;但由于涂层体系抗氧化能力没有提高,而没有做更深入的研究。
Burman等[12,13]用真空等离子喷涂和溅射的方法制备了金属Ta和Nb扩散阻挡层。研究结果表明,单一的Ta层或Nb层不能很好地阻挡Ni和Fe等元素的扩散;热冲击实验发现,Ta或Nb阻挡层的存在影响了涂层的结合强度。经过几次循环后,表面的涂层即开始脱落,同时在阻挡层和基体之间有裂纹出现。但Nb和Ta的组合由于形成了Ta或Nb的中间化合物,如Fe3Ta7或Ni3Ta等,因此元素阻挡效果较好。
Lou等[14,15]在Ni基高温合金K38G和CoCrAlY涂层间镀4~6μm的Ta或Ti作为扩散阻挡层。当CoCrAlY涂层中Al含量较低时,Ta层能有效地阻挡Al元素的扩散;但当涂层中Al含量较高时,Al扩散至扩散区中形成脆性有害相使涂层与基体的结合力下降,严重时涂层会发生剥落。Ti扩散阻挡层虽然能有效阻挡Al元素的扩散,但在有氧环境中Ti元素会扩散至涂层表面生成氧化物,使涂层抗氧化能力大大降低,其元素扩散阻挡能力比不上Ta层。由此可见,单一的贵金属或难熔金属很难获得理想的扩散阻挡层;通过合金化或形成化合物则可能使其性能提高。
2.3 双(多)金属
用2种或多种金属联合作扩散阻挡层是近年来研究得比较活跃的课题。Wu等[16,17]用EB-PVD法在Ni基单晶高温合金TMS-75上沉积Ir-Ta层后进行包埋渗铝。循环氧化(1100℃/20h+室温/4h)结果表明,没有Ir-Ta扩散阻挡层的渗铝样品经过10次循环后,表面生成了NiAl2O4尖晶石和NiO相;而含扩散阻挡层的样品表面只生成了单一的保护性Al2O3,而且抑制了有害脆性相TCP在界面的形成。元素分析表明,Ir-Ta层可以有效阻止基体的Ni、Co和Cr等元素向外扩散及Al元素向内扩散,利于涂层表面形成稳定的α-Al2O3膜。
Haynes等[18]用Hf-Ni和Hf-Pt作为扩散阻挡层,外覆涂层为NiAl或NiPtAl。研究发现这2种扩散阻挡层可以阻挡涂层中的Al元素向内扩散及基体Cr、Re、Ta、W元素向外扩散。Lang等[19]通过电镀Re(Ni)和渗Cr法在IC6合金上制备了Re-Cr-Ni-Mo扩散阻挡层,1150℃氧化3000h后分析发现,此扩散阻挡层能有效地阻挡外覆涂层的Al元素和基体合金元素的互扩散,大大提高了体系的抗氧化能力。双(多)金属扩散阻挡层的性能比单一的金属扩散阻挡层有所提高,但其力学性能,尤其是热疲劳性能如何则未见报道。
2.4 陶瓷层
陶瓷涂层具有很强的结构稳定性和优异的抗高温能力,是扩散阻挡层的最佳选择。TiN涂层有明显金属特性且制备成本相对低,在20世纪八九十年代得到了广泛的研究。Coad等[20]在Inconel合金与MCrAlY涂层间沉积了TiN扩散阻挡层。结果表明,TiN能有效阻止Al由涂层向基体的扩散,减小了富Al相在基体的形成;而Ni元素的扩散则与基体材料有关:在高温合金作为基体的情况下,TiN层阻挡Ni元素的扩散能力有限;但在不锈钢作为基体时,阻挡效果比较明显。TiN扩散阻挡层与基体或涂层结合良好,循环氧化过程中没有出现界面被破坏的现象。然而由于等离子喷涂的MCrAlY涂层不致密,氧化过程中氧气穿过涂层与TiN反应生成TiO2,形成多孔层,减弱了其元素扩散阻挡的能力。Lou等[14,15]的结果表明,TiN扩散阻挡层的能力易受到外层中Al含量的影响,且高温下此层中的Ti会扩散至涂层表面生成杆状TiO2,影响体系的抗氧化性。Burman等[13]用CVD法制得了1~3μm厚的TiN阻挡层。该层能有效阻止元素的互扩散;但对氧化十分敏感,氧化后将导致FeCrAlY/TiN界面的破坏。由此可见,TiN层有一定的元素阻挡能力,但易受到氧化的影响,而且本身Ti元素扩散可能影响涂层的抗氧化性。Knotek等[7]也认为TiN并不适合作为高温防护涂层体系的扩散阻挡层。
Knotek等[7]用反应磁控溅射在高温合金基体CMSX6和MCrAlY涂层间沉积了Ti-Al-O-N膜和Al-O-N膜作为扩散阻挡层。经1100℃高温氧化400h后发现,Al-O-N膜具有良好的元素扩散阻挡能力,这与Al-O-N膜的非晶结构有关;带Al-O-N扩散阻挡层的叶片经1115℃↔20℃热循环测试,破坏前次数为2000次,比没有扩散阻挡层的样品多1倍。与之对比,Ti-Al-O-N扩散阻挡层经高温处理时结构不稳定,Ti元素扩散至MCrAlY导致涂层性能下降。而他们[21]在镍基高温合金和MCrAlY涂层间溅射Cr-Al合金靶和纯Cr靶,控制反应气体得到了不同成分的扩散阻挡层,其中包括Cr-O、Cr-O-N、Cr-Al-O和Cr-Al-O-N等。经X-ray检测发现,沉积态的膜皆呈非晶态;真空退火后,含Cr和Al元素的膜出现了Al2O3和CrxOy (x=1~2,y=1~3)相。经1100℃氧化100h后发现,Cr-O和Cr-Al-O扩散阻挡层变得疏松,MCrAlY涂层中检测到较多来自基体的元素。而Cr-O-N扩散阻挡层则形成了以氧化物为主的多层组织,有效地阻挡了元素的扩散,但界面在应力增大的情况下,可能会出现断层。通过控制O2和N2流量制备的Cr-Al-O-N扩散阻挡层,能有效地阻挡合金元素的扩散,而且高温处理后此层呈齿状咬合,利于涂层与基体界面结合强度的提高。
Cremer等[22]通过控制O2和N2流量在CMSX4基体上制备了Al-O-N阻挡层。在没有N2的情况下,沉积态阻挡层以非晶结构为主,含少量γ-Al2O3相;退火处理后,γ相变成α相;在N2流量较低的情况下,阻挡层以非晶组织为主,退火后出现了γ-AlON、AlN、TiN或α-Al2O3等相;在纯N2的情况下,沉积物中含有六方纤锌矿结构的AlN,退火处理后依然以AlN为主,还出现了TiN相。将氧化后的涂层体系剥离检测,发现Al-O-N层能有效地阻挡Ti、Ta和W等元素的扩散;但是不含N元素的Al2O3阻挡层效果不理想,原因是γ转变为α的过程中,基体的元素如Ti通过阻挡层扩散至涂层表面从而影响了体系的抗氧化性。作者认为如果直接沉积α-Al2O3作为阻挡层,元素阻挡效果会大大提高。
王启民等[23,24,25]用电弧离子镀法在高温合金基体DSM11上分别沉积了Cr-O-N膜和Al-O-N膜作为扩散阻挡层。XRD检测结果表明Cr-O-N膜含Cr2O3和CrN相。Al-O-N膜除了含α-Al2O3和AlN相外,尚有少量的金属Al。高温氧化实验表明,Al-O-N层能够阻挡涂层与基体间的元素扩散,但在扩散阻挡层/基体界面附近生成富Ti沉淀相,会影响体系的力学性能;而Cr-O-N层在氧化过程中生成了与涂层和基体结合良好的富Al氧化物,有效地阻挡了合金元素的扩散。在Ti基合金上沉积的Al2O3/Al扩散阻挡层,也有很好的元素扩散阻挡效果[26]。
李伟洲等[27]比较了Cr-N和Cr-O-N扩散阻挡层的元素扩散阻挡能力。经高温处理后发现连续的Cr-N层在退火和氧化过程中逐渐转变为AlN/Cr2N/AlN多层和不连续点、片状分布的TiN层(其演变过程见图2(a)),外覆涂层的抗氧化能力随氧化时间的延长有所下降;而Cr-O-N扩散阻挡层经1100℃高温氧化后,转变为连续、致密、以α-Al2O3为主的中间层(图2(b)),涂层体系的抗氧化能力比没有扩散阻挡层的有了大幅度的提高,这与刚玉结构α-Al2O3的生成密切相关。
化学气相沉积的α-Al2O3是一种制备成本低的扩散阻挡层,但易受到基体中的Ni和Co元素影响而在表面出现晶须,降低了其阻挡性能。Mülle等[28,29]通过2种方法解决了此问题。一种方法是在α-Al2O3与高温合金基体间气相沉积TiN缓冲层。此TiN层能有效抑止氧化铝晶须的生长,而且还可改善氧化铝层与基体间的热膨胀系数差异造成的界面性能不匹配。但在氩气环境中退火发现,3μm的α-Al2O3和1μm的TiN层能保持致密,有效阻挡元素的扩散;而1.5μm的 α-Al2O3和1μm的 TiN层则受到了破坏。另一种方法是先制备γ-Al2O3,升温处理后使γ-Al2O3转变为α-Al2O3,这样就不会在α-Al2O3层表面出现晶须。他们认为第一种是更为合理和有效的方法。Eritt等[30]用CVD法制备的3μm α-Al2O3组合1~2μm TiN的阻挡层也能有效地阻止Al、Cr、W和Ti等元素的扩散,经热冲击(1000℃/10min+室温) 500次后涂层和扩散阻挡层中未发现裂纹等缺陷。
Kuranishi等[31]先在γ-TiAl合金上磁控溅射制备了金属Al,然后由阳极氧化制备氧化铝层。结果表明,这样的扩散阻挡层能有效地阻止基体与涂层间的元素扩散。但900 ℃高温氧化后会在涂层中出现微裂纹,氧气穿过微裂纹引起基体被氧化生成TiO2,导致体系性能的下降。通过对样品进行800℃/24h的预氧化处理可降低由于基体被氧化而引起的体系破坏。由此可见,陶瓷扩散阻挡层的性能与其化学成分、物相结构、制备方法和处理工艺密切相关。
3 扩散阻挡层的选用
从上述的研究结果可看出,作为扩散阻挡层,贵金属成本较高,很难进入实际的应用。难熔金属虽然能阻挡一些合金元素的扩散,但是对另一些元素却无能无力,特别是这些难熔金属在高温下自身也会发生扩散或者被氧化,又或者与基体、表面防护涂层发生反应生成脆性相,影响元素阻挡效果和降低体系的力学性能。双(多)金属可以说是贵或难熔金属的改进,但容易在界面形成脆性相,且本身元素发生扩散,这些缺点都限制了它的广泛应用。陶瓷层是比较理想的扩散阻挡层,一直是研究热点。研究得最多的是铝、铬、钛的氧化物、氮化物或者氮氧化合物,其中氮化物由于在高温下对氧化敏感,不是最佳的选择;氧化物对氧原子不敏感,组织致密,高温稳定性比氮化物有了很大的提高,但氧化物随着温度变化发生的晶型转变会影响其性能的发挥,且晶型转变将导致界面应力的产生,所以应选取高温稳定的氧化物作为扩散阻挡层;氮氧化合物则综合了氧化物与氮化物的优点。现将上述4种类型的扩散阻挡层的特点总结于表1。
陶瓷型扩散阻挡层良好的综合性能取决于合适的获得方式。通过直接制备稳定的化合物作为扩散阻挡层,如Al2O3(或Al2O3和TiN组合)和Al-O-N等,它们在高温下能明显降低元素的互扩散,但是由于与基体或者外覆涂层交互作用小,扩散阻挡层的界面结合强度较弱,在温度突变情况下容易发生界面破坏;由制备产物经高温相变后获得的扩散阻挡层,如前面提到的γ-Al2O3层,经退火后形成稳定的α-Al2O3,但由于扩散阻挡层的获得需要经历高温相变过程,往往伴随着体积和应力的变化,也会带来界面结合的问题;沉积的扩散阻挡层经与扩散元素反应生成的扩散阻挡层,如Cr-O-N活性扩散阻挡层,在高温下与扩散来的金属元素发生反应生成稳定的化合物,使界面结合强度得到提高,而形成的α-Al2O3则可明显阻挡合金元素的扩散。由此可见,一个好的扩散阻挡层应综合考虑性能、制备工艺和成本等因素。
4 结语
高温防护涂层扩散阻挡层的研究主要集中于德国、美国、日本和中国这些国家。最近这几年,日本科学家在新型扩散阻挡层的研究方面做了很多探索性的工作[16,17,18,19,31]。但是这些研究更多关注于扩散阻挡层的元素扩散阻挡能力,在界面结合强度测量方面的研究则报道较少,主要原因是没有标准化的测试方法,定量测量多层体系的界面结合强度影响因素多而复杂。
陶瓷型扩散阻挡层,特别是氧化物或氧氮化物的扩散阻挡层,具有突出的元素扩散阻挡能力,且生产成本低,适合于工业上实际运用,定性分析表明提高其与外覆防护涂层或基体的结合强度至关重要,具体途径有:
(1)改进已有的涂层结构。从我们的研究可以看出α-Al2O3具有优异的元素扩散阻挡层能力,而Cr-N经高温处理后发生的扩散反应将加强涂层间的界面结合,所以将Cr-O-N扩散阻挡层设计成Cr-N/Cr-O-N/Cr-N是一种好的方法。
(2)选用新的制备方法或工艺。在不连续的涂层制备过程中,杂质(包括水蒸气,C、S等有害元素)容易在扩散阻挡层表面附着,选用连续法制备扩散阻挡层和外覆涂层可以降低由于杂质掺入带来的不利影响。
随着扩散阻挡层的加入,涂层与基体间的元素互扩散被大大减弱,在这种情况下,外覆涂层的选用范围被拓宽,特别是对于新型涂层,如随着周围环境变化发生响应的智能涂层的设计和选用将变得相对简单。
扩散边界层 篇2
1 海底边界层原位监测系统的构成
嵌入式数据的采集与控制系统有5部分组成,其组成框图如图1所示,分别为数据采集系统,MSP430控制系统,9台深海设备,串口服务器,交换机。
数据采集系统包括两块ARM嵌入式系统,MSP430主要控制电机以及不同设备的电源开关和两个化学传感器DO与PH的采集。9台深海设备分别为三维海流计(ADCP),三维点式流速仪(ADV),CO2传感器,CH4传感器,DO与PH传感器,高度计,电机和深海摄像机。串口服务器采用的是拥有一个10/100 M以太网口和8个异步串口的通信服务器。交换机主要是负责ARM系统,MSP430,串口服务器下所连接的设备,深海摄像机和数据回收时PC机通过TCP/IP协议进行相互网络通信。
2 数据采集系统的构成
2.1 硬件基础
ARM处理器是小体积,低功耗,低成本而高性能的微处理器[1]。本系统采用的是ATMEL公司的AT91S9263CU作为系统的控制核心,2 MB的NOR-FLASH用来存放U-Boot引导程序,SD卡用来存放应用程序和从深海设备采集到的数据。MSP430单片机自带8路12位A/D转换器精度高,设计灵活巧妙[2],负责采集DO与PH传感器模拟量数据的采集与系统电源管理控制。
2.2 软件设计
由于系统要长期在海底环境下工作,所以对应用程序的要求很高,首先要求软件能够根据海底不同的环境能够采用不同的数据采集方式与系统的工作方案,同时也需要软件具有较好的健壮性与容错性并且能够修正错误继续正常工作。
2.2.1 程序的整体设计
Linux操作系统是一个完全内存保护,多任务多进程的操作系统[3],所以采用了Linux操作系统。应用程序采用了多线程来实现,线程是一个进程内的基本调度单位,是在共享内存中并发的多道执行路径,大大减小了上下文切换的开销[4]。程序的主线程主要负责两块ARM的相互通信,控制深海设备的数据采集,实时的监测系统运行状态,同时通过与单片机的通信来控制电源系统。数据采集线程是负责深海设备的数据采集控制,在此线程下分别开通了对应于ADCP,ADV,CO2,CH4,DO和PH的子线程,实现了不同设备的同步数据采集,保证了数据的有效性。数据上传线程是负责在设备回收后与PC机连接进行数据上传回收,即将ARM板SD卡上的数据上传到PC机上。程序主要分为3个阶段:岸上设置参数阶段,设备投放阶段,数据采集阶段。岸上设置阶段主要是设置主要参数,包括采集周期,高度计在电机可调范围下的上限以及与传感器的位差,电机可用选择,摄像机开机周期。设备投放阶段主要完成在设备到达海底后进行电机控制,使设备底端到达距海地的最佳位置。数据采集阶段采用的是定时采集数据模式,由单片机根据设定的时间值,周期性控制无触点继电器向嵌入式系统供电。在系统上电后两块ARM板通信确定一个为主系统与从系统,由主系统控制设备的数据采集,数据通过串口服务器,同时传输给主从系统。
2.2.2 程序的可控制性
根据对不同海底环境与设备监测要求,可以在设备投放开始前进行对软件工作模式的设置,设置软件相关参数。设置的参数将以二进制配置文件的格式存储在SD卡中,每次ARM板上电后会读取配置文件,使其在设置的模式下工作,满足对不同海域的深海数据监测。
2.2.3 系统的健壮性与容错性
系统从软件通信与硬件故障处理2个方面来保证系统的正常运行稳定性,以及数据采集的正确性与完整性。
在软件方面,包括软件对深海设备的控制与单片机通信2个部分。在对深海设备的控制部分,操作系统向深海设备发送数据采集命令的时候会监测设备的响应,如果设备没有响应或者响应超时,会重新发送数据采集命令,由于操作系统与设备之间通信采用的TCP/IP协议,为了防止设备不响应导致程序客户端接收一直阻塞,所以在客户端建立好后使用SELECT函数控制等待接受数据,在使用SELECT函数之前,首先使用FD_ZERO与FD_SET来初始化描述符集[5],并且设置好客户端等待时间。
这样如果在3次发送命令后设备在设置的时间内均没有响应,则系统会跳出对该设备的数据采集循环,不会使程序进入阻塞。在对单片机通信部分,为了保证通信的正确性与完整性,ARM板与单片机之间采用数据包的方式进行通信[6],其帧格式如图2所示。同时单片机对应于ARM系统有3个工作状态,为了使单片机与ARM工作状态一致,ARM系统在每次启动后都会与单片机确认处于同一工作状态,防止了单片机出现故障时状态改变而导致整个系统出现工作状态不一致带来的风险。
在硬件方面,系统采用的是双ARM冗余的控制与数据存储方式,由于串口服务器设置成了双会话,所以数据采集完成后会同时传送给2个ARM系统,2个ARM系统会将数据存储。2个ARM系统在任何时候都会有一个为主系统和一个从系统。主系统的程序流程图如图3所示,在两块ARM板相互通信后确定主从系统,主系统负责深海设备的数据采集和与单片机通信,从系统只负责接收设备采集的数据并存储,从系统的程序流程图如图4所示。如果在数据采集的过程中主系统出现问题,则从系统会检测判断并完成主系统剩下了的工作任务,使整个系统不会因为某个系统出现问题影响到整个系统崩溃而带来时间与经济的损失。
2.2.4 支持与岸上上位机的程序接口
当系统从海底打捞回收之后,不需要拆卸系统,只需要用一根网线连接嵌入式系统与上位机(如PC机),嵌入式系统就会自动连接上位机并且根据上位机的命令操作,将存储在SD卡上的数据通过网线上传到上位机。
3 结语
通过长时间的实验与调试,结果表明系统可以稳定的实时采集数据,程序结构灵活稳定,修改方便。然而目前系统上电启动时间较长,可以通过对Linux内核的裁剪去除一些不需要的工作模块,使系统进一步优化,来改善系统启动时间较长的问题。
摘要：为了提高深海海底边界层原位数据的实时稳定监测,整个系统采用了9台深海仪器,以ARM9作为控制核心,以Linux系统为软件平台,MSP430单片机作为硬件设备电源控制系统,组成了实时、自动化、稳定的深海数据采集控制与管理;系统采用了双ARM嵌入式系统冗余控制与数据存储设计;该系统分别随东方红2号与海洋4号出海海试,并获得了满意的结果;结果说明该系统具有较高的稳定性与可靠性;
关键词：深海监测,嵌入式Linux,MSP430,双操作系统
参考文献
[1]刘锐,王林.基于ARM数据采集系统的设计[J].中国测量,2010(6):89-92.
[2]秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计[M].北京:电子工业出版社,2006.
[3]李亚锋.Linux系统开发从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.
[4]华清远见嵌入式培训中心.嵌入式Linux应用程序开发标准教程[M].北京:人民邮电大学出版社,2009.
[5]余国平.深入浅出Linux工具与编程[M].北京:电子工业出版社,2011.
扩散边界层 篇3
一、课程改革的迫切性与必要性
《边界层气象学》作为大气科学的一个重要分支, 主要关注距离地面1~2公里直接与下垫面发生相互作用的大气层及其内部各种物理过程, 是一门理论性强、实际应用广的课程。近年来由于我国大范围雾霾的爆发, 极端天气、气候事件的频繁发生以及风能、太阳能的广泛利用, 使得边界层气象学的研究和实际应用被业内外人士广泛关注。与此同时, 国家和社会对本专业培养出的人才提出了更高要求。不可否认的是, 先前的培养模式的确培养出了一大批优秀人才, 但是随着学科发展的进一步深入, 现行的人才培养模式已很难满足国民经济发展的需求, 很难与新时期的人才培养目标相匹配, 其体系自身也日益暴露出专业划分过细, 教学理念、教学方法、教学内容相对落后等一系列问题[1,2]。因此, 如何相应的调整和改革现有教学模式, 如何提高学生的专业素养和综合素质, 如何提高课程的教学质量, 成为每一名专业课教师必须认真思考、积极探索的首要任务。
作为南京信息工程大学《边界层气象学》课程小组的教学成员, 通过近10年来的实践教学摸索和边界层领域的科学研究, 我们认为, 无论从时代发展、背景变化, 还是从体系完善、实践教学改善等方面, 《边界层气象学》的教学改革工作均应提上日程, 亟需着手实施。
二、课程改革的具体实施举措
结合多年的教学科研经验, 我们认为, 《边界层气象学》的教学改革应当主要从以下几个方面着手开展, 以期提高课程的实际教学质量。
(一) 人才培养模式改革
当下“90后”大学生是高等教育重点培养的对象, 由于其成长环境的特殊性, 使得当代大学生的世界观、价值观和人生观具有鲜明的时代特征, 主要表现为思维活跃、知识面广、学习渠道多、创新能力强等优势, 但同时也存在贪玩、动手能力差、抗压能力弱、缺乏团队合作精神和吃苦耐劳精神等问题[3]。因此, 我们必须适当改变传统的人才培养模式, 因材施教, 充分利用现有学生的自身优势, 弥补其不足之处。
经过多年的教学摸索, 我们对人才的培养逐渐形成了一套“夯实基础, 重视应用, 分流培养”的模式。 (1) 在课堂教学中, 注重基本概念、基本物理现象和物理过程的讲解。 (2) 在实践教学中, 结合一些实际个例, 将应用性较强的知识点让学生熟练掌握, 这样既可以使学生获取更多的感性认识, 同时也提高了学生的学习兴趣。 (3) 在课外时间, 对于学有余力的学生, 则通过气象探测资料处理、典型天气过程数值模拟等来完善学生的知识体系, 以提高学生的动手能力, 激发学生的求知欲, 培养他们的科学探索精神。
(二) 教材、教学内容改革
随着大气探测技术、数值模拟技术的不断更新, 大气边界层领域的研究有了很大的进展, 新理论、新方法、新成果不断涌现, 许多传统的知识概念都有了新的发展, 因此沿用陈旧的教科书已经不能跟上当前发展的形势。目前《边界层气象学》课程的教材主要有《边界层气象学导论》 (1991, 气象出版社) 、《边界层气象学教程》 (1991, 气象出版社) 、《The Atmospheric Boundary Layer》 (1992, 剑桥出版社) 、《大气边界层动力学》 (2006, 高等教育出版社) 。其中《边界层气象学导论》较为系统全面地阐述了早期大气边界层基本理论、观测手段、数值模拟等内容, 概念清晰、推导严谨、由浅入深, 并且包括相当数量的习题, 是大气边界层入门学习的最佳教材, 但该书已绝版。其余几本教材也同样存在这样的问题。因此, 为了让学生尽可能地了解到大气科学的最新进展, 我们必须对教材进行更新。课程小组在南京信息工程大学教改项目的支持下正在编著《边界层气象学》、《大气边界层实习教程》两本书, 新版教材在秉承前人基本知识理论体系的同时, 删减了已过时或应用较少的内容, 增补了应用性和前沿性较强的内容, 包括湍流理论、边界层理论、边界层探测及其应用等方面的最新研究成果。该教程出版后, 可在很大程度上满足边界层气象学理论教学过程中对教材的需求。
《边界层气象学》的教学内容主要有边界层气象学导论、大气湍流基础、湍流控制方程组和湍流能量方程、近地层相似理论以及中性边界层、对流边界层、稳定边界层、大气扩散基础、大气边界层探测基础等, 内容涵盖广泛, 理论性强, 普遍存在学时紧张的现象。因此, 在教学过程中把教学内容分为基本内容、选讲内容和自学内容。其中, 基本内容主要包含一些基本理论与基本方法, 如大气湍流基础、湍流运动控制方程组和近地层相似理论等;选讲内容和自学内容根据专业应用特点、学生接受能力和下一步学习需要来加以确定, 如对气象学专业的学生则更多的讲述大气边界层动力、热力机制对天气系统的影响;对气候学的学生则更多的讲述陆面过程对气候变化的影响等[4,5]。
(三) 教学方式、方法改革
教学方式、方法的改革是加强课程建设, 提高教学质量的重要途径。传统的课堂教学基本上是教师的“独角戏”, 学生多处于一个被动接收知识的状态, 师生间的互动性不强。为了有效提高学生学习的主动性, 我们采用了分层次教学的方式, 即首先对繁杂的教学内容和有限的教学时数进行深入分析, 列出哪些内容是要在课堂上详细讲解的, 哪些内容可以通过学生自学完成, 哪些内容通过学生查阅参考文献获得知识, 再采用课堂答疑的方式讲解, 让学生自己进行综合归纳, 这样就摒弃了过去所有的章节都在课堂上详细讲解的方法, 在有限的教学时间内极大地丰富了教学内容, 将十分复杂的教学内容分出了层次。我们在课堂教学过程中采用启发式、诱导式的教学, 让学生有更多思考、领悟的空间。此外, 我们还通过设疑、课堂讨论、专题辩论、阶段小测验等方法活跃课堂气氛[6]。学生听课也不再是处在一个被动的位置, 而是在教师的启发下, 主动地学习知识。再者, 我们加强重视对课后习题的设置和学生作业的完成情况。《边界层气象学》是整个学科中教学难度相对较大的一门课程, 学生在完成作业的过程中, 通过相关文献的查阅, 相关资料的整理, 一方面会对知识结构进一步梳理, 另一方面培养和增强了学生分析解决问题的能力, 提高了学生的学习兴趣, 学习从被动转向主动。
随着时代的不断进步, 传统的教学方法已无法满足现代教学要求, 因此教学方法的改革也势在必行。大气边界层的研究内容和研究对象比较抽象, 如湍流结构、湍流的运动方式等, 学生很难建立空间三维结构。因此, 我们有必要借助多媒体手段, 把教学中难以表达的、学生难以理解的抽象内容, 直观、生动地展示在学生面前。这样既可增加课堂教学的生动感又可利于知识的获取, 从而突破教学的重点, 激发学生的学习兴趣[7]。
近年来, 在多媒体课件广泛使用的过程中我们发现学生的动手能力、推导计算能力有明显的下滑。利用多媒体课件讲述一些繁杂的计算和推导过程的确是节省了一些时间, 学生在课堂上也貌似都听懂了, 但一拿到作业和试题就无所适从、无从下手, 究其原因还是没有真正理解所学习的内容[8,9]。因此, 我们坚持一定量的板书推导过程, 尤其是一些物理定律和物理方程的讲解, 比如在讲解湍流应力的作用时, 我们就会利用板书从Navier-Stokes公式出发推导出雷诺方程, 并在推导过程中逐一讲述公式中每项的物理意义, 使同学们容易消化和掌握知识内涵。
(四) 考核方式改革
追求“分数至上”, 忽视知识体系的构建, 忽视知识内容的融会贯通, 是当代大学生在学习过程中普遍存在的一种现象。本门课程传统的考核方法, 通常是将期末考试成绩作为学生课程总评成绩。这种考核方式很容易在学生中间滋生“临时抱佛脚”的思想。为了避免这种现象的出现, 为了促进学生踏踏实实的学习, 克服部分学生平时学习不认真的坏毛病, 我们对课程考核方式进行了改良, 即学生的最终考核成绩由平时成绩和期末测评成绩共同组成。其中平时成绩占总成绩的40%, 主要包括学生作业完成情况, 课堂教与学互动表现和实习完成情况。期末考试成绩占总成绩的60%, 为了最大限度地调动教师授课和学生学习的积极性, 我们开展“边界层气象学”试题库建设的工作, 在期末考试和补考中实行“教考分离, 统一阅卷”的模式。近3年的实践应用表明, 现行的考核方式能够更加有效的提高课程教学质量。
(五) 教学团队建设
一支稳定又有活力的师资队伍是课程教学的核心保障。因此, 建设一支学历、职称、年龄和学科结构合理的高水平的师资团队对课程发展至关重要。自2004年开始, 南京信息工程大学大力引进高层次人才, 我们的教学团队也得到了壮大, 现有的5名教师都具有博士学位, 而且都有海外留学或进修经历。经过近10年的培养我们逐渐构建了一支师德师风好、学术造诣高、教学能力强、教学经验丰富、具有发展潜力的教学团队。团队成员每个学期定期召开4~5次教学讨论会, 由老教师分享经验, 也为新教师答疑解惑。在同事间的互相学习过程中, 团队成员的教学经验、教学技巧、教学水平都有了明显提高, 有多位教师屡获学校教学成果奖。
(六) 实践教学环节改革
《边界层气象学》中的很多理论都是建立在实践基础上, 而且课程具有很强的应用性。因此, 针对上述课程特点, 我们在教学工作安排上坚持和完善“课堂教学—实习实践”相结合的教学模式, 不断完善实验课程体系和实验教学条件的建设。“十二·五”期间, 在校方和中国气象局的大力支持下, 我们建成了4个实习基地 (其中校外3个, 校内1个) , 并且购置了大量先进的仪器设备, 如云雷达、激光雷达、风廓线雷达、GPS探空系统、系留气艇探空系统、涡动相关系统等, 为培养学生的实践能力创造了良好的硬件支撑条件。
为了配合理论课的教学, 我们增加了一门《大气边界层探测实习》作为学生的选修课。课程通过外场观测实习、观测仪器的使用、观测资料的处理、资料分析等过程, 增强了学生的感性认识, 同时也有助于提高学生动手能力和创新能力。在安排实验课教学时, 我们还根据学生所学专业的差异, 分别对待。如大气物理与大气环境类学生的实践课就多偏重小尺度、微尺度的湍流观测, 资料处理, 设备性能熟悉, 等等;对于气象学和气候学专业的学生则偏重边界层垂直结构的观测。
此外, 为了进一步加强学生实践能力的培养, 在校方的大力支持下, 我们还增加了暑期野外实习内容。如2015年8月我们在苏州东山太湖边开展了为期1周的“太湖湖陆风”野外实践。该项目采用“研究性实习教学”的方法, 针对一些学习成绩优秀, 对边界层研究感兴趣的本科生进行科学素养训练。此次野外实习过程, 利用本团队自助研发的GPS—BL探空系统对太湖地区边界层垂直结构特征进行了每天5次的垂直观测。观测过程中学生熟悉和理解了气球的充气、配重原理, 仪器的性能结构, 熟悉了Matlab、Origin等数据图形处理软件的使用。实践结束后, 学生还以项目小组为单位进行研究课题的答辩。通过上述实践活动培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力, 激发了他们对大气边界层研究的兴趣和热情, 提高了他们开展野外实践的能力, 同时还锻炼了体力与意志。
三、结语
随着时代的进步, 学科的发展, 学生的特点也发生了改变, 如何有效的提高教学质量, 是每一位高校教师必须认真思考的问题。
上述是我们经过思考后提出的针对《边界层气象学》教学改革的系列举措, 这六项系列举措在具体实施过程中并不是人为割裂的, 而应呈现出环环相扣、同期进行、多管齐下的施教局面, 这样才能切实保障起课程教学的实际效果。同时, 我们也认为, 针对《边界层气象学》教学改革还应着重考虑以下这些问题:教材的更新速度, 教材质量的提高;根据不同学科背景、不同专业方向的特点, 设计好教学内容;在教学方式、方法上不断创新, 不断提高教学效果;加强“理论联系实际”, 提升实践课的教学质量;加强师资队伍的建设, 不断提高自身教学水平;等等。经过上述一系列的教学实践改革, 在师生的共同努力下, 我校学生学习该门课程的主动性有了明显增长, 对课程知识的掌握程度也有了显著提高, 并且有效地锻炼了学生的实践动手能力, 基本上取得了预期的教学目的和效果。教学改革是一项长远任务, 我们只有在改革过程中不断思考, 发现问题、解决问题才能为国家和社会培养更多的有用人才。
参考文献
[1]伍荣生.大气科学教学改革势在必行[J].中国大学教学, 2002, (1) :19-21.
[2]王颖, 赵连泽, 吴小根, 等.地球系统科学创新人才培养模式探索与实践[J].中国大学教学, 2007, (6) :13-16.
[3]薛宇峰, 徐峰.大气科学专业应用型人才培养模式的改革与探索[J].高等农业教育, 2011, (1) :58-60.
[4]姜海梅, 王成刚.《边界层气象学》课程教学改革实践探讨[J].教育教学论坛, 2014, (15) :36-37.
[5]王咏薇, 朱彬.《大气边界层物理学》课程教学的几点思考[J].黑龙江生态工程职业学院学报, 2011, 24 (2) :110-111.
[6]余锦华.对《气象学与气候学》教学改革的几点认识[J].气象教育与科技, 2007, 28 (4) :10-13.
[7]杨德保, 张镭, 王式功, 等.大气科学实验教学体系的建设与实践[J].高等理科教育, 2010, (6) :97-101.
[8]李国平.面向气象事业发展战略的大气科学人才培养模式的思考与实践[J].中国气象学会2006年年会“气象教育与培训”分会场论文集, 2006.