“材料腐蝕與防護”課程教學(xué)的創(chuàng)新性探索

王乃光，施志聰

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

材料的腐蝕始終困擾著工程領(lǐng)域。腐蝕導(dǎo)致工程裝備、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)設(shè)施損壞，進而引起災(zāi)難性事故。由腐蝕引起的經(jīng)濟損失在各國每年的國民生產(chǎn)總值中平均超過3%，中國約達5%[1]。有鑒于此，國內(nèi)各大高校材料及化工類專業(yè)紛紛開設(shè)“材料腐蝕與防護”必修課，目的在于讓學(xué)生掌握腐蝕的基本概念、重要理論以及防護的基本原理和常用手段。材料腐蝕與防護屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涵蓋材料、物理、化學(xué)、電化學(xué)、力學(xué)、生物等多個學(xué)科的知識[2-3]，而且與人類的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活密切相關(guān)；此外，該領(lǐng)域發(fā)展突飛猛進，每年都有大量文獻報道，內(nèi)容涉及金屬常溫下腐蝕、金屬高溫氧化、無機非金屬高溫?zé)g等，有些報道甚至顛覆了人們對腐蝕持有的傳統(tǒng)觀念。因此，“材料腐蝕與防護”的課程教學(xué)存在一定難度，既要牽涉到多方面的知識，又要緊跟最新研究進展，必須引起相關(guān)教師的高度重視。

1 “材料腐蝕與防護”課程教學(xué)存在的問題

1.1 學(xué)生的前期知識儲備不夠

“材料腐蝕與防護”通常在大三第二學(xué)期開課。如前所述，該課程的內(nèi)容涉及材料、物理、化學(xué)、電化學(xué)、力學(xué)、生物等多學(xué)科的知識。盡管學(xué)生在大一至大二期間對這些學(xué)科有所涉獵，但與腐蝕密切相關(guān)的知識了解得并不多，某些重要知識甚至有所遺忘。例如，“活度”是物理化學(xué)中的重要概念，在腐蝕電化學(xué)領(lǐng)域也經(jīng)常提及，但很多學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程或解題時對這一概念并不熟悉，不知如何使用。又如，“材料腐蝕與防護”的研究對象為材料，在講授這門課時難免會提及材料科學(xué)中的重要概念，如晶界、位錯、基體、第二相等，但很多學(xué)生對這些概念感到陌生。

1.2 傳統(tǒng)的講授式教學(xué)過于枯燥

目前，“材料腐蝕與防護”的教學(xué)以課堂講授為主，學(xué)生幾乎是被動接受知識，很難調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。該課程包含大量復(fù)雜的公式，如Evans極化圖的數(shù)學(xué)表達式、Nernst公式、電極反應(yīng)動力學(xué)方程等，單純的課堂講授往往比較枯燥且難以理解。此外，課程涉及的基本概念較多，像局部腐蝕、電偶腐蝕、過電位、腐蝕驅(qū)動力等，僅通過講授或板書很難讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟并記住這些重要概念。

1.3 內(nèi)容相對陳舊，國內(nèi)外最新研究動態(tài)跟進不足

現(xiàn)今“材料腐蝕與防護”教材的內(nèi)容還停留在二十世紀八、九十年代的水平，涉及的知識僅僅是腐蝕、防護的一些基本概念、理論和應(yīng)用，明顯缺乏該領(lǐng)域國內(nèi)外最新的研究動態(tài)。事實上，腐蝕與防護作為材料科學(xué)及相關(guān)工程學(xué)科的熱門研究領(lǐng)域，每年都有大量文獻報道。研究內(nèi)容包括金屬常溫腐蝕、金屬高溫氧化、無機非金屬高溫?zé)g等。有些報道甚至顛覆了人們對腐蝕持有的傳統(tǒng)觀念。例如，大多數(shù)金屬在陽極極化過程中都存在“正差數(shù)效應(yīng)”，即隨極化程度的增大自腐蝕速率降低。但對于鎂及其合金而言，自腐蝕速率反而隨陽極極化的增大而升高，即所謂的“負差數(shù)效應(yīng)”，且產(chǎn)生的原因至今學(xué)術(shù)界爭論不休。然而，目前常用的幾本教科書完全沒有提及這一現(xiàn)象和產(chǎn)生的相關(guān)原因。

1.4 考核方式過于單一

“材料腐蝕與防護”的課程考核方式目前主要是筆試（開卷或閉卷），幾乎沒有計算題。學(xué)生為了應(yīng)付考試往往死記硬背，并沒有完全掌握所學(xué)的知識。因此，這樣的課程考核不能真正反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，更不能調(diào)動學(xué)生積極思考、主動探索。

2 課程教學(xué)的相關(guān)對策及創(chuàng)新性探索

2.1 向?qū)W生提供其他學(xué)科的前期知識儲備

教師在備課過程中，可以根據(jù)不同章節(jié)的需要，適當(dāng)增加其他學(xué)科的相關(guān)知識。例如，在講到“電化學(xué)腐蝕的傾向”這一章時，可向?qū)W生闡述熱力學(xué)方面的知識，讓他們掌握平衡電位的計算方法，懂得平衡電位對判斷腐蝕傾向的重要性；在講到“金屬高溫氧化”這一章時，可向?qū)W生灌輸金屬氧化物的晶體結(jié)構(gòu)知識，如p型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體等，方便學(xué)生熟悉合金元素的原子價對基體金屬氧化率的影響；在講到“局部腐蝕”這一章時，可適當(dāng)講授與“材料科學(xué)基礎(chǔ)”相關(guān)的內(nèi)容，如晶粒、晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等，這樣有助于學(xué)生理解晶間腐蝕的原因。前期知識儲備不宜講授太多，但必須適用且切中要害，便于“材料腐蝕與防護”的課程教學(xué)。

2.2 結(jié)合現(xiàn)實生活，以通俗形象的方式講授難懂的腐蝕理論

教師在講授腐蝕的基本概念時，可列舉現(xiàn)實生活中的具體例子，如鐵生銹、銅生“銅綠”等，讓課堂跟生活結(jié)合起來。以此為基礎(chǔ)，可進一步闡述腐蝕的本質(zhì)時，并利用圖1所示加深學(xué)生對知識點的理解。

圖1 金屬的腐蝕過程示意圖

即金屬處于“高能”態(tài)而不穩(wěn)定，有自發(fā)向穩(wěn)定的“低能”態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向，最終被腐蝕成礦石。這一過程的逆過程就是我們常說的金屬冶煉—礦石轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲撨^程需要吸收大量的能量，因而不能自發(fā)產(chǎn)生。在講授“電化學(xué)腐蝕的傾向”這一章時，同樣可利用圖1，并由此引出平衡電位的概念和Nernst公式，即平衡電位與物質(zhì)的自由能密切相關(guān)，是判斷腐蝕傾向的重要依據(jù)，而Nernst公式可計算某物質(zhì)在特定環(huán)境下的平衡電位。類似的示意圖還有很多，都有助于課堂講授并加深學(xué)生對知識的理解和記憶。

“材料腐蝕與防護”涉及一些公式，如Evans圖的數(shù)學(xué)表達式，單純的講授不容易掌握，可將公式與示意圖結(jié)合起來，對應(yīng)的部分用同種顏色表示，如圖2所示。

圖2 Evans圖數(shù)學(xué)表達式的形象記憶

該公式包含的驅(qū)動力為陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)的平衡電位之差Eoc-Eoa，阻力分別為陽極極化Pa、陰極極化Pc和溶液電阻R。各部分都與Evans圖對應(yīng)，因此很容易理解和記憶。另外，“材料腐蝕與防護”包含點蝕、晶間腐蝕、電偶腐蝕等重要概念，但教材中僅用文字描述，缺乏必要的照片。因此，教師可在課堂上提供對應(yīng)的照片，讓學(xué)生從感官上認識什么是點蝕、晶間腐蝕、電偶腐蝕，這樣有利于加深對所學(xué)知識的記憶。

2.3 利用科研數(shù)據(jù)庫，將相關(guān)研究的最新動態(tài)在課堂上展現(xiàn)

如前所述，腐蝕與防護的研究日新月異，在一些國際權(quán)威期刊上每年都有大量文獻報道。然而，“材料腐蝕與防護”的教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，缺乏國內(nèi)外最新研究動態(tài)的跟進，這樣不利于激發(fā)學(xué)生的好奇心。因此，教師很有必要利用科研數(shù)據(jù)庫，將腐蝕與防護的最新研究進展搬到課堂上來。例如，在講授“差數(shù)效應(yīng)和陰極保護效應(yīng)”時，可向?qū)W生展示文獻中報道的“負差數(shù)效應(yīng)”，并指出目前學(xué)術(shù)界對“負差數(shù)效應(yīng)”產(chǎn)生的原因爭論不休，已提出大量模型對該效應(yīng)進行解釋；在講授“金屬的鈍化”這一章時，有必要向?qū)W生灌輸“自鈍化是改善金屬材料耐蝕性的有效手段”這一思想，并由此引出Nature Materials期刊上一篇鎂-鋰基合金的論文。該論文指出，通過合金化、熱處理及加工工藝的改善，在大氣環(huán)境下活潑的鎂-鋰基合金表面竟能形成致密的Li2(CO3)2膜，可有效保護金屬基底[4]，使其耐蝕性達到鈦合金的水準，從而顛覆了人們對材料腐蝕與防護的固有認識；在講授“腐蝕控制”和“防腐蝕設(shè)計”這些章節(jié)時，可著重提及Nature期刊上關(guān)于“共享腐蝕數(shù)據(jù)庫”的論文。該論文指出，建立共享的腐蝕數(shù)據(jù)庫可準確預(yù)測不同材料在不同環(huán)境下的腐蝕失效，從而為防腐蝕設(shè)計提供理論指導(dǎo)[5]?？傊?，在課堂上展示相關(guān)領(lǐng)域的最新科研動態(tài)是激發(fā)學(xué)生好奇心并調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性的有效方法，任課教師必須引起高度重視。

2.4 適當(dāng)調(diào)整課程考核方式

如前所述，目前“材料腐蝕與防護”課程的考核方式類似文科且比較單一，大多是一些基本概念題和問答題，缺乏新意。為了顯示理工科的特質(zhì)，課程考核可適當(dāng)涉及計算和推導(dǎo)題，如已知腐蝕電流密度i(mA·cm-2)、金屬的摩爾質(zhì)量M(g·mol-1)、金屬的密度 ρ (g·cm-3)、對應(yīng)的金屬離子價態(tài)+n、法拉第常數(shù)F(C·mol-1)，用含i、ρ、M、n和F的式子表示金屬的腐蝕速率V(mm·y-1)。此外，還可通過平時的課堂研討進行另一種考核，如根據(jù)腐蝕與防護領(lǐng)域中的某個具體前沿性問題，讓學(xué)生查閱文獻并做好PPT，在課堂上展開分組探討和辯論，教師充當(dāng)評委打分，具體形式如圖3所示。總之，課程的考核方式盡可能多樣化，以便從不同角度考查學(xué)生對知識的掌握情況以及分析解決實際問題的能力。

圖3 《材料腐蝕與防護》課程的課堂研討示意圖

3 結(jié)語

綜上所述，教師可通過提供其他學(xué)科的前期知識儲備、利用通俗形象的教學(xué)方式、展現(xiàn)最新科研動態(tài)、調(diào)整課程考核等措施對“材料腐蝕與防護”這門課進行創(chuàng)新性探索，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心，調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性。