基于科教融合理念的材料專業(yè)實踐教學探索： 以電鍍Ni-Co-GO為例

高吉成，魏藝涵，馮思清，李大玉，靳惠明

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

2015 年10 月，國務院頒布了《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，提出了“雙一流”建設（即世界一流大學和一流學科建設），明確高校要深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，培養(yǎng)一批具有國際視野的創(chuàng)新型人才［1］。2021 年3 月，“雙一流”建設成效評價辦法（試行）》指出“雙一流”建設要突出培養(yǎng)一流人才，產(chǎn)出一流成果［2］。2022 年2 月，《關(guān)于深入推進世界一流大學和一流學科建設的若干意見》的頒布實施再一次對高校人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了新的要求［3］?！半p一流”建設在人才培養(yǎng)中重視“培養(yǎng)過程質(zhì)量”，突出科學研究對人才培養(yǎng)的支撐作用，強調(diào)了學生科研能力與學術(shù)素養(yǎng)的重要性。“科教融合”兼具科技創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的雙重任務，對“雙一流”建設具有極大的促進作用［4］。

基于此，本文以揚州大學材料成型及控制工程國家一流本科專業(yè)建設為契機，以Ni-Co-GO 復合鍍層的制備、結(jié)構(gòu)表征與硬度測試為例，將科研成果轉(zhuǎn)化為實踐教學，加深學生對材料學科知識的理解和運用，強化學生對電化學實驗的認識，提高學生的創(chuàng)新實踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供借鑒。

1 Ni-Co-GO復合鍍層電鍍實驗背景

鎳鍍層由于其優(yōu)異的力學性能和化學穩(wěn)定性而在航空航天、汽車電子、國防建設等領(lǐng)域有著重要的應用［5］。為了進一步提升鎳鍍層的性能，通常需要在鍍液中添加第二相粒子制備復合鍍層來提升鍍層的硬度、耐磨性與耐腐蝕性等［6-7］。電鍍屬于《現(xiàn)代表面技術(shù)》課程內(nèi)容的一部分，教學過程中僅僅向?qū)W生講授了電鍍的基本原理、預處理、單金屬電鍍鎳等，尚未涉及鎳復合鍍層的制備與研究。為此，設計了Ni-Co-GO 復合鍍層的制備與表征，通過研究硫酸鈷與氧化石墨烯含量對復合鍍層微觀組織與顯微硬度的影響，在研究中使學生體會各實驗間的關(guān)系，提高學生綜合利用所學知識解決實際問題的能力。

2 電鍍Ni-Co-GO復合鍍層實踐教學組織

本研究結(jié)合教師日常科研工作，以問題導入式提出鎳復合鍍層的制備與表征，讓學生通過查閱文獻了解目前鎳復合鍍層的研究進展及面臨的問題，在教師的指導下設計相關(guān)實驗，探尋鎳復合鍍層制備的相關(guān)技術(shù)。

電鍍Ni-Co-GO 復合鍍層實踐教學組織工作主要包括發(fā)布任務、查閱文獻、文獻綜述、實驗設計、實驗實施、教學考核評價等。首先，教師結(jié)合課堂理論教學的基本原理發(fā)布實踐教學任務并提出問題，學生根據(jù)任務自由組合為2-5 人的小組查閱文獻并完成文獻綜述，在查閱文獻的過程中，學生發(fā)現(xiàn)Co 添加可以提升鍍層的耐蝕性與耐磨性等，從而擴大鍍層的應用領(lǐng)域［8-9］；同時通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯（graphene oxide， GO）具有優(yōu)異的光學、電學、力學性能，是一種優(yōu)良的增強體［10］。其次，學生在前期資料整理的基礎上設計實驗并與指導教師對實驗設計的合理性與可行性進行分析討論，最終確定實驗方案。再次，學生在指導教師的監(jiān)督下搭建實驗平臺，完成實驗樣品的前處理、試樣制備及性能測試，完成實驗參數(shù)優(yōu)化。最后，學生對實驗結(jié)果進行整理、實驗數(shù)據(jù)進行分析并進行匯報總結(jié)，教師對學生的實踐教學進行考核與評價，并注重學生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)。

3 電鍍Ni-Co-GO復合鍍層實驗實施

3.1 實驗材料與方法

電鍍液成分如表1 所示，所用試劑均為分析純。采用蘇州碳豐石墨烯科技有限公司提供的厚度1.00 nm～1.77 nm 的單層氧化石墨烯，用去離子水超聲分散后添加至鍍液中。電鍍過程中采用空氣攪拌，陰極為黃銅板，陽極為純鎳板。電鍍溫度為25 ℃，電流密度為0.2 A/dm2，pH 值為4.0～4.5，電鍍時間為90 min。

表1 Ni-Co-GO鍍液配方Tab.1 Composition of electroplating solution for Ni-Co-GO coatings

采用VEGA3MLU 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope， SEM）及能譜分析儀（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy， EDS）分析鍍層的微觀組織，采用布魯克D8 ADVANCE型多晶X射線衍射儀（X-ray diffraction， XRD）分析復合鍍層的相結(jié)構(gòu)，采用HV-1000B 維氏硬度計測量鍍層的顯微硬度。

3.2 電鍍Ni-Co-GO復合鍍層結(jié)構(gòu)

圖1 為鍍層的XRD 圖，從圖中可以看出，純鎳鍍層在衍射角2θ為44 °與52 °附近出現(xiàn)了（111）與（200）晶面，擇優(yōu)生長取向為（111）。添加硫酸鈷或氧化石墨烯后，鍍層的擇優(yōu)生長取向沒有發(fā)生變化，但是在76 °附近出現(xiàn)了鎳的（220）峰，說明硫酸鈷和氧化石墨烯的添加對鍍層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響［11-12］。

圖1 不同成分鍍層的XRD圖Fig.1 XRD patterns of the coatings with different composition

3.3 電鍍Ni-Co-GO復合鍍層微觀組織

圖2 與圖3 分別為不同成分鍍層的表面形貌及元素分析，對比圖2（a）與圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，與純Ni鍍層相比，添加10 g/L硫酸鈷后，鍍層表面更加平整致密，分析認為是Ni2+與Co2+的析出電位接近，在電鍍時以共沉積的形式沉積到基體表面，Co的加入可以細化晶粒，改善鍍層的平整度［13］。對比圖2（a）與圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)，添加0.10 g/L 氧化石墨烯后，鍍層表面存在大量凸起，粗糙度增加，這主要是因為在沉積過程中，大部分氧化石墨烯未與Ni 發(fā)生共沉積，最終沉積到鍍層表面，從而導致鍍層表面粗糙。圖2（d）為同時添加硫酸鈷與氧化石墨烯鍍層的表面形貌，可以看出，鍍層相對單一添加硫酸鈷表面粗糙，但相對于單獨添加氧化石墨烯分布更加均勻。

圖3 不同種類鍍層的EDS分析結(jié)果Fig.3 EDS results of different kinds of coatings

圖4 為不同氧化石墨烯含量鍍層的表面形貌，結(jié)合圖4 與圖2（d）可以看出，隨著氧化石墨烯濃度的增加，復合鍍層表面的凸起數(shù)量不斷增加，分析認為氧化石墨烯具有很強的混溶性與傳質(zhì)性，電鍍過程中，Ni 離子優(yōu)先沉積在氧化石墨烯上，形成苞狀結(jié)構(gòu)［14］。當濃度達到0.20 g/L 時，鍍層表面幾乎全被氧化石墨烯覆蓋，且由于氧化石墨烯的團聚出現(xiàn)大量的團簇，形成凸起。

圖4 不同氧化石墨烯含量鍍層的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of the coatings prepared at different GO concentrations

圖5 為不同硫酸鈷含量鍍層的表面形貌，結(jié)合圖5與圖2（d）可以看出，隨著硫酸鈷含量的增加，鍍層中氧化石墨烯的分布變得均勻，且氧化石墨烯顆粒更加細小。這主要是因為Co原子半徑較大，在沉積過程中嵌入到Ni 晶格［15］，隨著Co 含量的增加，晶粒得到細化，在沉積過程中使得鍍層表面氧化石墨烯更加細小均勻。

圖5 不同硫酸鈷含量鍍層的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of the coatings prepared at different CoSO4 concentrations

3.4 電鍍Ni-Co-GO復合鍍層顯微硬度

圖6 為不同成分鍍層的顯微硬度，可以看出，純鎳鍍層的硬度較低，約為275.4 HV；單一添加10 g/L硫酸鈷后，鍍層的硬度為364.2 HV；添加0.10 g·L-1氧化石墨烯后，鍍層硬度為395.4 HV；同時添加10 g·L-1硫酸鈷與0.10 g/L 氧化石墨烯時，鍍層的顯微硬度為461.8 HV。相對于純鎳鍍層，添加硫酸鈷后，鈷與鎳發(fā)生共沉積形成固溶體，并使得鍍層晶粒細化，從而提升了鍍層的硬度［15］。氧化石墨烯添加至鍍層中會抑制鎳晶粒長大，同時可有效阻礙鎳基體的位錯運動，從而使得鍍層硬度增加［16-17］。同時添加硫酸鈷與氧化石墨烯之后，兩種物質(zhì)的協(xié)同效應使得鍍層硬度較單一添加得到進一步提升。

圖6 不同種類鍍層的顯微硬度Fig.6 Microhardness of different kinds of coatings

圖7 為不同氧化石墨烯含量鍍層的顯微硬度，可以看出，隨著氧化石墨烯濃度從0.05 g/L 增加到0.15 g/L，鍍層的顯微硬度呈現(xiàn)增長的趨勢，顯微硬度最大值為529.5 HV，但是當氧化石墨烯濃度增加到0.20 g/L 時，鍍層的硬度降低為420.1 HV。復合鍍層中，氧化石墨烯本身優(yōu)異的力學性能可以承擔部分載荷，同時可以作為形核中心，促進鍍層晶粒細化，受力時可以阻礙位錯運動，從而提升鍍層的硬度［17］。但是，當氧化石墨烯濃度過高時，會在鍍層中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，從而無法良好的彌散分布在鍍層中，導致氧化石墨烯對鍍層晶體位錯運動的抑制作用減弱，造成鍍層顯微硬度的下降。

圖7 不同氧化石墨烯含量鍍層的顯微硬度Fig.7 Microhardness of the coatings prepared at different GO concentrations

圖8 為不同硫酸鈷含量鍍層的顯微硬度，可以看出，鍍層的顯微硬度隨著硫酸鈷含量的增加而升高，硫酸鈷含量為20 g/L時，鍍層的顯微硬度達到最大值，為557.3 HV。Co 添加到鍍層中，可以與鎳形成固溶體，起到固溶強化的作用，且這種強化作用隨著Co2+含量的增加而得到增強。同時Co 與Ni 原子半徑不同，沉積過程中會引起晶格畸變，產(chǎn)生位錯、空位等缺陷，位錯增加會產(chǎn)生小角度晶界，從而使得鍍層晶粒細化，硬度提升［18］。

圖8 不同硫酸鈷含量鍍層的顯微硬度Fig.8 Microhardness of the coatings prepared at different CoSO4 concentrations

3.5 實踐教學考核評價與思考

實踐教學考核主要包括文獻查閱、實驗設計、實驗操作、結(jié)果分析與思考，考核過程中注重過程考核，將課內(nèi)與課外相結(jié)合，將科學技術(shù)與工程素養(yǎng)相結(jié)合，既注重知識與技能的掌握，又注重思想與素質(zhì)的提升，實踐教學實施中鼓勵學生在原有讀書報告、文獻綜述等形式的基礎上將實踐成果以論文或?qū)＠男问桨l(fā)表。

同時，在實踐教學中，除了使學生掌握電鍍理論知識和操作技能之外，還鼓勵學生從電鍍生產(chǎn)實際相關(guān)問題出發(fā)，尋求解決方案，激發(fā)學生的創(chuàng)造潛力。如融合工程經(jīng)濟與管理的電鍍企業(yè)安全生產(chǎn)管理［19］、電鍍清潔生產(chǎn)評價及廠房布置模擬［20-21］、電鍍廢水回收與處理［22-23］等。通過對這些問題的思考，可以使學生意識到電鍍領(lǐng)域的工程實踐和工程問題的解決方案對社會、健康、安全等的影響以及這些制約因素對工程的影響，并理解應承擔的社會責任。

4 實踐教學效果

將科研成果轉(zhuǎn)化為實踐教學項目，激發(fā)了學生的學習興趣，表2 為科教融合實施前后實踐教學各環(huán)節(jié)的對比。學生綜合能力的提升主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）文獻查閱階段，引導學生改變傳統(tǒng)的以教材為主的文獻綜述，以最新的研究成果為依托開展實踐教學，借助文獻研究尋求解決材料成型、控制、加工、設計等復雜工程問題的方案，鼓勵學生主動提出問題。（2）實驗設計階段，改變傳統(tǒng)的教師主導的實踐教學模式，發(fā)揮學生的主動性，學生通過前期文獻查閱設計實驗方案，教師對學生的實驗方案進行分析，強化學生分析問題的能力。（3）實驗實施階段，改變以往實踐教學教師操作、學生參觀的形式，建立以學生為中心的團隊，調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生的團隊合作意識，增強學生解決問題的能力。（4）實驗分析階段，將先進的分析測試技術(shù)引入到實踐教學中，提升學生運用現(xiàn)代測試分析儀器與工程工具的能力，進而能對材料成型質(zhì)量控制、加工等復雜工程問題進行分析與設計。（5）實踐成果方面，在傳統(tǒng)讀書報告、文獻綜述的基礎上，引導學生深入思考問題、分析實驗結(jié)果、培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升學生的知識創(chuàng)新與應用能力，最終形成以學生為核心的論文與專利成果。（6）工程素養(yǎng)方面，重視人文精神的培養(yǎng)，堅持人文精神、科學素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的統(tǒng)一，培養(yǎng)學生的現(xiàn)代工程理念。使學生意識到電鍍領(lǐng)域?qū)ι鐣⒔】?、安全等的影響，國家可持續(xù)發(fā)展的重要性，理解科研工作者應承擔的社會責任。

表2 科教融合實踐教學前后對比Tab.2 Contrast of practice teaching before and after integration of science and education

依托一流專業(yè)建設與科教融合，學生積極參與教師科研項目，承擔實踐課題，實踐過程中掌握了各種實驗設備與測試儀器的基本原理及使用方法，學會了Origin 等數(shù)據(jù)分析軟件的使用；掌握了材料科學的基礎知識，對材料成分、工藝、組織與性能之間的關(guān)系有了更加深入的理解，意識到從微觀觀測到宏觀剖析的材料方法。同時，實踐教學過程中注重課程思政的實施，結(jié)合社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，通過對電鍍技術(shù)在我國工業(yè)生產(chǎn)中的應用及環(huán)保電鍍發(fā)展的講解，幫助學生樹立良好的職業(yè)素養(yǎng)和價值取向。近年來，本科生發(fā)表論文20 余篇，申請專利10余項，學生的綜合素質(zhì)與競爭力均得到提升。