《金属腐蚀原理》本科教学改革研究

万红霞，宋东东，陈长风，李迎超，邱 萍

(1 中国石油大学(北京) 新能源与材料学院，北京 102249；2 暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院，广东 广州 510632)

金属材料因其性能优异而被广泛应用于国民经济各个领域。但是金属在服役的过程中容易受到介质环境的腐蚀。从热力学上讲，除了极少数贵重金属(金、铂等)外，一般的金属都容易自发的发生腐蚀，如我们常见的铁的生锈。金属腐蚀是一个很普遍的现象，据统计每年因腐蚀造成的经济损失占当年国内生产总值(GDP)的3.34%，2014年我国腐蚀总成本约为2.1万亿元[1]。世界上每90秒就有1吨钢铁被腐蚀，腐蚀导致设备破坏，管道穿孔、断裂，油气泄露等安全隐患。此外，我们生活中也处处可见腐蚀，比如铁锅的生锈、水龙头的腐蚀、海水中桥梁的腐蚀等等。

腐蚀会造成资源浪费、经济损失和危机人身安全，严重影响社会经济可持续发展，腐蚀问题备受全球关注。如2010年“墨西哥”漏油事件导致严重的人员伤亡、环境污染和生物的死亡，引起了国际社会的高度关注。世界腐蚀日的成立意味着人们致力于腐蚀和防护知识的发展和传播。2009年，世界腐蚀组织将每年4月24日定为“世界腐蚀日”，以唤醒人们意识到腐蚀的存在以及每年对经济造成的巨大损失。2019年，我国科技部和财政部将“国家材料腐蚀与防护数据中心”列为20个国家科学数据中心之一，这些举措进一步说明了科技工作者对腐蚀的关注。而高校是承担国家科研的主要结构之一，因此开设金属腐蚀原理相关课程，并鼓励对课程教学质量的提升进行积极的探索和持续改革。

《金属腐蚀原理》课程是我院开设的一门专业课，腐蚀在石油体系里面涉及更为广泛，主要是石油、天然气等装备服役于苛刻的环境，因而腐蚀更为严重。所以《金属腐蚀原理》是我院本科生必选的专业课之一。腐蚀是一门交叉性学科，涉及化学、电化学、表面科学、生物学、工程力学等多学科的交叉性和综合性学科[2]。其教学的目的是通过各种教学环节，使学生掌握材料腐蚀理论和防护技术有关的基础知识，提高学生分析和解决问题的能力，为将来的工程实践和进一步的深入学习和研究打下良好基础。本文将从教学内容、教学方法和考核方式等方面对课程教学改革进行探讨。

1 优化教学内容，体现实用和前沿性，理论结合实际例子

《金属腐蚀原理》作为一门理论和实践紧密相结合的一门课程，注重创新型和实际应用型人才的培养，因而教学的实用性和前沿性很重要[3-4]。金属腐蚀原理的课程结构大概如下，主要根据金属发生腐蚀的理论分析和实际情况进行了课程的设计。针对前沿部分，首先给出日常生活、工业中常见的腐蚀案列，引出腐蚀的概念，接着由这些案例说明腐蚀的特点，然后说明各行各业存在腐蚀的普通性以及研究腐蚀意义，最后提出怎么来评价腐蚀。让学生了解了腐蚀的概念之后，能够认识到什么是腐蚀。接着进行理论的学习，腐蚀热力学与动力学，即腐蚀能否发生、腐蚀发生的快慢速度等，这两方面是金属腐蚀原理的理论依据。通过热力学的学习使同学们掌握腐蚀是否会发生，能否发生；通过动力学的学习使同学们掌握腐蚀发生的速率到底有多快。接着对腐蚀进行了分类，根据服役环境的不一样分为大气、土壤和海水腐蚀等，根据腐蚀形态的不一样分为均匀腐蚀和局部腐蚀，局部腐蚀又可分为点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀等。在掌握了腐蚀产生的原因之后，我们进行了如何来防腐的设计，最后讲解了防腐的手段。这就是整个金属腐蚀原理的课程设计。

在设计教学内容时，教学内容应该与实际工程相结合，体现实用性。理论知识和技术的价值最终体现在实际应用上，增加一些生活和工业中常见的例子。比如在讲解第二章热力学时，我们可以列举一些例子说明生活的一些规律。“为什么金可以作为传家宝”。从热力学如何来说明这个问题。其次增加一些工业中常见的腐蚀案例，比如石油钻井和管道中一些失效的案例。再讲土壤腐蚀时，我们可以以管道为例说明土壤腐蚀中存在的类型与危害。首先是需要介绍输气管道在建造过程中所涉及的腐蚀与防护新技术，所处的工况，面临的腐蚀类型。针对土壤中面临的腐蚀类型，该如何防止。比如土壤中氧浓差腐蚀，杂散电流腐蚀和微生物腐蚀等，在讲到杂散电流腐蚀时，我们可以列举一些由于杂散电流导致管道腐蚀失效的案例，比如美国的一条管线，由于附近高压输电线的影响，服役几个月之后造成严重的腐蚀穿孔，导致严重的后果。那么针对这一事例，我们该如何防止呢？接着讲解铺设管线时，我们需要考虑的因素，第一肯定需要排除杂散电流的影响，那么如何排除呢？引进一些测试方法。这样比单纯的介绍什么是杂散电流腐蚀，硬性的给学生灌输一些知识点好很多，同时也能让学生知道，管道在设计过程中考虑的因素，这些因素如何来排除。鼓励学生思考和了解更多的工况和实际应用。

随着科技和研究手段的不断进步，人们对微观知识的了解越来越深，因而需要定期更新课件里面的知识内容。我们以局部腐蚀中的应力腐蚀为例说明需要体现前沿性的原因。应力腐蚀是局部腐蚀中比较难理解的腐蚀类型之一，其机制更是目前研究的热点之一。应力腐蚀机理大概有三种，一种是阳极溶解型机制，一种是氢脆型机制，另一种是混合机制。那么再讲应力腐蚀这个知识点时，我们依次介绍了应力腐蚀的概念、特征、机制、影响因素和防止措施。在机制方面呢，有必要介绍目前研究者们认为的氢脆的微观机制：包括氢促进局部塑性变形理论、吸附氢降低表面能理论、氢压理论、弱键理论和氢致阳极溶解型理论等，并对每一个理论进行解释。这样能让学生更好的了解氢在氢脆机制中所起的作用，能知道氢是什么原因导致材料的脆性断裂。氢与组织结构交互作用的结果形成了不同的机制，针对不同的断裂形式都能找到一种适合的氢脆机制，但是并不是所有的断裂类型都能用同一种机制解释，这也是为什么目前研究们一直在从事氢脆机制的原因。所以针对这一部分内容，我觉得我们应该根据目前的研究进展，展开对氢脆机制的讲解。其次在讲解每种腐蚀类型的时候，可以增加一些测试方法的讲解，对比之前传统的测试方法和现在先进的测试手段，讲述目前研究的前沿性。同时可以结合石油、天然气工业中出现的应力腐蚀断裂现象进行讲解和案例分析，让学生更加巩固的掌握应力腐蚀断裂。

2 应用丰富的教学手段，增加互动性

随着多媒体教学的普及，目前可以应用很多云课堂进行教学，比如慕课、雨课堂等。传统的教学方式以PPT加板书为主，板书教学需要耗费大量的时间板书，效率低，展示的内容有限且枯燥；单纯的PPT教学展示内容多，但上课也比较枯燥，因而需要调动学生上课的积极性以及掌握学生对知识的学习情况。雨堂课是一种很好的教学方式，传统教学方式+雨课堂教学能增加与学生的互动性，掌握学生的学习动态，同时增强了课堂趣味性，为教师不断改进教学方式、创新教学理念提供新思路[5-6]。比如在讲解局部腐蚀的概念和影响因素时，可以用雨课堂的形式，插入一些选择题，这样既可以掌握学生的到课人数，也可以掌握学生的掌握程度，很大程度带动了学生上课的积极性。其次可以添加一些图片、音频、视频等进行教学，形象生动地展示教学内容，可有效吸引同学们的注意力，调动积极性，加深学生对教学内容的理解和记忆。比如再讲自然环境中腐蚀时，我们可以针对自然环境：大气、土壤、海洋环境，目前研究者们对其做的一些工作接入视频进行讲解，比如腐蚀网站上大气、土壤和海洋腐蚀的环境数据取样视频、样品投样视频、以及回收样品视频等，让学生直观的了解到我国在各地设立多个大气、水和土壤腐蚀环境试验站的目的和意义。再次，可以利用案例式教学，增加互动性。案例式教学基于一个包含问题情境的描述，教师引导并鼓励学生积极参与问题的分析与解决的讨论。“以学生为主，师生互动”的教学模式有利于提高学生积极性和学习热情，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。如讲授电偶腐蚀时，引入生活中常见的螺钉的铆接，让学生判断螺钉铆接时，哪个是阴极哪个是阳极？以及在设计构件时，要避免大阴极和小阳极。接着引导学生去观察生活中一些螺钉铆接的案例，判断电偶腐蚀在这个铆接中的危险性。应该采用什么手段防止此类电偶腐蚀的发生？等等。在案例教学中，还可让学生以小组形式对案例进行讨论和分析。增加学生之间互动的同时锻炼学生的团队合作精神和能力。

3 优化考核方式，提高自主性

考核是检查学生对所学知识掌握程度的重要方式，也是评价和反馈教学质量的有效途径。传统的教学方式以期末考试成绩为主，平时成绩为辅。考试内容多涉及教学中的基本定义、原理和分类、热力学的计算等等。部分同学平时不听课的，到考试前临时突击，死记硬背，考试后就抛诸脑后，这样吸收的知识点很少。考试成绩也不能真实代表学生对知识的理解和掌握程度，从而不能准确反馈教学质量。因而，我们应该优化考核方式，提高学生自主学习的能力，建立多元化考核方式。比如总成绩包括期末成绩、平时成绩和研讨成绩等。平时成绩包括出勤率、作业和分析报告等组成。课题上随机点名和雨课堂上问题的研讨记录平时成绩。期末考试内容可以增加一些开放性试题，让学生通过生活中遇到的案例进行表述和分析原因，以及找到列举相应的防护方法。这样可以考核学生对理论知识的理解和运用知识解决实际问题的能力。多元化考核可以避免学生临时抱佛脚、死记硬背等现象，让学生把学习目标放在对所学理论知识的理解和实际运用上，有利于提高学生的学习自主性。

4 结 语

《金属腐蚀原理》课程通过以上改革措施，有效调动学生的学习积极性和自主性，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，随着科技的发展，对人才的培养和教学模式提出了更高的要求，课程的教学内容、教学手段和考核方式还需要进行不断的探索和优化，以适应现代化人才培养的需求。