“材料腐蚀与防护”课程教学的创新性探索

王乃光，施志聪

（广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006）

材料的腐蚀始终困扰着工程领域。腐蚀导致工程装备、关键结构以及基础设施损坏，进而引起灾难性事故。由腐蚀引起的经济损失在各国每年的国民生产总值中平均超过3%，中国约达5%[1]。有鉴于此，国内各大高校材料及化工类专业纷纷开设“材料腐蚀与防护”必修课，目的在于让学生掌握腐蚀的基本概念、重要理论以及防护的基本原理和常用手段。材料腐蚀与防护属于多学科交叉领域，涵盖材料、物理、化学、电化学、力学、生物等多个学科的知识[2-3]，而且与人类的工业生产和日常生活密切相关；此外，该领域发展突飞猛进，每年都有大量文献报道，内容涉及金属常温下腐蚀、金属高温氧化、无机非金属高温烧蚀等，有些报道甚至颠覆了人们对腐蚀持有的传统观念。因此，“材料腐蚀与防护”的课程教学存在一定难度，既要牵涉到多方面的知识，又要紧跟最新研究进展，必须引起相关教师的高度重视。

1 “材料腐蚀与防护”课程教学存在的问题

1.1 学生的前期知识储备不够

“材料腐蚀与防护”通常在大三第二学期开课。如前所述，该课程的内容涉及材料、物理、化学、电化学、力学、生物等多学科的知识。尽管学生在大一至大二期间对这些学科有所涉猎，但与腐蚀密切相关的知识了解得并不多，某些重要知识甚至有所遗忘。例如，“活度”是物理化学中的重要概念，在腐蚀电化学领域也经常提及，但很多学生在学习本课程或解题时对这一概念并不熟悉，不知如何使用。又如，“材料腐蚀与防护”的研究对象为材料，在讲授这门课时难免会提及材料科学中的重要概念，如晶界、位错、基体、第二相等，但很多学生对这些概念感到陌生。

1.2 传统的讲授式教学过于枯燥

目前，“材料腐蚀与防护”的教学以课堂讲授为主，学生几乎是被动接受知识，很难调动学习积极性。该课程包含大量复杂的公式，如Evans极化图的数学表达式、Nernst公式、电极反应动力学方程等，单纯的课堂讲授往往比较枯燥且难以理解。此外，课程涉及的基本概念较多，像局部腐蚀、电偶腐蚀、过电位、腐蚀驱动力等，仅通过讲授或板书很难让学生深刻领悟并记住这些重要概念。

1.3 内容相对陈旧，国内外最新研究动态跟进不足

现今“材料腐蚀与防护”教材的内容还停留在二十世纪八、九十年代的水平，涉及的知识仅仅是腐蚀、防护的一些基本概念、理论和应用，明显缺乏该领域国内外最新的研究动态。事实上，腐蚀与防护作为材料科学及相关工程学科的热门研究领域，每年都有大量文献报道。研究内容包括金属常温腐蚀、金属高温氧化、无机非金属高温烧蚀等。有些报道甚至颠覆了人们对腐蚀持有的传统观念。例如，大多数金属在阳极极化过程中都存在“正差数效应”，即随极化程度的增大自腐蚀速率降低。但对于镁及其合金而言，自腐蚀速率反而随阳极极化的增大而升高，即所谓的“负差数效应”，且产生的原因至今学术界争论不休。然而，目前常用的几本教科书完全没有提及这一现象和产生的相关原因。

1.4 考核方式过于单一

“材料腐蚀与防护”的课程考核方式目前主要是笔试（开卷或闭卷），几乎没有计算题。学生为了应付考试往往死记硬背，并没有完全掌握所学的知识。因此，这样的课程考核不能真正反映学生的学习情况，更不能调动学生积极思考、主动探索。

2 课程教学的相关对策及创新性探索

2.1 向学生提供其他学科的前期知识储备

教师在备课过程中，可以根据不同章节的需要，适当增加其他学科的相关知识。例如，在讲到“电化学腐蚀的倾向”这一章时，可向学生阐述热力学方面的知识，让他们掌握平衡电位的计算方法，懂得平衡电位对判断腐蚀倾向的重要性；在讲到“金属高温氧化”这一章时，可向学生灌输金属氧化物的晶体结构知识，如p型半导体或n型半导体等，方便学生熟悉合金元素的原子价对基体金属氧化率的影响；在讲到“局部腐蚀”这一章时，可适当讲授与“材料科学基础”相关的内容，如晶粒、晶界的结构和性质等，这样有助于学生理解晶间腐蚀的原因。前期知识储备不宜讲授太多，但必须适用且切中要害，便于“材料腐蚀与防护”的课程教学。

2.2 结合现实生活，以通俗形象的方式讲授难懂的腐蚀理论

教师在讲授腐蚀的基本概念时，可列举现实生活中的具体例子，如铁生锈、铜生“铜绿”等，让课堂跟生活结合起来。以此为基础，可进一步阐述腐蚀的本质时，并利用图1所示加深学生对知识点的理解。

图1 金属的腐蚀过程示意图

即金属处于“高能”态而不稳定，有自发向稳定的“低能”态转变的倾向，最终被腐蚀成矿石。这一过程的逆过程就是我们常说的金属冶炼—矿石转变为金属，该过程需要吸收大量的能量，因而不能自发产生。在讲授“电化学腐蚀的倾向”这一章时，同样可利用图1，并由此引出平衡电位的概念和Nernst公式，即平衡电位与物质的自由能密切相关，是判断腐蚀倾向的重要依据，而Nernst公式可计算某物质在特定环境下的平衡电位。类似的示意图还有很多，都有助于课堂讲授并加深学生对知识的理解和记忆。

“材料腐蚀与防护”涉及一些公式，如Evans图的数学表达式，单纯的讲授不容易掌握，可将公式与示意图结合起来，对应的部分用同种颜色表示，如图2所示。

图2 Evans图数学表达式的形象记忆

该公式包含的驱动力为阴极反应和阳极反应的平衡电位之差Eoc-Eoa，阻力分别为阳极极化Pa、阴极极化Pc和溶液电阻R。各部分都与Evans图对应，因此很容易理解和记忆。另外，“材料腐蚀与防护”包含点蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀等重要概念，但教材中仅用文字描述，缺乏必要的照片。因此，教师可在课堂上提供对应的照片，让学生从感官上认识什么是点蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀，这样有利于加深对所学知识的记忆。

2.3 利用科研数据库，将相关研究的最新动态在课堂上展现

如前所述，腐蚀与防护的研究日新月异，在一些国际权威期刊上每年都有大量文献报道。然而，“材料腐蚀与防护”的教学内容过于陈旧，缺乏国内外最新研究动态的跟进，这样不利于激发学生的好奇心。因此，教师很有必要利用科研数据库，将腐蚀与防护的最新研究进展搬到课堂上来。例如，在讲授“差数效应和阴极保护效应”时，可向学生展示文献中报道的“负差数效应”，并指出目前学术界对“负差数效应”产生的原因争论不休，已提出大量模型对该效应进行解释；在讲授“金属的钝化”这一章时，有必要向学生灌输“自钝化是改善金属材料耐蚀性的有效手段”这一思想，并由此引出Nature Materials期刊上一篇镁-锂基合金的论文。该论文指出，通过合金化、热处理及加工工艺的改善，在大气环境下活泼的镁-锂基合金表面竟能形成致密的Li2(CO3)2膜，可有效保护金属基底[4]，使其耐蚀性达到钛合金的水准，从而颠覆了人们对材料腐蚀与防护的固有认识；在讲授“腐蚀控制”和“防腐蚀设计”这些章节时，可着重提及Nature期刊上关于“共享腐蚀数据库”的论文。该论文指出，建立共享的腐蚀数据库可准确预测不同材料在不同环境下的腐蚀失效，从而为防腐蚀设计提供理论指导[5]。总之，在课堂上展示相关领域的最新科研动态是激发学生好奇心并调动其学习积极性的有效方法，任课教师必须引起高度重视。

2.4 适当调整课程考核方式

如前所述，目前“材料腐蚀与防护”课程的考核方式类似文科且比较单一，大多是一些基本概念题和问答题，缺乏新意。为了显示理工科的特质，课程考核可适当涉及计算和推导题，如已知腐蚀电流密度i(mA·cm-2)、金属的摩尔质量M(g·mol-1)、金属的密度 ρ (g·cm-3)、对应的金属离子价态+n、法拉第常数F(C·mol-1)，用含i、ρ、M、n和F的式子表示金属的腐蚀速率V(mm·y-1)。此外，还可通过平时的课堂研讨进行另一种考核，如根据腐蚀与防护领域中的某个具体前沿性问题，让学生查阅文献并做好PPT，在课堂上展开分组探讨和辩论，教师充当评委打分，具体形式如图3所示。总之，课程的考核方式尽可能多样化，以便从不同角度考查学生对知识的掌握情况以及分析解决实际问题的能力。

图3 《材料腐蚀与防护》课程的课堂研讨示意图

3 结语

综上所述，教师可通过提供其他学科的前期知识储备、利用通俗形象的教学方式、展现最新科研动态、调整课程考核等措施对“材料腐蚀与防护”这门课进行创新性探索，从而激发学生的好奇心，调动他们的学习积极性。