《金屬腐蝕原理》本科教學改革研究

萬紅霞，宋東東，陳長風，李迎超，邱 萍

(1 中國石油大學(北京) 新能源與材料學院，北京 102249；2 暨南大學先進耐磨蝕及功能材料研究院，廣東 廣州 510632)

金屬材料因其性能優異而被廣泛應用于國民經濟各個領域。但是金屬在服役的過程中容易受到介質環境的腐蝕。從熱力學上講，除了極少數貴重金屬(金、鉑等)外，一般的金屬都容易自發的發生腐蝕，如我們常見的鐵的生銹。金屬腐蝕是一個很普遍的現象，據統計每年因腐蝕造成的經濟損失占當年國內生產總值(GDP)的3.34%，2014年我國腐蝕總成本約為2.1萬億元[1]。世界上每90秒就有1噸鋼鐵被腐蝕，腐蝕導致設備破壞，管道穿孔、斷裂，油氣泄露等安全隱患。此外，我們生活中也處處可見腐蝕，比如鐵鍋的生銹、水龍頭的腐蝕、海水中橋梁的腐蝕等等。

腐蝕會造成資源浪費、經濟損失和危機人身安全，嚴重影響社會經濟可持續發展，腐蝕問題備受全球關注。如2010年“墨西哥”漏油事件導致嚴重的人員傷亡、環境污染和生物的死亡，引起了國際社會的高度關注。世界腐蝕日的成立意味著人們致力于腐蝕和防護知識的發展和傳播。2009年，世界腐蝕組織將每年4月24日定為“世界腐蝕日”，以喚醒人們意識到腐蝕的存在以及每年對經濟造成的巨大損失。2019年，我國科技部和財政部將“國家材料腐蝕與防護數據中心”列為20個國家科學數據中心之一，這些舉措進一步說明了科技工作者對腐蝕的關注。而高校是承擔國家科研的主要結構之一，因此開設金屬腐蝕原理相關課程，并鼓勵對課程教學質量的提升進行積極的探索和持續改革。

《金屬腐蝕原理》課程是我院開設的一門專業課，腐蝕在石油體系里面涉及更為廣泛，主要是石油、天然氣等裝備服役于苛刻的環境，因而腐蝕更為嚴重。所以《金屬腐蝕原理》是我院本科生必選的專業課之一。腐蝕是一門交叉性學科，涉及化學、電化學、表面科學、生物學、工程力學等多學科的交叉性和綜合性學科[2]。其教學的目的是通過各種教學環節，使學生掌握材料腐蝕理論和防護技術有關的基礎知識，提高學生分析和解決問題的能力，為將來的工程實踐和進一步的深入學習和研究打下良好基礎。本文將從教學內容、教學方法和考核方式等方面對課程教學改革進行探討。

1 優化教學內容，體現實用和前沿性，理論結合實際例子

《金屬腐蝕原理》作為一門理論和實踐緊密相結合的一門課程，注重創新型和實際應用型人才的培養，因而教學的實用性和前沿性很重要[3-4]。金屬腐蝕原理的課程結構大概如下，主要根據金屬發生腐蝕的理論分析和實際情況進行了課程的設計。針對前沿部分，首先給出日常生活、工業中常見的腐蝕案列，引出腐蝕的概念，接著由這些案例說明腐蝕的特點，然后說明各行各業存在腐蝕的普通性以及研究腐蝕意義，最后提出怎么來評價腐蝕。讓學生了解了腐蝕的概念之后，能夠認識到什么是腐蝕。接著進行理論的學習，腐蝕熱力學與動力學，即腐蝕能否發生、腐蝕發生的快慢速度等，這兩方面是金屬腐蝕原理的理論依據。通過熱力學的學習使同學們掌握腐蝕是否會發生，能否發生；通過動力學的學習使同學們掌握腐蝕發生的速率到底有多快。接著對腐蝕進行了分類，根據服役環境的不一樣分為大氣、土壤和海水腐蝕等，根據腐蝕形態的不一樣分為均勻腐蝕和局部腐蝕，局部腐蝕又可分為點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕等。在掌握了腐蝕產生的原因之后，我們進行了如何來防腐的設計，最后講解了防腐的手段。這就是整個金屬腐蝕原理的課程設計。

在設計教學內容時，教學內容應該與實際工程相結合，體現實用性。理論知識和技術的價值最終體現在實際應用上，增加一些生活和工業中常見的例子。比如在講解第二章熱力學時，我們可以列舉一些例子說明生活的一些規律。“為什么金可以作為傳家寶”。從熱力學如何來說明這個問題。其次增加一些工業中常見的腐蝕案例，比如石油鉆井和管道中一些失效的案例。再講土壤腐蝕時，我們可以以管道為例說明土壤腐蝕中存在的類型與危害。首先是需要介紹輸氣管道在建造過程中所涉及的腐蝕與防護新技術，所處的工況，面臨的腐蝕類型。針對土壤中面臨的腐蝕類型，該如何防止。比如土壤中氧濃差腐蝕，雜散電流腐蝕和微生物腐蝕等，在講到雜散電流腐蝕時，我們可以列舉一些由于雜散電流導致管道腐蝕失效的案例，比如美國的一條管線，由于附近高壓輸電線的影響，服役幾個月之后造成嚴重的腐蝕穿孔，導致嚴重的后果。那么針對這一事例，我們該如何防止呢？接著講解鋪設管線時，我們需要考慮的因素，第一肯定需要排除雜散電流的影響，那么如何排除呢？引進一些測試方法。這樣比單純的介紹什么是雜散電流腐蝕，硬性的給學生灌輸一些知識點好很多，同時也能讓學生知道，管道在設計過程中考慮的因素，這些因素如何來排除。鼓勵學生思考和了解更多的工況和實際應用。

隨著科技和研究手段的不斷進步，人們對微觀知識的了解越來越深，因而需要定期更新課件里面的知識內容。我們以局部腐蝕中的應力腐蝕為例說明需要體現前沿性的原因。應力腐蝕是局部腐蝕中比較難理解的腐蝕類型之一，其機制更是目前研究的熱點之一。應力腐蝕機理大概有三種，一種是陽極溶解型機制，一種是氫脆型機制，另一種是混合機制。那么再講應力腐蝕這個知識點時，我們依次介紹了應力腐蝕的概念、特征、機制、影響因素和防止措施。在機制方面呢，有必要介紹目前研究者們認為的氫脆的微觀機制：包括氫促進局部塑性變形理論、吸附氫降低表面能理論、氫壓理論、弱鍵理論和氫致陽極溶解型理論等，并對每一個理論進行解釋。這樣能讓學生更好的了解氫在氫脆機制中所起的作用，能知道氫是什么原因導致材料的脆性斷裂。氫與組織結構交互作用的結果形成了不同的機制，針對不同的斷裂形式都能找到一種適合的氫脆機制，但是并不是所有的斷裂類型都能用同一種機制解釋，這也是為什么目前研究們一直在從事氫脆機制的原因。所以針對這一部分內容，我覺得我們應該根據目前的研究進展，展開對氫脆機制的講解。其次在講解每種腐蝕類型的時候，可以增加一些測試方法的講解，對比之前傳統的測試方法和現在先進的測試手段，講述目前研究的前沿性。同時可以結合石油、天然氣工業中出現的應力腐蝕斷裂現象進行講解和案例分析，讓學生更加鞏固的掌握應力腐蝕斷裂。

2 應用豐富的教學手段，增加互動性

隨著多媒體教學的普及，目前可以應用很多云課堂進行教學，比如慕課、雨課堂等。傳統的教學方式以PPT加板書為主，板書教學需要耗費大量的時間板書，效率低，展示的內容有限且枯燥；單純的PPT教學展示內容多，但上課也比較枯燥，因而需要調動學生上課的積極性以及掌握學生對知識的學習情況。雨堂課是一種很好的教學方式，傳統教學方式+雨課堂教學能增加與學生的互動性，掌握學生的學習動態，同時增強了課堂趣味性，為教師不斷改進教學方式、創新教學理念提供新思路[5-6]。比如在講解局部腐蝕的概念和影響因素時，可以用雨課堂的形式，插入一些選擇題，這樣既可以掌握學生的到課人數，也可以掌握學生的掌握程度，很大程度帶動了學生上課的積極性。其次可以添加一些圖片、音頻、視頻等進行教學，形象生動地展示教學內容，可有效吸引同學們的注意力，調動積極性，加深學生對教學內容的理解和記憶。比如再講自然環境中腐蝕時，我們可以針對自然環境：大氣、土壤、海洋環境，目前研究者們對其做的一些工作接入視頻進行講解，比如腐蝕網站上大氣、土壤和海洋腐蝕的環境數據取樣視頻、樣品投樣視頻、以及回收樣品視頻等，讓學生直觀的了解到我國在各地設立多個大氣、水和土壤腐蝕環境試驗站的目的和意義。再次，可以利用案例式教學，增加互動性。案例式教學基于一個包含問題情境的描述，教師引導并鼓勵學生積極參與問題的分析與解決的討論。“以學生為主，師生互動”的教學模式有利于提高學生積極性和學習熱情，培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。如講授電偶腐蝕時，引入生活中常見的螺釘的鉚接，讓學生判斷螺釘鉚接時，哪個是陰極哪個是陽極？以及在設計構件時，要避免大陰極和小陽極。接著引導學生去觀察生活中一些螺釘鉚接的案例，判斷電偶腐蝕在這個鉚接中的危險性。應該采用什么手段防止此類電偶腐蝕的發生？等等。在案例教學中，還可讓學生以小組形式對案例進行討論和分析。增加學生之間互動的同時鍛煉學生的團隊合作精神和能力。

3 優化考核方式，提高自主性

考核是檢查學生對所學知識掌握程度的重要方式，也是評價和反饋教學質量的有效途徑。傳統的教學方式以期末考試成績為主，平時成績為輔。考試內容多涉及教學中的基本定義、原理和分類、熱力學的計算等等。部分同學平時不聽課的，到考試前臨時突擊，死記硬背，考試后就拋諸腦后，這樣吸收的知識點很少。考試成績也不能真實代表學生對知識的理解和掌握程度，從而不能準確反饋教學質量。因而，我們應該優化考核方式，提高學生自主學習的能力，建立多元化考核方式。比如總成績包括期末成績、平時成績和研討成績等。平時成績包括出勤率、作業和分析報告等組成。課題上隨機點名和雨課堂上問題的研討記錄平時成績。期末考試內容可以增加一些開放性試題，讓學生通過生活中遇到的案例進行表述和分析原因，以及找到列舉相應的防護方法。這樣可以考核學生對理論知識的理解和運用知識解決實際問題的能力。多元化考核可以避免學生臨時抱佛腳、死記硬背等現象，讓學生把學習目標放在對所學理論知識的理解和實際運用上，有利于提高學生的學習自主性。

4 結 語

《金屬腐蝕原理》課程通過以上改革措施，有效調動學生的學習積極性和自主性，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，隨著科技的發展，對人才的培養和教學模式提出了更高的要求，課程的教學內容、教學手段和考核方式還需要進行不斷的探索和優化，以適應現代化人才培養的需求。