依托大精设备开展自研自制，提升学生工程实践能力

刘 丽 武元鹏 施岱松 董立谨

（西南石油大学，四川成都，610500）

一、引言

实验教学是高等院校实践教学体系的重要组成部分，是培养学生应用实践能力的重要环节，自主研发教学仪器设备并利用自制设备开展实践教学工作无论是对于实验中心的良性发展还是创新性人才的培养都具有重要意义。[1]

大型精密仪器设备（以下简称“大精设备”）是高校从事教学、科研及产品开发的重要条件，充分发挥大精设备的使用效益对于人才培养和科研成果的产出意义重大。[2]然而通用的大精设备由于功能强大，可以在多方面进行研究和测试，但其本身配套的一些部件不一定能满足所有用户的需求，使得设备功能未被完全开发，这很大程度上降低设备的利用率，因此根据需求自制配套装置显得非常重要。近年来，随着学科的发展，我院大精设备的台套数也越来越多，其中包括多台进口的电化学工作站，应用范围广，但却没有专用的配套电解池，导致温度精度难以控制，限制了其使用功能，因此，自制与其配套的恒温电解池进一步提高利用率和使用功能显得尤为重要。

二、研制过程

（一）研制背景

随着世界经济的发展和环境污染程度的增加，金属腐蚀造成的损失越来越严重，据有关资料报道，每年生产的黑色金属由于腐蚀而遭到破坏的质量分数为5%到20%。在油气开发过程中，由于受开采温度、压力、腐蚀介质的影响，油管、套管腐蚀尤其严重，造成巨大的经济损失。电化学测试技术是通过一些固定的输入（如恒电流、恒电压、阶梯电势损失等）来获取输出的电信号，从而反映出电极金属腐蚀材料的界面结构、界面上的电势分布以及在界面上进行的电化学过程等，通过对不同温度下的样品进行电化学测试，比如极化曲线测量、电化学交流阻抗谱、电化学噪声测试、M-S曲线测量等，可以分析材料的腐蚀情况。除金属腐蚀方面以外，电化学测试技术在电镀和电冶金方面也得到广泛的应用。

电解池作为电化学分析仪器中的关键部件，在电化学测试中起着十分重要的作用，目前实验室常用的电解池由工作电极、电解质、四口或三口烧瓶、辅助电极和参比电极组成。当需要对电解池进行控温时，电解液的温度主要采用恒温水浴锅加热来控制，精度不高，影响测试效果，且水浴加热的方式一般都需要提前预热，测试效率低，在水浴加热的过程中产生的涡流电流还会干扰测试信号，在一定程度上制约了其应用。为了满足各种测试功能，课题组利用本科生课外创新实验的机会，研发了一台可控温电解池，不仅提高了电化学工作站的利用率，对学生实践创新能力的培养也发挥了积极作用。

（二）装置设计要点

图1所示为自制电解池的半剖正视图，该电解池采用不锈钢缸体，热电阻低，导热性好。加热方式采用直流内加热方式，将陶瓷发热芯均匀嵌入不锈钢中，由于陶瓷加热电压低，安全性好，加热均匀，可控精度比较高，能得到很好的实验效果。电解池内部喷涂特氟龙涂层进行绝缘，电阻率高，绝缘性好，不影响测试电流和电压。该电解池体积小，在满足控温条件下可以实现噪声屏蔽干扰，保证了测试的准确性和精度。

图1 整体半剖正视图

（三）应用情况

自制电解池的研制，为学生毕业论文实验带来了便利，近年来有多名本科生、研究生利用此装置完成了电沉积实验，利用电化学工作站配套此装置在金属表面制备过渡金属复合镀层，石墨烯镍基复合镀层等，并研究了镀层耐腐蚀性能，电催化性能。也有学生通过此装置评价不同温度下缓蚀剂的缓蚀效率，研究陶瓷涂层、Zn-Ni渗层的电化学阻抗，评价温度对涂覆层耐蚀性的影响。此外，本装置还支持开展了多项科研项目，如油气集输站内设备选材及内防技术测试评价，油套管的腐蚀研究等，由于在实验过程中可精准地控制温度，均取得了非常满意的实验结果。学生还利用此装置开展了课外开放创新实验，研究成果获得第五届大学生材料热处理创新创业大赛优胜奖，校课外开放实验三等奖。由于设备使用率高，学生和教师利用该仪器所产生的成果显著，实现了实验教学效果与提高大精设备利用率的双赢。

三、在实验教学和学生能力培养中的作用

（一）恒温电解池的自研自制，拓展了大精设备的使用功能，支撑了学生专业核心能力和综合创新能力的培养。

所谓核心能力，是指在人的能力体系中处于核心地位的能力，它是一种从事任何职业都需要的，能适应岗位不断变换和技术飞速发展的综合能力和基本能力。作为材料类专业的学生，其专业核心能力之一就是能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于分析、解决材料能源等复杂工程问题，也就是应用能力。在当今社会，人才的创新能力是人才核心竞争力的体现，而应用能力则是人才创新能力的重要基础。［3］

以“培养学生核心能力”为目标的恒温电解池的设计、研制，就是围绕大精设备功能拓展，让学生将所学知识应用于专业实践。在设计制作的过程中，学生不但要掌握电化学测试的原理，仪器的使用方法，电解池的作用，以及电解池结构对测试产生的影响等，还需要了解各种知识，包括方案设计、材料选择、绘图软件的使用、机械加工方式、电子原件和加热器件的选择等，然后再结合掌握的专业知识在教师的指导下自主设计。尤其在加热方式和加热元件的选择方面，更是体现了学科之间的相互交叉，通过查阅相关资料，并向有经验的电气工程师咨询，完成加热元件的购买和组装。通过自研自制创新活动，学生不仅对电化学方面的专业知识有了更深的理解，也提高了知识的综合运用能力。

（二）恒温电解池的自研自制，提升了腐蚀实验教学的深度和广度，培养了学生应用实践能力

综合性实验教学是在巩固基础实验教学、专业基础实验教学成果的基础上，通过对实验内容、方法适当拓展，加深学生对学科相关知识的理解和掌握，培养学生运用综合的方法、手段分析问题、解决问题的能力。[4]我院腐蚀与防护方向学生专业综合实验的内容主要涉及油田环境腐蚀试验的模拟和防腐层的制备两个方面，腐蚀模拟实验主要包括模拟油田环境碳钢的二氧化碳腐蚀、不锈钢点腐蚀、异金属电偶腐蚀以及缓蚀剂的评价；防腐层制备主要包括轻合金转化膜的制备、碳钢涂镀层的制备和表征，让学生通过全方位的实验加深对腐蚀理论和防护技术的理解和掌握，进一步提高专业能力和水平。之前学生进行腐蚀实验主要是采用浸泡法，虽然可以控制温度，但实验周期长，且相对比较简单，难以提高学生的实验兴趣，而电化学技术则可以更加快捷方便地通过测量极化曲线和交流阻抗来评价金属及涂镀层的耐蚀性。因此，我们根据学生培养大纲要求，将电化学工作站应用于实验项目中，但由于没有可控温电解池，用水浴锅控制温度周期太长，难以满足温度变化的需求，因而所有实验都是在室温下进行的。而在实际生产中，温度是非常重要的影响因素，因此很难实现教学实验与生产现场的紧密结合，缺乏对学生工程应用能力培养。在自制可控温电解池之后，学生实验能够满足不同体系的温度要求，升温快捷，控温精确，可操作性强，既节约了时间，也提高了学生学习仪器设备的兴趣。把大精设备的应用穿插到本科生的教育中，不仅能加深学生对大型仪器的理解和认识，同时激发研究兴趣，激活思维，使学生获得将大型仪器应用于自身科研领域的能力。[5]

（三）恒温电解池的自研自制，提升了学生对第二课堂的兴趣，激发了学生的综合创新能力

第二课堂（以下简称“二课”）是第一课堂的延伸，是课堂教学以外，以知识与信息为媒介对学生实现智力的开发和个性的陶冶的手段，对学生综合素质的提升有着极大的帮助作用。[6]随着高等教育的要求，二课活动也越来越多，但是我们看到很多活动对学生的吸引力不够，部分学生为修学分而学习，更有甚者重复之前做过的实验或项目，只是为了满足学分需要，一方面说明学生自身并不明白开展二课活动的目的和意义，另一方面也可能是教师在二课指导方面创新性不足，难以提高学生的兴趣。管成功[7]通过对大学生第二课堂现状的调研，发现38.71%的学生对创新类活动更感兴趣，是学生最为关注的地方，这也是非常契合当前学生能力培养趋势。让本科生在课余时间参与恒温电解池的设计，本身就是一项创新活动，为学生提供了一个很好的创新情境。

四、结束语

自研自制以提升工程类本科生创新能力为目标的实验仪器和设备，是解决和完善实验教学所需仪器设备的重要途径，其设计灵活，成本投入低，是对现有实验仪器功能很好的拓展和补充，也为学生的科技创新活动提供了良好的平台。[8]一方面，自制实验设备可以激发学生思维，提升原始创新能力，学生在教师的引导下通过自制开发、设计实验设备，不仅锻炼了动手能力，更有助于将所学的理论知识和实践相结合，为社会培养更多创新型应用型人才。另一方面，自研自制可以在教学中更新实验项目与内容、提高实验教学质量和水平、提高大精设备的利用率，在推动实验教学改革的同时，也有助于教师和实验技术人员水平的提高，进而推动实验室建设。[9]