面向腐蚀与防护专业的物理化学教学改革研究

2023-02-01蔡星伟赵玉媛郑绍军陈立庄

化工设计通讯 2023年12期

蔡星伟，赵玉媛，郑绍军，陈立庄

（1.江苏科技大学，江苏镇江 212003；2.镇江高等专科学校，江苏镇江 212000）

腐蚀与防护属于交叉学科，涉及金属学、电化学、物理化学、流体力学、固体力学等，是一门应用性很强的学科。腐蚀包括自然环境腐蚀和工业环境腐蚀。自然环境腐蚀包括大气腐蚀、土壤腐蚀，以及水环境腐蚀和微生物腐蚀。工业环境腐蚀包括酸腐蚀、碱腐蚀、盐腐蚀、工业水腐蚀和熔融盐腐蚀。针对不同的腐蚀环境和腐蚀介质，可以选择不同的防腐蚀方法。一般要提高金属材料自身的耐腐蚀性，即选择合金材料等；形成保护层，比如涂料和搪瓷等；改变腐蚀环境，比如可以改变环境的酸碱性、脱盐脱氧或者加缓蚀剂等；防腐蚀结构设计；电化学保护、阴极保护和阳极保护等；腐蚀与防护学科交叉性和综合性强，与应用化学、高分子材料与工程、环境工程及化学工艺等专业联系紧密，相互融合和互相依托。物理化学为四大化学之一，是化工类、材料类、生物类等工学和理学专业基础课，在人才培养中扮演重要的作用。而物理化学课程也是腐蚀与防护学科最重要的专业基础课之一，在腐蚀与防护专业课程建设及人才培养等方面起到举足轻重的作用。

物理化学学习难度大，学生学习积极性不高。已有很多老师根据自己的教学经验提出了一些好的方法。孙元元等[1]认为要建设知识体系架构，增加教学方式改革。具体的可以采用案例式、交互式、故事性教学，加强师生互动，提高学习趣味性和效率。褚玉婷等[2]采用教学内容上强调相互关联性、线下教学和线上互动双管齐下、增加案例教学，激发学生兴趣，以及考核方式的改革等方式。史雷等[3]认为在物理化学教学过程中要融入思政元素，要加深对辩证唯物主义、爱国主义、集体主义、环境保护、科学态度和科学方法的理解，引导学生树立正确的人生观和价值观。

1 采用启发式教学，激发学生学习兴趣

物理化学理论性强、公式多、计算量大，学生学习难度大，学习兴趣不高，所以，提高学生学习物理化学课程的兴趣是首要问题。互动式教学是一种非常有效的教学方法，通过课堂提问和角色互换增加教学的趣味性和互动性[4]。增加案例式教学能够激发学生的学习兴趣[5]。讲到表面化学时，可以讲讲新房装修后，甲醛等气体小分子超标，通过活性炭包的使用可以显著减少新房中甲醛含量。引入工厂实际生产过程涉及物理化学问题，让学生有一个具体的印象，而不是都是公式和定理及枯燥的模型，例如，在讲述热力学第一定律时，可以结合工厂生产化学品过程中，需要加热，加热过程是反应釜内物料内能增加，再比如汽车行驶过程中通过汽油的燃烧热不断转化为汽车行驶的动能等具体生活和生产中实际的案例，可以极大增加学生学习的兴趣，给学生的不仅仅是公式和定理，而是具体的应用，让学生觉得物理化学不是空中楼阁。

物理化学是一门集理论性和应用性于一体的学科，尤其是理论性较强，学习起来难度较大。在学习到具体章节时，要及时梳理出章节的重点和难点，比如热力学部分，重点是热力学第一和第二定律，难点是热力学第二定律及围绕热力学第二定律的计算，以及熵的意义等，这样能让学生清楚物理化学这门课程应该掌握什么，学习到什么程度等。

2 努力提升授课教师的综合素质

为了更好更全面地将知识输出给学生，教师应该全面系统地掌握本学科的专业基础知识、科学问题和学科前沿等。物理化学作为系统性极强的一门课程，不但学生不容易掌握，对老师也极具挑战性。为此，可以从以下几个方面来综合提升教师的综合素质，以适应当前物理化学课程发展的新要求。①学习他人先进的教学经验，提高教学质量[6]。多听多观摩本课程的主讲教师的课程，包括网络视频、线下课程等，多学习老教师和有经验教师的讲课方式和方法，包括语言表达、逻辑关系、师生互动等。②请本学科的专家教授莅临课堂，面对面指导。这样可以将课程讲授过程中存在的问题第一时间得以呈现和修正，坚持2～3 a 的时间，讲课水平一定会大有进步。③要了解学科动态，将最前沿的物理化学问题与教学内容适当适度结合。在讲到界面化学这一章节时，可以适当拓展讲讲多相催化、膜科学和表面活性剂等，适度加深分析，让学生对知识点有更深入的理解，提高学生对科研的兴趣和求知欲。

3 将课堂内容与科学实验及生产实际相结合

实验操作是培养学生动手能力的重要手段，也是检验学生是否牢固掌握理论知识的方法。实验操作对学生创新精神的培养，具有非常大促进和提升作用。为了提升学生对理论化抽象化问题的理解和认识，可以在课外开设一些本科生科研实践训练，比如本科生创新实验，学生可以以团队的方式在老师或者研究生的指导下，开展一些与物理化学课程相关的实验内容，实践是增强对理论知识认识的最有力手段，同时还能够培养学生动手能力及分析和解决问题的能力。可以让学生自己设计实验，综合利用所学过的知识来建立实验方案、分析实验数据、得出结论，培养学生发现问题和解决问题的能力。另外，可以邀请工厂的技术工人来到讲堂，即通过校企合作的方式培养人才。让学生了解企业生产一线的实际情况，比如具体的实际操作、工艺流程、后处理过程等。还可以在生产实习中增加一部分与物理化学内容相关的实习环节，通过生产实习，可以有效加强加深学生对专业理论的理解。实习过程中，可以增设一个腐蚀与防护专题，而物理化学中电化学腐蚀这一章节与此息息相关。金属与介质发生电化学反应而引起的变质损坏等现象在日常生活和工业生产中非常普遍。而腐蚀机理就是物理化学中电化学这一章中涉及内容，在工厂实习的过程中，可以将具体金属设备和装置的腐蚀来和书中的腐蚀机理结合起来。学生明白了电化学腐蚀的机理后，可进一步将工厂中的防腐蚀方法与书本中的防腐蚀内容结合起来讲解和阐述。比如可以通过电化学的阴极保护或者阳极保护等手段实现金属防腐蚀。阴极保护是一项十分实用有效的防腐蚀技术，在工程上应用极其广泛。核心是最佳保护电位的确定建立在科学和合理的基础上，最突出的是IR 电位降的补偿。可以给学生拓展这部分内容，受阴极保护的结构件表面的电位和电流密度分布的计算是这项工作的基础，这部分内容很大程度上凭经验进行，工程计算中由于做了许多简化，所以结果往往与实际偏离，所以设计中要留有余地，导致浪费。要避免这种情况，就必须掌握电位和电流密度的分布规律。需要学生掌握一些数学的手段和公式来处理物理化学中的问题，包括边界元法、有限差分法、有限元法等。这样学生可以很快地了解了生产实践中存在的腐蚀问题与物理化学中的理论知识之间的关系，既了解了生产实际中存在的问题，同时也学会了解决问题的方法，可极大地促进理论知识的掌握和理解。

4 梳理课程体系框架，让学生清楚课程整体结构

物理化学整体分为四大块内容，包括化学热力学、化学动力学、统计力学和结构化学。在课堂讲学中，教师一定要给学生不断强化整个知识框架，在这一大的知识框架下，展开具体章节的学习，学生才能够整体把握物理化学学科的脉络。了解物理化学的框架之后，到具体的章节需要学生掌握每一章的主线，比如化学热力学这一章，要把握住热力学第一定律、热力学第二定律这一主线，所有的热力学问题都离不开这两个定律，都是这两个定律在具体问题中的运用。所以，要求学生对热力学第一定律和热力学第二定律要牢牢地掌握，从定律的具体内容到公式的推导和运用，都要求熟练并且会解决具体的实际问题。热力学第一定律是解决过程的能量转化与守恒问题，热力学第二定律是解决过程的方向和限度问题，所有问题都是围绕这两个定律展开的，是这两个定律在具体问题中的应用。熟悉和掌握热力学第一、第二定律才能更好地解决遇到的具体问题。由热力学第一定律和第二定律引出了热力学能（U）、功（W）、热（Q）、熵和吉布斯自由能（G）等核心概念，这些量之间又因为两个定律存在着定量关系或者公式，由热力学第一定律和第二定律得出了ΔU=Q+W以及ds=δQ/T两个核心公式，后面几乎所有的公式以及计算都是围绕这两个核心公式展开的，也就是用热力学第一定律和热力学第二定律具体解决客观实际应用问题时，都是需要用到这两个核心公式。这就要求老师在讲到这一章节时，一定要把框架先梳理好，找到主线，牢牢把握住核心内容，这样无论是基础题目还是后期的应用题目，都不会有问题，不会让人觉得物理化学太玄妙，实际上物理化学，能解决生活中一大类问题，所以一定要掌握好物理化学的整个框架和脉络，这是学好物理化学的关键所在。

5 混合递进式教学，层层推进

教学工作中可以建立慕课平台，这样学生可在平台上开展自主学习、测试、考试，方便快捷，极大地调动了学生的积极性，激发了学生学习物理化学课程的兴趣。任课教师在学习平台上提前布置好预习内容，并设置少量作业和测试题目。学生可以在线预习、测试和考试。学生在预习之后可以自行在线做一些题目，以检测自己的学习效果，根据在线测试情况，一定会遇到很多不懂的问题，这样可以反过来再进行书本内容的强化，将遇到的问题详细梳理后，及时对照课本内容，反复强化书本中对应的内容，将预习和测试过程中的模糊点逐渐清晰化，由简单到复杂，逐步深入。同时，学生不仅可以在慕课平台上学习、交流和测试，还可以利用慕课平台上其他教学资源开展学习，平台上有很多关于物理化学课程的教学资源，学生可根据自身情况选择自己感兴趣的学习资源，深入学习，根据各个物理化学教学资源之间的特点，弥补自身的不足，将物理化学学习推向一定广度和深度。在这个基础上再开展线下教学，将线上和线下有机结合，学生会将预习过程中遇到的问题在线下课堂上通过老师的讲解或者问询得到解决，加深了对学习内容的理解和认识。课后老师要提出更深层次的问题，让学生及时反思所学内容，促进对物理化学科学问题的理解和认识。从线上平台预习到线下课堂再到课堂内容的反思与提升，三个层次层层递进，学习内容从初级到高级，对整个课程体系的认知逐步加深，从广度和深度上整体推进，这样一定能学好物理化学。