依托大精設備開展自研自制，提升學生工程實踐能力

劉 麗 武元鵬 施岱松 董立謹

（西南石油大學，四川成都，610500）

一、引言

實驗教學是高等院校實踐教學體系的重要組成部分，是培養學生應用實踐能力的重要環節，自主研發教學儀器設備并利用自制設備開展實踐教學工作無論是對于實驗中心的良性發展還是創新性人才的培養都具有重要意義。[1]

大型精密儀器設備（以下簡稱“大精設備”）是高校從事教學、科研及產品開發的重要條件，充分發揮大精設備的使用效益對于人才培養和科研成果的產出意義重大。[2]然而通用的大精設備由于功能強大，可以在多方面進行研究和測試，但其本身配套的一些部件不一定能滿足所有用戶的需求，使得設備功能未被完全開發，這很大程度上降低設備的利用率，因此根據需求自制配套裝置顯得非常重要。近年來，隨著學科的發展，我院大精設備的臺套數也越來越多，其中包括多臺進口的電化學工作站，應用范圍廣，但卻沒有專用的配套電解池，導致溫度精度難以控制，限制了其使用功能，因此，自制與其配套的恒溫電解池進一步提高利用率和使用功能顯得尤為重要。

二、研制過程

（一）研制背景

隨著世界經濟的發展和環境污染程度的增加，金屬腐蝕造成的損失越來越嚴重，據有關資料報道，每年生產的黑色金屬由于腐蝕而遭到破壞的質量分數為5%到20%。在油氣開發過程中，由于受開采溫度、壓力、腐蝕介質的影響，油管、套管腐蝕尤其嚴重，造成巨大的經濟損失。電化學測試技術是通過一些固定的輸入（如恒電流、恒電壓、階梯電勢損失等）來獲取輸出的電信號，從而反映出電極金屬腐蝕材料的界面結構、界面上的電勢分布以及在界面上進行的電化學過程等，通過對不同溫度下的樣品進行電化學測試，比如極化曲線測量、電化學交流阻抗譜、電化學噪聲測試、M-S曲線測量等，可以分析材料的腐蝕情況。除金屬腐蝕方面以外，電化學測試技術在電鍍和電冶金方面也得到廣泛的應用。

電解池作為電化學分析儀器中的關鍵部件，在電化學測試中起著十分重要的作用，目前實驗室常用的電解池由工作電極、電解質、四口或三口燒瓶、輔助電極和參比電極組成。當需要對電解池進行控溫時，電解液的溫度主要采用恒溫水浴鍋加熱來控制，精度不高，影響測試效果，且水浴加熱的方式一般都需要提前預熱，測試效率低，在水浴加熱的過程中產生的渦流電流還會干擾測試信號，在一定程度上制約了其應用。為了滿足各種測試功能，課題組利用本科生課外創新實驗的機會，研發了一臺可控溫電解池，不僅提高了電化學工作站的利用率，對學生實踐創新能力的培養也發揮了積極作用。

（二）裝置設計要點

圖1所示為自制電解池的半剖正視圖，該電解池采用不銹鋼缸體，熱電阻低，導熱性好。加熱方式采用直流內加熱方式，將陶瓷發熱芯均勻嵌入不銹鋼中，由于陶瓷加熱電壓低，安全性好，加熱均勻，可控精度比較高，能得到很好的實驗效果。電解池內部噴涂特氟龍涂層進行絕緣，電阻率高，絕緣性好，不影響測試電流和電壓。該電解池體積小，在滿足控溫條件下可以實現噪聲屏蔽干擾，保證了測試的準確性和精度。

圖1 整體半剖正視圖

（三）應用情況

自制電解池的研制，為學生畢業論文實驗帶來了便利，近年來有多名本科生、研究生利用此裝置完成了電沉積實驗，利用電化學工作站配套此裝置在金屬表面制備過渡金屬復合鍍層，石墨烯鎳基復合鍍層等，并研究了鍍層耐腐蝕性能，電催化性能。也有學生通過此裝置評價不同溫度下緩蝕劑的緩蝕效率，研究陶瓷涂層、Zn-Ni滲層的電化學阻抗，評價溫度對涂覆層耐蝕性的影響。此外，本裝置還支持開展了多項科研項目，如油氣集輸站內設備選材及內防技術測試評價，油套管的腐蝕研究等，由于在實驗過程中可精準地控制溫度，均取得了非常滿意的實驗結果。學生還利用此裝置開展了課外開放創新實驗，研究成果獲得第五屆大學生材料熱處理創新創業大賽優勝獎，校課外開放實驗三等獎。由于設備使用率高，學生和教師利用該儀器所產生的成果顯著，實現了實驗教學效果與提高大精設備利用率的雙贏。

三、在實驗教學和學生能力培養中的作用

（一）恒溫電解池的自研自制，拓展了大精設備的使用功能，支撐了學生專業核心能力和綜合創新能力的培養。

所謂核心能力，是指在人的能力體系中處于核心地位的能力，它是一種從事任何職業都需要的，能適應崗位不斷變換和技術飛速發展的綜合能力和基本能力。作為材料類專業的學生，其專業核心能力之一就是能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于分析、解決材料能源等復雜工程問題，也就是應用能力。在當今社會，人才的創新能力是人才核心競爭力的體現，而應用能力則是人才創新能力的重要基礎。［3］

以“培養學生核心能力”為目標的恒溫電解池的設計、研制，就是圍繞大精設備功能拓展，讓學生將所學知識應用于專業實踐。在設計制作的過程中，學生不但要掌握電化學測試的原理，儀器的使用方法，電解池的作用，以及電解池結構對測試產生的影響等，還需要了解各種知識，包括方案設計、材料選擇、繪圖軟件的使用、機械加工方式、電子原件和加熱器件的選擇等，然后再結合掌握的專業知識在教師的指導下自主設計。尤其在加熱方式和加熱元件的選擇方面，更是體現了學科之間的相互交叉，通過查閱相關資料，并向有經驗的電氣工程師咨詢，完成加熱元件的購買和組裝。通過自研自制創新活動，學生不僅對電化學方面的專業知識有了更深的理解，也提高了知識的綜合運用能力。

（二）恒溫電解池的自研自制，提升了腐蝕實驗教學的深度和廣度，培養了學生應用實踐能力

綜合性實驗教學是在鞏固基礎實驗教學、專業基礎實驗教學成果的基礎上，通過對實驗內容、方法適當拓展，加深學生對學科相關知識的理解和掌握，培養學生運用綜合的方法、手段分析問題、解決問題的能力。[4]我院腐蝕與防護方向學生專業綜合實驗的內容主要涉及油田環境腐蝕試驗的模擬和防腐層的制備兩個方面，腐蝕模擬實驗主要包括模擬油田環境碳鋼的二氧化碳腐蝕、不銹鋼點腐蝕、異金屬電偶腐蝕以及緩蝕劑的評價；防腐層制備主要包括輕合金轉化膜的制備、碳鋼涂鍍層的制備和表征，讓學生通過全方位的實驗加深對腐蝕理論和防護技術的理解和掌握，進一步提高專業能力和水平。之前學生進行腐蝕實驗主要是采用浸泡法，雖然可以控制溫度，但實驗周期長，且相對比較簡單，難以提高學生的實驗興趣，而電化學技術則可以更加快捷方便地通過測量極化曲線和交流阻抗來評價金屬及涂鍍層的耐蝕性。因此，我們根據學生培養大綱要求，將電化學工作站應用于實驗項目中，但由于沒有可控溫電解池，用水浴鍋控制溫度周期太長，難以滿足溫度變化的需求，因而所有實驗都是在室溫下進行的。而在實際生產中，溫度是非常重要的影響因素，因此很難實現教學實驗與生產現場的緊密結合，缺乏對學生工程應用能力培養。在自制可控溫電解池之后，學生實驗能夠滿足不同體系的溫度要求，升溫快捷，控溫精確，可操作性強，既節約了時間，也提高了學生學習儀器設備的興趣。把大精設備的應用穿插到本科生的教育中，不僅能加深學生對大型儀器的理解和認識，同時激發研究興趣，激活思維，使學生獲得將大型儀器應用于自身科研領域的能力。[5]

（三）恒溫電解池的自研自制，提升了學生對第二課堂的興趣，激發了學生的綜合創新能力

第二課堂（以下簡稱“二課”）是第一課堂的延伸，是課堂教學以外，以知識與信息為媒介對學生實現智力的開發和個性的陶冶的手段，對學生綜合素質的提升有著極大的幫助作用。[6]隨著高等教育的要求，二課活動也越來越多，但是我們看到很多活動對學生的吸引力不夠，部分學生為修學分而學習，更有甚者重復之前做過的實驗或項目，只是為了滿足學分需要，一方面說明學生自身并不明白開展二課活動的目的和意義，另一方面也可能是教師在二課指導方面創新性不足，難以提高學生的興趣。管成功[7]通過對大學生第二課堂現狀的調研，發現38.71%的學生對創新類活動更感興趣，是學生最為關注的地方，這也是非常契合當前學生能力培養趨勢。讓本科生在課余時間參與恒溫電解池的設計，本身就是一項創新活動，為學生提供了一個很好的創新情境。

四、結束語

自研自制以提升工程類本科生創新能力為目標的實驗儀器和設備，是解決和完善實驗教學所需儀器設備的重要途徑，其設計靈活，成本投入低，是對現有實驗儀器功能很好的拓展和補充，也為學生的科技創新活動提供了良好的平臺。[8]一方面，自制實驗設備可以激發學生思維，提升原始創新能力，學生在教師的引導下通過自制開發、設計實驗設備，不僅鍛煉了動手能力，更有助于將所學的理論知識和實踐相結合，為社會培養更多創新型應用型人才。另一方面，自研自制可以在教學中更新實驗項目與內容、提高實驗教學質量和水平、提高大精設備的利用率，在推動實驗教學改革的同時，也有助于教師和實驗技術人員水平的提高，進而推動實驗室建設。[9]