面向腐蝕與防護(hù)專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)改革研究

蔡星偉，趙玉媛，鄭紹軍，陳立莊

（1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

腐蝕與防護(hù)屬于交叉學(xué)科，涉及金屬學(xué)、電化學(xué)、物理化學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)等，是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。腐蝕包括自然環(huán)境腐蝕和工業(yè)環(huán)境腐蝕。自然環(huán)境腐蝕包括大氣腐蝕、土壤腐蝕，以及水環(huán)境腐蝕和微生物腐蝕。工業(yè)環(huán)境腐蝕包括酸腐蝕、堿腐蝕、鹽腐蝕、工業(yè)水腐蝕和熔融鹽腐蝕。針對(duì)不同的腐蝕環(huán)境和腐蝕介質(zhì)，可以選擇不同的防腐蝕方法。一般要提高金屬材料自身的耐腐蝕性，即選擇合金材料等；形成保護(hù)層，比如涂料和搪瓷等；改變腐蝕環(huán)境，比如可以改變環(huán)境的酸堿性、脫鹽脫氧或者加緩蝕劑等；防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電化學(xué)保護(hù)、陰極保護(hù)和陽(yáng)極保護(hù)等；腐蝕與防護(hù)學(xué)科交叉性和綜合性強(qiáng)，與應(yīng)用化學(xué)、高分子材料與工程、環(huán)境工程及化學(xué)工藝等專業(yè)聯(lián)系緊密，相互融合和互相依托。物理化學(xué)為四大化學(xué)之一，是化工類、材料類、生物類等工學(xué)和理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課，在人才培養(yǎng)中扮演重要的作用。而物理化學(xué)課程也是腐蝕與防護(hù)學(xué)科最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，在腐蝕與防護(hù)專業(yè)課程建設(shè)及人才培養(yǎng)等方面起到舉足輕重的作用。

物理化學(xué)學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。已有很多老師根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出了一些好的方法。孫元元等[1]認(rèn)為要建設(shè)知識(shí)體系架構(gòu)，增加教學(xué)方式改革。具體的可以采用案例式、交互式、故事性教學(xué)，加強(qiáng)師生互動(dòng)，提高學(xué)習(xí)趣味性和效率。褚玉婷等[2]采用教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)相互關(guān)聯(lián)性、線下教學(xué)和線上互動(dòng)雙管齊下、增加案例教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣，以及考核方式的改革等方式。史雷等[3]認(rèn)為在物理化學(xué)教學(xué)過(guò)程中要融入思政元素，要加深對(duì)辯證唯物主義、愛國(guó)主義、集體主義、環(huán)境保護(hù)、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法的理解，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀。

1 采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

物理化學(xué)理論性強(qiáng)、公式多、計(jì)算量大，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)興趣不高，所以，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)課程的興趣是首要問(wèn)題。互動(dòng)式教學(xué)是一種非常有效的教學(xué)方法，通過(guò)課堂提問(wèn)和角色互換增加教學(xué)的趣味性和互動(dòng)性[4]。增加案例式教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5]。講到表面化學(xué)時(shí)，可以講講新房裝修后，甲醛等氣體小分子超標(biāo)，通過(guò)活性炭包的使用可以顯著減少新房中甲醛含量。引入工廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程涉及物理化學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生有一個(gè)具體的印象，而不是都是公式和定理及枯燥的模型，例如，在講述熱力學(xué)第一定律時(shí)，可以結(jié)合工廠生產(chǎn)化學(xué)品過(guò)程中，需要加熱，加熱過(guò)程是反應(yīng)釜內(nèi)物料內(nèi)能增加，再比如汽車行駛過(guò)程中通過(guò)汽油的燃燒熱不斷轉(zhuǎn)化為汽車行駛的動(dòng)能等具體生活和生產(chǎn)中實(shí)際的案例，可以極大增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，給學(xué)生的不僅僅是公式和定理，而是具體的應(yīng)用，讓學(xué)生覺得物理化學(xué)不是空中樓閣。

物理化學(xué)是一門集理論性和應(yīng)用性于一體的學(xué)科，尤其是理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)起來(lái)難度較大。在學(xué)習(xí)到具體章節(jié)時(shí)，要及時(shí)梳理出章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，比如熱力學(xué)部分，重點(diǎn)是熱力學(xué)第一和第二定律，難點(diǎn)是熱力學(xué)第二定律及圍繞熱力學(xué)第二定律的計(jì)算，以及熵的意義等，這樣能讓學(xué)生清楚物理化學(xué)這門課程應(yīng)該掌握什么，學(xué)習(xí)到什么程度等。

2 努力提升授課教師的綜合素質(zhì)

為了更好更全面地將知識(shí)輸出給學(xué)生，教師應(yīng)該全面系統(tǒng)地掌握本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、科學(xué)問(wèn)題和學(xué)科前沿等。物理化學(xué)作為系統(tǒng)性極強(qiáng)的一門課程，不但學(xué)生不容易掌握，對(duì)老師也極具挑戰(zhàn)性。為此，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)綜合提升教師的綜合素質(zhì)，以適應(yīng)當(dāng)前物理化學(xué)課程發(fā)展的新要求。①學(xué)習(xí)他人先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高教學(xué)質(zhì)量[6]。多聽多觀摩本課程的主講教師的課程，包括網(wǎng)絡(luò)視頻、線下課程等，多學(xué)習(xí)老教師和有經(jīng)驗(yàn)教師的講課方式和方法，包括語(yǔ)言表達(dá)、邏輯關(guān)系、師生互動(dòng)等。②請(qǐng)本學(xué)科的專家教授蒞臨課堂，面對(duì)面指導(dǎo)。這樣可以將課程講授過(guò)程中存在的問(wèn)題第一時(shí)間得以呈現(xiàn)和修正，堅(jiān)持2～3 a 的時(shí)間，講課水平一定會(huì)大有進(jìn)步。③要了解學(xué)科動(dòng)態(tài)，將最前沿的物理化學(xué)問(wèn)題與教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)適度結(jié)合。在講到界面化學(xué)這一章節(jié)時(shí)，可以適當(dāng)拓展講講多相催化、膜科學(xué)和表面活性劑等，適度加深分析，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有更深入的理解，提高學(xué)生對(duì)科研的興趣和求知欲。

3 將課堂內(nèi)容與科學(xué)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)操作是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要手段，也是檢驗(yàn)學(xué)生是否牢固掌握理論知識(shí)的方法。實(shí)驗(yàn)操作對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，具有非常大促進(jìn)和提升作用。為了提升學(xué)生對(duì)理論化抽象化問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)，可以在課外開設(shè)一些本科生科研實(shí)踐訓(xùn)練，比如本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以以團(tuán)隊(duì)的方式在老師或者研究生的指導(dǎo)下，開展一些與物理化學(xué)課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)踐是增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)認(rèn)識(shí)的最有力手段，同時(shí)還能夠培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及分析和解決問(wèn)題的能力。可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，綜合利用所學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)建立實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。另外，可以邀請(qǐng)工廠的技術(shù)工人來(lái)到講堂，即通過(guò)校企合作的方式培養(yǎng)人才。讓學(xué)生了解企業(yè)生產(chǎn)一線的實(shí)際情況，比如具體的實(shí)際操作、工藝流程、后處理過(guò)程等。還可以在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中增加一部分與物理化學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，可以有效加強(qiáng)加深學(xué)生對(duì)專業(yè)理論的理解。實(shí)習(xí)過(guò)程中，可以增設(shè)一個(gè)腐蝕與防護(hù)專題，而物理化學(xué)中電化學(xué)腐蝕這一章節(jié)與此息息相關(guān)。金屬與介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的變質(zhì)損壞等現(xiàn)象在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍。而腐蝕機(jī)理就是物理化學(xué)中電化學(xué)這一章中涉及內(nèi)容，在工廠實(shí)習(xí)的過(guò)程中，可以將具體金屬設(shè)備和裝置的腐蝕來(lái)和書中的腐蝕機(jī)理結(jié)合起來(lái)。學(xué)生明白了電化學(xué)腐蝕的機(jī)理后，可進(jìn)一步將工廠中的防腐蝕方法與書本中的防腐蝕內(nèi)容結(jié)合起來(lái)講解和闡述。比如可以通過(guò)電化學(xué)的陰極保護(hù)或者陽(yáng)極保護(hù)等手段實(shí)現(xiàn)金屬防腐蝕。陰極保護(hù)是一項(xiàng)十分實(shí)用有效的防腐蝕技術(shù)，在工程上應(yīng)用極其廣泛。核心是最佳保護(hù)電位的確定建立在科學(xué)和合理的基礎(chǔ)上，最突出的是IR 電位降的補(bǔ)償。可以給學(xué)生拓展這部分內(nèi)容，受陰極保護(hù)的結(jié)構(gòu)件表面的電位和電流密度分布的計(jì)算是這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容很大程度上憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，工程計(jì)算中由于做了許多簡(jiǎn)化，所以結(jié)果往往與實(shí)際偏離，所以設(shè)計(jì)中要留有余地，導(dǎo)致浪費(fèi)。要避免這種情況，就必須掌握電位和電流密度的分布規(guī)律。需要學(xué)生掌握一些數(shù)學(xué)的手段和公式來(lái)處理物理化學(xué)中的問(wèn)題，包括邊界元法、有限差分法、有限元法等。這樣學(xué)生可以很快地了解了生產(chǎn)實(shí)踐中存在的腐蝕問(wèn)題與物理化學(xué)中的理論知識(shí)之間的關(guān)系，既了解了生產(chǎn)實(shí)際中存在的問(wèn)題，同時(shí)也學(xué)會(huì)了解決問(wèn)題的方法，可極大地促進(jìn)理論知識(shí)的掌握和理解。

4 梳理課程體系框架，讓學(xué)生清楚課程整體結(jié)構(gòu)

物理化學(xué)整體分為四大塊內(nèi)容，包括化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)。在課堂講學(xué)中，教師一定要給學(xué)生不斷強(qiáng)化整個(gè)知識(shí)框架，在這一大的知識(shí)框架下，展開具體章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生才能夠整體把握物理化學(xué)學(xué)科的脈絡(luò)。了解物理化學(xué)的框架之后，到具體的章節(jié)需要學(xué)生掌握每一章的主線，比如化學(xué)熱力學(xué)這一章，要把握住熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律這一主線，所有的熱力學(xué)問(wèn)題都離不開這兩個(gè)定律，都是這兩個(gè)定律在具體問(wèn)題中的運(yùn)用。所以，要求學(xué)生對(duì)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律要牢牢地掌握，從定律的具體內(nèi)容到公式的推導(dǎo)和運(yùn)用，都要求熟練并且會(huì)解決具體的實(shí)際問(wèn)題。熱力學(xué)第一定律是解決過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化與守恒問(wèn)題，熱力學(xué)第二定律是解決過(guò)程的方向和限度問(wèn)題，所有問(wèn)題都是圍繞這兩個(gè)定律展開的，是這兩個(gè)定律在具體問(wèn)題中的應(yīng)用。熟悉和掌握熱力學(xué)第一、第二定律才能更好地解決遇到的具體問(wèn)題。由熱力學(xué)第一定律和第二定律引出了熱力學(xué)能（U）、功（W）、熱（Q）、熵和吉布斯自由能（G）等核心概念，這些量之間又因?yàn)閮蓚€(gè)定律存在著定量關(guān)系或者公式，由熱力學(xué)第一定律和第二定律得出了ΔU=Q+W以及ds=δQ/T兩個(gè)核心公式，后面幾乎所有的公式以及計(jì)算都是圍繞這兩個(gè)核心公式展開的，也就是用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律具體解決客觀實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題時(shí)，都是需要用到這兩個(gè)核心公式。這就要求老師在講到這一章節(jié)時(shí)，一定要把框架先梳理好，找到主線，牢牢把握住核心內(nèi)容，這樣無(wú)論是基礎(chǔ)題目還是后期的應(yīng)用題目，都不會(huì)有問(wèn)題，不會(huì)讓人覺得物理化學(xué)太玄妙，實(shí)際上物理化學(xué)，能解決生活中一大類問(wèn)題，所以一定要掌握好物理化學(xué)的整個(gè)框架和脈絡(luò)，這是學(xué)好物理化學(xué)的關(guān)鍵所在。

5 混合遞進(jìn)式教學(xué)，層層推進(jìn)

教學(xué)工作中可以建立慕課平臺(tái)，這樣學(xué)生可在平臺(tái)上開展自主學(xué)習(xí)、測(cè)試、考試，方便快捷，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)課程的興趣。任課教師在學(xué)習(xí)平臺(tái)上提前布置好預(yù)習(xí)內(nèi)容，并設(shè)置少量作業(yè)和測(cè)試題目。學(xué)生可以在線預(yù)習(xí)、測(cè)試和考試。學(xué)生在預(yù)習(xí)之后可以自行在線做一些題目，以檢測(cè)自己的學(xué)習(xí)效果，根據(jù)在線測(cè)試情況，一定會(huì)遇到很多不懂的問(wèn)題，這樣可以反過(guò)來(lái)再進(jìn)行書本內(nèi)容的強(qiáng)化，將遇到的問(wèn)題詳細(xì)梳理后，及時(shí)對(duì)照課本內(nèi)容，反復(fù)強(qiáng)化書本中對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，將預(yù)習(xí)和測(cè)試過(guò)程中的模糊點(diǎn)逐漸清晰化，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步深入。同時(shí)，學(xué)生不僅可以在慕課平臺(tái)上學(xué)習(xí)、交流和測(cè)試，還可以利用慕課平臺(tái)上其他教學(xué)資源開展學(xué)習(xí)，平臺(tái)上有很多關(guān)于物理化學(xué)課程的教學(xué)資源，學(xué)生可根據(jù)自身情況選擇自己感興趣的學(xué)習(xí)資源，深入學(xué)習(xí)，根據(jù)各個(gè)物理化學(xué)教學(xué)資源之間的特點(diǎn)，彌補(bǔ)自身的不足，將物理化學(xué)學(xué)習(xí)推向一定廣度和深度。在這個(gè)基礎(chǔ)上再開展線下教學(xué)，將線上和線下有機(jī)結(jié)合，學(xué)生會(huì)將預(yù)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題在線下課堂上通過(guò)老師的講解或者問(wèn)詢得到解決，加深了對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。課后老師要提出更深層次的問(wèn)題，讓學(xué)生及時(shí)反思所學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)對(duì)物理化學(xué)科學(xué)問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)。從線上平臺(tái)預(yù)習(xí)到線下課堂再到課堂內(nèi)容的反思與提升，三個(gè)層次層層遞進(jìn)，學(xué)習(xí)內(nèi)容從初級(jí)到高級(jí)，對(duì)整個(gè)課程體系的認(rèn)知逐步加深，從廣度和深度上整體推進(jìn)，這樣一定能學(xué)好物理化學(xué)。

6 結(jié)束語(yǔ)

物理化學(xué)課程是一門交叉性課程，在腐蝕與防護(hù)專業(yè)的人才培養(yǎng)和課程建設(shè)中占據(jù)重要位置。物理化學(xué)教學(xué)的改革，肩負(fù)著時(shí)代的使命，作為一名高校教師，應(yīng)努力武裝自己，不斷提升自身的科學(xué)文化素養(yǎng)，不斷提升教學(xué)水平和技能，要引領(lǐng)學(xué)生用物理化學(xué)的眼光探究知識(shí)的海洋，培育學(xué)生“勞動(dòng)光榮、技能寶貴、創(chuàng)造偉大”的價(jià)值觀。