劉剛　王帥星　鄔華康

摘? ? 要：為拓展學(xué)生的科研視野，培養(yǎng)學(xué)生的交流思辨能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、團隊合作能力及專業(yè)技能，南昌航空大學(xué)“金屬腐蝕學(xué)”教學(xué)小組依托航空企業(yè)鋁合金高精密化學(xué)銑切加工的科研項目成果，初步探討“金屬腐蝕學(xué)”實驗教學(xué)中科研實驗項目的構(gòu)建與實施。在教學(xué)中引入了科學(xué)實驗設(shè)計方法——正交試驗法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案，利用繪圖軟件處理及分析實驗數(shù)據(jù)。教學(xué)效果表明，學(xué)生有興趣和熱情去認(rèn)知、實踐及探究具有工程應(yīng)用特性的科研實驗，課程考核成績逐年上升，實驗教學(xué)改革初具成效。

關(guān)鍵詞：“金屬腐蝕學(xué)”課程；工程教育；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)；科研實驗；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.4? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）05-0072-05

一、引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證的主要目的之一是提升我國工程技術(shù)人才的國際競爭力，其認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以《華盛頓協(xié)議》

（Washington Accord）提出的畢業(yè)生素質(zhì)要求為基礎(chǔ)，經(jīng)認(rèn)證的專業(yè)培養(yǎng)的畢業(yè)生獲得的能力是等效的，符合國際實質(zhì)等效要求[1]。目前，工程教育認(rèn)證的“金屬腐蝕學(xué)”實驗課程在教學(xué)中存在教學(xué)內(nèi)容及實驗項目既無工程實際意義，又不利于學(xué)生專業(yè)執(zhí)業(yè)和工程技術(shù)人才培養(yǎng)等弊端。因此，當(dāng)前“金屬腐蝕學(xué)”實驗教學(xué)內(nèi)容難以滿足創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與工程教育的需求，改革勢在必行[2]。

2015年，我國科學(xué)家提出“腐蝕大數(shù)據(jù)”概念，將多年腐蝕數(shù)據(jù)積累、腐蝕科研成果及工程應(yīng)用在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表，并建立標(biāo)準(zhǔn)化腐蝕大數(shù)據(jù)庫，為金屬腐蝕學(xué)學(xué)科的實驗過程提供模擬、仿真及共享等支持[3-4]。南昌航空大學(xué)“金屬腐蝕學(xué)”教學(xué)小組依托腐蝕大數(shù)據(jù)庫中的科研成果，結(jié)合金屬腐蝕學(xué)學(xué)科研究前沿，將科學(xué)實驗方法引入“金屬腐蝕學(xué)”實驗教學(xué)中，積極構(gòu)建新的“金屬腐蝕學(xué)”科研實驗項目。在科研實驗過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生自主進行實驗設(shè)計、實踐操作和歸納總結(jié)，得出實驗結(jié)果、結(jié)論及感悟，既培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣、開闊了學(xué)生的科學(xué)視野、拓展了學(xué)生的科研思路及方法，又更好地讓學(xué)生掌握“金屬腐蝕學(xué)”理論及科學(xué)實驗方法，提升工程實踐及應(yīng)用能力，使學(xué)生綜合素養(yǎng)能力得到增強?！敖饘俑g學(xué)”開展科研實驗教學(xué)改革具有重要意義，一是促進學(xué)生進一步熟練掌握專業(yè)知識和技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；二是引導(dǎo)學(xué)生為將來成為工程師和專業(yè)執(zhí)業(yè)做好充分準(zhǔn)備；三是使學(xué)生明確進入職場時應(yīng)具備的基本能力和素質(zhì)要求；四是使“金屬腐蝕學(xué)”課程體系得到不斷完善，教學(xué)質(zhì)量可持續(xù)改進。

二、“金屬腐蝕學(xué)”科研實驗教學(xué)改革的目標(biāo)達成模式

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的“金屬腐蝕學(xué)”科研實驗教學(xué)改革秉持以學(xué)生發(fā)展為中心，結(jié)合OBE（Outcome? Based

Education，成果導(dǎo)向教育）理念，持續(xù)改進，不斷創(chuàng)新，強化工程實踐，提升課程教學(xué)質(zhì)量，以達成人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求?！敖饘俑g學(xué)”科研實驗教學(xué)改革的目標(biāo)達成模式如圖1所示。

三、“金屬腐蝕學(xué)”科研實驗項目的構(gòu)建與實施

（一）構(gòu)建模式

不少學(xué)者在科研成果轉(zhuǎn)化實驗項目上的經(jīng)驗值得學(xué)習(xí)和借鑒。例如，吳音等人在科研成果轉(zhuǎn)化為綜合性實驗教學(xué)上進行了探索[5]；周一恒等人探討了融合科研成果的綜合創(chuàng)新實驗教學(xué)[6]；胡婭南等人對科研反哺教學(xué)在工科院校本科生培養(yǎng)上的作用進行了探索[7]；陳世良等人對教師科研項目融入高分子專業(yè)實驗教學(xué)展開了探索與實踐[8]；沈利榮等人嘗試將科研成果向本科生實驗教學(xué)轉(zhuǎn)換并進行了具體實踐[9]。

教學(xué)小組緊跟前沿科技研究成果，對接工程實踐和企業(yè)需求，依托腐蝕大數(shù)據(jù)庫，結(jié)合“金屬腐蝕學(xué)”課程理論基礎(chǔ)知識，在教學(xué)上引入科學(xué)實驗研究方法和思路，從工程實踐中凝練“金屬腐蝕學(xué)”課程實驗教學(xué)的新實驗項目——科學(xué)研究型實驗項目。首先，新實驗項目的構(gòu)建要找準(zhǔn)實驗?zāi)K的切入點。教師自身要有豐富的科研實踐經(jīng)驗，充分了解現(xiàn)有“金屬腐蝕學(xué)”課程理論體系的知識點，了解腐蝕專業(yè)領(lǐng)域及工程實踐上的最新進展。其次，要結(jié)合實驗教學(xué)需求，找到實驗研究模塊的切入點。最后，要提煉出實驗設(shè)計方案，即將科研成果結(jié)合實驗室實際條件，分模塊組合，形成實驗設(shè)計方案。以構(gòu)建鋁合金化學(xué)銑切加工（化學(xué)銑切加工簡稱“化銑”）工藝研究科研實驗項目為例，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生做好以下步驟。

1.掌握“金屬腐蝕學(xué)”課程理論基礎(chǔ)，熟悉實驗內(nèi)容?，F(xiàn)有實驗內(nèi)容主要集中在金屬腐蝕原理、腐蝕類型、腐蝕特點特征、影響因素、腐蝕控制方法及評定方法上。

2.了解腐蝕大數(shù)據(jù)，找出研究切入點（腐蝕體系）。腐蝕大數(shù)據(jù)是不同國家、行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域建立的開放的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，儲存相關(guān)腐蝕數(shù)據(jù)而形成的全球腐蝕數(shù)據(jù)系統(tǒng)，主要研究材料在各種環(huán)境下的腐蝕機理，發(fā)展腐蝕檢測手段，預(yù)防、延緩及利用腐蝕的方法等。引導(dǎo)學(xué)生從腐蝕大數(shù)據(jù)平臺找出要研究的腐蝕體系，如在海洋環(huán)境下的材料腐蝕體系有碳鋼在海水中的腐蝕，鋁合金、鈦合金、鎂合金等在海洋環(huán)境中的腐蝕等[10]。

3.腐蝕大數(shù)據(jù)結(jié)合科研成果凝練實驗項目。例如，結(jié)合鋁合金高精密化學(xué)銑切加工科研項目的成果，引導(dǎo)學(xué)生在腐蝕大數(shù)據(jù)中找到鋁合金在不同環(huán)境下的腐蝕行為有哪些特點、特征、腐蝕機理、預(yù)防措施等，根據(jù)其腐蝕原理、腐蝕行為等在強堿溶液中進行鋁合金化銑加工的科研實踐，將鋁合金化銑加工處理過程、槽液分析及廢水處理等作為實驗?zāi)K[11-15]。

4.拆分實驗?zāi)K。根據(jù)實驗條件和實驗時間，把實驗?zāi)K拆分開，形成每次實驗課的內(nèi)容，如將前面的實驗項目拆分成鋁合金化銑前處理、鋁合金化銑加工、鋁合金化銑后處理3個實驗?zāi)K。整個實驗項目涉及除油、除銹、涂保護膠、刻型、剝膠、化銑加工、出光等主要工藝流程，以及鋁合金耐蝕性和在堿性溶液中的腐蝕行為、微觀腐蝕電池的電極過程、極化作用、金屬腐蝕速度影響因素、緩蝕劑的作用原理、析氫腐蝕等理論知識點[16]。

5.實驗方案設(shè)計及優(yōu)化。在實驗條件滿足的情況下，研究型實驗方案在細(xì)節(jié)設(shè)計上可盡量引入變量因素。在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案時，要求設(shè)計內(nèi)容應(yīng)盡量詳細(xì)，包含實驗?zāi)康摹⒃?、方法、技術(shù)路線或設(shè)計思路等，并能在實踐中不斷優(yōu)化實驗方案。

“金屬腐蝕學(xué)”實驗體系中科研實驗項目的構(gòu)建模式如圖2所示。

（二）引入科學(xué)實驗方法，初步探索實施模式

由于科研實驗過程中對實驗結(jié)果的影響因素較多，所以在實驗設(shè)計時可能會用到析因設(shè)計。析因設(shè)計雖能準(zhǔn)確地估計各因素不同水平的效應(yīng)大小及各因素間交互作用，并找出最佳組合，但所需實驗次數(shù)多，且學(xué)生對實驗設(shè)計知識比較缺乏，尤其當(dāng)影響因素和水平較多時，學(xué)生短時間內(nèi)難以完成。因此，學(xué)生要學(xué)會一種科學(xué)有效的實驗方法——正交試驗法，掌握正交試驗原理及應(yīng)用，以解決上述問題。正交試驗法是研究多因素、多水平的一種科學(xué)實驗設(shè)計方法，通過正交表安排多因素實驗，利用統(tǒng)計數(shù)學(xué)原理進行數(shù)據(jù)分析，從析因設(shè)計水平組合中選擇一部分具有代表性水平組合進行實驗，最終找出最佳組合[17]。以鋁合金化銑加工液中主要成分優(yōu)化為例，過程如下。

1.確定實驗?zāi)康模x擇質(zhì)量特性指標(biāo)，選定影響因素，確定水平

引導(dǎo)學(xué)生通過實驗找出化銑液成分中主要影響因素，確定最佳工藝配方。鋁合金化銑時，化銑液主要成分中的氫氧化鈉（A）、硫化鈉（B）、三乙醇胺（C）及鋁離子（D）均會影響化銑速度（X）和表面粗糙度（Y）。學(xué)生可根據(jù)理論知識確定各因素的水平。

氫氧化鈉（NaOH）：A1＝150（g·L-1）；A2＝180（g·L-1）；A3＝210 （g·L-1）

硫化鈉（Na2S）：B1＝15（g·L-1）；B2＝30（g·L-1）；B3＝45 （g·L-1）

三乙醇胺（C6H15NO3）：C1＝30 （g·L-1）；C2＝40（g·L-1）；C3＝50（g·L-1）

鋁離子（Al3+）：D1＝10 （g·L-1）；D2＝40 （g·L-1）；D3＝70（g·L-1）

以上是四因素三水平的兩指標(biāo)（化銑速度X、表面粗糙度Y）問題，若做析因設(shè)計，學(xué)生須做34＝81次實驗，而用正交試驗法做實驗則只需9次即可，相較前者學(xué)生工作量減少了8/9。

因此，學(xué)生將4種主要成分作為正交試驗的4 個因素，采用四因素三水平L9（34）進行正交試驗，其具體參數(shù)見表 1。

2.選用正交表，配列因素水平，制定實驗方案

正交試驗法極大地縮短了實驗周期，減少了誤差干擾，提高了實驗精度。當(dāng)衡量指標(biāo)多時，若采用簡單對比法，很難找到最佳工藝條件；而設(shè)計實驗時若采用正交表則可兼顧各項指標(biāo)，容易找到最佳工藝條件。表2為學(xué)生設(shè)計的一組正交試驗表及試驗結(jié)果，化銑加工溫度為 95℃，考核指標(biāo)為表面粗糙度和化銑速度。

3.實驗數(shù)據(jù)分析方法

引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)處理好實驗數(shù)據(jù)的方法有列表法、圖示法、圖解法、逐差法、最小二乘法等。以列表法和圖解法為例。

①列表法。表2為學(xué)生采用列表法對實驗數(shù)據(jù)的處理及分析過程。

學(xué)生通過查閱文獻得知，極差R表示該因素對試驗結(jié)果影響大小，R值越大，其影響越大。K值為該因素在同一水平下的試驗結(jié)果算術(shù)平均值，主要用于分析最優(yōu)方案。學(xué)生試驗結(jié)果表明，通過極差R和K值的數(shù)據(jù)大小比較可知，氫氧化鈉對化銑速度和化銑表面粗糙度的影響均最大，三乙醇胺影響均最小，硫化鈉和鋁離子影響在兩者之間。影響化銑速度的因素主次順序為：氫氧化鈉＞鋁離子＞硫化鈉＞三乙醇胺，影響表面粗糙度的因素主次順序為：氫氧化鈉＞硫化鈉＞鋁離子＞三乙醇胺。通過表2（b）、表2（c）中的K值比較可知，當(dāng)化銑速度取較大值時水平順序為3、2、2、1，當(dāng)表面粗糙度取較小值時水平順序為3、1、3、1。經(jīng)學(xué)生小組與指導(dǎo)教師交流討論，均衡考慮化銑時化銑液主體成分會不斷消耗，成分含量盡量取上限，得出水平因素的優(yōu)化方案為3、2、3、1。因此，學(xué)生試驗結(jié)果經(jīng)分析討論后得到鋁合金化銑最佳工藝配方為：氫氧化鈉 210（g·L-1）、硫化鈉30（g·L-1）、三乙醇胺50（g·L-1）、鋁離子 10 （g·L-1）。

②圖解法。由表2分析得到鋁合金化銑最佳工藝配方，而其中氫氧化鈉對化銑速度及表面粗糙度的影響最大，影響規(guī)律可通過單因素實驗來研究。圖3為學(xué)生采用圖解法獲得的圖像處理單因素實驗數(shù)據(jù)，即7075鋁合金在90 ℃時，化銑時間為45 min，學(xué)生得到的實驗結(jié)果。

由圖3（b）可知，表面粗糙度隨氫氧化鈉濃度增加呈一直上升趨勢，達到最大值后又呈下降趨勢。表面粗糙度由100 （g·L-1）時的0.83 μm增加至220? （g·L-1）時的1.02 μm，隨后下降至240 （g·L-1）時的0.99 μm。表明氫氧化鈉對表面粗糙度也有較大影響。

（三）實施效果

新構(gòu)建的科研實驗項目實施效果較好，學(xué)生有興趣學(xué)、主動參與，教師有工程應(yīng)用實例和科研成果可講，師生互動效果良好。該實驗項目讓學(xué)生印象深刻，學(xué)生的一? ? ? ? 學(xué)生采用Origin軟件作圖并分析，一般為分段描述曲線規(guī)律，比較幾個關(guān)鍵點，得出結(jié)論，最后進行分析討論。具體過程如下。

由圖3（a）可知，化銑液中隨著氫氧化鈉濃度的增加，化銑速度呈先增加后緩慢下降趨勢?；娝俣扔?00 （g·L-1）時的22.87 μm/min增加至180 （g·L-1）時的45.02 μm/min，隨后緩慢下降至240 （g·L-1）時的43.89 μm/min。表明氫氧化鈉對化銑速度影響較大，主要由于氫氧化鈉與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成偏鋁酸鈉，隨著氫氧化鈉濃度增加化銑速度增加明顯，當(dāng)濃度增加至一定程度時，化銑速度達到最大值，隨后氫氧化鈉濃度繼續(xù)增加，化銑速度反而緩慢下降，最后趨于平穩(wěn)。

些新想法、新思路均能付諸實踐，綜合素質(zhì)能力得到提高。“金屬腐蝕學(xué)”實驗成績和課程總成績均在逐年上升，實驗教學(xué)改革取得了初步成效。表3、表4分別為近5年來學(xué)生的“金屬腐蝕學(xué)”實驗成績和“金屬腐蝕學(xué)”課程總成績統(tǒng)計（2019屆沒有進行實驗教學(xué)改革，實驗成績占“金屬腐蝕學(xué)”課程總成績的30%）。

在“金屬腐蝕學(xué)”科研實驗項目開展后的4年里，大四本科生在畢業(yè)設(shè)計期間提交的開題報告中實驗方案設(shè)計越來越科學(xué)規(guī)范。學(xué)生能通過實踐運用所學(xué)專業(yè)理論知識和技能去發(fā)現(xiàn)和解決實際問題，能運用科學(xué)方法處理實驗數(shù)據(jù)并進行理論分析探討。學(xué)生畢業(yè)論文的技術(shù)用語格式、圖表、數(shù)據(jù)、資料等的運用及引用均呈現(xiàn)規(guī)范化，畢業(yè)設(shè)計的論文質(zhì)量逐年提高。畢業(yè)生均具有基本的溝通能力、團隊合作能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、專業(yè)知識技能、健全的人格及一定的國際視野和責(zé)任感。表5為近5年來的畢業(yè)設(shè)計論文成績統(tǒng)計報告。

（四）持續(xù)改進

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)始終貫穿質(zhì)量持續(xù)提高和改進的基本理念，其循環(huán)式上升過程體現(xiàn)為有明確可行的改進機制和措施，即收集跟蹤改進后的效果及信息，持續(xù)改進，不斷完善。在“雙創(chuàng)”背景下，“金屬腐蝕學(xué)”課程教學(xué)改革應(yīng)側(cè)重以下幾點。

第一，專業(yè)負(fù)責(zé)人應(yīng)推動系部真正建立以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果為產(chǎn)出的持續(xù)改進機制和措施。搭建“金屬腐蝕學(xué)”課程的“評價—反饋—改進”工作閉環(huán)、穩(wěn)定制度保障、及時反饋機制和評教向評學(xué)轉(zhuǎn)變的評價機制等。專業(yè)負(fù)責(zé)人更應(yīng)密切關(guān)注師生，因為教師是以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)出為導(dǎo)向的推動者和執(zhí)行者，同時系部教學(xué)資源配置、“金屬腐蝕學(xué)”課程體系等均應(yīng)以學(xué)生為中心，提供指導(dǎo)服務(wù)。

第二，明確專業(yè)要求，落實教師責(zé)任。課程和教師是保證學(xué)生畢業(yè)要求能否達成的重要因素。教師要明確OBE理念，持續(xù)改進課程目標(biāo)、內(nèi)容、方法和考核等以達成目標(biāo)。高校應(yīng)建立教學(xué)激勵機制，調(diào)動全體教師積極性，圍繞學(xué)生畢業(yè)要求指標(biāo)點，明確專業(yè)課程的要求和目標(biāo)，督促教師不斷地完善課程大綱、優(yōu)化專業(yè)課程內(nèi)容、改進教學(xué)方式方法、完善課程考核機制及課程評價體系等，從根本上保證工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的落實。

第三，不斷探索教學(xué)新模式。通過借鑒一些成功的教學(xué)模式，如“思維導(dǎo)引式授課—多向互動式研討—沉浸式自主探究”研究性教學(xué)模式、“課程—師資—平臺”“三位一體”國際化高層次人才培養(yǎng)新模式等[18]，探索“基礎(chǔ)能力培養(yǎng)—科創(chuàng)論文培育—校企合作交流—科技成果轉(zhuǎn)化”遞進式教學(xué)模式，由省級以上優(yōu)秀教學(xué)團隊引領(lǐng)，攜手企業(yè)建設(shè)課程體系平臺，在課程教學(xué)上緊跟前沿科技研究成果，對接產(chǎn)業(yè)需求，引入企業(yè)先進技術(shù)和管理理念，不斷探索新的教學(xué)模式。

四、結(jié)束語

在實驗教學(xué)過程中，以“雙創(chuàng)”為背景、以工程為實踐、以實驗項目為載體，教學(xué)上注重學(xué)科交叉融合，通過不斷構(gòu)建新的實驗教學(xué)育人模式，將培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)意識融入每個實驗環(huán)節(jié)，竭力培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、交流思辨能力、科研創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識等，全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)?！敖饘俑g學(xué)”課程教學(xué)小組根據(jù)我國工程教育改革發(fā)展需要和國際工程教育發(fā)展變化趨勢，持續(xù)完善“金屬腐蝕學(xué)”課程實驗教學(xué)體系，提高教學(xué)質(zhì)量，為保障學(xué)校金屬材料工程專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，不斷增強該專業(yè)工程教育服務(wù)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，為社會經(jīng)濟快速發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)做出積極貢獻。

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編輯∕王力

收稿日期：2023-09-28? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-10-20

作者簡介：劉剛，男，講師，研究方向為材料表面處理、腐蝕加工；王帥星，男，副教授，博士，研究方向為航空材料表面處理及電化學(xué)加工；鄔華康，男，講師，博士，研究方向為金屬腐蝕與防護。

基金項目：2020年江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“嵌入思政元素、融合創(chuàng)新教育、凸顯航空特色的表面技術(shù)概論課程改革”（JXJY-20-8-22）；2022年南昌航空大學(xué)校級教改課題研究項目“航空雙創(chuàng)型人才培養(yǎng)的金屬腐蝕學(xué)實驗思政教育教學(xué)改革探索”（JY22005）