新工科背景下基于工程應用能力的案例式教學改革——以“材料腐蝕與防護”課程的設計、組織與實施為例

伍秋美，李昆，雷永鵬，周永華

新工科背景下基于工程應用能力的案例式教學改革——以“材料腐蝕與防護”課程的設計、組織與實施為例

伍秋美1，李昆1，雷永鵬1，周永華2

(1. 中南大學粉末冶金研究院，湖南長沙，410083；2. 中南大學化學化工學院，湖南長沙，410083)

基于“新工科”工程教育的內涵與要求，結合“材料腐蝕與防護”課程綜合性與實踐性強的特點，提出“材料腐蝕與防護”課程教學改革的核心目標為提升學生面對復雜工況時的材料防腐工程應用能力，全面實施“基礎—拓展—綜合—研究”四個層次的案例式教學，建立了相應的過程考核機制，并對“綜合型工程案例”和“研究性實驗”的組織與實施過程進行詳細闡述。案例式教學的改革實踐拓展了課程的深度與廣度，有效提高了學生的知識儲備水平、能力和素質。

新工科；材料腐蝕與防護；案例式教學；教學改革

一、引言

為了主動應對全球新一輪的科技革命與產業變革，支撐“創新驅動發展戰略”“中國制造2025”行動綱領，教育部于2017年提出了開展“新工科”工程教育改革的倡議，其核心思想是以產業需求為導向，注重創新、跨學科和實踐教育，培養具有科學精神、工程素養、國際視野和社會責任感的高級人才[1?3]?！靶鹿た啤钡慕ㄔO舉措中，提出了“三個階段、三個任務、三個突破”的行動方案，其中“三個任務”為“學與教”“實踐與創新創業”和“本土化與國際化”?！叭齻€任務”明確指出，現階段高校的關鍵任務是重構人才知識體系、重塑人才培養質量觀、創新教學方式與技術、強化實踐創新創業能力。因此，高校應針對時代要求和未來卓越工程人才應具備的核心素養和能力，進一步加快課程教學的改革。眾所周知，材料廣泛應用于各行各業，在使用過程中，受環境介質的化學、電化學和物理作用，材料易腐蝕失效?！吨袊g調查報告》指出，2015年我國的腐蝕成本為21278.2億元，約占當年國內生產總值的4%[4]?！安牧细g與防護”課程是材料類工科專業學生的重要課程，它融合了物理化學、材料科學、電化學、熱處理、金屬學等多門課程的知識，重點講述金屬化學腐蝕、電化學腐蝕的原理及相應的保護技術，是一門金屬材料腐蝕防護設計的綜合性專業課。針對各個行業材料腐蝕防護的產業要求，培養學生在面對復雜的材料腐蝕工況時，正確合理地制訂腐蝕防護措施、進行腐蝕保護設計的工程應用能力，是該課程的主要目標。因此，在科學技術日益進步，材料腐蝕新理論、防護新方法不斷涌現的當下，結合“新工科”的核心思想，科學地構建課程內容，有效地開展教學活動，更客觀地評價學生的學習效果，使課程更好地服務專業人才培養目標，是本課程教學改革關注的重要方向。

二、“材料腐蝕與防護”課程實施案例式教學的必要性

“新工科”工程教育以產業需求為導向，注重創新、跨學科和實踐教育，因此培養學生面對復雜的材料腐蝕工況時的工程應用能力，就顯得尤為重要。這要求我們充分認識到當前“材料腐蝕與防護”課程教學過程中存在的不足，并提出相應的改革措施。

當前“材料腐蝕與防護”課程教學的不足之處主要表現在三個方面：

第一，課程教學內容相對陳舊，與新知識、新應用的融合不夠。社會快速發展，使得新知識以指數級增長，傳統產業也在不斷地升級轉型，因而材料在各行各業的應用范圍大大拓展，其所面臨的防護問題也隨之越來越多。然而目前的課程教學內容主要來源于教材，相對陳舊，缺乏對相關領域最新研究動態的跟蹤，缺乏與廣泛的工程實例和應用背景的融合。這導致理論和應用之間的脫節，不利于培養學生的工程應用能力和創新能力。

第二，工程問題與專業知識的銜接不夠，不利于培養學生解決復雜工程問題的能力。當前工科學生的實習機會、實踐機會大幅減少，缺少融合專業知識與工程問題的實踐教學。因此，工程性強的“材料腐蝕與防護”課程更應加強教學方式和內容上的設計，彌補這一方面的不足。然而目前的課堂教學仍以講授為主，知識傳遞的方式單一。與學生的交流不夠，未能充分激發出學生將專業知識用于解決工程問題的學習熱情，無法培養學生的創新意識。雖然也有一定比例的討論式教學，但案例中的內容只是服務于個別的知識點，存在系統性不高的問題。

第三，課程的考核方式單一，不利于正確評估卓越工程人才的培養效果。為適應“新工科”的要求，教學方式的改革將轉向案例式、討論式、啟發式等模式，因此，考核方式也要相應地做出改變。而目前的考核仍以期末的卷面考試為主(成績占比為70%)，過程之中的考核比例偏低。這導致學生不重視平時的課堂學習與課外學習，無法讓學生主動關注其他的相關學科，不利于自主學習習慣的養成。

除了對現有的不足有所認識之外，我們也意識到“材料腐蝕與防護”課程的顯著特點是綜合性強和實踐性強，而這兩個特點恰恰是進行案例式教學的立足點，為我們組織和進行案例式教學提供了基礎。

具體來說，第一，課程的綜合性強，結合了物理化學、電化學基礎、金屬材料學、熱處理等課程的內容。這幾門課程的教學時段比較分散，因此“材料腐蝕與防護”課程可以成為教師設計綜合性案例，學生在溫故知新的過程中分析、判斷和解決復雜腐蝕問題的最佳舞臺。第二，課程內容的實踐性強，而且不同行業和不同環境下的材料腐蝕防護需求不同?！安牧细g與防護”課程為學生提供了“具體問題具體分析”的良好訓練機會，學生可以在不同案例的比較學習中培養工程素養、創新意識，養成自我學習的習慣。因此，全面貫徹案例式教學的方式將成為改變“材料腐蝕與防護”課程教學現狀、大幅度提高教學效果的關鍵。

案例式教學對教學內容的新穎性、課堂教學的組織效率、評價方法的科學性都提出了更高的要求。下面就這三方面，分別闡述“材料腐蝕與防護”課程案例式教學的內容設計、組織實施及評價體系。

三、“材料腐蝕與防護”課程案例式教學的內容設計

教材是課程內容的載體，但腐蝕學科發展日新月異，有關腐蝕的新理論、評價測試的新方法與新標準層出不窮，“材料腐蝕與防護”案例式教學不僅要采用國家統編的優秀教材①作為基本資源，還要利用好課外資料、教輔資料及最新的科研成果，建立起層次分明的案例教學體系。因此，我們對課程內容中的知識點進行了難度分級，形成了相應的案例層次。以“電化學腐蝕原理”這一章為例，知識點的難度分級、相應的案例層次及教學資源如表1所示，主要包括如下四個層次：

表1 以“電化學腐蝕原理”為例的案例式教學的內容設計及實施方案

第一，幫助學生理解基本概念的案例，我們稱之為“基礎知識型案例”。該類案例具有簡短性，可以使學生迅速關聯到所學的單一知識點，有利于加深理解和記憶。如，在講述“腐蝕本質”這一概念時，我們便以生活中常見的“暖寶寶”為案例。

第二，在講述涉及因素分析的難點內容時，我們采用“拓展型案例”，其作用是重要知識點的應用拓展。如：通過探尋白鐵皮和馬口鐵在自然環境中具有良好耐蝕性的原因，分析金屬腐蝕的熱力學和動力學因素；通過解析參比電極的構造，分析交換電流密度(o)的影響因素；通過分析自然環境中金屬腐蝕存在極限電流或鈍化膜的情況及鎂合金的負差數效應，探究極化的改變對腐蝕速度的影響。

第三，針對有明確工程應用背景的綜合性難點內容，我們采用“綜合型工程案例”，融入與課程內容有關的科研成果。如：通過引導學生查閱科研文獻，探尋鋁空氣電池負極材料的設計思路。在探尋該設計思路的過程中，引發學生討論宏觀電池和微觀電池的對比、微觀電池產生的原因、析氫腐蝕的影響因素及鈍化對電極反應的影響，培養學生利用基礎理論進行科學研究的能力。

第四，針對涉及實踐環節的難點內容，我們設置了“研究性實驗”，為學生提供自主設計實驗和開展實驗的機會。如：在學習高熵合金、不銹鋼、碳鋼等材料耐蝕性特點的相關內容時，學生首先要通過查閱文獻，自行設計實驗步驟及所考察因素的水平，然后進行Tafel曲線、鈍化曲線及交流阻抗等的測定，研究材料基體及表面膜層的成分、組織、介質等對材料腐蝕的影響，最后提出有效防護該材料的措施。

從表1中可以看出，圍繞基本概念、因素分析、綜合應用和實踐環節這四個層面設置“基礎知識型案例”“拓展型案例”“綜合型工程案例”“研究性實驗”等四個層次的案例教學，可以兼顧基礎知識的學習與創新能力的培養，為全面培養學生的創新意識、工程應用能力和自主學習精神提供保障。

四、“材料腐蝕與防護”課程案例式教學的組織與實施

除了對教學內容進行合理設計之外，案例式教學的組織與實施是保證教學效果的另一個關鍵?！安牧细g與防護”課程案例式教學的組織與實施，主要以課程內容為主線，以案例為依托，通過課前導學與課內講解相結合、課外自學與課內提問搶答相結合、一般歸納和重點解析相結合來進行。課前導學主要是學生針對教師布置的問題，查閱或回顧相關資料，發現自己掌握的知識的局限性。課堂上的案例式教學以學生為中心建立討論小組，在具體的案例分析中，教師可以啟發學生陳述個人觀點、升級思維空間，強化學生對基礎理論的理解，提升學生解決復雜工程問題的能力。下面以“拓展型案例”和“綜合型工程案例”為例，對案例型教學方式的具體組織與實施過程進行展示。

(一)“拓展型案例”的組織與實施

“交換電流密度(0)”指的是電化學反應達到平衡時電荷交換的活躍程度，是“材料腐蝕與防護”課程中的重要知識點，也是難點之一。學習“交換電流密度”的困難主要體現在它在很多實際應用中起著關鍵作用，但難以被意識到，極易被忽略。為此，我們以參比電極的構造分析為例闡釋“交換電流密度”。這里涉及的基本概念比較多，很多都在“物理化學”課程中出現過，如平衡電極電位、電化學極化、Tafel公式等，但學生對這些概念的理解往往不夠深入。為此，我們在課前導學環節要求學生查閱參比電極的使用要求及構造的相關資料。然后，在課內小組討論環節，針對參比電極的要求和實際使用時的情況，提出可能的矛盾所在：一方面，參比電極的要求是電位必須穩定；另一方面，參比電極在使用時有電流通過，會有極化產生。之后進一步引導學生分析、討論解決方案中隱藏的知識點，如過電位大小、0的影響因素等。最后，教師在總結時，強調鍍了鉑黑(納米鉑)的鉑片是參比電極構造的關鍵，它能保證0足夠大(大于10?5A/cm2)，當通過的電流密度足夠小(小于10?7A/cm2)時，極化電位是可忽略的，并從腐蝕動力學角度得出：0越小，電化學極化越大，腐蝕速率就越小，金屬就越不容易腐蝕了，從而說明0的大小是選擇防腐(涂層)材料的重要依據之一。

在以參比電極構造為例闡釋“交換電流密度”的過程中(見圖1)，學生通過課前導學與課堂討論環節，不僅可以對“既熟悉又陌生”的參比電極有更深入的理解，而且對關鍵概念的體會也更深刻。更重要的是，學生發現問題(使用要求與實際情況之間有矛盾)、分析問題(誰是關鍵點)和解決問題(鍍鉑黑的鉑片，增大0)的能力獲得了有效的提升。

圖1 案例式教學的組織與實施示意圖——以“交換電流密度”的闡釋為例

此外，在講解因素分析一類的難點時，如金屬在大氣、水體及土壤等自然環境中主要是析氫腐蝕和吸氧腐蝕，對這兩種腐蝕機制的比較，可結合當下的研究熱點(析氫反應、氧還原反應催化劑的研究[7?8])，將一般歸納和重點解析相結合；又如，鎂合金在電化學腐蝕過程中存在典型的“負差數效應”[5?6]，即在陽極極化下鎂合金的析氫速度隨電位升高而增加，與傳統的電化學理論相異，在授課時可將課外自學與課內提問搶答相結合；在高溫化學腐蝕部分，由于氧化皮具有半導體屬性，隨著氧壓的升高，金屬的腐蝕速度并不一定是加速的，有些甚至是減速的，在授課時可將課前導學與課內討論相結合?？傊?，根據學生的認知特點及已有的知識水平，提前設計相關的互動、交流問題，根據不同授課內容的難易程度、不同的學習階段，可以讓不同層次的學生有效地參與課堂教學，既豐富了學生的課堂體驗，又提升了他們的自信心，從而能夠很好地達成課程目標。

(二)“綜合型案例”的組織與實施

“材料腐蝕與防護”課程的重要目標之一是培養學生解決復雜實際工程中的腐蝕問題的能力。那么如何面向工程應用組織“綜合型工程案例”教學呢？鋁儲量豐富、無毒環保，而且鋁空氣電池具有較高的理論電壓(2.7 V)和能量密度(8 100 (W?h)/kg)等優點，因而備受關注[9]。在實際應用中，純鋁表面易覆蓋鈍化膜，會降低電池的放電電壓，且自腐蝕嚴重，該如何破解這一問題呢？我們以鋁空氣電池負極材料的設計為例，課堂組織與實施過程具體如下(圖2)。

第一，在課前導學環節，安排學生思考“鋁空氣電池的正負極反應”“負極材料能否用純鋁”“純鋁做負極材料可能會帶來什么問題”及“這些問題該如何解決”等方面的問題并查閱相關資料。

第二，在課堂討論環節，教師請同學們分組展示查閱的內容，即鋁空氣電池的兩個主反應：負極(Al?3e→Al3+)，正極(O2+2H2O+4e→ 4OH?)；接著展示純鋁負極存在的兩個主要副反應：一方面鋁在水中會發生析H2自腐蝕，另一方面鋁表面會生成致密鈍化膜。兩者都將降低鋁的利用率，顯然不能用純鋁作為負極材料。然后教師結合課程的難點，包括宏觀電池和微觀電池的概念、特點，析氫腐蝕的特點，提出降低副反應的解決方案背后隱藏的科學問題，即課程涵蓋的知識點。

第三，針對第一個副反應，教師可引導學生回顧知識點，可知析氫腐蝕本質上是陰極反應為2H++2e→H2↑的微觀電池；進而結合微觀電池形成的原因(成分、組織、受力等的不同帶來的電位差)和析氫過電位大小的影響，引導學生對減緩副反應的策略進行討論。教師對討論內容進行提煉并總結，可知：一方面，可從源頭上避免副反應，即通過熱處理形成單一固溶體或加入合金組元與析氫過電位低的成分生成與基體電位接近的新相，如加入Mn能與析氫過電位低的雜質Fe形成FeMnAl6，加入Mg能與Si形成Mg2Si；另一方面，亦可直接加入析氫過電位高的合金組元，如Ga、In、Sn、Zn等。在此基礎上，教師引導學生進一步討論鋁表面生成鈍化膜的后果及如何避免生成鈍化膜，從而得出相應的策略，即加入低熔點的合金組元可阻止連續致密鈍化膜的生成。

圖2 案例式教學的組織與實施示意圖——以面向工程應用的“鋁空氣電池負極材料設計”為例

以鋁空氣電池負極材料的設計為案例，通過課程內容與文獻內容的結合，可以將當前電池材料設計中所蘊含的科學道理與課程中的相關知識點進行關聯，不僅可以使學生學習到電池材料設計的方法論，而且能夠讓學生獲得科研能力和創新意識方面的培養。

五、“材料腐蝕與防護”課程案例式教學的效果評價

在開展案例式教學的過程中，在課前導學、課堂討論及課后環節中，學生的有效參與尤為重要。因此，為了調動學生的積極性，讓學生能有效地參與學習過程，“材料腐蝕與防護”課程實行期末考核與過程考核并重的方式(見表2)。期末考試主要考察材料腐蝕原理和防護方法的重點難點內容，有不定項選擇、綜合分析、計算及方案設計等題型。過程考核主要通過課前導學、課外調研、案例分析計算、隨堂小測、小組互助等方式來實現。每位同學可以根據自身的實際情況，通過個人或小組協作的方式參與以上的過程考核，既可以揚長補短，又可以提高學習效率。

表2 多維度的課程考核評價體系

六、結論

我們在對當前的“材料腐蝕與防護”課程中教學內容相對陳舊、工程問題與專業知識的銜接不夠、考核方式單一等不足進行分析的基礎上，結合課程綜合性與實踐性強的特點，圍繞課程的基本概念、因素分析、綜合應用和實踐環節這四個層面設置了“基礎知識型案例”“拓展型案例”“綜合型工程案例”“研究性實驗”四個層次的教學案例；以案例為依托，通過課前導學與課內講解相結合、課外自學與課內提問搶答相結合、一般歸納和重點解析相結合組織并實施了教學，同時通過優化課程考核方式，拓展了課程的深度與廣度，全面培養了學生的創新意識、工程應用能力和自主學習精神，有效提高了學生的知識儲備水平、能力和素質?！安牧细g與防護”課程也獲評“中南大學金課建設課程”。

① 國家統編的優秀教材指李曉剛. 材料腐蝕與防護概論[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2017. 此教材為普通高等教育“十三五”規劃教材。

[1] 鐘登華. 新工科建設的內涵與行動[J]. 高等工程教育研究, 2017(3): 1?6.

[2] 林健. 深入扎實推進新工科建設——新工科研究與實踐項目的組織和實施[J]. 高等工程教育研究, 2017(5): 18?31.

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[4] 李曉剛. 材料腐蝕與防護概論[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2017.

[5] 侯繼禹, 王保杰, 許凱, 等. 鎂合金負差數效應的研究進展[J] .材料導報, 2023, 37(12): 138?144.

[6] BAO Tongyao, HOU Lifeng, SUN Junli, et al. Effect of indium on the negative difference effect for magnesium alloy[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2021, 168(3): 031515.

[7] 劉佳琪, 楊慶浩. 氧還原電催化劑的研究進展[J]. 材料導報, 2022, 36(24): 29?34.

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Case teaching reform to increase engineering application ability in the context of new engineering—Taking the design, organization and implementation of the course “Material Corrosion and Protection” as an example

WU Qiumei1, LI Kun1, LEI Yongpeng1, ZHOU Yonghua2

(1. Research Institute of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the connotation and requirements of “New Engineering” engineering education, as well as the highly comprehensive and practical characteristics of the “Material Corrosion and Protection” course, this paper proposes that the core goal of teaching reform in “Corrosion and protection of materials” course is to cultivate students’ engineering application ability to provide anti-corrosion measures when facing complex conditions, via implementing case teaching at the four levels of “foundation-expansion-comprehensive-research”, and establishes the corresponding process assessment. Additionally, the organization and implementation process of “comprehensive engineering” and “research experiments” case teaching were also expounded in detail. As expected, the results showed that the depth and breadth of the curriculum have been effectively improved through case teaching, and the knowledge, ability and quality of students could be effectively achieved through the education reform.

new engineering; material corrosion and protection; case teaching; education reform

2023?05?23；

2023?08?27

中南大學教學改革項目“2021年材料腐蝕與防護‘中南金課’”；中南大學2022年教改項目“‘雙一流’粉體材料科學與工程專業實踐教學改革”(2022jy023)

伍秋美，女，福建三明人，中南大學粉末冶金研究院副教授，主要研究方向：材料電化學，聯系郵箱：wuqiumei20073@ 126.com；李昆，男，湖南長沙人，中南大學粉末冶金研究院教授，主要研究方向：粉末冶金；雷永鵬，男，陜西三原人，中南大學粉末冶金研究院教授，主要研究方向：“仿生-能源-結構”器件、先進能源、催化粉體材料；周永華，女，山西侯馬人，中南大學化學化工學院教授，主要研究方向：金屬材料及催化

G642.0

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1674-893X(2023)06?0141?07

[編輯：鄭偉]