“雙創”背景下基于工程教育認證的“金屬腐蝕學”科研實驗項目教學設計

劉剛　王帥星　鄔華康

摘? ? 要：為拓展學生的科研視野，培養學生的交流思辨能力、創新創業能力、團隊合作能力及專業技能，南昌航空大學“金屬腐蝕學”教學小組依托航空企業鋁合金高精密化學銑切加工的科研項目成果，初步探討“金屬腐蝕學”實驗教學中科研實驗項目的構建與實施。在教學中引入了科學實驗設計方法——正交試驗法，引導學生設計實驗方案，利用繪圖軟件處理及分析實驗數據。教學效果表明，學生有興趣和熱情去認知、實踐及探究具有工程應用特性的科研實驗，課程考核成績逐年上升，實驗教學改革初具成效。

關鍵詞：“金屬腐蝕學”課程；工程教育；創新創業；科研實驗；教學改革

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

一、引言

工程教育專業認證的主要目的之一是提升我國工程技術人才的國際競爭力，其認證標準以《華盛頓協議》

（Washington Accord）提出的畢業生素質要求為基礎，經認證的專業培養的畢業生獲得的能力是等效的，符合國際實質等效要求[1]。目前，工程教育認證的“金屬腐蝕學”實驗課程在教學中存在教學內容及實驗項目既無工程實際意義，又不利于學生專業執業和工程技術人才培養等弊端。因此，當前“金屬腐蝕學”實驗教學內容難以滿足創新創業與工程教育的需求，改革勢在必行[2]。

2015年，我國科學家提出“腐蝕大數據”概念，將多年腐蝕數據積累、腐蝕科研成果及工程應用在《自然》（Nature）雜志上發表，并建立標準化腐蝕大數據庫，為金屬腐蝕學學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“金屬腐蝕學”教學小組依托腐蝕大數據庫中的科研成果，結合金屬腐蝕學學科研究前沿，將科學實驗方法引入“金屬腐蝕學”實驗教學中，積極構建新的“金屬腐蝕學”科研實驗項目。在科研實驗過程中，教師引導學生自主進行實驗設計、實踐操作和歸納總結，得出實驗結果、結論及感悟，既培養了學生的科研興趣、開闊了學生的科學視野、拓展了學生的科研思路及方法，又更好地讓學生掌握“金屬腐蝕學”理論及科學實驗方法，提升工程實踐及應用能力，使學生綜合素養能力得到增強?！敖饘俑g學”開展科研實驗教學改革具有重要意義，一是促進學生進一步熟練掌握專業知識和技能，培養學生的創新創業能力；二是引導學生為將來成為工程師和專業執業做好充分準備；三是使學生明確進入職場時應具備的基本能力和素質要求；四是使“金屬腐蝕學”課程體系得到不斷完善，教學質量可持續改進。

二、“金屬腐蝕學”科研實驗教學改革的目標達成模式

基于工程教育專業認證的“金屬腐蝕學”科研實驗教學改革秉持以學生發展為中心，結合OBE（Outcome? Based

Education，成果導向教育）理念，持續改進，不斷創新，強化工程實踐，提升課程教學質量，以達成人才培養目標和畢業要求?！敖饘俑g學”科研實驗教學改革的目標達成模式如圖1所示。

三、“金屬腐蝕學”科研實驗項目的構建與實施

（一）構建模式

不少學者在科研成果轉化實驗項目上的經驗值得學習和借鑒。例如，吳音等人在科研成果轉化為綜合性實驗教學上進行了探索[5]；周一恒等人探討了融合科研成果的綜合創新實驗教學[6]；胡婭南等人對科研反哺教學在工科院校本科生培養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實驗教學展開了探索與實踐[8]；沈利榮等人嘗試將科研成果向本科生實驗教學轉換并進行了具體實踐[9]。

教學小組緊跟前沿科技研究成果，對接工程實踐和企業需求，依托腐蝕大數據庫，結合“金屬腐蝕學”課程理論基礎知識，在教學上引入科學實驗研究方法和思路，從工程實踐中凝練“金屬腐蝕學”課程實驗教學的新實驗項目——科學研究型實驗項目。首先，新實驗項目的構建要找準實驗模塊的切入點。教師自身要有豐富的科研實踐經驗，充分了解現有“金屬腐蝕學”課程理論體系的知識點，了解腐蝕專業領域及工程實踐上的最新進展。其次，要結合實驗教學需求，找到實驗研究模塊的切入點。最后，要提煉出實驗設計方案，即將科研成果結合實驗室實際條件，分模塊組合，形成實驗設計方案。以構建鋁合金化學銑切加工（化學銑切加工簡稱“化銑”）工藝研究科研實驗項目為例，教師應引導學生做好以下步驟。

1.掌握“金屬腐蝕學”課程理論基礎，熟悉實驗內容?，F有實驗內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.了解腐蝕大數據，找出研究切入點（腐蝕體系）。腐蝕大數據是不同國家、行業和應用領域建立的開放的數據基礎設施，儲存相關腐蝕數據而形成的全球腐蝕數據系統，主要研究材料在各種環境下的腐蝕機理，發展腐蝕檢測手段，預防、延緩及利用腐蝕的方法等。引導學生從腐蝕大數據平臺找出要研究的腐蝕體系，如在海洋環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、鎂合金等在海洋環境中的腐蝕等[10]。

3.腐蝕大數據結合科研成果凝練實驗項目。例如，結合鋁合金高精密化學銑切加工科研項目的成果，引導學生在腐蝕大數據中找到鋁合金在不同環境下的腐蝕行為有哪些特點、特征、腐蝕機理、預防措施等，根據其腐蝕原理、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模塊[11-15]。

4.拆分實驗模塊。根據實驗條件和實驗時間，把實驗模塊拆分開，形成每次實驗課的內容，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個實驗模塊。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.實驗方案設計及優化。在實驗條件滿足的情況下，研究型實驗方案在細節設計上可盡量引入變量因素。在引導學生設計實驗方案時，要求設計內容應盡量詳細，包含實驗目的、原理、方法、技術路線或設計思路等，并能在實踐中不斷優化實驗方案。

“金屬腐蝕學”實驗體系中科研實驗項目的構建模式如圖2所示。

（二）引入科學實驗方法，初步探索實施模式

由于科研實驗過程中對實驗結果的影響因素較多，所以在實驗設計時可能會用到析因設計。析因設計雖能準確地估計各因素不同水平的效應大小及各因素間交互作用，并找出最佳組合，但所需實驗次數多，且學生對實驗設計知識比較缺乏，尤其當影響因素和水平較多時，學生短時間內難以完成。因此，學生要學會一種科學有效的實驗方法——正交試驗法，掌握正交試驗原理及應用，以解決上述問題。正交試驗法是研究多因素、多水平的一種科學實驗設計方法，通過正交表安排多因素實驗，利用統計數學原理進行數據分析，從析因設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化為例，過程如下。

1.確定實驗目的，選擇質量特性指標，選定影響因素，確定水平

引導學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）。學生可根據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（化銑速度X、表面粗糙度Y）問題，若做析因設計，學生須做34＝81次實驗，而用正交試驗法做實驗則只需9次即可，相較前者學生工作量減少了8/9。

因此，學生將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。當衡量指標多時，若采用簡單對比法，很難找到最佳工藝條件；而設計實驗時若采用正交表則可兼顧各項指標，容易找到最佳工藝條件。表2為學生設計的一組正交試驗表及試驗結果，化銑加工溫度為 95℃，考核指標為表面粗糙度和化銑速度。

3.實驗數據分析方法

引導學生了解科學處理好實驗數據的方法有列表法、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為學生采用列表法對實驗數據的處理及分析過程。

學生通過查閱文獻得知，極差R表示該因素對試驗結果影響大小，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果算術平均值，主要用于分析最優方案。學生試驗結果表明，通過極差R和K值的數據大小比較可知，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，當化銑速度取較大值時水平順序為3、2、2、1，當表面粗糙度取較小值時水平順序為3、1、3、1。經學生小組與指導教師交流討論，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，得出水平因素的優化方案為3、2、3、1。因此，學生試驗結果經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，影響規律可通過單因素實驗來研究。圖3為學生采用圖解法獲得的圖像處理單因素實驗數據，即7075鋁合金在90 ℃時，化銑時間為45 min，學生得到的實驗結果。

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

新構建的科研實驗項目實施效果較好，學生有興趣學、主動參與，教師有工程應用實例和科研成果可講，師生互動效果良好。該實驗項目讓學生印象深刻，學生的一? ? ? ? 學生采用Origin軟件作圖并分析，一般為分段描述曲線規律，比較幾個關鍵點，得出結論，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生化學反應生成偏鋁酸鈉，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增加，化銑速度反而緩慢下降，最后趨于平穩。

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

在“金屬腐蝕學”科研實驗項目開展后的4年里，大四本科生在畢業設計期間提交的開題報告中實驗方案設計越來越科學規范。學生能通過實踐運用所學專業理論知識和技能去發現和解決實際問題，能運用科學方法處理實驗數據并進行理論分析探討。學生畢業論文的技術用語格式、圖表、數據、資料等的運用及引用均呈現規范化，畢業設計的論文質量逐年提高。畢業生均具有基本的溝通能力、團隊合作能力、創新創業能力、專業知識技能、健全的人格及一定的國際視野和責任感。表5為近5年來的畢業設計論文成績統計報告。

（四）持續改進

工程教育專業認證標準始終貫穿質量持續提高和改進的基本理念，其循環式上升過程體現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，持續改進，不斷完善。在“雙創”背景下，“金屬腐蝕學”課程教學改革應側重以下幾點。

第一，專業負責人應推動系部真正建立以學生學習結果為產出的持續改進機制和措施。搭建“金屬腐蝕學”課程的“評價—反饋—改進”工作閉環、穩定制度保障、及時反饋機制和評教向評學轉變的評價機制等。專業負責人更應密切關注師生，因為教師是以學生學習結果產出為導向的推動者和執行者，同時系部教學資源配置、“金屬腐蝕學”課程體系等均應以學生為中心，提供指導服務。

第二，明確專業要求，落實教師責任。課程和教師是保證學生畢業要求能否達成的重要因素。教師要明確OBE理念，持續改進課程目標、內容、方法和考核等以達成目標。高校應建立教學激勵機制，調動全體教師積極性，圍繞學生畢業要求指標點，明確專業課程的要求和目標，督促教師不斷地完善課程大綱、優化專業課程內容、改進教學方式方法、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認證理念的落實。

第三，不斷探索教學新模式。通過借鑒一些成功的教學模式，如“思維導引式授課—多向互動式研討—沉浸式自主探究”研究性教學模式、“課程—師資—平臺”“三位一體”國際化高層次人才培養新模式等[18]，探索“基礎能力培養—科創論文培育—校企合作交流—科技成果轉化”遞進式教學模式，由省級以上優秀教學團隊引領，攜手企業建設課程體系平臺，在課程教學上緊跟前沿科技研究成果，對接產業需求，引入企業先進技術和管理理念，不斷探索新的教學模式。

四、結束語

在實驗教學過程中，以“雙創”為背景、以工程為實踐、以實驗項目為載體，教學上注重學科交叉融合，通過不斷構建新的實驗教學育人模式，將培養學生科研創新能力和創業意識融入每個實驗環節，竭力培養學生的工程實踐能力、交流思辨能力、科研創新能力、創新思維和創業意識等，全面提升學生的綜合素養?！敖饘俑g學”課程教學小組根據我國工程教育改革發展需要和國際工程教育發展變化趨勢，持續完善“金屬腐蝕學”課程實驗教學體系，提高教學質量，為保障學校金屬材料工程專業的創新創業工程應用型人才培養質量，不斷增強該專業工程教育服務航空產業發展的適應性，為社會經濟快速發展和工業現代化建設做出積極貢獻。

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