摘 要：《高等物理化學》課程旨在促使化學、化工、土木等理工科專業(yè)的碩士研究生對物理化學基礎有更深入的了解。課程內(nèi)容與實際生產(chǎn)實踐密切相關，利用所學理論知識和應用分析方法，可將《高等物理化學》相關內(nèi)容直接或間接應用于本學科領域的基礎設施養(yǎng)護、最新研究進展及前沿研究成果中，致力于解決實踐過程中產(chǎn)生的問題并為科學研究提供重要理論支撐。案例分析作為理論與實踐結(jié)合的重要方法，可促進前沿科學研究與工程實踐的深入融合。本文注重分析纜索銹蝕中的電化學、大體積混凝土水化反應中的熱動力學、高聚合物加固中的溶膠凝膠效應等土木工程案例中的物理化學理論，進而探究《高等物理化學》在土木工程領域的實踐性工程案例教學改革。

關鍵詞：高等物理化學；土木工程；案例教學

中圖分類號：TU311.3" 文獻標識碼：A" "文章編號：1007-1199（2024）03-0076-05

DOI：10.19327/j.cnki.zuaxb.1007-1199.2024.03.011

鄭州航空工業(yè)管理學院 材料學院，河南 鄭州 450046

近年來，中國經(jīng)濟和科技實現(xiàn)了前所未有的騰飛，高等學校教育作為人才培養(yǎng)的最后環(huán)節(jié)，肩負著為祖國輸送全方位、高素質(zhì)、高水平人才的重要使命?？紤]到學生的快速適應工作崗位能力的需求，專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)成為我國研究生教育的一種重要模式，這種模式在一定程度上提升了學生的社會適應能力，然而目前依然存在以下幾個方面的不足。首先，高校與產(chǎn)業(yè)結(jié)合、與企業(yè)緊密聯(lián)系合作方面比較薄弱，學生所學課程知識無法直接關聯(lián)工程實際需求。其次，高校近幾年招聘青年教師科研基礎實力較好，但實踐經(jīng)驗欠缺，企業(yè)合作育人參與度不夠，保障機制尚不健全，這已成為專業(yè)創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)面臨的突出問題，導致實踐型人才培養(yǎng)的師資隊伍相對薄弱。據(jù)此，如何以理論知識為基礎，以工程實踐為目標，培養(yǎng)優(yōu)秀的實用性專業(yè)人才關系著國家科技發(fā)展的未來。

《高等物理化學》課程是化工、材料、冶金、紡織、土木工程、輕工技術、能源化工、汽車工程等方向?qū)I(yè)碩士研究生的核心課程，主要介紹物理化學基本原理的拓展和最新進展[１]，包括普適的熱力學、動力學基本原理、相平衡、化學平衡、大分子溶膠凝膠及工程領域物相變化的理論計算等，相關理論內(nèi)容直接關聯(lián)多個工程領域的應用。案例分析教學可有效地將“理論知識－科學研究－工程實踐”有機結(jié)合，一方面有利于提升青年教師將前沿科學研究與工程實踐結(jié)合的能力，另一方面通過將枯燥深奧的課堂理論知識應用化，培養(yǎng)專業(yè)碩士研究生的工程實踐能力。因此，建立《高等物理化學》案例教學方法，并構(gòu)建教學案例庫，在優(yōu)秀人才培養(yǎng)及特級師資隊伍建設中具有重要意義[２]。

1 教學培養(yǎng)目標

《高等物理化學》作為一門綜合性的基礎課程，在教學實踐中得到了廣泛的應用。內(nèi)容主要以物理化學的電化學、化學動力學、界面化學和膠體部分為主線，著重講解電化學理論及應用、固體界面性質(zhì)、膠體分散體系和大分子、非平衡態(tài)熱力學、多相反應動力學在物理化學中的應用等。在開頭部分，對物理化學的核心內(nèi)容和基本公式，拓展內(nèi)容和重要應用進行簡要的概括，起到承上啟下的作用，重點突出基礎物理化學中尚未展開，但又具有重要應用意義的部分，這些內(nèi)容作為物理化學學科基礎知識，是實際工程應用和科學前沿研究的理論基石，具有重要意義[３]。通過《高等物理化學》案例教學法，以理論知識為基礎，以解決工程、生活生產(chǎn)中實際問題為依托，以基于自然科學發(fā)展本質(zhì)進行的前沿科學進展研究為導向[４]，可培養(yǎng)一批具有實際工程實踐能力和創(chuàng)新科研素養(yǎng)的高水平碩士研究生和全方位多維度發(fā)展的優(yōu)秀教育工作者。具體教學培養(yǎng)目標如下：

一是通過鼓勵高校教師深入工程生產(chǎn)實踐一線，將課堂基礎理論知識與實際生產(chǎn)實踐相關問題有機結(jié)合。具體的，將高等物理化學中相關知識結(jié)合企業(yè)發(fā)展遇到的問題制作成典型教學案例，一方面構(gòu)建全方位多維度發(fā)展的教師工程能力提升體系，另一方面拓展學生思維深度及視野廣度，通過聚焦社會發(fā)展實際需求，提升學生發(fā)展生產(chǎn)的主人翁精神和民族使命感。

二是結(jié)合教學案例，以《高等物理化學》為核心課程，綜合多門課程知識點，形成交叉課程教學方法。專業(yè)知識及學術研究往往是學科導向，而工程的任務導向往往是多學科綜合，通過設計綜合性工程教學案例，可以將材料與化工專業(yè)的多門專業(yè)課程進行有機深入結(jié)合，通過多學科交叉學習解決實際生產(chǎn)實踐中遇到的復雜工程問題，進而培養(yǎng)多學科融合性人才。

三是“工程問題”恰恰是“學術問題”的起點，將科學研究落腳于解決實際問題是科研的終極目標，以教學案例庫建設為契機，有效提升高校教師科研成果轉(zhuǎn)化的能力，培養(yǎng)出具有解決實際問題的一線科研教學師資隊伍。構(gòu)建校企合作新模式，培養(yǎng)學生綜合能力，有效提高學生畢業(yè)后在企業(yè)中的快速適應能力，培養(yǎng)學生獨立思考能力，滿足國家和行業(yè)的需求。

2 土木工程中的物理化學案例分析

《高等物理化學》教學過程中主要采用案例化教學手段，提倡工程化的實踐性教學思想。以高等物理化學在土木工程中的應用為例，通過高等物理化學教學案例編寫，課程教師及時更新知識儲備，提升自身將基礎理論知識與前沿科研成果相結(jié)合，應用于實際工程案例分析的能力。如圖1所示，分析土木工程中纜索防銹蝕、大體積混凝土水化反應和高聚合物加固等案例項目中對應的《高等物理化學》課程內(nèi)容。

在案例項目進行中，教師和學生形成定期討論的制度，將案例項目中遇到的問題、難點和障礙分組進行分析和討論。通過這些實際案例教學過程來提高研究生的獨立工作能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力以及獨立思考的科研能力，培養(yǎng)學生形成“問題提出－調(diào)查研究－設計方案－實施項目－問題解決－反思提升”的處理問題的正確方法，為培養(yǎng)全方位、高水平、實干型、創(chuàng)新型人才奠定基礎。

2.1 纜索防銹蝕的電化學分析

在役橋梁纜索的化學成分主要由鐵、碳組成，加入少量錳、鉬、鎳、銅等，由于長期暴露在空氣中，導致其很容易受到電化學反應侵蝕，耐久性差，保養(yǎng)更換費用較高，且易造成一定的安全隱患。在使用初期，腐蝕機理主要為化學腐蝕，纜索結(jié)構(gòu)中的鐵原子與空氣中的CO2、SO2、水蒸氣等形成的酸性電解質(zhì)溶液（H+）發(fā)生化學反應，生成二價鐵離子（Fe2+），如化學方程式（1）所示；二價鐵離子又容易被空氣中的氧氣氧化成三氧化二鐵（Fe2O3），如化學方程式（2）所示；三價鐵在水蒸汽作用下生成Fe（OH）3沉淀，如化學方程式（3）所示；Fe（OH）3又可能部分失水生成三氧化二鐵，化學方程式（3）可逆進行。進而形成由Fe2+、Fe3+、Fe（OH）3和Fe2O3等多種化合物組成的疏松的混雜物質(zhì)，即為鐵銹。

橋梁纜索表面形成的斑駁鐵銹，加之表面形成的電解質(zhì)的共同作用，將在纜索表面形成微電池，進一步加重缺陷帶來的結(jié)構(gòu)損傷，甚至給橋梁纜索帶來更加嚴重的結(jié)構(gòu)腐蝕。針對纜索腐蝕的工程問題，詳細講解電化學及其應用部分的課程內(nèi)容，從電化學在金屬結(jié)構(gòu)養(yǎng)護的應用構(gòu)建經(jīng)典案例，例如金屬的電化學防腐應用于橋梁纜索的防銹蝕等。在銹蝕的橋梁纜索結(jié)構(gòu)中，鐵電極材料作為陽極（電池的負極），纜索中其他沒有鐵活潑的金屬作為陰極（電池的正極），空氣中的水和酸性氣體組成電解質(zhì)溶液，構(gòu)成電池的基本結(jié)構(gòu)，由于陰陽兩極電勢差的存在，將發(fā)生陽極失電子氧化以及陰極得電子還原作用，其中陽極氧化反應如化學方程式（1）所示，陰極還原作用包括析氫腐蝕和耗氧腐蝕兩種形式，分別如化學方程式（4）和（5）所示。

組成原電池的陽極和陰極的電極電勢可根據(jù)能斯特方程進行計算，其中陽極發(fā)生腐蝕的電極電勢如公式（6）所示，陰極發(fā)生析氫腐蝕和耗氧腐蝕的電極電勢分別如公式（7）和公式（8）所示。

其中標準電極電勢值[φθFe2+/Fe]，[φθH+/H2]和[φθO2H+，H2O]的值可通過查表得到，分別為-0.44 V，0 V和1.23 V，R為理想氣體常數(shù)，取值8.314 J/（mol·K），T為室溫298 K，z為化學式中離子前的系數(shù)為1時的得失電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，取96485 C/mol，對于金屬而言，一般情況下，作為陽極的金屬離子活度[aFe2+]達到10-6 mol/m3時，被認為金屬發(fā)生了腐蝕，代入能斯特方程可得到纜索作為陽極恰好能夠發(fā)生腐蝕的陽極電極電勢約為-0.62 V。陰極發(fā)生析氫腐蝕的電極電勢為-0.05916PH V，發(fā)生耗氧腐蝕的電極電勢為1.23-0.05916PH V。因此，陰極電極電勢受PH大小的影響，PH值越小，即環(huán)境中形成的電解質(zhì)溶液酸性越強，陰極電極電勢越大，與陽極組成微電池的電動勢也越大，腐蝕速率越快。因此在橋梁纜索的養(yǎng)護中，應避免其處于強酸性環(huán)境中；而在同樣的PH條件下，發(fā)生耗氧腐蝕的陰極電極電勢比發(fā)生析氫腐蝕的電極電勢高，即耗氧腐蝕比析氫腐蝕會更嚴重。

同時具有疏松結(jié)構(gòu)的鐵銹具有較大的比表面積，進一步增加了橋梁纜索與空氣等電解質(zhì)溶液的接觸面積。因此一旦橋梁纜索表面形成鐵銹，將進一步加快電化學腐蝕反應的發(fā)生，此時應盡快進行鐵銹的去除，在橋梁纜索表面進行補漆或涂敷搪瓷、塑料、瀝青等在金屬表面形成致密的保護層將金屬與電解質(zhì)等隔開，或及時更換纜索，杜絕安全隱患問題。在實際工程中，由于單一的防銹材料所能發(fā)揮防銹作用的范圍有限，常需要按照一定的間隔，鋪上多層防銹層，可有效避免鋼筋銹蝕。同時在灌注保護材料時，要注意防止電化學防腐蝕材料因振動而脫落。

除了物理防護外，還可通過設計外加電池的形式，使被保護金屬作為陰極進行保護。如在橋梁纜索上用導線連接活性鋅，由于鋅的活潑性比鐵高，鋅和鐵同時存在時其更容易失去電子，可作為陽極材料存在，相應的，鐵作為陰極材料被保護。上述方法屬于電化學防護的陰極電保護法，此時電化學防銹材料的導線應該與纜索金屬相連接，以保證在氧化過程中的電離子傳遞效應，通過犧牲陽極材料鋅或其他更活潑的金屬來保護纜索免受侵蝕。

2.2 大體積混凝土水化反應的熱動力學分析

與普通混凝土澆筑不同，大壩、橋墩等土木工程結(jié)構(gòu)采用大體積混凝土澆筑。在澆筑過程中，水泥在凝固時會發(fā)生水化反應，如化學方程式（9）所示，從固體轉(zhuǎn)化為膠體，同時產(chǎn)生大量熱量。

大體積混凝土澆筑后將形成絮凝劑表層，絮凝劑表層的外表面與外界的距離非常接近，所以其散熱速度比較快，可將熱量快速地釋放到空氣中，使得混凝土表層溫度與外界溫度維持在一個水平。但是，在混凝土絮凝劑表層內(nèi)部，因為它的散熱性非常差，而且它與外界的距離較遠，熱量不容易被釋放出來，溫度較高。因此，在大體積混凝土的內(nèi)外會產(chǎn)生較大溫差，溫度場的不均勻性將引起不同部位的變形，進而形成約束。大體積混凝土的溫度由里向外遞減，當其內(nèi)部溫度越高，則其變形越大，外界溫度越低，變形越少。綜上，大體積混凝土的表面產(chǎn)生了拉應力，當拉應力超過其極限承載力時，就會出現(xiàn)大量的裂縫，即常見的溫度裂縫。在施工過程中，大體積混凝土不僅要有很高的整體性，而且還必須滿足強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性等方面的要求，所以如何基于其水化反應的熱動力學機理，控制溫度產(chǎn)生的裂縫，成為大體積混凝土澆筑的關鍵物理化學問題。

針對大體積混凝土澆筑結(jié)構(gòu)的溫度裂縫問題，通過學習工程熱力學和液－固動力學及其應用部分，從工程熱力學和液－固動力學在建筑材料的應用構(gòu)建經(jīng)典案例，例如混凝土攪拌養(yǎng)護中水泥的水化反應、大體積混凝土的二次澆筑等。結(jié)合工程熱力學原理，對其施工質(zhì)量進行有效的控制，在混凝土澆筑過程中添加緩凝劑。適量的緩凝劑可延長混凝土的凝固時間，避免了混凝土外部快速凝結(jié)成固體與內(nèi)部液體或膠體形成質(zhì)量裂縫，同時延長了內(nèi)部混凝土水化反應的散熱時間，有助于減少內(nèi)外溫差。此外，在條件允許情況下，可采用二次澆筑大體積混凝土。第一次澆筑時特別注意避免碎料的分層和離析，應該采用串筒、斜橫、溜管等進行下料，筑完畢后，要按照施工地點的溫度狀況，進行及時的遮蓋與噴灑。第二次澆筑時，混凝土的標號應高于原來的設計標號，趕在第一次混凝土凝固前，促使第二層混凝土澆筑完成，從攪拌機卸出到次層石澆筑壓茬的間歇時間，溫度低于25攝氏度時不能過3小時，溫度高于或等于25攝氏度的時候不能過2.5小時，如果溫度高于25攝氏度，則應留置施工縫。同時，在第一次和第二次澆筑過程中，可設置U型或S型水管，在澆筑過程中向水管中灌注冷水，從而對大體積混凝土內(nèi)部的溫度進行有效的控制，使溫度不超過65攝氏度，有效降低大體積混凝土的內(nèi)部和外部溫度差。進而減少大體積混凝土澆筑產(chǎn)生的溫度裂縫。

2.3 高聚合物加固中的溶膠凝膠效應

在土木工程建筑中，經(jīng)常用到一種有機或無機凝膠對建筑物構(gòu)件進行加固的技術，如碳纖維布加固。通過將碳纖維布等高分子聚合物粘附到建筑物構(gòu)件上，將塑性材料與脆性材料進行有機結(jié)合，利用碳纖維布與建筑物構(gòu)件的協(xié)同作用，可增加建筑物的抗震、抗沖擊及耐久性能。在利用碳纖維布進行加固時，通常采用溶膠－凝膠法，可保證膠體均勻地分布于建筑物構(gòu)件與碳纖維布之間，保證粘結(jié)的牢固性。碳纖維布加固建筑物的關鍵在于中間高聚合物的粘合作用，而傳統(tǒng)的加固方法耐久性較差。隨著荷載的持續(xù)作用，碳纖維布和聚合物之間易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，進一步導致碳纖維布的應力松弛，失去了韌度和剛度協(xié)同增強的預期目的。特別地，不同溫度環(huán)境下高聚合物的吸附作用不同，將直接影響碳纖維布加固時高聚合物的設計厚度，導致整個纖維布加固方案難以有效評估和精確設計。

針對高聚合物的粘附問題，通過講解溶膠－凝膠反應以及吸附機理及其應用部分，從溶膠－凝膠法的材料制備機理及固液吸附等在結(jié)構(gòu)加固的應用構(gòu)建經(jīng)典案例，例如碳纖維布聚合物加固等。從二十世紀七十年代開始，溶膠－凝膠法這一理論在材料科學領域得到了廣泛的應用，并逐漸發(fā)展為一種新型的材料合成方法。溶膠是膠體的一種，具有典型的均勻分散特性，分散介質(zhì)多為液態(tài)，稱為液溶膠，利用液體小分子溶膠的流動性，使膠體溶液流動于建筑物構(gòu)件之間，可實現(xiàn)溶膠與待加固構(gòu)件之間的充分接觸；進一步由固－液吸附機理，可在建筑物構(gòu)件表面獲得一層均勻分布的膠體溶液。接著經(jīng)過溶膠－凝膠轉(zhuǎn)化和凝膠干燥過程，均勻分布的膠體溶液發(fā)生固化，形成排布于構(gòu)件之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達到建筑物構(gòu)件加固的效果。本質(zhì)上，凝膠是一種呈網(wǎng)狀連接的聚合物鏈，具有介于固體和液體間的形態(tài)。隨著凝膠的形成，溶膠失去流動性，顯示出固體的性質(zhì)，形成一種開放的骨架結(jié)構(gòu)。借助于凝膠的干燥過程，原來的固液吸附轉(zhuǎn)化成固固吸附，溶膠絮凝和吸附應用于高分子聚合物材料在結(jié)構(gòu)上的安全加固粘合，可使學生更加直觀地了解到高聚合物在工程中的應用。溶膠－凝膠過程中典型金屬醇鹽的水解和縮聚反應可分別表示如下：

實際工程應用中，通過將混凝土等建筑物構(gòu)件表面采用角磨或砂紙打磨，去除表面油脂及其他雜質(zhì)，保證清潔干燥，可進一步增加溶膠凝膠制備的高聚物與建筑物構(gòu)件之間的粘結(jié)力。通過分析不同比例高聚合物的溶膠凝膠效應，確定最優(yōu)溶膠配方比例，可提升碳纖維布與建筑物的協(xié)同作用，以減小兩者之間的相對粘結(jié)滑移，達到預期加固效果。

3 基于案例分析的課程教學改革

目前高校案例教學法尚未得到普及深入，為滿足國家對于工程實踐性人才的迫切需求，案例教學改革迫在眉睫。結(jié)合土木工程領域的案例分析，《高等物理化學》課程教學改革可從以下幾個方面進行提升：一是以土木工程中纜索防銹蝕、大體積混凝土水化反應和高聚合物加固等案例項目為例，深化課程的理論內(nèi)容，同時形象化課程知識的工程應用場景。啟發(fā)學生主動發(fā)現(xiàn)工程實踐中的案例問題，獨立做到“提出問題－討論問題－解決問題”等一系列課堂活動，教師適時退出主導地位，形成“學生主導課堂-教師引導分析-師生總結(jié)歸納”的新型案例教學課堂機制；二是鼓勵高校教師去相關企業(yè)技術研發(fā)部門掛職不少于六個月，通過深入工程一線，掌握科技最新工程進展，將工程問題聯(lián)系理論知識帶入課堂，提升工程案例的時效性和真實性；三是通過與企業(yè)聯(lián)合建立相關實習基地，為高校教師以及專業(yè)碩士研究生創(chuàng)造更多的工程實踐交流培訓機會。在解決工程問題案例分析中，提出解決問題的開放性對策，做到因材施教，為不同的學生提供個性化的案例分析指導，避免標準答案的一刀切現(xiàn)象，充分保護學生的自主創(chuàng)新性。

4 結(jié)論與展望

對土木工程案例中的物理化學理論進行闡述，《高等物理化學》案例教學法以學生實用能力為目標，改革傳統(tǒng)的單一理論教學方法。將高等物理化學中相關知識結(jié)合具體工程工藝制作成典型教學案例，拓展學生思維深度及視野廣度，聚焦社會發(fā)展實際需求，將課堂所學基礎理論熟練地應用于實際生活生產(chǎn)及工程實踐中，提升自主分析問題及解決問題的能力。在具體的案例教學中，通過“拋出具體工程實踐案例-講解相關理論基礎知識-學生分組討解決方法－分組匯報工程問題解決方案－教師靈活引導積極回應－學生對比分析提升深度－教師梳理內(nèi)容歸納總結(jié)”的課程安排，一方面提升學生參與課堂的積極性以及邏輯思維能力、豐富理論知識的同時提升實踐技能，另一方面促使高校教師走出課堂，緊密聯(lián)系工程實際，通過生活中喜聞樂見的工程實例，寓教于樂，提升課堂授課效果以及案例教學實施能力。

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責任編輯：杜寶花，張 靜

Exploration and Analysis of Civil Engineering Case Teaching in Advanced Physical Chemistry Course

WANG Shuxia， CUI Jiehu

（School of Materials Science and Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： The task of the course Advanced Physical Chemistry aims to promote master's students in science and engineering majors such as chemistry， chemical engineering， civil engineering to have a deeper understanding of the fundamentals of physical chemistry. The content of the course is closely related to actual production practice. The relevant content of Advanced Physical Chemistry can be directly or indirectly applied to the maintenance of infrastructure， the latest research progress， and cutting-edge research results in the field of this discipline by utilizing the theoretical knowledge and applied analysis ideas learned in the teaching process， committed to solving problems arising in the practical process and providing important theoretical support for scientific research. As an important method of combining theory and practice， case analysis can promote the in-depth integration of cutting-edge scientific research and engineering practice. This paper focuses on analyzing the physicochemical theory in civil engineering cases such as electrochemistry in cable corrosion， thermokinetics in mass concrete hydration reaction， and sol gel effect in high polymer reinforcement. Then the practical engineering case teaching reform of \"Advanced Physical Chemistry\" in the field of civil engineering is explored.

Key words： advanced physical chemistry; civil engineering; case teaching