《冶金传输原理》课程教学方法改革探索

    李九霄 李方杰 杨冬野 龚红英

    摘 要：《冶金传输原理》是一门理论性很强、实际工程应用很广的专业基础课程。由于其理论抽象、公式复杂繁多，被广大师生认为既难教又难学。本文针对本课程特点提出了几点教学方法的改进意见：优化整合教学内容，改革教学方法和联系生产实际提高解决问题的能力。本课程教学改革，有利于提升教学质量、学生学习积极性和解决冶金生产问题的能力。

    关键词：冶金传输原理;教学改革

    《冶金传输原理》是为冶金、热能和材料成型与控制工程等众多专业开设的一门既有很强理论性，又有指导生产重要应用价值的专业基础课[1-3]。本课程以高等数学、大学物理和大学化学等为基础，来解释实际生产中的现象和问题。课程中有很多抽象的概念、理论和大量复杂的公式推导，要求学生有扎实的基础知识功底以及较高的综合学习能力[4]。因此，《冶金传输原理》被高校的广大师生普遍认为是既难教又难学的课程[5]。传统的授课方式反复强调概念和理论，更使学生感到枯燥乏味、晦涩难懂，学习的兴趣降低，严重影响教学质量[6]。为了提升学生的学习兴趣，使其具备运用《冶金传输原理》知识分析解决冶金与金属加工生产过程中的复杂技术问题的能力，该课程的教学方法需要进行改革，使课本中的抽象理论清晰化、难点简单化、理论与实际生产结合[7，8]。

    一、优化教学内容

    《冶金传输原理》课程授课目标是通过本课程教学，使学生掌握动量传输、热量传输和质量传输的基本概念、适用条件及基本解析方法，了解三个实验定律：牛顿粘性定律、傅立叶定律、菲克第一定律;三个基本守恒准则：质量守恒定律、牛顿第二定律、热力学第一定律;三种分析方法：总体平衡法、微元平衡法、壳体平衡法。授课时还要分清主次，突出重点和理解难点。

    动量传输：首先介绍动量传输的基本概念和总体平衡法，了解理想流体和实际流体，掌握层流及湍流的流动形态及定解问题。重点理解牛顿粘性定律、连续性微分方程、欧拉方程和纳维-斯托克斯方程;其次要掌握管道中流体的流动状态，流体的流动阻力、能量损失和管路设计与计算;最后介绍边界层概念、边界层的微分和积分方程式，以及相似原理和量纲分析。

    热量传输：首先介绍三种基本传热方式（导热、对流和辐射）的概念和定律;导热的傅里叶定律和导热微分方程掌握比较重要，需要重点掌握;对流传热需要掌握对传热过程的一般分析和理解管内对流传热;辐射传热需要掌握黑体辐射的基本定律和表面辐射的计算。

    质量传输：首先掌握质量传输的基本概念，质量传输的两种方式即分子扩散和对流传质;其次掌握菲克第一定律、质量传输微分方程、气体与液体中的分子扩散和固体中的分子定态扩散;介绍对流传质的解析、相关准数，以及如何提高质量传输速率等;掌握动量、热量和质量传输的类比，质量传输基本解析方法，完全可以借用动量传输和热量传输的解析方法。

    动量传输和热量传输过程是一个物理变化过程，而质量传输是个物理变化和化学变化相结合的过程。质量传输的传输速率最慢，动量传输和热量传输的速率比质量传输速率快多个数量级[9]。动量传递、热量传递和质量传递的基本原理是相同的。因此，在分析三者的原理和特征时，抓住它们之间的共性和联系，这样能够使学生比较容易地掌握各章的重点和难点内容，使学生在学习之后能够做到举一反三，提高学生学习的主动性和积极性。

    二、改革教学方法

    《冶金传输原理》课程中概念抽象、计算公式繁多且推导过程复杂难懂。传统的课堂教学受空间和时间上限制，教师讲授，学生是学知识、背知识、考知识，没有充分的体现出培养学生自主学习、独立思考、运用知识解决实际问题的能力。所以，我们要改革，采用新的教学方法，实现由“教师教”向“学生自主学”的转变，消除学生认为冶金传输原理繁琐、枯燥、乏味的普遍认识。

    （1）把课程中一些物理和化学现象制作成有声音的、图像和动画形式的教案，给学生以听觉和视觉上的冲击，有利于学习兴趣的提高，并快速理解抽象的理论知识。比如：层流和湍流的雷诺实验和卡门涡街，可以通过制作小动画来演示。

    （2）根据不同教学内容采用引导式、提问式、讨论和分析式教学方法。例如：在描述流体运动方法教学过程中，可以引导学生思考，分析和讨论一下洪水的流动属于欧拉法还是拉格朗日法;学习导热时，引导学生应用所学原理设计加热炉，提高热效率减少热量损失，使加热炉的外表面温度不超过安全值确保操作人员安全;高温加热金属，放入水中淬火热处理过程中热量传输的讨论;以及生活中常见现象例如小貓晒太阳过程中有哪些热量传输现象等等。充分挖掘学生的学习潜能，调动学生积极性，既可活跃课堂气氛，又有利于集中学生注意力，提高学习效率。

    （3）开设实验课辅助教学。从这几年的教学效果来看，没有实验教学的支撑，理论课就变得枯燥乏味，晦涩难懂，直接影响教学效果。教材中的流体粘度、流动状态、导热、对流、辐射、动量守恒，能量守恒等都可采用实验来演示，将复杂的概念和公式变得生动。例如：利用泄流法，用恩格勒粘度计测试流体粘度;通过控制管道中颜色水的流速来观察层流和湍流变化;通过测量平板上下表面的温度差，计算平板的导热系数;采用液体流过不同温度管道的对流，来计算对流换热系数;利用流体流过带有三通、阀门和弯头的管道的压降，测试阻力系数和能量守恒;还可以采用物理模拟实验，利用水模型实验模拟冶炼过程中中间包吹氩。这一系列实验的内容较为简单，但可以使学生在生动活泼的环境中认识各类传输现象。通过对实验目的、原理、装置、步骤、数据记录分析处理等学习，理解实验中的基本概念和传输机理，对学生深刻领会其中的理论知识能起到事半功倍的效果，同时还提升了学生的动手能力。

    （4）通过改革传统的教学模式，充分发挥多媒体和互联网的优势，创建在线的教学课程。教学大纲、授课计划、授课教案、PPT课件、授课视频、知识点题库等教学资源，在互联网上完全对学生开放，学生就可以不受老师授课时间和地点限制，根据自己的时间安排，随时随地利用互联网，进行学习。

    通过教学方法的改革，要求学生掌握学习方法，鼓励学生多观察、多思考、多提问，使《冶金传输原理》学习由复杂变简单，由晦涩变生动，同时有利于提高学生学习的积极性、主动性、学习质量与效率。

    三、工厂实地实习，提高解决问题能力

    在满足冶金工程、热能工程和材料成型与控制工程等专业基础课的教学基础上，对《冶金传输原理》课程进行教学改革，突出理论知识对实践应用指导作用。实践教学是提高学生动手能力、分析问题和解决问题能力、创新意识的有力手段[10]。

    本课程的实践教学主要有两大部分，冶金或金属加工单位实地实习和计算机虚拟模拟。根据本课程教学需要，一般选择到大型钢铁企业的冶炼、铸造和轧制厂等进行观摩实习，在加强感性认识的同时，提高对理论知识的理解，再通过计算机模拟来验证理论对实际生产的指导作用。针对实际生产中的问题，首先要对复杂的实际生产过程进行观察和分析，建立简化的物理模型，确立初始条件和边界条件，通过数学解析法、相似原理-模型实验法、数值计算等合适方法定量研究问题。例如，在钛合金铸造凝固过程中，首先观察了解实际铸造过程步骤，每个步骤中传输现象和院里，通过理论分析，建立主要的熔液与型壳之间的传热模型，确定初始条件和边界条件，就可以得到铸件各个部位的温度场和凝固状态，再来指导在生产中的实际问题，充分发挥理论联系实际的作用。

    四、结语

    通过一系列的教学改革，可以让学生知道为什么要学《冶金传输原理》和学了有什么用，充分体会到《冶金传输原理》在基础工程科学发展中的解决实际问题的价值和重要性，以及学好《冶金传输原理》有利于提高实际生产现场分析和解决问题的能力。

    参考文献：

    [1]周志明，黄伟九，周涛，夏华.《冶金传输原理》模块化教学改革探索[J].科技信息，2011，6.

    [2]林万明，王皓，陈津.《冶金传输原理》教学改革与实践[J].科学之友，2006：75-76.

    [3]王志英，刘坤.思维导图在冶金传输原理教学中的应用[J].教育教学论坛，2018，19：172-173.

    [4]朱光俊，杨艳华，曾红.“冶金传输原理”课程的教学改革与实践[J].教育与职业，2009，8：133-135.

    [5]刘然，王杏娟，艾立群，李运刚，李俊国.《冶金传输原理》课程教学手段的改进[J].教育教学论坛，2015，27：135-136.

    [6]李明，刘慧敏，李艳芬.互动式题库在冶金传输原理教学中的应用[J].中国冶金教育，2012，6：46-51.

    [7]朱光俊，杨艳华，许文林，曾红，何红.基于工程教育认证的冶金传输原理课程教学[J].中国金教育，2019，4：42-44.

    [8]何飞.关于提高《冶金传输原理》课程学习兴趣的教学改革探讨[J].高教学刊，2016，3：70-71.

    [9]吴铿，折媛，朱利，湛文龙，刘起航.對建立冶金反应工程学科体系的思考.钢铁研究学报，2014，26（12）：1-8.

    [10]韩丽辉，郭美蓉，吴懋林.“冶金传输原理”三级实验教学模式[J].实验技术与管理，2009，26（6）：199-207.