問題導向的冶金工藝專業(yè)課教學新模式探討

摘 要 冶金工藝專業(yè)課教學仍存在一些不足。本文歸納出冶金工藝中“生成相”與“相分離”兩大根本任務，圍繞這兩大根本任務提出了冶金工藝專業(yè)課教學新模式，并在教學實踐中取得了較好的效果。

關鍵詞 冶金工藝專業(yè)課 教學改革 生成相 相分離

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

冶金學科可分為冶金基礎類學科與冶金技術類學科兩大類。冶金物理化學、冶金傳輸原理、金屬學等屬于基礎類學科。技術類學科是指以問題或者任務為導向的學科，比如煉鐵學、鋁電解學等。本文所談的冶金工藝專業(yè)課是指冶金技術類學科中以金屬元素提取為目的的工藝設計類專業(yè)課。從目前的教學現(xiàn)狀看，學生對冶金工藝類課程的學習興趣不大，很容易出現(xiàn)教師單純講述知識點而學生盲目背誦知識點的不良狀況，不利于引導學生獨立思考與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。①②本文作者認為，冶金工藝設計是圍繞金屬元素的生成及金屬元素與雜質(zhì)分離兩個根本任務展開的，即冶金工藝知識體系是圍繞解決“生成相”與“相分離”兩大根本任務形成的，所以專業(yè)課的教學也應該從這個角度出發(fā)。

1 技術類學科的“問題意識”

學科體系中有一類叫技術類學科。什么是技術？核心就是解決問題的辦法，比如一套操作程序、一些具體參數(shù)等?？茖W理論總是追求邏輯的嚴謹性，而技術不追求這個標準。技術的根本判別標準是是否能有效解決問題。以大自然普遍存在的石頭為例。同樣是面對一堆石頭，化學家琢磨石頭的化學組成與各類性質(zhì)等；物理學家可從力、熱、光、電等各個角度研究石頭的特性；在搞技術的工程師眼中，石頭具有較強的硬度可用來做房子地基?；瘜W家研究發(fā)現(xiàn)了碳酸鈣類石頭加熱分解后可得到石灰，于是工程師們開始研究石灰窯造石灰的各類技術問題。工程師看世界的視角都是從問題入手的，即有什么用？能做什么？如果把這個世界的知識不嚴格分為是什么（what）、為什么（why）和怎么辦（how），科學家不斷地在世界的各個尺度上琢磨是什么和為什么，而工程師則不斷地解決怎么辦或者怎么用，也就是我們常說的“科學家研究已有的世界，工程師創(chuàng)造還沒有的世界”。③

2 冶金工藝的兩大任務 ——“生成相”與“相分離”

冶金技術類學科的根本任務就是將各種礦石變成有用的金屬材料，這是冶金學科要解決的根本問題。圍繞這些問題，采用物理、化學、生物、力學等各類學科提供的手段進行冶煉，形成了以冶煉方法命名的物理冶金、化學冶金、生物冶金、力學冶金、真空冶金等學科。圍繞具體冶煉工藝問題，介紹工藝操作方法，形成了煉鐵學、煉鋼學、鐵合金冶煉學等學科。

通過對冶金工藝進一步歸納，我們把冶金工藝設計的根本任務總結(jié)為“生成相”與“相分離”兩大根本任務。由于金屬在自然界多以氧化物或硫化物形式存在，冶金工藝設計首先要通過化學反應實現(xiàn)金屬相的生成，即完成“生成相”的任務。

解決“生成相”這個問題，主要是利用化學提供的理論，尤其是物理化學的知識來進行。即通過溫度、壓力、氣氛等因素的控制不斷構(gòu)造條件去形成“生成相”。解決“相分離”這個問題，主要利用物理學科提供的知識進行。好比淘米時依據(jù)米粒與石頭的密度不同把兩者分開。相與相要分開，也得利用相之間的某些不同性質(zhì)來展開。冶金工藝中的“相分離”所依據(jù)的性質(zhì)有密度（氣液分離與渣金分離）、界面張力、粘度等?！跋喾蛛x”體現(xiàn)最明顯的是在礦物預處理工藝中，即常說的選礦。選礦工藝的本質(zhì)就是“相分離”的過程，按照分離依據(jù)的不同性質(zhì)可以分為重力選礦、浮選、磁選等。

3 問題導向的冶金工藝專業(yè)課教學新模式

冶金工藝專業(yè)課教材在講述某一種金屬的冶煉工藝時，一般的思路是先宏觀介紹原料及產(chǎn)品、冶煉工藝與設備，然后針對具體的操作環(huán)節(jié)詳細介紹其操作方法。在開展專業(yè)課教學時，授課思路也是按照教材進行平鋪直敘，給學生的感覺是知識量非常大，記憶性的知識點角度，學起來比較枯燥無味。尤其是當學生沒有對應的工程實踐時，不管怎樣背誦和記憶，都容易停留在似懂非懂的狀態(tài)。

結(jié)合冶金工藝中“生成相”與“相分離”兩大根本任務，我們提出了冶金工藝專業(yè)課教學新模式。這種新模式主要分以下三大步驟授課。

3.1 介紹金屬產(chǎn)品冶煉的原料與產(chǎn)品

原料和產(chǎn)品好比起始點與終點，冶煉工藝好比中間的路線和過程。金屬在自然界的存在形態(tài)和最終產(chǎn)品的化學組成是工藝設計的基礎。本步驟教學中一定要強化“不同原料特點有不同的冶煉工藝”思想，引起學生對礦物原料的重視。比如，由于四氧化三錳具有磁性，在冶煉工藝設計時，就提出了“磁化焙燒”這個富集工藝。由于碳化鐵具有磁性，對于低品位鐵礦石，可以設計“氣固還原生產(chǎn)碳化鐵—磁選—電爐熔煉”的工藝路線，不同冶煉方式對原料的要求也不同。

3.2 圍繞“生成相”與“相分離”兩大任務進行生產(chǎn)工藝教學

明確了起點和終點，授課教師開始對于已有的工藝路線進行詳細介紹。授課的思路是以“生成相”與“相分離”為目的展開。某種金屬的冶煉工藝不是一個工序就能完成了，比如常規(guī)的鋼鐵冶煉工藝包括了“礦石預處理—高爐煉鐵—鐵水預處理—煉鋼（含精煉）—連鑄”等多個工序。該工序中礦石預處理與連鑄不屬于冶金工藝類技術問題，不用按照“生成相”與“相分離”展開介紹，對于高爐煉鐵等其它三個工序，則均有“生成相”與“相分離”兩大任務。對于高爐冶煉工序而言，“生成相”是鐵水，“相分離”主要是鐵水與氣相和爐渣相的分離。高爐冶煉工序首先要構(gòu)造“生成相”，圍繞“生成相”可詳細介紹在溫度，壓力，配料等各方面采取的工藝措施。同樣，圍繞相分離也可對大量操作工藝進行展開介紹。

成熟的成體系金屬冶煉工藝涉及知識點多，內(nèi)容很具體，授課時容易讓學生覺得雜亂無章。但不管多么復雜的知識體系都有一個從簡單到復雜，從發(fā)生、發(fā)展到成熟的過程。冶金工藝的開發(fā)過程一般可分為“工藝設想——實驗室試驗——產(chǎn)品生產(chǎn)”三個階段。“工藝設想”階段主要考慮原理上“生成相”與“相分離”的可行。由于原料與化學反應的復雜性，很難直接從理論出發(fā)設計最佳工藝參數(shù)，必須進行“實驗室試驗”，進一步確定該工藝的可行性并優(yōu)化工藝參數(shù)。“產(chǎn)品生產(chǎn)”則要進一步考慮各類因素的影響，尤其要結(jié)合冶煉設備提供的邊界條件進行具體傳質(zhì)、傳熱條件等對“生成相”與“相分離”兩大任務的影響。

3.3 圍繞“生成相”與“相分離”開展研究性新工藝設計

前兩個教學階段均以老師講述為主，本階段的教學則以學生為主，進行研究性教學。授課教師要熟悉成熟工藝之外的冶煉新工藝，盡管這些工藝仍停留在理論分析研究階段。本階段授課時不要直接介紹新工藝，而要進行引導性教學，讓學生參與交流討論自行得出結(jié)論。

以上三階段是問題導向下教學新模式的主要授課方式，在針對具體某門專業(yè)課的教學過程中，教師可靈活選擇安排課堂教學，只要整個授課思路能夠圍繞“生成相”與“相分離”兩大根本任務展開即可。

4 結(jié)語

冶金工藝專業(yè)課教學已有近100年的歷史，隨著冶金工藝研究的深入，其授課內(nèi)容一直在完善，但是其授課方法仍存在一些問題。本文圍繞冶金工藝的“生成相”與“相分離”兩大根本任務，提出了專業(yè)課的授課新模式，希望能給同行一些啟發(fā)和借鑒，提高我國冶金工藝專業(yè)課的授課水平，為我國冶金行業(yè)培養(yǎng)更多優(yōu)秀的冶金技術人才。

注釋

① 唐道文，王海峰.深化冶金工程專業(yè)教學改革的探索與思考.貴州工業(yè)大學學報（社會科學版），2000.2（3）：54-55.

② 盧惠民，薛慶國，王新華，楊小玉.關于21世紀冶金工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案的探索與實踐.中國冶金教育，2002（4）：14-17.

③ George C. Beakley， Donovan L. Evans， Deloss. Careers in Engineering and Technology， Macmillasn Publishing Co.， Inc.， 1979.