微信公眾平臺冶金工程實驗教學模式初探

韓麗輝， 于春梅

(北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083)

0 引 言

冶金工程是我校優(yōu)勢特色專業(yè)學科，包括鋼鐵冶金、有色金屬冶金和冶金物理化學3個專業(yè)。冶金工程實驗技術是針對冶金工程專業(yè)開設的專業(yè)必修課程，是一門獨立設課的實驗課，目前共包括16個實驗項目。冶金過程水模型是該課所包含的16個實驗項目之一，該實驗項目4學時，每次上課人數(shù)為10人左右，目前僅針對中間包進行水模型實驗。而在冶金生產中鋼包、中間包、結晶器是連鑄生產中的必須設備，一般通過水模型實驗來優(yōu)化設計其內部結構。以相似原理為基礎的冶金過程水模型實驗在冶金研究工作中得到廣泛的應用，也是冶金工程專業(yè)學生應該熟悉掌握的實驗方法之一。所以在冶金過程水模型實驗項目中應包含鋼包、中間包和結晶器的水模型實驗，由于時間有限，一次上課無法完成3個實驗項目，學生應該根據興趣點自主選擇一種設備的水模型實驗。

目前的實驗教學模式是學生進入實驗室后，在老師的指導下開始固定內容固定方案的實驗教學，學生沒有選擇性。這種實驗教學模式無論是在實驗內容還是實驗方案上學生都是被動的，學生課前不預習或預習效果差，課上缺乏積極性和主動性，更缺乏跟老師的溝通互動。在互聯(lián)網技術發(fā)達、手機微信廣泛應用的今天，這種教學模式顯然是落后的，不利于學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以及綜合素質的提高。結合北京科技大學“十三五”發(fā)展規(guī)劃中的人才培養(yǎng)目標“推進素質教育，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和實踐能力”，實驗教學模式需要與時俱進，亟待改革創(chuàng)新。通過冶金過程水模型實驗項目為例，借助手機微信公眾平臺，對自主選題、自行設計方案的實驗教學模式進行初步探索，取得了顯著的教學效果。

1 微信公眾平臺在高等教育中的應用

隨著互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，在線教育越來越受到人們的廣泛興趣，很多教育工作者開始探討在線課程的應用模式及各種混合式教學方法的優(yōu)點和缺點，推進教學方式的改革與創(chuàng)新[1]。MOOC、移 動 學 習 (M-learning)、混合學習(Blended learning)、翻轉課堂(Flipped classroom)等都是利用互聯(lián)網+技術將計算機信息媒介教學與面授教學相結合，學習者可以隨時隨地獲取所需知識的一種全新的學習模式[1-4]。這種將傳統(tǒng)學習方式和數(shù)字化或網絡化學習方式結合起來的教學模式，既能發(fā)揮教師引導、啟發(fā)、監(jiān)控教學過程的主導作用，又能充分體現(xiàn)學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。

大學生智能手機的普遍使用和良好的無線網絡(WiFi)和4G網絡信號，使得教育信息化也朝著移動端應用發(fā)展[4]。微信公眾平臺是騰訊公司于 2012 年 8 月推出的一項微信訂閱服務，可以進行一點對多點的信息推送平臺，通過這一平臺，任何個人和機構都可以打造一個微信公眾號，用以群發(fā)文字、圖片、語音、視頻、音樂消息5個類別的內容[5]。微信公眾平臺不僅可以在智能手機上使用，而且支持電腦端登錄，這樣既能保證信息的及時性，又能對信息進行管理與共享，從而實現(xiàn)一對多的交流與互動，具有操作便捷性、交流時效性、推送內容豐富性精準性等優(yōu)點[6]。目前的高校教學中存在課時少，學生多，師生溝通少，學生課前預習不充分等問題，微信公眾平臺的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新思路。文獻[6-8]中針對微信公眾平臺應用于高等教育領域進行了可行性研究，目前微信公眾平臺已應用于實驗室安全教育[9-10]、學生思想政治教育[11-12]、圖書館實驗室服務管理質量控制[10,13]，課堂教學實驗教學[14-20]等方面。在實驗教學中通過微信公眾平臺，實驗指導老師可以推送實驗操作視頻、實驗講義、設備使用說明、安全注意事項等，尤其對于選題研究型、設計型實驗項目，學生可以在微信平臺上選擇實驗項目、設計實驗方案、預設實驗問題、小組間評價及建議、實驗室預約等?？傊梦⑿殴娖脚_可以實現(xiàn)教學項目管理、師生及時互動、學生隨時學習、課程及時改進、課上有效率提高等教學功能。另外建立微信教學管理平臺相對簡單，不需要復雜的網絡編程技術和昂貴的開發(fā)費用，任何教師都可以擁有自己的微信教學管理平臺[19]，微信公眾平臺應用于高等教育領域已成必然趨勢。

2 實驗教學中存在的問題

冶金工程實驗技術是冶金工程專業(yè)一門獨立設課的實驗課，通過實驗課操作使學生掌握冶金工程專業(yè)各類科研設備測量儀表的使用方法及基本測量和研究方法，提高學生實際動手能力和分析解決問題的能力，并為本科畢業(yè)活動及將來參與科研活動奠定基礎。然而，由于實驗教學模式的傳統(tǒng)和僵化，使實驗教學中存在一些問題。

(1) 實驗課課堂學習和實踐學習部分脫節(jié)。該課有18學時的課堂講授和54學時的實驗室操作，課堂講授在大三第2學期完成，實驗室操作在大四第1學完成。由于時間間隔太長，當學生進入實驗室時把課堂所學的理論都忘了，實驗指導老師還要重新講實驗原理，這樣就減少了學生的操作時間，降低課堂有效利用率，不利于實驗室操作項目的順利完成。

(2) 實驗時間和實驗項目沒有選擇性，學生被動接受安排。該課共包含16個實驗項目，分為演示實驗、綜合性實驗和設計性實驗，演示實驗2學時，綜合性設計性實驗4學時。課程的安排是由負責實驗教學的老師排好課表，學生在指定時間到指定地點做指定的實驗項目，所有實驗項目由實驗中心的不同老師分別指導完成。這種被動的學習方式，使學生在實驗項目的選擇上毫無自主選擇權，當然在課堂上就會毫無熱情，注意力不集中，目標任務不明確，甚至有的同學進入一個實驗室根本不知道要做什么實驗。

(3) 課前預習不充分或者根本不預習。目前大部分學生不進行課前預習，有的同學即使預習了也是照著實驗講義抄一份預習報告，不會對實驗項目的原理和方法進行深度思考，更不會預先設置一些問題以備實驗課來解決。由于學生沒有充分預習，老師講解實驗時，學生不理解或很難跟上思路，經常是老師提出問題時學生一臉茫然；另外由于預習不充分，對設備缺乏感性認識，學生在使用設備時經常忘記使用注意事項，手忙腳亂，甚至損壞設備。

(4) 小組合作中個別同學缺乏主動參與。在實驗操作課之前班長將同學分成3個小組，一次上課一個小組，多數(shù)實驗項目為4學時。進入實驗室后，一個小組同學共同完成一個實驗項目，這樣有的同學總是站在后面，不積極參與，甚至還偷偷玩手機，不僅浪費了自身學習實踐的機會，還對課堂氣氛造成很壞的影響。

(5) 實驗項目單一，對于優(yōu)秀學生存在“吃不飽”現(xiàn)象。一般實驗課時的設計是針對多數(shù)同學設計的，但是對于預習充分、動手能力強的優(yōu)秀學生，他們可以在短時間內完成實驗項目，處理好實驗數(shù)據。如果能夠提供其他實驗題目，充分利用同一實驗室內的實驗條件，給學生更多主動發(fā)揮的空間。比如現(xiàn)在的冶金過程水模型實驗項目，僅對中間包做水模型實驗，應該讓學有余力的學生再做鋼包或結晶器水模型實驗。給學生提供充分發(fā)揮個人能力的空間，為培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新素質的高水平人才奠定基礎。

微信公眾平臺的廣泛使用，為解決上述實驗教學中出現(xiàn)的問題提供了新思路。以冶金過程水模型實驗課為例建立微信公眾平臺，實驗指導老師發(fā)布實驗相關內容及安全注意事項等信息，學生掃描二維碼或者關注該維修公眾號，從鋼包、中間包、結晶器3種水模型實驗項目中選擇至少一個自己感興趣實驗項目進行準備。借助微信公眾平臺做到自主選題、自動分組、自主評價、師生及時互動、教學效果不斷改善，從而建立課前自主選題、課上充分實踐的實驗教學新模式。

3 冶金過程水模型實驗

水模型實驗是一種物理模擬實驗[21]，以相似原理為基礎，用水來模擬鋼液，用有機玻璃模型模擬設備，包括測量儀表、數(shù)據采集儀、計算機、水泵、流量計等，通過控制實驗參數(shù)來保證相關的相似準數(shù)相等。圖1所示為連鑄生產過程，精煉好的鋼水經鋼包澆注到中間包，中間包再由水口將鋼水分配到各個結晶器內，在結晶器內鋼液凝固結晶，拉矯機與結晶器振動裝置共同作用將鑄件拉出。連鑄過程中精煉設備、中間包、結晶器等設備的內部結構和工藝參數(shù)對鑄坯質量有著非常重要的影響，所以通過水模型實驗來定性分析問題、找出某種規(guī)律、優(yōu)化參數(shù)設定、改進冶金設備結構等已廣泛應用到相關的科研工作中。

圖1 連鑄生產過程示意圖

3.1 鋼包水模型實驗

鋼包水模型實驗可針對轉爐、CAS、VOD、LF、RH等爐外精煉設備進行水模型實驗，一般優(yōu)化最佳噴吹位置、合金元素加入位置、及臨界卷渣吹氣量。實驗中主要測量不同噴吹位置、不同吹氣量下的混勻時間，測量儀表為電導率儀，實驗設備除了前面提到的以外，還用到氣瓶或壓縮機，圖2所示為鋼包水模型實驗示意圖。學生可以自己設計吹氣量和噴吹位置，并將不同方案測得的數(shù)據結果進行對比，分析哪種方案的攪拌效果更有利于鋼液溫度、成分快速均勻。

圖2 鋼包水模型實驗裝置

3.2 中間包水模型實驗

中間包水模型實驗主要是優(yōu)化中間包內部的控流裝置，調整鋼液流動狀態(tài)，延長鋼液在中間包內的平均停留時間，使夾雜物有充分的時間上浮，從而達到均勻溫度和促進非金屬夾雜物上浮的效果，進而提高鑄坯的質量。實驗中采用“刺激—響應”的方法測得中間包不同控流裝置條件下水的停留時間分布(Residence Time Distribution, RTD)曲線，并用有色試劑做示蹤劑觀察鋼液的流動狀態(tài)。測量儀表為電導率儀，實驗裝置示意圖如圖3所示。學生通過移動擋墻、擋垻的位置設計2種實驗方案，對2個實驗方案的實驗數(shù)據進行計算處理，分析哪種方案的控流裝置有利于鋼中非金屬夾雜物的上浮，有利于成分、溫度均勻。

3.3 結晶器水模型實驗

結晶器液面波動加劇，容易產生表面卷渣，造成鑄坯質量惡化，因此研究結晶器內液面的波動情況以及如何控制液面波動，對于生產高表面質量的板坯具有重要意義。拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口吹氣量以及結晶器寬度的變化等都會影響結晶器內液面波動，需要通過水模型實驗對上述參數(shù)進行優(yōu)化。實驗過程用到的測量儀表為波高儀、表面流速測定儀，實驗裝置示意圖見圖4。學生可以針對某一個工藝參數(shù)設計不同的方案進行水模型實驗，分析不同參數(shù)對結晶器液面波動的影響權重。

圖3 中間包水模型實驗裝置示意圖

圖4 結晶器水模型實驗裝置示意圖

4 冶金過程水模型實驗微信公眾平臺

任何個人或單位都可以申請微信公眾號，申請者只需提供地址、姓名、聯(lián)系手機、身份證信息等，并且同意和遵守相關“服務協(xié)議”，對自己申請的微信公眾號負法律責任。微信公眾號不同于微信企業(yè)號，前者一般適于普通個人，而后者適用于企業(yè)或組織機構；前者任何人都可以關注，后者對特定的人群開放；前者在固定的畫面結構中推送內容，而后者還可以開發(fā)第三方應用?？紤]到微信公眾號的簡單方便，又能滿足要求，文中建立的“冶金過程水模型實驗”為微信公眾號，不是微信企業(yè)號。學生只需掃描該公眾號二維碼或者添加關注，該微信公眾號便出現(xiàn)在個人的微信訂閱號中，便可隨時隨地查看平臺信息，與實驗指導老師溝通互動。

4.1 平臺架構和內容

微信公眾號自定義主菜單最多包括3項，子菜單項目不限，素材分為圖文、視頻、音頻、投票等，24 h內公開發(fā)布最多1次。了解微信公眾號使用的基本原則后，將要發(fā)布的信息整理好放到平臺上。一般的實驗項目都包含實驗原理、方法、裝置、內容、步驟、數(shù)據、結果分析等，實驗教學微信公眾平臺不僅包括上述內容，而且信息更加豐富，并以更立體更邏輯的方式展現(xiàn)出來，具有界面操作簡單，內容易懂的特點?！耙苯疬^程水模型實驗”微信公眾平臺架構如圖5所示，以能夠方便自主選題為核心，主要向學生介紹鋼包、中間包、結晶器3個水模型實驗項目， 每個實驗項目包括實驗視頻、原理、裝置、步驟、數(shù)據處理等子菜單。為了學生選擇實驗項目時一目了然，故在微信平臺結構中將3個實驗項目做成主界面的第一個菜單，外加“實驗設備”和“實驗安排”菜單。實驗設備主要介紹該實驗室主要設備的使用說明，實驗安排中包括學生選擇實驗項目的情況、學生上課意向時間、實驗指導老師課程安排時間、學生問卷調查、課程評價及建議等。

圖5 “冶金過程水模型實驗”微信公眾平臺架構

圖6所示為冶金過程水模型實驗微信公眾平臺界面截圖，平臺發(fā)布的內容比實驗指導書更感性更全面，實現(xiàn)信息開放共享，建立了一個真正的移動學習平臺。首先實驗操作視頻的推送，使學生課前就對實驗有明確的認識，而不是通過想象來認識實驗過程；實驗原理通過圖文方式發(fā)布，盡管水模型實驗的原理均為相似原理，但各個實驗項目側重的相似準數(shù)有所不同，所以在各個實驗項目中分別介紹了實驗原理；實驗裝置中介紹了實驗臺的組成，測量儀器的原理、使用方法和注意事項，圖文并茂，簡單明了；實驗步驟中詳細介紹了完成實驗的具體步驟，誤操作后的實驗現(xiàn)象及處理措施，比如中間包水模型實驗中出口流量輸入錯誤導致中間包內水位上漲該如何處理；數(shù)據處理介紹得到實驗數(shù)據后計算哪些評價指標，如何計算以及如何評價。通過“冶金過程水模型實驗”微信公眾平臺中的內容介紹，學生事先選擇好自己感興趣的實驗項目，查閱相關文獻了解該方向的科研工作，設計實驗方案，并通過“實驗安排”菜單與指導老師溝通確定實驗時間，進入實驗室后，通過平臺中實驗儀器設備的使用方法和實驗步驟的介紹，學生根據自己設計的實驗方案，就能夠主動有序地高質量完成實驗內容。這樣的實驗活動不僅鍛煉了學生的動手能力、項目執(zhí)行能力，還有利于培養(yǎng)學生科研素質。

圖6 “冶金過程水模型實驗”微信公眾平臺界面截圖

4.2 平臺應用實例

平臺初步建好后首先應用于冶金工程專業(yè)本科2014級一個班，根據實際使用情況逐步完善。開課前1周讓學生關注平臺二維碼，進行實驗項目選擇、預習以及查閱相關文獻，實驗指導老師通過平臺了解學生的選題人數(shù)和上課時間，進行課前實驗準備。從實驗課教學效果看，這種基于微信公眾平臺進行自主選題的實驗教學模式相比具有以下優(yōu)點：

(1) 拓展實驗題目，學生主動性增強。原來水模型實驗室只有中間包水模型實驗臺用于本科教學，鋼包和結晶器實驗臺主要用于研究生的科研工作。本科生進入實驗室后大家都做中間包水模型實驗，盡管分成2個小組實驗方案不同，但是都是被動的接受實驗內容，在老師的帶領下進行實驗操作，對老師依賴性強，思考少，動手能力差，實驗課缺少生機和活力。現(xiàn)在本科生實驗項目由1個擴展到3個，而且實驗難易程度相差不大，通過微信平臺學生選擇自己感興趣的實驗項目，課前針對難點和問題跟老師進行了有效溝通，查閱文獻對該實驗項目充分了解。實驗課上學生的主動性大大增強，進入實驗室后主動找到自己的實驗臺，根據預先小組討論的實驗方案，開始有條不紊的實驗操作，最后處理實驗數(shù)據，撰寫實驗報告，從頭至尾學生都成為實驗室的主角，老師成為配角，課堂上一片生機、緊張有序，如圖7所示。

圖7 學生自主選題后的上課情景

(2) 課前預習充分，實驗項目高質量完成。原來雖然學生在上課之前手中已有實驗指導書，但是多數(shù)學生課前不預習或預習不充分，甚至上課時有的學生空手而來?，F(xiàn)在通過微信平臺選擇實驗題目后，學生可以隨時隨地反復觀看實驗操作視頻及閱讀實驗步驟，了解實驗操作，銘記于心，不受時間和空間的限制而進行充分的移動預習。另外通過對實驗設備原理、使用方法及注意事項的介紹，學生在實驗過程中避免了錯誤使用，大大提高了實驗效率，并減小了實驗誤差，原來一個實驗方案要做3次實驗，現(xiàn)在只需做2次就可以了，節(jié)省的實驗時間還可以選做其他的實驗項目。

(3) 選題相同而結組，培養(yǎng)團隊合作意識。傳統(tǒng)的上課模式是一個班分成3組，每次上課1個組，為了使同學都參與實驗中來，老師會給學生進行分工，大家共同完成一次實驗。現(xiàn)在通過微信平臺選題后，每個小組內題目相同的同學自動結成組內組，他們自己課前商量實驗方案，自己進行課前工作分工，實驗課上按照事先分工進行實驗操作，一起討論實驗中遇到的問題，共同商定解決方案，共同進行實驗數(shù)據分析，大家齊心協(xié)力完成所選擇的實驗項目。這種工作模式大大提高了工作效率，而且培養(yǎng)了學生團隊合作意識。

(4) 微信預約，實驗課安排自由度大?！耙苯鸸こ虒嶒灱夹g”是冶金工程專業(yè)大四年級的必修課，每個班分成3個組進行14個實驗項目，經常是同一時間不同小組進行不同的實驗項目。而14個實驗項目每個有1個指導老師，這樣一來老師的時間多學生的時間少?！耙苯疬^程水模型”實驗通過微信平臺進行實驗安排后，老師在平臺上發(fā)布自己的可預約時間，供組內組學生預約，學生不必拘泥于固定的安排好的上課時間完成實驗項目。這種預約模式使學生可以駕馭自己的學習時間，實驗室真正做到開放共享。

5 結 語

冶金過程水模型實驗微信公眾平臺的建立是移動通信信息化技術與實驗教學的完美結合，是對傳統(tǒng)實驗教學模式改革的有效工具，實現(xiàn)了教學資源信息化及開放共享，建立了真正的移動學習平臺。借助于該平臺進行自主選題的實驗教學模式能夠拓展實驗題目，調動學生對實驗課的熱情和主動性，鍛煉學生的動手能力、分析問題解決問題的能力，增強學生的團隊精神和合作意識，有利于學生綜合能力及創(chuàng)新素質的培養(yǎng)。