冶金物理化學(xué)課程教學(xué)改革與探索

伍凌 鐘勝奎

摘 要 “冶金物理化學(xué)”是冶金工程本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它對于培養(yǎng)具有扎實理論基礎(chǔ)、優(yōu)秀創(chuàng)新能力和良好工程實踐能力的優(yōu)秀冶金專業(yè)人才具有至關(guān)重要的意義。然而，該課程具有內(nèi)容繁雜、理論性強、抽象難懂等特點。本文提出結(jié)合多種教學(xué)手段，通過理論與實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)興趣，從而提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 冶金物理化學(xué) 教學(xué)改革 創(chuàng)新方法

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.10.056

Abstract Metallurgical physical chemistry is a basic course of metallurgical engineering undergraduate major. It is of vital significance to cultivate excellent metallurgical professionals with solid theoretical basis， excellent innovation ability and good engineering practice ability. However， this course has the characteristics of multifarious， abstract content， and strong theory. To improve the teaching effects， this paper proposes to use various teaching methods with the combination of theory and practice， which also can stimulate students' innovative thinking and learning interest.

Keywords Metallurgical physical and chemistry; Teaching reform; Innovative methods

“冶金物理化學(xué)”是利用物理化學(xué)的理論和方法來研究金屬冶煉及材料制備過程中的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化的一門課程，是冶金學(xué)科的理論基礎(chǔ)。該課程作為冶金工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決冶金過程問題的能力，對于后續(xù)學(xué)習(xí)“鋼鐵冶金學(xué)”、“有色金屬冶金學(xué)”等專業(yè)課程至關(guān)重要。[1-3]然而，冶金物理化學(xué)課程囊括無機化學(xué)、物理化學(xué)及冶金過程等諸多方面的知識與理論，其內(nèi)容繁雜、概念多、理論性強、公式推導(dǎo)復(fù)雜，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時容易產(chǎn)生畏懼和厭倦情緒，從而難以系統(tǒng)掌握冶金物理化學(xué)相關(guān)知識，并嚴(yán)重影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。[4-7]因此，探索適合于該課程的教學(xué)方式與方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，提升學(xué)習(xí)效果，從而夯實其專業(yè)知識和理論基礎(chǔ)是深化冶金物理化學(xué)課程教學(xué)改革的關(guān)鍵。

1 基礎(chǔ)理論與日常生活相結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

由于冶金物理化學(xué)是結(jié)合數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多學(xué)科理論來解決冶金過程中的若干問題，其理論性強，抽象難懂。因此，如何提升課程的樂趣性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是冶金物理化學(xué)課程改革的首要任務(wù)。通過多年教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)將基礎(chǔ)理論與日常生活事例相結(jié)合不僅可以極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以促進(jìn)學(xué)生對知識點的理解，能顯著提高學(xué)習(xí)效果。譬如，講解熵增原理時，在密閉房間中噴香水，房間中的分子會自發(fā)地越來越混亂，這種現(xiàn)象稱為熵增;若想房間中的分子排列整齊，必須對其做功，這樣使得學(xué)生更容易理解。

2 將科研引入基礎(chǔ)理論教學(xué)，激發(fā)科技創(chuàng)新意識

在講授基礎(chǔ)理論時引入科技前沿和教師科研工作，結(jié)合知識點給學(xué)生介紹相關(guān)科研成果。如講解熱力學(xué)中的氧勢圖時，位于氧勢圖上方（氧勢高）的氧化物越容易被還原，位于氧勢圖下方（氧勢低）的氧化物越穩(wěn)定。筆者引入本實驗室制備納米氧化鈷和氧化鎂的實例，氧勢高的氧化鈷與碳混合后在隋性氣氛中容易被還原成金屬鈷，而氧勢低的氧化鎂則很難被還原，這不僅可以加深學(xué)生對知識點的理解，同時還讓他們知道相關(guān)理論的重要作用。又如講解動力學(xué)中機械活化對礦物浸出速率的影響時，結(jié)合實驗室機械活化對浸出鈦鐵礦的研究成果，給學(xué)生介紹機械活化是如何影響鈦鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、粒度和形貌、活化能，從而影響鈦鐵礦的浸出速率和浸出率。通過這些科研實例，讓學(xué)生意識到學(xué)習(xí)冶金物理化學(xué)課程基礎(chǔ)理論的重要性，這不僅有利于同學(xué)們消化知識點，而且可以激發(fā)其科技創(chuàng)新意識，從而變被動為主動地去學(xué)習(xí)。

3 基礎(chǔ)理論與冶金生產(chǎn)實踐相結(jié)合

冶金物理化學(xué)是冶金工程本科專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，因此，我們在講授基礎(chǔ)理論知識的同時，還需適當(dāng)介紹一些冶金專業(yè)知識，讓學(xué)生對冶金專業(yè)和冶金過程有一定的了解。如講授還原熔煉的原理時，給學(xué)生介紹鐵礦石的還原熔煉過程以及煉鐵設(shè)備——高爐，讓他們思考如何用還原熔煉的原理去解釋鐵礦石的還原過程;此外，還可簡要介紹銅、鉛等有色金屬的還原過程及冶煉設(shè)備等。在講解氧化精煉時，介紹鐵水的氧化精煉過程以及煉鋼設(shè)備——轉(zhuǎn)爐，讓學(xué)生思考如何用氧化精煉的原理解釋鐵水冶煉成鋼的過程;此外，還可簡要介紹銅、鉛、鋅等有色金屬的氧化精煉過程及設(shè)備等。

為了進(jìn)一步讓學(xué)生了解冶金物理化學(xué)基礎(chǔ)理論對冶金過程的作用，本學(xué)院在冶金物理化學(xué)課程期間組織學(xué)生去沙鋼參觀學(xué)習(xí)一天，主要參觀高爐、轉(zhuǎn)爐等大型冶煉設(shè)備，讓學(xué)生對冶金企業(yè)有一定的了解。此外，本學(xué)院還配置了鋼鐵仿真實訓(xùn)系統(tǒng)和鋼鐵生產(chǎn)實操訓(xùn)練模型，包含了選礦、煉鐵、煉鋼、軋鋼等全套鋼鐵冶煉流程，因此在講授重要知識點時還可以利用仿真系統(tǒng)給學(xué)生演示相關(guān)冶金過程，有利于加深學(xué)生對知識點的理解。待學(xué)生后續(xù)完成鋼鐵冶金等專業(yè)課程后，他們還將親自上機模擬實訓(xùn)，從而進(jìn)一步鞏固專業(yè)知識和培養(yǎng)工程實踐能力。

4 重點突出，融會貫通，促進(jìn)理解

冶金物理化學(xué)包含的內(nèi)容很多，如冶金熱力學(xué)基礎(chǔ)、金屬熔體、冶金熔渣、化合物的生成與分解、還原熔煉、氧化精煉、冶金動力學(xué)基礎(chǔ)等，且每一章都包含很多知識點，這些知識點全部講解需要花費大量的時間，實際課時數(shù)根本不夠。因此，我們必須把握每一章節(jié)的重點和難點，如二元相圖和三元相圖、氧勢圖、氧化物的生成-分解反應(yīng)的勢力學(xué)原理、還原熔煉的基本原理、氧化精煉的基本原理、冶金動力學(xué)基礎(chǔ)、氣固反應(yīng)的未反應(yīng)核模型等，一定要讓學(xué)生熟練掌握這些重要知識點。不僅要重點突出，還要將各知識點融會貫通，使學(xué)生容易理解。各章節(jié)的內(nèi)容有很多都是相互關(guān)聯(lián)的，如氧勢圖的相關(guān)理論與還原熔煉及氧化精煉的知識點相互關(guān)聯(lián)，氧化精煉與金屬熔體及冶金熔渣的知識點相互關(guān)聯(lián)，冶金熱力學(xué)與冶金動力學(xué)也相互關(guān)聯(lián)。因此，在講課時需要將前后章節(jié)的知識融會貫通，形成一條條主線，將新舊知識點結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對知識點的理解和鞏固。

5 互動式、啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

采用互動式、啟發(fā)式教學(xué)法。針對某些知識點，可以先提出問題讓學(xué)生思考，讓其帶著問題去學(xué)習(xí)，然后通過對相關(guān)知識點的進(jìn)一步了解，相互討論或獨立思考地去解決問題。譬如講解氧勢圖時，首先可以提出若干問題：（1）為何圖中大多數(shù)氧勢線斜率為正，只有2C+O2=2CO反應(yīng)的斜率為負(fù)？（2）某些氧勢線的斜率在一定溫度時為何出現(xiàn)拐點？（3）氧勢低的氧化物容易被還原還是氧勢高的氧化物容易被還原？……讓學(xué)生帶著這些問題去學(xué)習(xí)。出于對問題的疑惑，學(xué)生在聽課過程中會認(rèn)真思考，一旦講到相關(guān)知識點，就會自發(fā)有針對性地去解析相關(guān)問題，如果不懂再向老師提問，相互討論解決問題。如果把上述問題都弄懂了，氧勢圖的主要知識點也就自然掌握了。因此，互動式、啟發(fā)式教學(xué)方法對于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和提升學(xué)習(xí)效果有著重要的作用。

6 合理利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)平臺

冶金物理化學(xué)內(nèi)容繁雜，知識點多，對于不同的教學(xué)內(nèi)容宜采用不同的教學(xué)手段。如對于公式的推導(dǎo)宜采用板書，因為板書具有實時性，學(xué)生容易跟隨老師的思路來推導(dǎo)公式和建立模型。而對于相圖、氧勢圖、電位-pH圖等則不宜采用板書，因為板書畫圖會花費大量時間，并且難以保證圖形的精確性和美觀度。而多媒體教學(xué)則可以起到事半功倍的效果，如PPT可以采用不同的顏色顯示圖形，重點突出，還可以采用Flash演示動畫，模擬某些冶金物理化學(xué)過程，如金屬熔體冷卻過程中液相和固相成分的變化等等。又如講解鐵礦石氣固還原反應(yīng)模型時也適合采用多媒體，首先建立一個鐵礦石未反應(yīng)核模型，然后通過Flash等軟件逐步演示反應(yīng)物CO外擴散、CO內(nèi)擴散、界面化學(xué)反應(yīng)、生成物CO2內(nèi)擴散及外擴散過程，讓學(xué)生對鐵礦石-CO的氣固反應(yīng)過程一目了然，降低學(xué)習(xí)難度，從而加深對知識點的理解。此外，為了方便同學(xué)們課后學(xué)習(xí)，蘇州大學(xué)建設(shè)了完備的網(wǎng)絡(luò)視頻課程平臺，冶金物理化學(xué)已完成全部課程的錄制，對于課堂上尚未完全聽懂的同學(xué)，還可以在課后登錄網(wǎng)絡(luò)視頻課程平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，鞏固重點和難點。

7 精講典型習(xí)題，及時鞏固知識點

冶金物理化學(xué)理論性較強，不少知識點抽象難懂，有些學(xué)生聽課時似懂非懂，也有學(xué)生雖然在上課時聽懂了，但課后自己解題時又不會了。上述現(xiàn)象是由于學(xué)生沒有從根本上熟練掌握相關(guān)知識點造成的。因此，及時布置課后習(xí)題，精講典型例題就顯得尤為重要。布置的課后習(xí)題不僅要覆蓋主要知識點，而且要重點突出，題量不宜過多，要勤于批改作業(yè)，督促學(xué)生及時完成習(xí)題，避免作業(yè)流于形式。另一方面，在講解習(xí)題時一定要精選典型例題，特別是對于涵蓋重要知識點且學(xué)生容易做錯的題目要重點講解。此外，要擯棄全程教師一人講解的模式，講解習(xí)題的方式要多種多樣、靈活多變，可以結(jié)合提問、小組競賽的形式，對于大家對答案有分歧的題目還可以采取辯論的形式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而鞏固學(xué)習(xí)效果。

8 結(jié)語

冶金物理化學(xué)是冶金工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，改進(jìn)改學(xué)方法、提升教學(xué)效果對于培養(yǎng)擁有扎實理論基礎(chǔ)、優(yōu)秀創(chuàng)新能力和良好工程實踐能力的冶金類專業(yè)人才有著十分重要的意義。對于冶金物理化學(xué)課程的教學(xué)改革一直在路上，如何將其建設(shè)成深受學(xué)生喜愛的專業(yè)基礎(chǔ)課程一直是廣大冶金工程專業(yè)教師們努力的方向。我們將與時俱進(jìn)，不斷探索新的教學(xué)方法，為建設(shè)一門有利于培養(yǎng)優(yōu)秀冶金專業(yè)人才的冶金物理化學(xué)課程而繼續(xù)努力奮斗。

*通訊作者：伍凌

參考文獻(xiàn)

[1] 李鴻乂，謝兵.冶金物理化學(xué)教學(xué)改革探討[J].廣東化工，2015 （15）：233-234.

[2] 郭敏，張梅，王福明.在冶金物理化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力[J].中國冶金教育，2010（1）：10-12.

[3] 陳燕彬.論冶金物理化學(xué)課程教學(xué)改革的必要性[J].教育現(xiàn)代化，2017 （51）：66-67.

[4] 鄧庚鳳，鄧華軍，肖燕飛，等.案例教學(xué)法在冶金工程專業(yè)物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國冶金教育，2018（1）：50-51.

[5] 張榮良，楊志彬，焦麗娜，等.冶金工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)與冶金物理化學(xué)教學(xué)實踐[J].中國冶金教育，2014（6）：1-4.

[6] 權(quán)變利.冶金物理化學(xué)教學(xué)改革中的創(chuàng)新點[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014（28）：168.

[7] 張生芹，任正德，鄧能運，等.《冶金物理化學(xué)》開放式實驗教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)院（社會科學(xué)版），2012 （4）：183-184.