熱動力學軟件在冶金工程專業(yè)實驗教學中的應用

周進東 李志強 王煒 金焱 余岳

摘 要：文章簡要闡述了武漢科技大學冶金專業(yè)實驗教學的內容及存在的問題，介紹了熱動力學軟件在整個冶金流程中的應用，探討了熱動力學軟件在冶金工程專業(yè)實驗教學中的重要性，并對“虛實”結合的實驗教學過程進行了初步設計。

關鍵詞：熱動力學軟件；冶金工程；實驗教學；“虛實”結合

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）04-0070-03

Abstract： This paper briefly expounds the contents and problems of metallurgical experiment teaching in Wuhan University of Science and Technology， introduces the application of thermal and kinetic software in the whole metallurgical process， and discusses the importance of thermal and kinetic software in metallurgical engineering experiment teaching， and experimental teaching process of the combination "virtual-reality" is preliminarily designed.

Keywords： thermal and kinetic software； Metallurgical Engineering； experimental teaching； combination of "virtual- reality"

冶金工程專業(yè)是典型具有工程背景的專業(yè)，掌握扎實的工程技術能力和職業(yè)技能是企業(yè)所強烈要求的。實驗教學是冶金工程專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)和本科教學中最重要的實踐教學環(huán)節(jié)。通過實驗教學，加深學生對所學理論知識的理解，了解和學習先進的實驗方法和技巧，提高學生的實踐動手能力，分析和解決問題的能力，在創(chuàng)新性人才培養(yǎng)中起著不可替代的作用。

在工程教育專業(yè)認證制度背景下要求冶金工程專業(yè)本科生在畢業(yè)時，應具備“選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對冶金反應過程的預測與模擬，并能夠理解其局限性” 的能力。為此，武漢科技大學在教學上開設了《計算機冶金學基礎》和《計算機冶金實訓》等課程，讓學生了解了熱動力學軟件的實用性，沒有結合實際問題進行應用，缺乏實際應用和解決實際問題的能力。而傳統的冶金實驗教學過程中也存在諸多問題，如果能將實驗室實驗和熱動力學軟件進行結合，利用各自的優(yōu)點，尋找一種既能使學生能夠接觸新的現代工程工具，又能培養(yǎng)學生解決實際問題的能力的實驗教學方式，是當前實驗教學達到培養(yǎng)冶金人才的目標所必需的。

因此，本文針對武漢科技大學冶金工程專業(yè)傳統實驗教學過程中存在的問題，將當前成熟的熱動力學軟件引用到冶金工程專業(yè)實驗教學中，并對 “虛實”結合的實驗教學過程進行了初步設計。

一、傳統實驗教學內容及存在的問題

武漢科技大學冶金工程專業(yè)實驗包括冶金基礎實驗和冶金實驗兩部分。冶金基礎實驗包括傳輸原理實驗和冶金原理實驗。主要針對《冶金傳輸原理》和《鋼鐵冶金原理》兩門必修課程的相關內容，安排相應的實驗。其目的是通過相關實驗，理論聯系實際，加深學生對該門課程某章節(jié)或某個知識點的理解，同時使學生獲得對冶金過程的感性知識，了解和掌握各種實驗方法，激發(fā)學生的學習興趣。冶金實驗包括：燒結、煉鐵綜合實驗、低溫還原粉化、煉鋼及鋼品質檢測綜合實驗、轉爐水力學模型、電磁攪拌冷模擬、鋼坯冷酸洗等。主要針對鋼鐵生產流程各個工序的原料優(yōu)化、操作條件、產品質量檢測等開展相應實驗，其目的是進一步加強學生對冶金專業(yè)的認識，掌握相應的實驗方法和手段對冶金過程進行優(yōu)化，促使學生達到企業(yè)和社會的要求，提高從業(yè)競爭力，勝任冶金及相關領域的生產、設計、組織和管理等專門技術工作。

在傳統實驗教學過程中主要存在著以下問題：

1. 冶金實驗教學以“傳授式”為主，即授課教師準備好實驗原料和設備，簡單介紹實驗原理、操作步驟及注意事項，學生只需“依葫蘆畫瓢”完成實驗，獲得實驗結果，然后完成實驗報告，學生完全處于被動接受狀態(tài)，積極性和主動性不高。

2. 傳統冶金實驗大部分屬于高溫實驗，還有一些實驗在還原氣氛中進行，需要通入CO或H2等氣體，有一定的危險性。此外，實驗設備龐大、價格昂貴、臺數有限，且實驗等待時間長。因此，實驗只能以小組為單位進行，難以滿足每個學生親自操作，從而導致大多高溫實驗成了走馬觀花式的演示性實驗，嚴重影響了學生對實驗課程的學習興趣。

3. 我校冶金工程專業(yè)本科學生每屆人數在100人左右，而專職實驗室教師只有3人（2人實驗師，助理實驗師1人），實驗教學教師隊伍建設滯后。限于教師人數和實驗設備數量，采取小班和小組制，教師不可能照顧到每個學生，難免有學生偷懶的情況。

二、熱動力學軟件在實驗教學中的應用及重要性

針對以上傳統實驗教學存在的問題，武漢科技大學嘗試在傳統實驗教學的基礎上，將當前較為流行的熱動力學軟件：FactSage熱力學軟件和ANSYS Fluent流體動力學軟件，引入到冶金實驗教學中。

當前，熱動力學軟件FactSage軟件和ANSYS Fluent軟件已在高爐冶煉[1-3]、鐵水預處理[4-6]、煉鋼[7]、連鑄[8]、有色金屬冶煉及鋼種開發(fā)[9]等方面的科學研究中得到了廣泛應用，基本覆蓋了整個鋼鐵生產流程，滿足冶金工程實驗教學的要求和目的。

將熱動力學軟件引入冶金專業(yè)實驗教學可發(fā)揮以下作用：

1. 冶金專業(yè)實驗教學是學生探索科學實驗方法和進行基本技能訓練的重要教學環(huán)節(jié)，當前單一利用實驗室設備進行教學，內容范圍窄，單次演示實驗不能激發(fā)學生的科研興趣，將較為成熟的熱動力學軟件引入實驗教學中，可幫助學生對某一冶金復雜問題進行深入研究和學習；利用熱動力學模擬優(yōu)化的結果，設計出合理的實驗方案，然后利用實驗室設備進行相關的實驗，對模擬優(yōu)化結果進行驗證，從以“傳授式”為主的教學模式，轉變?yōu)閷W生“自主”實驗的教學模式，鍛煉和培養(yǎng)學生的科學實驗能力和動手能力。

2. FactSage熱力學軟件和ANSYS Fluent動力學軟件在冶金流程中應用廣泛，基本涉及所有工序高爐煉鐵-鐵水預處理-煉鋼-連鑄，以及有色金屬和鋼種開發(fā)，滿足實驗教學的要求和目的。本科實驗教學中應用熱動力學軟件，并與當前實驗室高溫模擬實驗或冷模擬實驗相結合，不僅能激發(fā)了學生實驗操作積極性和興趣，還能拓寬學生的知識面和科學的研究方法，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和獨立分析問題、解決問題的能力。學生在“開放環(huán)境”中輕松完成模擬優(yōu)化實驗，實驗教師毋需擔心實驗的危險性、實驗臺數不夠以及實驗成本等問題。學生在實驗模擬優(yōu)化過程中，還可加深學生對所學理論知識的理解，掌握科學地研究方法，提高學習的積極性，并為以后從事相關科研工作打下堅實的基礎。

三、“虛實”結合實驗教學過程設計

傳統實驗教學過程主要以教師為中心，從實驗原料的準備到實驗的設計及實施都是以教師為主，學生由于人數多，存在少數人偷懶或不動手的情況，整個實驗“走馬觀花”，實驗后的報告也是千篇一律，甚至相互抄襲，沒有達到實驗的教學目的。將成熟的熱動力學軟件引入到實驗教學中，如何提高學生的實驗積極性和動手能力，如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和分析與解決問題的能力，就需要設計一種“以學生為中心、以能力輸出為導向”的新型實驗教學模式，如圖1所示。

1. 教師結合現有的實驗設備與熱動力學軟件擬定實驗題目，題目數為學生總人數的1/3～1/2，即2～3人為1組，分派1個實驗題目。

2. 學生自由組合，自主選取教師所擬題目中的1個題目，推選1個組長，由組長分派每個成員的任務，進行分工協作，發(fā)揮個人和團隊精神。

3. 根據選取的實驗題目，小組成員一起查閱國內外有關文獻，總結研究現狀，設計實驗方案。

4. 利用熱（動）力學軟件按實驗方案進行計算，對計算結果分析得到最佳實驗方案。

5. 在實驗室有關設備上對最佳實驗方案進行實驗，驗證計算結果。

6. 撰寫實驗報告，其內容包括文獻綜述、實驗方案設計、熱（動）力學軟件計算過程及結果分析、實驗室驗證實驗過程及結果。

7. 為了擴大學生的知識面，了解各種實驗設備和研究方法，讓每組制作PPT課件，進行交流討論，加深學生的科研興趣。

通過新型實驗教學模式，不僅是為了讓學生了解冶金實驗設備和操作，而是通過實驗教學讓學生了解什么是“科學研究”，鍛煉學生獨立思考的能力和動手能力，同時，在實驗過程中，培養(yǎng)學生的閱讀能力、分析問提和解決問題的能力、能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究的能力、能夠利用現代工具解決復雜工程問題的能力、能夠協調個體和團隊關系的能力以及能夠與同行進行有效溝通和交流的能力。

四、結束語

冶金專業(yè)實驗教學是學生探索科學實驗方法和進行基本技能訓練的重要教學環(huán)節(jié)，當前單一利用實驗室設備進行教學，內容范圍窄，單次演示實驗很難激發(fā)學生的科研興趣，在傳統實驗教學的基礎上引入成熟的熱動力學軟件，不僅能激發(fā)了學生對專業(yè)課程和科學研究的興趣，拓寬學生的知識面，掌握科學的研究方法，還能培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和分析與解決問題的能力，從而達到培養(yǎng)冶金人才的目標。

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