智能制造時(shí)代“冶金流程工程學(xué)”課程教學(xué)改革

蔣勝龍，陳紅生，張生富

[摘 要] 智能制造的迅速發(fā)展使傳統(tǒng)工科專業(yè)教育面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。從智能制造發(fā)展趨勢和冶金工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)要求出發(fā)，闡述了“冶金流程工程學(xué)”課程的教學(xué)目標(biāo)，詳細(xì)分析該課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及教學(xué)過程中所面臨的問題。在此基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)工程理論與冶金流程工程學(xué)相融合的教改思路，對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的改革進(jìn)行初步嘗試，以進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞] 冶金工程;系統(tǒng)工程;冶金流程工程學(xué);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2018年度國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“強(qiáng)不確定條件下連鑄-熱軋生產(chǎn)線基于軟決策機(jī)制的調(diào)度方法研究”（61873042）

[作者簡介] 蔣勝龍（1981—），男，江西金溪人，工學(xué)博士，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)過程智能建模、優(yōu)化和仿真研究;陳紅生（1989—），男，重慶潼南人，博士，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事流態(tài)化煉鐵、顆粒流及顆粒動力學(xué)研究;張生富（1980—），男，甘肅會寧人，博士，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事冶金過程能源高效利用技術(shù)、煉鐵新工藝及新技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0;C229.29 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）07-0037-04 [收稿日期] 2021-05-31

一、面向智能制造的“冶金流程工程學(xué)”課程

（一）“冶金流程工程學(xué)”課程的發(fā)展

中華人民共和國成立以來，中國鋼鐵行業(yè)在由弱到強(qiáng)的蓬勃發(fā)展歷史進(jìn)程中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識。1993年，中國工程院殷瑞鈺院士通過研究現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程的演變及其單元工序的功能轉(zhuǎn)化進(jìn)程，發(fā)表了《冶金工序功能的演進(jìn)和鋼廠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化》專題論文，標(biāo)志著“冶金流程工程學(xué)”這一新興交叉學(xué)科方向的創(chuàng)立。隨后《冶金流程工程學(xué)》和《冶金流程集成理論與方法》兩本學(xué)術(shù)專著的出版進(jìn)一步奠定了“冶金流程工程學(xué)”的基礎(chǔ)理論體系[1，2]。

自21世紀(jì)初，北京科技大學(xué)率先開設(shè)“冶金流程工程學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)踐：2001年，首次在冶金工程專業(yè)開設(shè)碩士研究生選修課“鋼鐵制造流程多維物流管制”;2005年，在冶金工程專業(yè)開設(shè)博士研究生選修課“冶金流程工程學(xué)”;2008年，在冶金工程專業(yè)本科教學(xué)中開設(shè)“冶金流程工程學(xué)”課程。此后，“冶金流程工程學(xué)”這一課程逐漸得到了國內(nèi)大部分冶金類高校的重視，如重慶大學(xué)、安徽工業(yè)大學(xué)、遼寧科技大學(xué)、河北理工大學(xué)等先后在本科生、研究生的培養(yǎng)方案中開設(shè)了這門課程[3]。除此之外，寶鋼、首鋼等大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)、首鋼國際工程公司等冶金類設(shè)計(jì)院也召開了一系列“冶金流程工程學(xué)”相關(guān)專題講座和學(xué)術(shù)研討會。如2009年8月在河北省唐山市召開了以“新一代鋼廠精準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)和流程動態(tài)優(yōu)化研究”為主題的冶金流程工程學(xué)教學(xué)、應(yīng)用交流、研討;2011年8月于沈陽召開了以“鋼鐵制造流程優(yōu)化與動態(tài)運(yùn)行”為主題的研討會;2011年10月在重慶大學(xué)召開的“第六屆全國高校冶金院校院長暨冶金學(xué)科高層論壇”和2012年11月在安徽工業(yè)大學(xué)召開的相關(guān)會議上，從冶金教育的角度，提出了冶金流程工程學(xué)教育的有關(guān)問題[4];2017年5月，重慶大學(xué)組織召開了面向本科生教學(xué)的《冶金流程工程學(xué)基礎(chǔ)教程》教材研討會。

（二）智能制造新時(shí)代面臨的挑戰(zhàn)

隨著中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入“新常態(tài)”和世界經(jīng)濟(jì)的萎靡，鋼鐵材料市場競爭進(jìn)一步加劇。因此，我國鋼鐵工業(yè)將逐漸從“高效率”技術(shù)特征轉(zhuǎn)向追求“低成本、高質(zhì)量”。為達(dá)成這一目標(biāo)，當(dāng)下鋼鐵工業(yè)首先明確了綠色化、智能化的發(fā)展任務(wù)，從冶金流程這一層面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，加強(qiáng)與人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的融合，建立貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的智能鋼廠制造新模式。這要求當(dāng)下高校冶金工程專業(yè)亟須培養(yǎng)適應(yīng)鋼鐵工業(yè)智能制造新時(shí)代的發(fā)展需求的新工科人才，使學(xué)生具備科學(xué)思維、系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維，掌握學(xué)科交叉、深寬兼?zhèn)涞膶I(yè)與通識知識、能力與技能且具有可持續(xù)競爭力[5，6]。

隨著工程實(shí)踐和理論探索的深入，人們逐漸認(rèn)識到冶金生產(chǎn)過程本質(zhì)上是一類開放的、遠(yuǎn)離平衡的、不可逆的復(fù)雜過程系統(tǒng)[7]，屬于一類耗散結(jié)構(gòu)的自組織系統(tǒng)。由于冶金流程系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熵總是大于零的，所以必須依賴外界輸入的“負(fù)熵”才能使系統(tǒng)向有序方向進(jìn)化。在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，構(gòu)造可對物質(zhì)流、能量流運(yùn)行涉及的時(shí)間、數(shù)量、溫度等基本屬性進(jìn)行有效調(diào)控的系統(tǒng)模型是“負(fù)熵”重要表征形式。因此，認(rèn)識冶金系統(tǒng)內(nèi)組分、結(jié)構(gòu)、環(huán)境與功能之間普適關(guān)系與調(diào)控規(guī)律的系統(tǒng)工程理論[8，9]為冶金流程工程學(xué)習(xí)和研究提供了基本方法論工具。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀及問題

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

重慶大學(xué)冶金系根據(jù)冶金工程專業(yè)的辦學(xué)特點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢，于2012年起開設(shè)“冶金流程工程學(xué)”博士生課程，并于2014年開設(shè)了本科生教學(xué)課程。根據(jù)本科培養(yǎng)方案安排，“冶金流程工程學(xué)”本科專業(yè)選修課課程，安排在本科大四上學(xué)期開課，共24學(xué)時(shí)，1.5學(xué)分。在學(xué)習(xí)這門課程之前，學(xué)生已經(jīng)具備冶金專業(yè)課程基礎(chǔ)知識（冶金原理、傳輸原理、鋼冶金學(xué)等）、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識（高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率統(tǒng)計(jì)等）、計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)。同時(shí)，開設(shè)“系統(tǒng)工程”課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，為“冶金流程工程學(xué)”的本科教學(xué)鋪墊良好的知識基礎(chǔ)。

在教學(xué)內(nèi)容方面，重慶大學(xué)冶金系自2012年起就以殷瑞鈺院士的《冶金流程工程學(xué)》（冶金工業(yè)出版社2009年3月出版）一書為主要參考教材。主要講授內(nèi)容包括：冶金流程工程學(xué)概述、中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展歷程、流程制造業(yè)與流程工程、鋼鐵制造流程與工程科學(xué)、鋼鐵制造流程的解析與集成、鋼鐵制造流程的多維物流控制、制造流程的時(shí)間因素、鋼廠生產(chǎn)流程的運(yùn)行動力學(xué)及相關(guān)應(yīng)用案例介紹。自2012年開設(shè)本課程以來，重慶大學(xué)冶金工程專業(yè)經(jīng)過不斷探索，形成了一套圍繞“系統(tǒng)工程+冶金流程工程學(xué)”的完整教學(xué)體系。

（二）面臨的問題

經(jīng)過多年的實(shí)踐和探索，“冶金流程工程學(xué)”教學(xué)過程仍有一些亟須完善之處。殷院士《冶金流程工程學(xué)》這一著作主要面向的是具有一定專業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累的科技工作者和企業(yè)管理人員[1]，書中的一些概念對本科生而言較為抽象不易理解，有一定的學(xué)習(xí)門檻，需對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)組織和設(shè)計(jì)，以更好適應(yīng)本科生教學(xué)。鑒于，學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)之前就已經(jīng)通過“系統(tǒng)工程”課程學(xué)習(xí)了系統(tǒng)建模與優(yōu)化的基本理論與方法，這兩門課程之間需要進(jìn)行銜接與過渡。此外，以多媒體課件展示為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式，側(cè)重對冶金流程學(xué)基本概念和知識體系的講授，在培養(yǎng)學(xué)生提出問題和解決問題能力方面仍需加強(qiáng)。

三、教學(xué)改進(jìn)辦法

為了完善“冶金流程工程學(xué)”這門課程的本科教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。首先，本課程在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上加強(qiáng)系統(tǒng)工程理論與冶金流程工程學(xué)之間的銜接，重點(diǎn)講授面向流程系統(tǒng)的建模和優(yōu)化方法;其次，結(jié)合鋼廠生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)際需求開展實(shí)踐教學(xué);最后，為了加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提升，開展了項(xiàng)目教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐。

根據(jù)系統(tǒng)工程原理冶金流程系統(tǒng)優(yōu)化過程包括五個迭代演化的步驟，即了解問題、構(gòu)建模型、設(shè)計(jì)求解算法、實(shí)驗(yàn)分析和應(yīng)用驗(yàn)證[10]。按照計(jì)算復(fù)雜度和不確定性兩個維度，流程系統(tǒng)建模與優(yōu)化的對象問題可以進(jìn)行分成四類：簡單確定性問題、簡單不確定性問題、復(fù)雜確定性問題、復(fù)雜不確定性問題（如圖1所示）。其中，簡單確定性問題影響因素少、計(jì)算簡單，面向基于理想化假設(shè)的對象系統(tǒng)，是解決其他問題的基礎(chǔ)。關(guān)于此類問題的建模和優(yōu)化理論（如線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等）是教學(xué)重點(diǎn)。對于簡單不確定性問題和復(fù)雜確定性問題這兩個學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，系統(tǒng)講授了智能優(yōu)化算法、仿真優(yōu)化、數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化等基本知識點(diǎn)[11-13]，提升學(xué)生的科學(xué)研究興趣;對于現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)中的復(fù)雜不確定性問題，簡要介紹了其解決思路。在此基礎(chǔ)上，介紹了流程建模與優(yōu)化方法在鋼廠生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中的應(yīng)用（如圖2所示）。其中，鋼廠生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化主要包括批量生產(chǎn)計(jì)劃、車間調(diào)度及其動態(tài)優(yōu)化、輔助運(yùn)輸調(diào)度;鋼廠設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包括動態(tài)運(yùn)行與界面技術(shù)、概念設(shè)計(jì)與頂層設(shè)計(jì)和動態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。除了介紹一般性的優(yōu)化建模原理，本課程針對上述問題給出了基于線性規(guī)劃理論的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Python語言進(jìn)行編程實(shí)踐教學(xué)[14]。在教學(xué)過程中，采用北京科技大學(xué)徐安軍教授等人主編的《冶金流程工程學(xué)基礎(chǔ)教程》作為參考教材，結(jié)合系統(tǒng)工程理論與方法重新組織學(xué)內(nèi)容。

根據(jù)“把教的創(chuàng)造性留給教師，把學(xué)的主動權(quán)還給學(xué)生”的教學(xué)理念[15]，本課程在教學(xué)形式也進(jìn)行了若干改進(jìn)。首先，在傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上引入項(xiàng)目教學(xué)機(jī)制。在課程教學(xué)前期，教師將冶金流程工程學(xué)概念和流程系統(tǒng)建模與優(yōu)化方法講授完畢之后，設(shè)計(jì)出若干由學(xué)生自選的項(xiàng)目課題。學(xué)生組成課題小組，利用所學(xué)方法和工具對具體問題建立系統(tǒng)模型和優(yōu)化算法，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在課程末期，以翻轉(zhuǎn)課堂為形式，各組學(xué)生代表走上講臺上展示自己項(xiàng)目成果，介紹問題背景、模型算法設(shè)計(jì)思路和計(jì)算結(jié)果。

四、進(jìn)一步探討

為了提高“冶金流程工程學(xué)”課程的教學(xué)效果，首先在冶金流程學(xué)中加強(qiáng)了“系統(tǒng)工程”和“冶金流程工程學(xué)”兩門課程之間的聯(lián)系與融合;其次著重講解了在生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的應(yīng)用方法;最后在教學(xué)形式方面，除了通過多媒體教學(xué)讓學(xué)生理解知識外，還增加了項(xiàng)目實(shí)踐和翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)。未來還需要改進(jìn)的工作還可以包括以下方面。

1.建立面向冶金流程工程學(xué)的專業(yè)教學(xué)軟件平臺?！耙苯鹆鞒坦こ虒W(xué)”是一門多學(xué)科交叉課程，由于課時(shí)限制很難保證高質(zhì)量講授現(xiàn)實(shí)冶金流程系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行與設(shè)計(jì)的建模與優(yōu)化方法。如果有了一款專業(yè)教學(xué)軟件，學(xué)生只需通過人機(jī)交互界面即可完成模型構(gòu)建、算法設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析等一系列過程，省去繁雜的建模和編程過程，可以進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

2.加強(qiáng)與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的銜接。在智能制造的背景下，隨著鋼鐵企業(yè)流程系統(tǒng)優(yōu)化的需求不斷的演化，課程教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)緊跟時(shí)代發(fā)展。邀請相關(guān)行業(yè)專家進(jìn)入課堂，介紹企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中的一線經(jīng)驗(yàn)和需求，加強(qiáng)與企業(yè)的協(xié)同，讓學(xué)生把所學(xué)的理論知識與實(shí)際問題相結(jié)合，進(jìn)一步提高創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

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Teaching Reform of “Metallurgical Process Engineering” in Intelligent Manufacturing Era

JIANG Sheng-long， CHEN Hong-sheng， ZHANG Sheng-fu

（College of Materials Science and Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： The rapid development of intelligent manufacturing makes the traditional engineering professional education face new opportunities and challenges. Starting from the development trend of intelligent manufacturing and the training requirements of Emerging Engineering Education talents in metallurgical engineering， this paper expounds the teaching objectives of Metallurgical Process Engineering， and analyzes in detail the teaching situation and problems in the teaching process. On this basis， this paper puts forward the teaching reform idea of the integration of system engineering theory and metallurgical process engineering， and makes a preliminary attempt on the reform of teaching content and mode， so as to further enhance students’ learning interest and cultivate students’ innovative thinking and practical ability.

Key words： metallurgical engineering; system engineering; Metallurgical Process Engineering; teaching reform