新工科背景下冶金與能源交叉專業(yè)“傳輸原理”教學(xué)

［摘 要］ 新工科背景下，專業(yè)與學(xué)科交叉、融合、滲透越來越廣泛和深入，是當(dāng)今科技發(fā)展的重要趨勢?？鐚W(xué)科和跨專業(yè)的課程教學(xué)更有利于知識體系的拓展及學(xué)生綜合能力的提升，也有利于培養(yǎng)寬口徑創(chuàng)新型復(fù)合人才。結(jié)合內(nèi)蒙古科技大學(xué)冶金工程專業(yè)特色與“傳輸原理”的課程特點(diǎn)，闡述了冶金與能源學(xué)科交叉條件下“傳輸原理”教學(xué)進(jìn)程中存在的問題與應(yīng)對措施。通過課程思政、“冶金原理”與“傳輸原理”課程融合教學(xué)、課下結(jié)合課上靈活教學(xué)等方式提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］ 冶金工程；能源動力；交叉專業(yè)；傳輸原理；教學(xué)探討

［基金項目］ 2021年度內(nèi)蒙古自治區(qū)人力資源和社會保障廳自治區(qū)本級事業(yè)單位引進(jìn)高層次人才科研支持項目（0701012302）；2021年度內(nèi)蒙古自治區(qū)人力資源和社會保障廳自治區(qū)本級事業(yè)單位引進(jìn)高層次人才科研支持項目（0701012303）

［作者簡介］ 郄俊懋（1988—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院講師，主要從事冶金能源環(huán)保研究。

［中圖分類號］ G420 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）17-0157-04 ［收稿日期］ 2023-11-22

在新工科推動下，學(xué)科與專業(yè)間不斷交織、調(diào)和和滲入，兩者相互依附和發(fā)展，探究冶金工程與能源與動力工程學(xué)科交叉，以及“冶金原理”與“傳輸理論”課程的交互式教學(xué)具有一定意義。具有冶金與能源交叉專業(yè)背景的畢業(yè)生在升學(xué)和工作方面將更有優(yōu)勢，未來從事的相關(guān)工作可涉足冶金、能源、材料與環(huán)保等行業(yè)，同時也可到冶金或能源高校進(jìn)一步深造。本文以內(nèi)蒙古科技大學(xué)冶金工程專業(yè)與能源與動力工程專業(yè)修讀的“冶金原理”與“傳輸原理”課程為例，解析專業(yè)融合背景下冶金工程與能源動力工程的教學(xué)特性、問題與應(yīng)對舉措，增進(jìn)學(xué)科與專業(yè)的跨越式融合。

一、內(nèi)蒙古科技大學(xué)冶金工程和能源與動力工程專業(yè)交叉特點(diǎn)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)冶金工程專業(yè)圍繞礦冶領(lǐng)域人才培育近況及中西部區(qū)域?qū)ΦV冶人才的需求，整合現(xiàn)有學(xué)科體系，設(shè)立以“選礦—冶金—材料”為特色的學(xué)科方向和專業(yè)方向。內(nèi)蒙古科技大學(xué)屬于傳統(tǒng)冶金高校，隸屬于中華人民共和國冶金部，冶金工程專業(yè)更是本校最早設(shè)立的本科專業(yè)之一。該專業(yè)以化學(xué)通識類教育為基礎(chǔ)，依托包鋼等實(shí)踐教育單位，集合礦物加工、有色冶金、材料科學(xué)與工程的人才培育機(jī)制，為社會和祖國輸送了大量的應(yīng)用型人才。

內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與動力工程專業(yè)是內(nèi)蒙古自治區(qū)品牌專業(yè)，為內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)學(xué)科動力工程及工程熱物理學(xué)科的主體專業(yè)，最早可追溯為1984年設(shè)立的冶金熱能系。該學(xué)科含有“動力工程及工程熱物理”一級工學(xué)碩士點(diǎn)及“能源動力—動力工程”工程碩士點(diǎn)。學(xué)科基于內(nèi)蒙古自治區(qū)高效潔凈燃燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、自治區(qū)分布式能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、自治區(qū)光熱與風(fēng)能發(fā)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研平臺，依托學(xué)校冶金、煤炭等行業(yè)優(yōu)勢，以能源高效轉(zhuǎn)換與清潔利用為主線，建立起了服務(wù)冶金、電力、機(jī)械、化工等行業(yè)的能源動力類人才創(chuàng)新培養(yǎng)體系，在冶金熱能、電站熱能、新能源應(yīng)用等領(lǐng)域形成了自己鮮明的特色。在此背景下，內(nèi)蒙古科技大學(xué)動力工程及工程熱物理學(xué)科和能源與動力工程專業(yè)的建立，具有鮮明的能源與冶金專業(yè)交叉的特質(zhì)和亮點(diǎn)［1］。

在新工科理念不斷深入的過程中，學(xué)科、專業(yè)間不斷交織、調(diào)和和滲入，跨學(xué)科的專業(yè)融合教育體系建設(shè)已然成為社會和國家發(fā)展的必然要求，也是當(dāng)前高校自身發(fā)展的需求。傳統(tǒng)的冶金與能動專業(yè)在社會需求的牽引下，在教學(xué)、研究和人才培養(yǎng)上面不斷推陳出新，表現(xiàn)出由“專業(yè)學(xué)科相對獨(dú)立”向“專業(yè)學(xué)科交叉融合”發(fā)展的態(tài)勢。

跨學(xué)科和跨專業(yè)的教學(xué)模式改革將有助于學(xué)生系統(tǒng)知識體系的構(gòu)建，也將滿足社會對復(fù)合型創(chuàng)新型人才的需求，這同樣也是解決傳統(tǒng)教育固有問題的重要途徑和有力抓手［2-4］。

二、“傳輸原理”與“冶金原理”課程教學(xué)

“傳輸原理”和“冶金原理”課程是冶金工程和能源與動力工程專業(yè)均需要修讀的課程，且均由具有一定現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的教師負(fù)責(zé)講授，這種方式也便于“冶金原理”與“傳輸原理”融合式教學(xué)的實(shí)現(xiàn)。

（一）“傳輸原理”教學(xué)

作為能源、冶金以及其他相近專業(yè)的基礎(chǔ)課程，“傳輸原理”涵蓋了流體力學(xué)、傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)課程的主要內(nèi)容，該課程是銜接理論和實(shí)踐、基礎(chǔ)與專業(yè)的重要橋梁。工業(yè)生產(chǎn)主要流程中相關(guān)的能量和物質(zhì)傳輸現(xiàn)象和基礎(chǔ)知識傳輸原理均有所涉及，課程的主要目標(biāo)是合理運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理等知識探究和解析實(shí)際生產(chǎn)中涌現(xiàn)出的不同生產(chǎn)工序中的問題［5］。

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程以及主要動力裝置中的動量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸基礎(chǔ)理論是能源與動力工程專業(yè)傳輸原理課程講授的主要內(nèi)容，該課程以實(shí)際生產(chǎn)流程作為研究對象，又根據(jù)生產(chǎn)流程運(yùn)行原理的結(jié)合點(diǎn)綜合為不同的“操作單元”［6］?！皞鬏斣怼钡闹饕獌?nèi)容包括動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，其中動量傳遞過程主要論述了流體的流動、流體輸送設(shè)備、床層中流體的運(yùn)動形式、顆粒物的流態(tài)化與沉降等現(xiàn)象及機(jī)理；熱量傳遞過程主要論述了實(shí)際生產(chǎn)流程中的熱量傳遞和蒸發(fā)過程；質(zhì)量傳遞過程主要介紹動力裝置中存在的物質(zhì)干燥、萃取、吸收等物理過程原理。該課程的目的是使學(xué)生能夠利用“傳輸原理”基礎(chǔ)知識觀察、解析并處置實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的各種狀況，同時可以從流體流動過程中的質(zhì)能傳輸行為和原理來認(rèn)識實(shí)際生產(chǎn)，學(xué)會分析實(shí)際生產(chǎn)的切實(shí)方法。

（二）“冶金原理”教學(xué)

“冶金原理”在專業(yè)教學(xué)體系中非常重要，其與冶金物理化學(xué)是冶金工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)［7］。金屬冶煉的歷史非常悠久，其過程通常是在高溫和多相環(huán)境下發(fā)生的，具有復(fù)雜多相流反應(yīng)的特點(diǎn)，反應(yīng)過程中涉及金屬熔體質(zhì)量、動量和熱量的傳遞。通常來講，化學(xué)反應(yīng)在高溫多相條件下不是制約反應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵步驟，傳熱和傳質(zhì)才是限制反應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵，而金屬熔體的流動直接影響其傳熱和傳質(zhì)的進(jìn)程。故此，研究金屬熔體流動過程中的熱量、動量和質(zhì)量傳輸是探求冶金反應(yīng)速率的關(guān)鍵內(nèi)容。

“冶金原理”的主要教學(xué)內(nèi)容涵蓋冶金反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)、冶金熔體（熔渣、金屬熔體、熔鹽和熔锍等）及其在冶金反應(yīng)過程中質(zhì)量、動量和熱量的傳遞現(xiàn)象及規(guī)律，旨在提升學(xué)生運(yùn)用冶金過程基本原理知識探究生產(chǎn)中實(shí)際問題的潛力。課程需要學(xué)生理解不同冶金反應(yīng)過程及反應(yīng)機(jī)理，加深對冶金反應(yīng)過程的認(rèn)識，同時為研發(fā)新的冶金工藝奠定基礎(chǔ)。實(shí)際冶金反應(yīng)過程的模擬研究通常是以冶金原理作為理論計算基礎(chǔ)，這種研究方法也有效降低了新工藝的研發(fā)成本。

“冶金原理”教學(xué)側(cè)重理論分析，強(qiáng)調(diào)基本概念和基本原理的掌握，將流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)理論相結(jié)合，通過對典型冶金過程的解析，掌握實(shí)際冶金過程的基礎(chǔ)理論和分析方法，其中的分析方法主要側(cè)重于將化學(xué)反應(yīng)與數(shù)學(xué)表達(dá)相統(tǒng)一，體現(xiàn)出實(shí)際冶金反應(yīng)過程的特點(diǎn)?！耙苯鹪怼钡慕虒W(xué)過程中應(yīng)該適當(dāng)簡化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，強(qiáng)化學(xué)生對冶煉過程化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知。學(xué)生應(yīng)深入理解一些重要冶金反應(yīng)控制方程的推導(dǎo)過程并熟練掌握主要的理論分析方法。反應(yīng)抽象、公式多、計算過程復(fù)雜且推導(dǎo)煩瑣是冶金原理顯著的特點(diǎn)，是比較有代表性的教師難教、學(xué)生難學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課。

三、學(xué)科交叉背景下教學(xué)存在的問題與應(yīng)對措施

隨著科技水平的不斷提高，能源、環(huán)境和新材料已然成為當(dāng)今世界科技發(fā)展的三個重要的方向，這也要求傳統(tǒng)的冶金生產(chǎn)過程需要以更加節(jié)能、環(huán)保的方式進(jìn)行生產(chǎn)，為社會的現(xiàn)代化發(fā)展提供清潔的基礎(chǔ)材料，這也使得“冶金原理”的課程內(nèi)容和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大?！耙苯鹪怼闭n程屬于多學(xué)科交叉課程，圍繞課程的內(nèi)容及特點(diǎn)，大部分學(xué)校教學(xué)體系的建設(shè)主要以冶金特色為主體，而開設(shè)的與傳輸類相關(guān)的課程相對較少，如“傳輸原理”“傳遞過程導(dǎo)論”等，缺乏學(xué)科交叉性的凸顯。

“冶金原理”重點(diǎn)和難點(diǎn)體現(xiàn)在與冶金反應(yīng)相關(guān)的概念、定律和反應(yīng)機(jī)理以及相互之間的邏輯關(guān)系，初學(xué)者由于缺乏相關(guān)的冶金背景知識，較難將課程內(nèi)容中的理論知識與實(shí)際冶金過程建立聯(lián)系。從應(yīng)往屆的學(xué)生反饋來看，對“冶金原理”中的一些基礎(chǔ)理論知識許多學(xué)生較難理解，應(yīng)對考試也是采取生硬記憶的方式，并未真正理解其中的知識點(diǎn)，基礎(chǔ)知識不夠扎實(shí)會對學(xué)生未來繼續(xù)深入學(xué)習(xí)專業(yè)知識產(chǎn)生諸多不利影響。

在新工科建設(shè)不斷深入以及不同學(xué)科相互融合發(fā)展的大背景下，基層課程組織建設(shè)應(yīng)打破固有思維模式，突破學(xué)科與專業(yè)之間的障礙，全面構(gòu)建交叉學(xué)科融合的教學(xué)團(tuán)隊和評價體系等教學(xué)體系，健全人才培養(yǎng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)交叉學(xué)科和專業(yè)的深度交叉融合?？鐚W(xué)科的形成與發(fā)展，是不同學(xué)科融合發(fā)展的具體表現(xiàn)，同時也是知識體系系統(tǒng)化的外在特征。學(xué)科間實(shí)現(xiàn)相互融合的前提必須是厘清原有學(xué)科間的相互關(guān)系以及打破固有的學(xué)科壁壘。針對“冶金原理”與“傳輸原理”在學(xué)科和專業(yè)方面所具有的特點(diǎn)，在分析和總結(jié)兩門課程的教學(xué)方法以及課堂表現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對在教學(xué)過程中課程存在的關(guān)鍵性問題以及應(yīng)采取的措施總結(jié)如下。

（一）促進(jìn)學(xué)科交融，深化教學(xué)模式改革，助推“冶金原理”與“傳輸原理”之間的課程融合，整體提升學(xué)生對冶金反應(yīng)及能量傳遞過程的認(rèn)知水平

“傳輸原理”的教學(xué)主要以熱量、動量和質(zhì)量在傳遞過程中的基本概念和基礎(chǔ)理論為主，其主要目的是使學(xué)生了解“三傳”的這些概念和理論在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用及意義，能夠理解“三傳”現(xiàn)象的物理本質(zhì)，掌握“三傳”過程的描述方法以及對實(shí)際冶金生產(chǎn)過程中的傳輸現(xiàn)象能夠進(jìn)行系統(tǒng)分析。由此可見，傳輸原理中的“三傳”過程及其應(yīng)用是與實(shí)際冶金生產(chǎn)過程緊密相關(guān)的。

注重“冶金原理”的課程思政。進(jìn)入新時代以來，我們更要從實(shí)現(xiàn)教育根本任務(wù)的高度來深刻理解課程思政工作的重要意義，發(fā)揮好課程思政在我國大學(xué)教育體系中的基礎(chǔ)性與前瞻性的作用?！耙苯鹪怼迸c思政思想之間的有機(jī)融合，相互補(bǔ)充，可使專業(yè)學(xué)習(xí)過程中的育人作用更加凸顯，實(shí)現(xiàn)國家、社會和家庭對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，同時幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。教師在實(shí)際授課時應(yīng)在專業(yè)知識點(diǎn)講解的過程中潛移默化融入思政教育，讓學(xué)生在掌握專業(yè)知識的同時也認(rèn)識到相關(guān)知識的傳承過程以及探索挖掘知識背后所蘊(yùn)含的科研及人文精神。

利用多媒體實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)，在體現(xiàn)教師主導(dǎo)地位和學(xué)生主體地位的同時，將教學(xué)內(nèi)容和課程主體思想利用現(xiàn)代多媒體工具融入課堂教學(xué)之中，通過將課件與板書進(jìn)行科學(xué)合理的結(jié)合設(shè)計，強(qiáng)化學(xué)生對傳輸原理重要內(nèi)容的記憶以及重要公式推導(dǎo)過程的理解，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)教師、學(xué)生及學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的關(guān)系。利用多媒體教學(xué)優(yōu)勢，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，塑造良好教學(xué)氛圍，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的高效傳遞和理解，以學(xué)生熟悉的質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律為起點(diǎn)，逐步拓展到生活中的傳輸現(xiàn)象以及課程主要內(nèi)容、對于重要公式的推導(dǎo)側(cè)重過程的方法和嚴(yán)謹(jǐn)性，將傳輸現(xiàn)象的分析方法不斷融入其他相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中。

（二）加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源使用，開展“冶金原理”線上和線下教學(xué)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源具有良好的便捷性、豐富性、共享性及靈活性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力和創(chuàng)新精神，促進(jìn)學(xué)生的個性化發(fā)展。

2020年，線上教學(xué)新模式在各大院校間得到了大范圍的推廣。內(nèi)蒙古科技大學(xué)冶金工程專業(yè)和能源與動力工程專業(yè)利用雨課堂、騰訊會議及學(xué)堂在線等軟件對本校學(xué)生開展了網(wǎng)絡(luò)授課，這些在線直播課程均具有良好的交互性、開放性和靈活性，其中的回放模式及習(xí)題庫板塊對課程教學(xué)效果的提升效果顯著，對于一些較難理解的知識點(diǎn)，學(xué)生通過線下回放及習(xí)題練習(xí)均有了較好的理解。

增加“冶金原理”實(shí)際教學(xué)過程中的視頻展示及案例分析環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對冶金反應(yīng)過程的認(rèn)識和理解。視頻及分析案例選自實(shí)際冶金生產(chǎn)過程，重點(diǎn)分析這些過程中涉及的傳輸現(xiàn)象（如高爐中鐵水與渣之間反應(yīng)過程的分析、鋼包中鋼水的熱量傳遞等），理論聯(lián)系實(shí)際。通過將較難理解的冶金原理理論知識輔以相關(guān)的生產(chǎn)視頻及案例進(jìn)行講授這種模式，更加能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也更利于學(xué)生理解“冶金原理”及“傳輸原理”的實(shí)際意義，提升學(xué)生的業(yè)務(wù)水平。

（三）激發(fā)學(xué)生的積極性與參與度

通常來講，通過與學(xué)生建立良好的溝通、創(chuàng)新教學(xué)模式以及向?qū)W生提供更多的參與機(jī)會等方式均可有效地激發(fā)學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度與積極性，獲得較好的學(xué)習(xí)效果。比如，在我們實(shí)際的冶金原理及傳輸原理課堂教學(xué)中，可以通過答辯的模式對授課學(xué)生進(jìn)行分組并要求不同組的同學(xué)對課程中重要的知識點(diǎn)通過課件的形式進(jìn)行講解，期間要求學(xué)生要有自己的認(rèn)識、理解及思考；講解結(jié)束后，授課教師與學(xué)生可以圍繞講解內(nèi)容展開辯論，活躍課堂氛圍的同時也加深了學(xué)生對相關(guān)概念及知識點(diǎn)的理解。在這種較為新穎的教學(xué)模式下，不僅學(xué)生的教學(xué)參與度與積極性得到了有效提升，而且學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和表達(dá)能力也得到了很好的鍛煉。

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Teaching of Transmission Principle of Metallurgy and Energy under the Background of Emerging Engineering Education

QIE Jun-mao， SHI Wen-jing， HUANG Jun

（School of Energy and Environment， Inner Mongolia University of Science amp; Technology， Baotou，

Inner Mongolia 014010， China）

Abstract： Under the background of “Emerging Engineering Education”， the intersection， integration and penetration of majors and disciplines are more and more extensive and in-depth， which is an important trend of today’s science and technology development. Interdisciplinary and cross-professional curriculum teaching is more conducive to the expansion of knowledge system and the improvement of students’ comprehensive ability， and is also conducive to the cultivation of broad caliber innovative composite talents. Based on the characteristics of metallurgical engineering specialty and the course characteristics of transmission principle in Inner Mongolia University of Science and Technology， this paper expounds the problems and countermeasures in the process of transmission principle teaching under the cross-condition of metallurgy and energy disciplines. The quality of classroom teaching is improved through integrated teaching of ideological and political courses， metallurgical principles and transmission principles， combined with flexible teaching after class.

Key words： metallurgical engineering; energy and power; cross-specialization; transmission principle; teaching discussion