《冶金傳輸原理》教學改革與創新

左海濱

（北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083）

摘要：在分析國內外傳統冶金高校冶金傳輸原理課程教學現狀的基礎上，總結了目前冶金傳輸原理教學存在的問題，構建了以知識結構為主旨的冶金傳輸原理教學體系。建立了“課程內容設計→課堂知識講授→重要知識體驗→知識升華演繹→學習效果反饋”的完備教學循環體系；創造性地開展了冶金傳輸原理詩詞大賽，深化知識體驗；建立了開放教學實驗平臺，強化了知識運用。通過以上措施，提高學生學習興趣，提升了教學質量。

關鍵詞：傳輸原理；知識體系；教學質量

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0087-03

冶金傳輸原理與冶金物理化學、金屬學一起構成了冶金工程專業的專業基礎。它以高等數學、大學物理、物理化學等課程為基礎，進一步向冶金應用理論延伸，作為深入理解和解釋專業知識的理論與工具，起到了重要的承上啟下作用[1-2]。冶金傳輸原理教學體系自20世紀70年代建立，至今已有40年左右，冶金傳輸原理課程內容龐雜，物理概念抽象，計算公式繁多，數學推導煩瑣，一直被公認為是“教師難教，學生犯難”的一門專業基礎課程[3-6]。許多同學難以深刻理解所學內容，往往通過死記硬背勉強通過考試，在似懂非懂中便結束了課程的學習，對今后繼續深造，提高專業技術水平形成了一定的障礙。從行業發展角度看，冶金規模快速擴張階段已然成為歷史，冶金行業發展進入新常態，為緩解過剩產能提出的供給側改革對冶金工程技術人員的綜合設計開發能力提出了更高的要求，也為高校冶金人才的培養提出了新的挑戰[7]。因此，夯實理論基礎并加強理論實踐將成為新時期人才培養的重點。

一、冶金傳輸原理課程現狀

為更加有針對性地制定有效措施，提高冶金傳輸原理教學質量，對國內外17所冶金相關高校的課程開展情況進行了調研。調研院校冶金傳輸原理課程平均學時數為56。最多80學時，最少30學時。各高校教學學時數較開課之初均呈現減少趨勢，但教學內容卻并沒有減少，因此對教學效率提出了更高的要求。從國外來看，教學學時更少，亞琛工業大學為43學時，其中還包括16學時的課外輔導；東京大學為30學時。國外授課偏向于基本方程和基本理論，更注重學生自學，通過綜合性的作業來促進學生對所學知識的理解與應用。教材方面，沈巧珍、杜建明編寫的教材使用率最高（6/17），其次為沈頤身編寫的教材（3/16），其余基本由本校教師編寫，值得一提的是，國內東北大學采用了英文教材。在成績考核方面，82.3%的學校采用閉卷考試，并輔以不同比例的平時成績。亞琛大學為三道綜合計算題，東京大學為50%報告+50%考試。在其他教學環節中，64.7%的學校設有不同學時的實驗課，以此增加同學們對所需知識的理解，激發學習興趣。調研的國外兩所高校沒有相應的實驗課程，一是與較少的學時數有關；另外國外學生人數少，實驗條件普遍較好，學生可根據興趣自由選擇進行相關實驗。課程設置上，很多院校研究生階段不再開設冶金傳輸原理課程；開設研究生課程的一般在本科階段著重基本概念、基本原理，研究生階段偏向一些具體問題的解決，包括建模和數值模擬計算等。此外，查閱近幾年冶金工程專業碩士招生情況可知，在每年的碩士入學考試中，選擇《冶金傳輸原理》作為專業基礎課考試科目的只有寥寥數人，可見其在全國冶金工程專業學生眼中已成為“不受歡迎”的課程，這對冶金工程專業人才培養是非常不利的，也極大地挫傷了教師的教學積極性。分析各高校課程建設基本情況，并結合實際教學過程中發現的問題，總結如下：

1.課程體系建設有待加強。現行冶金工程專業本科培養計劃中規定，課程在本科階段學習重點為基本概念的理解、基本方程的建立、基本定理的應用，深入了解冶金過程中各種傳輸現象，為學生將來從事冶金技術開發、提高控制和設計水平打下良好的基礎。但由于缺乏對冶金傳輸原理知識體系結構的梳理，造成具體教學過程中對教學內容以及深度的把握上缺乏整體規劃，知識之間的繼承與聯系不強，導致同學們理解不深入。

2.教學手段有待進一步提高。目前的教學活動并沒有充分利用現代化的教學方法和手段，只是將傳統的板書搬到了電腦屏幕上，由于課程內容抽象、煩瑣，一味單調地講授，機械地記憶，學習起來非常被動，且容易產生厭煩心理，教學效果不能令人滿意。

3.知識體驗缺乏。目前的教學過程缺乏知識體驗環節，沒有提供學生主動體驗知識的機會，甚至連演示實驗也沒有。從人類認知學角度來講，知識的主觀體驗是知識學習過程中不能缺少的環節。因此，造成學生對知識的理解不能深入，也缺乏對傳輸理論實際應用的體驗。

二、教學改進與創新

1.完善課程教學體系。每門課程根據其性質及應用對象都有其自身的特點和適用的教學方法，冶金傳輸原理是一門相對年輕的課程，其課程體系的建設一直在不斷完善。冶金傳輸原理的內容繁雜、抽象，不易理解。與高等數學和大學物理相關教學團隊進行研討，建立課程的知識體系結構，對知識層次進行劃分，按照基本定理、基本定理的廣義延伸、特定條件下的推理以及實際應用及結論的層次構建知識結構圖，使同學們明確新知識與已有知識的聯系，便于理解、記憶和應用。如傳輸原理中最重要也是貫穿整個學習過程的納維-斯托克斯方程，其本質可以從中學物理所學的牛頓第二定律F=ma得到，推導過程中用到質量守恒定律和動量定理。將特定物體的質量轉換為流過一定空間坐標的流體質量，將中學物理概念中的加速度（實際為時變加速度）拓展為時變加速度和位變加速度之和。流體的受力分析除了熟知的壓力、重力以及可能存在的各種外場力外，增加了流體特有的粘性力，據此就可以容易地推導出納維-斯托克斯方程，并與已有知識建立聯系。對納維-斯托克斯方程在不考慮粘性力（理想流體）、穩定流動、不可壓縮以及只有重力條件下，沿流線積分或在有勢流動中積分可得到伯努利方程，屬于特定條件下的推理。而畢托管、文丘里管、飛機起飛升力以及虹吸管等屬于具體應用。結論對應于應用過程中得到的一些重要結果，如管道層流和湍流最大速度與平均速度的關系，層流和湍流邊界層厚度與板長的關系及阻力系數等。依據此原則將冶金傳輸原理重點知識進行層次劃分，并要求同學們畫出知識層次結構圖，對同學們理解、掌握整個知識體系具有很大幫助。課堂教學方面，為了幫助同學們理解所學知識，將抽象的概念具體化，制作了多種教具并設計了演示實驗。如在講授動量傳輸的微分方程時，制作了流體受力模型，采用多層平板代表流層，平板間利用橡皮筋連接代表粘性力。在講述流體流動狀態時，設計了雷諾演示實驗，并輔以多媒體展示，豐富了教學手段。對于重點、難點內容設計了講解策略，吸納有經驗教師和同學們的意見反饋，不斷改進。重點和難點的確定一方面來源于教學大綱，另一方面通過調查問卷收集，并參考每年的試卷分析。此外在教學中，充分利用教師豐富的科研資源，將科研工作中應用傳輸知識的實例簡化為課上講解的例題，一方面使同學們認識到傳輸原理的重要性，提高學習興趣，另一方面可以豐富課堂內容，使教學更生動。在解決知識體驗問題上，采用教學實驗進行彌補，利用公共實驗室和專業實驗室條件，設計了十余個教學實驗。鼓勵學生自行設計綜合性驗證試驗，提高學生知識綜合運用能力。在升華對知識的認知方面，設計了結合同學們個人興趣愛好的教學活動——冶金傳輸原理詩詞大賽，收到了預期效果。教學效果反饋上，針對課程整體狀況、教材使用、課程設置、教師授課、學生學習以及考試情況設計了調查問卷，在每學期考試后分發，公布考試成績前收回。每學期末，任課教師對反饋情況進行研討，分析存在問題，提出改進策略，形成良性循環。最終形成了“課程內容設計→課堂知識講授→重要知識體驗→知識升華演繹→學習效果反饋”的完備教學循環體系，對每個具體教學環節給出明確的執行方式，具有可持續性和操作性強的特點。

2.深化知識體驗。引導同學們對所學知識進行深入思考，才能更好地理解掌握；將枯燥的問題規律化才能記憶深刻。開創性地設計了冶金傳輸原理詩詞大賽這一教學環節，利用當代大學生的多才多藝，將其自身特長、才藝、愛好轉嫁應用到枯燥的專業知識學習中。以所學傳輸原理知識為題材，通過總結、分析以各種文學形式進行表達。作品可以是對一類具體問題如管道流動、邊界層理論、對流傳熱等問題的系統總結，也可以是對某個具體知識點的深入剖析。作品由兩部分組成，第一部分為作品的正文，第二部分為作品內容的分析、解釋，篇幅不超過3000字。將抽象的理論以不同的文學形式進行表達，無疑將極大調動同學們的積極性，發揮各自想象力和創造能力。由于詩詞作品講究工整、押韻、流暢，易讀易記。因此傳輸原理知識的文學化表達必須在對所學知識充分理解、消化的基礎上才能完成，通過作品創造，提高同學們的認知。作品以答辯的形式呈現，現場打分，教師點評和同學們的陳述給大家提供了二次學習的機會，每個人都受益匪淺。作品的創作以團隊形式完成，2—3人一組，創作過程中，組內同學之間的相互交流、學習是進一步鞏固所學知識、完成從簡單認知到靈活掌握的助推劑。每個小組針對特定傳輸原理知識進行總結、升華，深刻詮釋知識的內涵及應用，為其他同學學習、體會該部分知識提供便利和幫助。通過不斷地積累，將不斷提高同學們的認知水平，事半功倍。與此同時，教師可通過作品，了解學生知識掌握狀況。將好的作品匯編成冊，七律、絕句、詩歌、歌曲等創作形式讓一些枯燥的專業知識更接地氣，給了專業知識全新的詮釋。這種從學生理解角度出發的知識詮釋，由于大家知識背景類似，學習程度相近，因此最易于理解，成為新同學學習的有益補充，也增加了學習興趣。

3.建立開放教學實驗平臺。知識體驗是學習過程中不可或缺的環節，根據教學內容要求及現有條件，設計了管道流動中的質量平衡；不可壓縮流體定常流能量方程；平板法測定保溫材料導熱系數；卡門渦街；氣隙對材料導熱性能影響；流動過程中的流線和跡線；畢托管測量流體流速；雷諾實驗；多種傳熱形式綜合傳熱；液—液間傳質；氣體蒸發過程的擴散傳質等11個基礎教學實驗。利用學院開放教學實驗平臺，逐漸為同學們提供服務。每個實驗設計包括五個部分：實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗步驟、結果與討論。實驗目的和實驗原理主要描述對應的傳輸原理知識；實驗設備的介紹使同學們對實驗平臺有直觀認識；實驗步驟提供了實驗操作指導；結果與討論引導同學們進一步思考實驗背后的基本理論以及對所學知識的靈活運用。此外，充分發揮教師的專業實驗室資源，在開展相應科研工作時，在開放實驗平臺上提前公布，鼓勵同學們觀摩、學習和參與討論。

三、結束語

本文在充分調研國內外教學基本狀況基礎上，提出通過教學體系完善、深化知識體驗以及教學實驗平臺建設來提高學生學習興趣，改善教學效果的一系列改革措施。研究結果對改善本課程教學質量具有較強的實踐意義和較高的借鑒價值。此外冶金人才培養全國應為一盤棋，建議整合國內冶金傳輸原理教學優質資源，充分利用現代化網絡工具，建立冶金傳輸原理課程網站。實現教學資源共享，建立教學課件庫、習題庫、學生自我測試平臺，重點難點解析專欄，并定期安排優秀教師網絡答疑，通過不斷努力，使冶金傳輸原理課程建設更上一層樓。

參考文獻：

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