智能制造時代“冶金流程工程學”課程教學改革

蔣勝龍，陳紅生，張生富

[摘 要] 智能制造的迅速發展使傳統工科專業教育面臨新機遇、新挑戰。從智能制造發展趨勢和冶金工程專業新工科人才培養要求出發，闡述了“冶金流程工程學”課程的教學目標，詳細分析該課程的教學現狀以及教學過程中所面臨的問題。在此基礎上，提出了系統工程理論與冶金流程工程學相融合的教改思路，對課程教學內容、教學模式的改革進行初步嘗試，以進一步提升學生的學習興趣，培養學生創新思維和實踐能力。

[關鍵詞] 冶金工程;系統工程;冶金流程工程學;教學改革

[基金項目] 2018年度國家自然科學基金項目“強不確定條件下連鑄-熱軋生產線基于軟決策機制的調度方法研究”（61873042）

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

[中圖分類號] G642.0;C229.29 [文獻標識碼] 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”課程

（一）“冶金流程工程學”課程的發展

中華人民共和國成立以來，中國鋼鐵行業在由弱到強的蓬勃發展歷史進程中積累了大量的經驗和認識。1993年，中國工程院殷瑞鈺院士通過研究現代鋼鐵生產流程的演變及其單元工序的功能轉化進程，發表了《冶金工序功能的演進和鋼廠結構的優化》專題論文，標志著“冶金流程工程學”這一新興交叉學科方向的創立。隨后《冶金流程工程學》和《冶金流程集成理論與方法》兩本學術專著的出版進一步奠定了“冶金流程工程學”的基礎理論體系[1，2]。

自21世紀初，北京科技大學率先開設“冶金流程工程學”課程的教學實踐：2001年，首次在冶金工程專業開設碩士研究生選修課“鋼鐵制造流程多維物流管制”;2005年，在冶金工程專業開設博士研究生選修課“冶金流程工程學”;2008年，在冶金工程專業本科教學中開設“冶金流程工程學”課程。此后，“冶金流程工程學”這一課程逐漸得到了國內大部分冶金類高校的重視，如重慶大學、安徽工業大學、遼寧科技大學、河北理工大學等先后在本科生、研究生的培養方案中開設了這門課程[3]。除此之外，寶鋼、首鋼等大型鋼鐵聯合企業、首鋼國際工程公司等冶金類設計院也召開了一系列“冶金流程工程學”相關專題講座和學術研討會。如2009年8月在河北省唐山市召開了以“新一代鋼廠精準設計技術和流程動態優化研究”為主題的冶金流程工程學教學、應用交流、研討;2011年8月于沈陽召開了以“鋼鐵制造流程優化與動態運行”為主題的研討會;2011年10月在重慶大學召開的“第六屆全國高校冶金院校院長暨冶金學科高層論壇”和2012年11月在安徽工業大學召開的相關會議上，從冶金教育的角度，提出了冶金流程工程學教育的有關問題[4];2017年5月，重慶大學組織召開了面向本科生教學的《冶金流程工程學基礎教程》教材研討會。

（二）智能制造新時代面臨的挑戰

隨著中國經濟進入“新常態”和世界經濟的萎靡，鋼鐵材料市場競爭進一步加劇。因此，我國鋼鐵工業將逐漸從“高效率”技術特征轉向追求“低成本、高質量”。為達成這一目標，當下鋼鐵工業首先明確了綠色化、智能化的發展任務，從冶金流程這一層面進行統一規劃設計，加強與人工智能、大數據、工業互聯網等先進技術的融合，建立貫穿設計、生產、管理、服務等環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的智能鋼廠制造新模式。這要求當下高校冶金工程專業亟須培養適應鋼鐵工業智能制造新時代的發展需求的新工科人才，使學生具備科學思維、系統思維和創新思維，掌握學科交叉、深寬兼備的專業與通識知識、能力與技能且具有可持續競爭力[5，6]。

隨著工程實踐和理論探索的深入，人們逐漸認識到冶金生產過程本質上是一類開放的、遠離平衡的、不可逆的復雜過程系統[7]，屬于一類耗散結構的自組織系統。由于冶金流程系統內部產生的熵總是大于零的，所以必須依賴外界輸入的“負熵”才能使系統向有序方向進化。在滿足產品質量的前提下，構造可對物質流、能量流運行涉及的時間、數量、溫度等基本屬性進行有效調控的系統模型是“負熵”重要表征形式。因此，認識冶金系統內組分、結構、環境與功能之間普適關系與調控規律的系統工程理論[8，9]為冶金流程工程學習和研究提供了基本方法論工具。

二、課程教學現狀及問題

（一）教學現狀

重慶大學冶金系根據冶金工程專業的辦學特點和未來發展趨勢，于2012年起開設“冶金流程工程學”博士生課程，并于2014年開設了本科生教學課程。根據本科培養方案安排，“冶金流程工程學”本科專業選修課課程，安排在本科大四上學期開課，共24學時，1.5學分。在學習這門課程之前，學生已經具備冶金專業課程基礎知識（冶金原理、傳輸原理、鋼冶金學等）、數學基礎知識（高等數學、線性代數、概率統計等）、計算機編程基礎。同時，開設“系統工程”課程作為專業基礎課程，為“冶金流程工程學”的本科教學鋪墊良好的知識基礎。

在教學內容方面，重慶大學冶金系自2012年起就以殷瑞鈺院士的《冶金流程工程學》（冶金工業出版社2009年3月出版）一書為主要參考教材。主要講授內容包括：冶金流程工程學概述、中國鋼鐵工業的發展歷程、流程制造業與流程工程、鋼鐵制造流程與工程科學、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、制造流程的時間因素、鋼廠生產流程的運行動力學及相關應用案例介紹。自2012年開設本課程以來，重慶大學冶金工程專業經過不斷探索，形成了一套圍繞“系統工程+冶金流程工程學”的完整教學體系。

（二）面臨的問題

經過多年的實踐和探索，“冶金流程工程學”教學過程仍有一些亟須完善之處。殷院士《冶金流程工程學》這一著作主要面向的是具有一定專業經驗積累的科技工作者和企業管理人員[1]，書中的一些概念對本科生而言較為抽象不易理解，有一定的學習門檻，需對課程教學內容進行適當組織和設計，以更好適應本科生教學。鑒于，學生在本課程學習之前就已經通過“系統工程”課程學習了系統建模與優化的基本理論與方法，這兩門課程之間需要進行銜接與過渡。此外，以多媒體課件展示為主的傳統教學方式，側重對冶金流程學基本概念和知識體系的講授，在培養學生提出問題和解決問題能力方面仍需加強。

三、教學改進辦法

為了完善“冶金流程工程學”這門課程的本科教學，加強學生解決復雜工程問題能力的培養。首先，本課程在原有教學內容的基礎上加強系統工程理論與冶金流程工程學之間的銜接，重點講授面向流程系統的建模和優化方法;其次，結合鋼廠生產運行優化和設計優化的實際需求開展實踐教學;最后，為了加強學生實踐能力的培養和提升，開展了項目教學和翻轉課堂的實踐。

根據系統工程原理冶金流程系統優化過程包括五個迭代演化的步驟，即了解問題、構建模型、設計求解算法、實驗分析和應用驗證[10]。按照計算復雜度和不確定性兩個維度，流程系統建模與優化的對象問題可以進行分成四類：簡單確定性問題、簡單不確定性問題、復雜確定性問題、復雜不確定性問題（如圖1所示）。其中，簡單確定性問題影響因素少、計算簡單，面向基于理想化假設的對象系統，是解決其他問題的基礎。關于此類問題的建模和優化理論（如線性規劃、動態規劃等）是教學重點。對于簡單不確定性問題和復雜確定性問題這兩個學術研究熱點，系統講授了智能優化算法、仿真優化、數據驅動優化等基本知識點[11-13]，提升學生的科學研究興趣;對于現實工程系統中的復雜不確定性問題，簡要介紹了其解決思路。在此基礎上，介紹了流程建模與優化方法在鋼廠生產運行優化和設計優化過程中的應用（如圖2所示）。其中，鋼廠生產運行優化主要包括批量生產計劃、車間調度及其動態優化、輔助運輸調度;鋼廠設計優化主要包括動態運行與界面技術、概念設計與頂層設計和動態精準設計。除了介紹一般性的優化建模原理，本課程針對上述問題給出了基于線性規劃理論的數學模型，并運用Python語言進行編程實踐教學[14]。在教學過程中，采用北京科技大學徐安軍教授等人主編的《冶金流程工程學基礎教程》作為參考教材，結合系統工程理論與方法重新組織學內容。

根據“把教的創造性留給教師，把學的主動權還給學生”的教學理念[15]，本課程在教學形式也進行了若干改進。首先，在傳統多媒體教學的基礎上引入項目教學機制。在課程教學前期，教師將冶金流程工程學概念和流程系統建模與優化方法講授完畢之后，設計出若干由學生自選的項目課題。學生組成課題小組，利用所學方法和工具對具體問題建立系統模型和優化算法，并撰寫實驗報告。在課程末期，以翻轉課堂為形式，各組學生代表走上講臺上展示自己項目成果，介紹問題背景、模型算法設計思路和計算結果。

四、進一步探討

為了提高“冶金流程工程學”課程的教學效果，首先在冶金流程學中加強了“系統工程”和“冶金流程工程學”兩門課程之間的聯系與融合;其次著重講解了在生產運行優化和設計優化方面的應用方法;最后在教學形式方面，除了通過多媒體教學讓學生理解知識外，還增加了項目實踐和翻轉課堂環節。未來還需要改進的工作還可以包括以下方面。

1.建立面向冶金流程工程學的專業教學軟件平臺。“冶金流程工程學”是一門多學科交叉課程，由于課時限制很難保證高質量講授現實冶金流程系統生產運行與設計的建模與優化方法。如果有了一款專業教學軟件，學生只需通過人機交互界面即可完成模型構建、算法設計和實驗分析等一系列過程，省去繁雜的建模和編程過程，可以進一步提升教學效果。

2.加強與實際工業應用的銜接。在智能制造的背景下，隨著鋼鐵企業流程系統優化的需求不斷的演化，課程教學內容也應緊跟時代發展。邀請相關行業專家進入課堂，介紹企業在實際生產中的一線經驗和需求，加強與企業的協同，讓學生把所學的理論知識與實際問題相結合，進一步提高創新和實踐能力的培養。

參考文獻

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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