新形勢下“冶金原理”教學(xué)內(nèi)容與手段革新的探討

黃宇坤 彭偉軍 黃琴 曹亦俊

鄭州大學(xué)中原關(guān)鍵金屬實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州 450001

基礎(chǔ)專業(yè)課程改革創(chuàng)新是推動工科一流本科課程建設(shè)良好發(fā)展的重要舉措之一。為加強(qiáng)本科教育質(zhì)量，教育部發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》等一系列重要文件，對工科本科生教育提出了新的要求和指導(dǎo)意見。“冶金原理”是冶金工程專業(yè)本科生重要的基礎(chǔ)專業(yè)課程，是物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等基礎(chǔ)知識與冶金學(xué)等專業(yè)知識的重要銜接課程，也是本科生解決冶金相關(guān)技術(shù)問題、繼續(xù)學(xué)習(xí)深造從事科學(xué)研究工作的重要理論基礎(chǔ)[1-2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及社會的進(jìn)步，一方面，金屬產(chǎn)品的種類及純度供應(yīng)需求發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。鐵、鋁等大宗金屬的需求頂峰即將或已達(dá)頂峰，近年來提出的鎵、銦、鍺、鈷、鋰等戰(zhàn)略關(guān)鍵小眾金屬的需求將持續(xù)快速增長，且將成為制約高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原料。另外，經(jīng)過多年發(fā)展，鐵、鋁、鋅、銅等金屬的冶煉理論與技術(shù)相對成熟，而小眾的關(guān)鍵金屬冶煉理論和技術(shù)仍有較大挑戰(zhàn)與機(jī)遇。另一方面，隨著電子計算機(jī)及相關(guān)軟件的快速發(fā)展，冶金學(xué)科專業(yè)軟件的開發(fā)與應(yīng)用也得到了長足發(fā)展。因此，在金屬需求由大宗金屬向小眾關(guān)鍵金屬轉(zhuǎn)變及計算機(jī)科學(xué)快速發(fā)展的背景下，“冶金原理”課程內(nèi)容也應(yīng)與時俱進(jìn)，合理完善“冶金原理”教學(xué)內(nèi)容覆蓋面和適應(yīng)性，對提高本科生教學(xué)質(zhì)量具有重要意義[3-4]。

一、冶金工程行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)意義上，冶金工程主要是從礦石原料中提取金屬、獲得合格金屬錠或化合物的科學(xué)，主要以黑色金屬和鋁、鋅、銅等有色金屬為主體。經(jīng)過近幾十年的科研攻關(guān)與行業(yè)發(fā)展，鋼鐵、鋁等主要大宗金屬的冶金過程所涉及的原理及其工藝技術(shù)體系取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，已相對成熟。目前困擾行業(yè)發(fā)展的主要問題在于能耗的降低、生產(chǎn)效率的提升以及設(shè)備自動化控制的開發(fā)等，更多體現(xiàn)的是經(jīng)濟(jì)效益等非過程原理的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新能源、電子信息等領(lǐng)域的快速進(jìn)步以及在社會生產(chǎn)、國防軍工等方面的重要作用，銦、鍺、鈷、鋰、鋯、鉭、鈮等小眾金屬的需求量大幅度提升，逐漸引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，被稱為關(guān)鍵金屬。在大宗金屬需求量趨于飽和的背景下，金屬供應(yīng)重心必然向小眾的功能性金屬轉(zhuǎn)變。然而，大宗金屬由于礦物原料品位高、產(chǎn)品品質(zhì)要求低，其冶煉過程大多采用“三高一強(qiáng)”的冶金過程；由于小眾關(guān)鍵金屬難以獨(dú)立成礦，在礦物中大多以伴生形態(tài)賦存，品位較低，且功能化材料對金屬高純品質(zhì)具有很高的要求，其冶煉過程需要精細(xì)化富集、分離、提純，采用現(xiàn)有大宗金屬冶金的工藝過程難以獲得理想的冶煉效果。在冶金原理和方法上，相比于大宗金屬強(qiáng)反應(yīng)體系與過程，更加注重微量金屬元素的富集與金屬元素間的分離，必須以強(qiáng)選擇性為反應(yīng)的主導(dǎo)思維。現(xiàn)有的“冶金原理”授課體系為更便于理解，主要以大宗金屬冶金過程為實(shí)體，將物理化學(xué)知識擴(kuò)展到冶金過程中來，較少涉及微量元素富集、分離原理方面的知識。因此，冶金工程面臨的對象將轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞指鼮閺?fù)雜的礦物原料，冶金產(chǎn)品要求雜質(zhì)含量更低，由傳統(tǒng)意義上的冶煉提取轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮槔щy的微量目標(biāo)金屬與宏量雜質(zhì)的分離提取、主金屬與痕量雜質(zhì)元素的純化分離過程。冶金對象、過程、目標(biāo)都發(fā)生重大改變的背景下，相應(yīng)地，冶金工程本科生的教育也應(yīng)順應(yīng)時代的發(fā)展和需要，積極做出探索與改革，拓寬本科生知識架構(gòu)，以適應(yīng)新形勢下的就業(yè)、科學(xué)研究需求[5]。

二、“冶金原理”課程教學(xué)內(nèi)容的改革

冶金工業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，尤其是關(guān)鍵金屬在高新技術(shù)領(lǐng)域的重要支撐作用，使得關(guān)鍵金屬冶金工業(yè)近年來更是成為國際間國家競爭的重要支點(diǎn)。目前，各高校“冶金工程”課程設(shè)置、教材有所差異，總體來說，大多包含“冶金原理(冶金物理化學(xué))”“鋼鐵冶金學(xué)”“有色金屬冶金學(xué)”等核心專業(yè)課程。教材主要有中南大學(xué)李洪桂老師主編、科學(xué)出版社出版的《冶金原理》，馬榮駿老師主編、冶金工業(yè)出版社出版的《濕法冶金原理》，傅崇說老師主編、冶金工業(yè)出版社出版的《有色冶金原理》等。為拓寬本科生就業(yè)、深造口徑，冶金工程專業(yè)本科生不僅要學(xué)習(xí)火法冶金理論知識和技術(shù)體系，也要掌握濕法冶金相關(guān)理論和技術(shù)[6-7]；從金屬種類上來說，鋼鐵、鋁/鋅/銅以及銦、鍺、鎵等眾多金屬的冶煉技術(shù)體系也需要充分了解。在寬口徑培養(yǎng)教學(xué)思想主導(dǎo)下，授課課時不斷被壓縮，然而授課內(nèi)容卻不斷需要更新增加，教學(xué)學(xué)時與教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾日益突出，現(xiàn)有教學(xué)架構(gòu)和體系需要做出相應(yīng)的改變。一方面，應(yīng)打破“鋼鐵冶金學(xué)”“有色金屬冶金學(xué)”和“冶金原理”等課程間的界面，在授課冶金三元系相圖、熱力學(xué)平衡圖等內(nèi)容時，主動結(jié)合相應(yīng)金屬冶煉技術(shù)體系，做到理論結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)，提高學(xué)以致用思維[8]。如CaO-SiO2-Al2O3三元系相圖與高爐煉鐵工藝的結(jié)合、Zn-S-O系熱力學(xué)平衡圖及Zn-H2O系電位-pH圖與硫化鋅精礦焙燒—濕法浸出工藝的結(jié)合等。另一方面，在授課過程中，應(yīng)更多關(guān)注小眾金屬的冶煉與“冶金原理”的結(jié)合方面，如在熱力學(xué)平衡圖疊加中，講授了Zn-Fe-H2O系電位-pH的相關(guān)知識，以及硫化鋅精礦焙砂在浸出過程中利用Zn-Fe-H2O系電位-pH分析如何實(shí)現(xiàn)鋅焙砂中鋅、鐵的分離。鑒于硫化鋅精礦伴生銦資源是銦冶煉工業(yè)的主要原料，在此部分內(nèi)容講解時，也應(yīng)該結(jié)合銦在鋅精礦焙燒及浸出過程中鋅、鐵、銦等復(fù)雜復(fù)合氧化物的浸出理論知識，并適當(dāng)介紹濕法煉鋅工藝中銦的提取工藝過程。

基于此，在授課學(xué)時壓縮和拓寬知識面要求的背景下，應(yīng)打破“冶金原理”“冶金學(xué)”等課程在理論知識、工藝過程上的界限，更加注重小眾關(guān)鍵金屬提取理論和技術(shù)方面，科學(xué)重組教材內(nèi)容，使“冶金原理”理論知識與冶金工藝過程技術(shù)內(nèi)容能夠有效結(jié)合，使理論知識與其應(yīng)用緊密聯(lián)系，達(dá)到學(xué)以致用的目的，提高學(xué)生理論知識理解深度，使學(xué)生能夠舉一反三，又不會重復(fù)脫節(jié)。

三、“冶金原理”教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)軟件的結(jié)合授課探索

“冶金原理”課程理論性較強(qiáng)，四年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，一味地講授課程內(nèi)容效果不理想，雖能在課程考核壓力下使學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶，但學(xué)生對所學(xué)知識理解有限且不能形成有效的應(yīng)用思維，對理論知識的學(xué)習(xí)普遍存在考完就忘的現(xiàn)象，不利于學(xué)生學(xué)以致用并進(jìn)一步創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[9]。此問題的產(chǎn)生，一方面是由于受限于授課時長，不能夠更為詳細(xì)地講解在實(shí)際工藝中的應(yīng)用分析；另一方面是由于現(xiàn)有教材中諸多手段未能及時更新，實(shí)用性不強(qiáng)。因此，亟待與時俱進(jìn)強(qiáng)化“冶金原理”教學(xué)內(nèi)容與手段。

冶金熱力學(xué)及相圖分析是“冶金原理”的核心內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)課程中授課內(nèi)容、教材中具體案例的分析以及課后習(xí)題的答疑，在一定程度上能夠使學(xué)生掌握熱力學(xué)計算方法以及某一實(shí)例的分析能力。然而，受課程學(xué)時及具體實(shí)例的限制，授課時并不能夠帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行查閱熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊、可能反應(yīng)分析、數(shù)據(jù)計算、制圖等一系列的具體授課內(nèi)容，也不可能針對每一種金屬、每一個冶煉體系面面俱到。因此，學(xué)生很難做到利用熱力學(xué)知識分析具體冶金過程問題。如，書中講解了CaO-SiO2-Al2O3三元系相圖，但在碰到新的體系時，繪制新體系相圖的方法并沒有涉及，就造成學(xué)生知其然而不知其所以然，仍然不明白應(yīng)該如何分析新體系在試驗(yàn)條件下的相圖。此外，熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊雖版本眾多，但往往出版年代較久，很多物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)并沒有得到更新或者查不到對應(yīng)物質(zhì)數(shù)據(jù)，需要廣泛查閱文獻(xiàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，這給熱力學(xué)平衡圖的繪制工作造成很大的困擾。隨著冶金行業(yè)發(fā)展及轉(zhuǎn)變，冶煉的原料、反應(yīng)過程也越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)熱力學(xué)計算方法在分析現(xiàn)代冶金工業(yè)具體問題時存在一定局限性。

數(shù)據(jù)手冊等傳統(tǒng)分析手段已難以滿足分析實(shí)際問題的需要，且需要大量的查閱、計算等工作。專業(yè)計算軟件的出現(xiàn)與發(fā)展為“冶金原理”理論知識的教學(xué)與應(yīng)用開拓了全新模式。如今的學(xué)習(xí)、科研工作中，諸如FactSage、HSC、Visual MINTEQ等一批成熟的商業(yè)化熱力學(xué)計算軟件已成為學(xué)生、工程師、科研人員研究冶金過程不可或缺的有效手段。這些軟件擁有強(qiáng)大的計算功能，完善的數(shù)據(jù)庫并能夠?qū)崟r更新，為繪制冶金熱力學(xué)分析的多元多相平衡圖、優(yōu)勢區(qū)圖、電位-pH圖提供了便捷，且精確度更高。相比于教材中查找熱力學(xué)手冊——人工計算的模式，熱力學(xué)計算軟件的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性，繪制相同的熱力學(xué)平衡圖，采用專業(yè)軟件僅需幾分鐘，大大縮短了工作時間。如在授課過程中，充分講解熱力學(xué)平衡圖繪制過程需要遵循的相律、同時平衡、逐級轉(zhuǎn)變等原則，然后通過介紹軟件的使用方法，利用軟件繪制不同參數(shù)、不同組分的熱力學(xué)平衡圖，使學(xué)生掌握如何科學(xué)高效地進(jìn)行熱力學(xué)分析，并通過布置繪制不同參數(shù)、不同體系條件下的熱力學(xué)平衡圖作業(yè)的方式，使學(xué)生鞏固軟件操作流程，為今后的其他具體問題熱力學(xué)分析奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)語

在高新技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展的背景下，對冶金行業(yè)產(chǎn)品的金屬種類需求和純度要求已發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。冶金高質(zhì)量人才培養(yǎng)是冶金行業(yè)健康發(fā)展的重要支撐。順應(yīng)產(chǎn)業(yè)需要，應(yīng)合理改善冶金核心課程“冶金原理”的授課內(nèi)容及側(cè)重點(diǎn)。在教學(xué)內(nèi)容上，注重新時代金屬需求核心的關(guān)鍵金屬，更多體現(xiàn)“冶金原理”知識在關(guān)鍵金屬冶金中的應(yīng)用；教學(xué)方式上，加強(qiáng)先進(jìn)手段在分析具體問題中的應(yīng)用示范，既要掌握理論基礎(chǔ)，又能以計算軟件解決實(shí)際問題。