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《冶金传输原理》课程教学手段的改进
《冶金传输原理》课程教学手段的改进
刘然，王杏娟，艾立群，李运刚，李俊国
（河北联合大学冶金与能源学院河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山063009）
摘要：《冶金传输原理》是冶金工程专业的一门专业基础课，其特点是概念、公式抽象，数学推导过程烦琐，应用计算过程比较复杂。针对《冶金传输原理》课程的特点，采用适宜的教学手段，对课堂教学、教学设计和管理进行改进，可以提高本课程的教学质量，调动学生的学习积极性，对培养适应社会需求的创新型人才非常必要。
关键词：冶金传输原理；教学手段；启发式教学；教学设计
作者简介：刘然（1979-），男，副教授，主要从事炼铁相关教学与研究。
一、课程的性质、内容与任务
本课程是冶金工程专业本科学生必修的专业基础课，通过学习《冶金传输原理》，可以使学生掌握动量传输、热量传输和质量传输的基本概念理论以及研究分析方法，具备分析、研究冶金过程中传输问题的能力。理解“三传”过程的内在联系及本质区别，能够应用该课程中的知识研究冶金过程中实际流体的传输问题，具备一定的计算能力，为冶金工程专业课程的学习和从事专业技术研究打下坚实的基础。
《冶金传输原理》课程主要包括动量传输、热量传输和质量传输三部分，故称之为“三传”。动量、热量和质量的传输过程既有区别，又有紧密的联系。课程内容中有大量的理论推导，包括各种守恒方程式的推导，如质量守恒定律下的连续性方程及动量守恒定律下的欧拉方程、N-S方程等。这些基本理论是在单独的相关部分中讲解的，因此部分公式推导不可避免地会出现重复，有时显得凌乱，缺乏传输原理的系统性。除此之外，学习该课程要有扎实的数学基础，学生普遍反映学习难度大，学习效率低。作为该课程的主讲教师，笔者结合近几年的教学经验和体会，对该课程的教学做出以下几方面的改革尝试，使学生在课程所规定的学时内，能够较好地掌握该课程的基础知识和基本原理，取得较好的教学效果。
二、教学方法的改进
《冶金传输原理》是冶金工程专业最主要的专业基础课程之一，该课程的最大特点是理论性非常强，涉及冶金过程的流体动力学原理、衡算方程式的推导及各种流体流动状态下的“三传”现象。在学习该课程的过程中，如果高等数学、无机化学、物理化学等课程掌握得不扎实，学习《冶金传输原理》就会感到有些吃力。针对上述情况，应对《冶金传输原理》进行教学设计和课堂教学方面的进一步改进。
1.课堂教学方面的改进。课堂教学是有计划、有步骤地实行的。课程的每一堂课必须毫无例外地按照教学大纲和教案完成规定的教学进度，只有这样才能按学时完成所有的教学课程任务。不管学生是否知道、掌握或提高，“赶”着学生按照指定的步骤“走”，完成教案内容，达到教学目的，这种教学方法实际上存在一定的封闭性，会使课堂教学变得程序、呆板和教条化，缺乏生趣和兴趣，最终必然会导致僵化。因此，作为高校教师，重要的是要培养他们分析问题、解决问题的能力。所以在课堂教学中，应充分开展课堂讨论，采用启发式教学，提高学生自主思考、主动学习的能力。在讲授新内容时，教师可以针对生活中的现象、冶金生产提出问题，然后再介绍如何解决这些问题以及解决这些问题需要具备怎样的理论知识，由此引出要讲解的新内容。（1）根据教学大纲，讲深讲透重点内容。例如，“稳定导热”内容的教学中，需要掌握平壁、圆筒壁的一维稳态导热及不稳态导热的基本概念及薄材、半无限大物体、有限厚物体的不稳态导热的基本方程。讲解过程中，首先针对钢铁企业普遍存在的传热现象提出问题，包括热风管道的传热、烟囱壁和热烟气之间的热交换等，然后介绍要解决这个问题就必须了解流体与壁面之间的热传递过程，从而引出传热过程的学习内容。在讲解连续性方程、传热微分方程等基本公式时，应注重讲解基本公式推导的思路、方法以及公式中每个物理量的具体的应用与意义。在课堂教学时，应避开复杂的数学公式推导，把授课重点放在基本概念的理解、公式推导方法的掌握及具体应用等方面，化烦琐为简单。（2）采用启发式教学，注意培养学生自主思考、主动学习的能力。启发式教学是任课教师在授课过程中依据学生学习的客观规律，使学生积极主动、自发地掌握基本知识点的教学方法。启发式教学在教育教学改革研究和实际学习中取得过许多成果。实行讨论式和启发式教学，可提高教学质量，培养学生独立思考和创新的意识，是发展素质教育对教育教学提出的新要求之一。如何落实讨论式和启发式教学的新要求，特别是怎样行之有效地实施启发式和讨论式教学需要认真的研究探讨。比如，在介绍质量传输时，在讲解完学习内容后，应再将提出的问题作为课堂讨论的内容，要求学生提出解决方案。大量的实践表明，这种发现问题、提出问题并逐步层层展开、剖析的启发式教学会大大地激发学生主动思考问题的自觉性和学习兴趣，提高分析和解决问题的能力。（3）注重课堂形象教学。《冶金传输原理》所包含的基本概念、相关公式比较抽象，学生很难在短时间内理解。所以在课堂教学中，应注重形象教学。随着计算机的普及，计算机虚拟技术在冶金传输原理实验中得到充分应用，同时提供寓教于乐的教学环境。多媒体授课无疑有着许多优点，可形象地展示图形、图像、生产工艺等教学内容，因此采用PPT、CAI、Matlab仿真工具等软件制作多种类型的电子课件是丰富教学形式、完善教学内容从而进行形象化教学的重要途径。但由于《冶金传输原理》课程的特殊性，概念、公式、理论扩展分析等内容则很难充分而完整地通过多媒体软件进行展示，因此在教学过程中应充分利用多媒体展示的同时，适时采用板书教学能够得到完美补充。（4）重视实践性环节。《冶金传输原理》课程的授课过程中应重视相关理论要联系工程实际，将具体的冶金生产流程和动态形象的3D动画素材贯穿于理论教学的各个章节，将教师的科研成果和理论教学相结合，通过例题和习题巩固工程观点，开展习题课讨论式教学。如“流体流动”一章，首先让学生观看模拟结晶器内钢水的流动过程，使学生了解钢水流动过程及其凝固原理。在介绍压缩气体流动时，以气体流速达到音速为重点，使学生充分认识氧枪达到超音速气流的条件。实践环节是对理论教学的重要补充。通过不同形式的实验，使学生增强对理论知识的理解，提高动手能力，通过金工实习、认识实习和生产实习，充分认识钢铁冶金的生产过程，增加感性认识，强化工程观点，为学生由学校到工厂、由理论到实践架起一座“桥梁”。通过冶金实验研究方法课程的学习和专业课程设计，提高学生理论基础知识与工程实际问题相结合的能力，将原来的经验设计改为优化设计，将过去的工艺和设备校验扩展成工艺设计、设备校验、经济评价和绘制工艺设备流程图等“一条龙”设计，从而真正使学生得到工程设计的综合锻炼。（5）严格考核制度。严格考核制度能够提高学生的学习积极性，培养严谨、科学的学习态度和脚踏实地的作风，同时也能够提高理论知识的学习水平。在过去，课程的考核要依据期末考试来反映学生的学习情况，面对新形势下高素质实践型、创新型人才的社会需求，必须改革现阶段应试教育的考核模式，可将期末总成绩分为平时和卷面成绩两项。各部分的比例由任课教师灵活掌握。平时考核成绩约占总成绩的30%，包括学生的课堂精神面貌、课堂回答问题情况、课下答疑情况、出勤率、作业完成情况等；卷面成绩占70%左右，试卷命题可选择多种题型，全面覆盖知识点。经过两个学期的实践，这种新形式的考核办法对“教”和“学”都具有良好的促进作用，有利于教学水平和效果的全面提高。
2.教学设计和管理的改进。在教学设计中，始终坚持“以学生为主体”、与时俱进的教学理念。从课程和学生的实际情况出发，精心准备教学内容，丰富课堂知识，采用多种教学方法和手段，采用通俗易懂的语言，联系生产和科研实例，运用例题和习题分析等新颖活泼的形式，活跃教学气氛，启发学生思考，增强教学效果，充分发挥学生的主体作用，激发学生学习的积极性和创造性。例如，学习“三传”中的动量传输的目的是要解决冶金过程中煤气流局部阻力损失和沿程阻力损失的问题，学习热量传输的目的是要提高冶金加热炉、保温设备的热效率和降低热损失问题，学习质量传输的目的是要思考如何使冶金反应速率最大化的问题，从而提高传质速率。在介绍热量传输中的辐射传热部分时，对炼铁车间热风炉如何提高风温的实际问题进行讲解。学习完本章课程后，回过头重新看原来提出的问题，让学生自己提出方案来解决此类问题，并将其作为课堂讨论内容。明确学习目的的学习方法是非常切实有效的。在实践环节的教学设计中，注重加大学生的实践动手能力，培养发现问题和分析、解决问题的能力以及创新能力。通过6周的生产实习，进一步学习冶金生产的过程，使学生最大限度地掌握冶金过程动力学的基本知识点和重难点，为下学期冶金工程的专业课学习奠定坚实的理论基础。
在教学管理方面，进一步加强和完善课程组的建设。聘请退休老教师加入课程组中来，不定期听课，传授教学经验和教学方法，研究教学内容和教学方法的改革。以相关课程为单位成立课程组，课程组之间可相互组织教师听课，经常开展教学法讨论，使之程序化、经常化。为了进一步提高青年教师的专业素质，定期举行青年教师基本功大赛。实践证明，通过一系列的措施，不但提高了整体教学水平，还增强了授课教师课堂教学的实效性，进而达到推进新课程改革的目的。
近几年来的教学改革与实践，取得了良好的教学效果。将先进的教学理论与方法密切结合，以现代的教学手段为保障，可以提高课堂教学质量，调动学生的积极性，有效地改善《冶金传输原理》课程普遍存在的“教师难教、学生难学”的现象。从培养学生的创新意识出发，结合课程教学的特点和要求，采用适宜的教学手段、教学设计对提高本课程的教学质量和水平、培养适应社会需求的创新型人才非常必要。
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