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《冶金传输原理》教学改革与创新
摘要：在分析国内外传统冶金高校冶金传输原理课程教学现状的基础上，总结了目前冶金传输原理教学存在的问题，构建了以知识结构为主旨的冶金传输原理教学体系。建立了 “课程内容设计→课堂知识讲授→重要知识体验→知识升华演绎→学习效果反馈”的完备教学循环体系；创造性的开展了冶金传输原理诗词大赛，深化知识体验；建立了开放教学实验平台，强化了知识运用。通过以上措施，提高学生学习兴趣，提升了教学质量。
关键词：传输原理；知识体系；教学质量
Teaching Reform and Creativity of Principles of Transport Phenomena in Metallurgy
Zuo Haibin
State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,
Abstract：On the basis of investigation on teaching of principles of transport phenomena in metallurgy executed in major domestic and foreign universities with metallurgical characteristics, the teaching problems were summarized and teaching system instructed by knowledge structure was established subsequently. A complete teaching circulatory system was created, consisting of design of teaching content, classroom lecturing, important knowledge experience, knowledge sublimation and deduction and learning effect feedback. Additionally, poem contest about metallurgical transport knowledge was conducted, in which students sublimated the transport knowledge in the form of poem, song or other styles and presented them. This activity aims to deepen the students’ knowledge comprehension. Opening teaching experiments platform was set up to help students consolidate the knowledge. Through above measures, learning interest and teaching quality have been improved significantly.
Key Wards: transport phenomena; knowledge structure; teaching quality
冶金传输原理与冶金物理化学、金属学一起构成了冶金工程专业的专业基础。它以高等数学、大学物理、物理化学等课程为基础，进一步向冶金应用理论延伸，作为深入理解和解释专业知识的理论与工具，起到了重要的承上启下作用[1-2]。冶金传输原理教学体系自20世纪70年代建立，至今已有40年左右，冶金传输原理课程内容庞杂，物理概念抽象，计算公式繁多，数学推导烦琐，一直被公认为是“教师难教，学生犯难”的一门专业基础课程[3-6]。许多同学难以深刻理解所学内容，往往通过死记硬背勉强通过考试，在似懂非懂中便结束了课程的学习，对今后继续深造，提高专业技术水平形成了一定的障碍。从行业发展角度看，冶金规模快速扩张阶段已然成为历史，冶金行业发展进入新常态，为缓解过剩产能提出的供给侧改革对冶金工程技术人员的综合设计开发能力提出了更高的要求，也为高校冶金人才的培养提出了新的挑战[7]。因此，夯实理论基础并加强理论实践将成为新时期人才培养的重点。
一、冶金传输原理课程现状
为更加有针对性的制定有效措施，提高冶金传输原理教学质量，对国内外17所冶金相关高校的课程开展情况进行了调研。调研院校冶金传输原理课程平均学时数为56。最多80学时，最少30学时。各高校教学学时数较开课之初均呈现减少趋势，但教学内容却并没有减少，因此对教学效率提出了更高的要求。从国外来看，教学学时更少，亚琛工业大学为43学时，其中还包括16学时的课外辅导；东京大学为30学时。国外授课偏向于基本方程和基本理论，更注重学生自学，通过综合性的作业来促进学生对所学知识的理解与应用。教材方面，沈巧珍、杜建明编写的教材使用率最高（6/17），其次为沈颐身编写的教材（3/16），其余基本由本校教师编写，值得一提的是，国内东北大学采用了英文教材。在成绩考核方面，82.3%的学校采用闭卷考试，并辅以不同比例的平时成绩。亚琛大学为三道综合计算题，东京大学为50%报告+50%考试。在其他教学环节中，64.7%的学校设有不同学时的实验课，以此增加同学们对所需知识的理解，激发学习兴趣。调研的国外两所高校没有相应的实验课程，一是与较少的学时数有关；另外国外学生人数少，实验条件普遍较好，学生可根据兴趣自由选择进行相关实验。课程设置上，很多院校研究生阶段不再开设冶金传输原理课程；开设研究生课程的一般在本科阶段着重基本概念，基本原理，研究生阶段偏向一些具体问题的解决，包括建模和数值模拟计算等。此外，查阅近几年冶金工程专业硕士招生情况可知，在每年的硕士入学考试中，选择《冶金传输原理》作为专业基础课考试科目的只有寥寥数人，可见其在全国冶金工程专业学生眼中已成为“不受欢迎”的课程，这对冶金工程专业人才培养是非常不利的，也极大的挫伤了教师的教学积极性。分析各高校课程建设基本情况，并结合实际教学过程中发现的问题，总结如下：
1、课程体系建设有待加强。现行冶金工程专业本科培养计划中规定，课程在本科阶段学习重点为基本概念的理解、基本方程的建立，基本定理的应用，深入了解冶金过程中各种传输现象，为学生将来从事冶金技术开发、提高控制和设计水平打下良好的基础。但由于缺乏对冶金传输原理知识体系结构的梳理，造成具体教学过程中对教学内容以及深度的把握上缺乏整体规划，知识之间的继承与联系不强，导致同学们理解不深入。
2、教学手段有待进一步提高。目前的教学活动并没有充分利用现代化的教学方法和手段，只是将传统的板书搬到了电脑屏幕上，由于课程内容抽象、繁琐，一味单调的讲授，机械的记忆，学习起来非常被动，且容易产生厌烦心理，教学效果不能令人满意。
3、知识体验缺乏。目前的教学过程缺乏知识体验环节，没有提供学生主动体验知识的机会，甚至连演示实验也没有。从人类认知学角度来讲，知识的主观体验是知识学习过程中不能缺少的环节。因此，造成学生对知识的理解不能深入，也缺乏对传输理论实际应用的体验。
二、教学改进与创新
1、完善课程教学体系。每门课程根据其性质及应用对象都有其自身的特点和适用的教学方法，冶金传输原理是一门相对年轻的课程，其课程体系的建设一直在不断完善。冶金传输原理的内容繁杂、抽象，不易理解。与高等数学和大学物理相关教学团队进行研讨，建立课程的知识体系结构，对知识层次进行划分，按照基本定理，基本定理的广义延伸，特定条件下的推理以及实际应用及结论的层次构建知识结构图，使同学们明确新知识与已有知识的联系，便于理解、记忆和应用。如传输原理中最重要也是贯穿整个学习过程的纳维-斯托克斯方程，其本质可以从中学物理所学的牛顿第二定律F=ma得到，推导过程中用到质量守恒定律和动量定理。将特定物体的质量转换为流过一定空间坐标的流体质量，将中学物理概念中的加速度（实际为时变加速度）拓展为时变加速度和位变加速度之和。流体的受力分析除了熟知的压力，重力以及可能存在的各种外场力外，增加了流体特有的粘性力，据此就可以容易的推导出纳维-斯托克斯方程，并与已有知识建立联系。对纳维-斯托克斯方程在不考虑粘性力（理想流体）、稳定流动、不可压缩以及只有重力条件下，沿流线积分或在有势流动中积分可得到伯努利方程，属于特定条件下的推理。而毕托管、文丘里管、飞机起飞升力以及虹吸管等属于具体应用。结论对应于应用过程中得到的一些重要结果，如管道层流和湍流最大速度与平均速度的关系，层流和湍流边界层厚度与板长的关系及阻力系数等。依据此原则将冶金传输原理重点知识进行层次划分，并要求同学们画出知识层次结构图，对同学们理解、掌握整个知识体系具有很大帮助。课堂教学方面，为了帮助同学们理解所学知识，将抽象的概念具体化，制作了多种教具并设计了演示实验。如在讲授动量传输的微分方程时，制作了流体受力模型，采用多层平板代表流层，平板间利用橡皮筋连接代表粘性力。在讲述流体流动状态时，设计了雷诺演示实验，并辅以多媒体展示，丰富了教学手段。对于重点、难点内容设计了讲解策略，吸纳有经验教师和同学们的意见反馈，不断改进。重点和难点的确定一方面来源于教学大纲，另一方面通过调查问卷收集，并参考每年的试卷分析。此外在教学中，充分利用教师丰富的科研资源，将科研工作中应用传输知识的实例简化为课上讲解的例题，一方面使同学们认识到传输原理的重要性，提高学习兴趣，另一方面可以丰富课堂内容，使教学更生动。在解决知识体验问题上，采用教学实验进行弥补，利用公共实验室和专业实验室条件，设计了十余个教学实验。鼓励学生自行设计综合性验证试验，提高学生知识综合运用能力。在升华对知识的认知方面，设计了结合同学们个人兴趣爱好的教学活动——冶金传输原理诗词大赛，收到了预期效果。教学效果反馈上，针对课程整体状况、教材使用、课程设置、教师授课、学生学习以及考试情况设计了调查问卷，在每学期考试后分发，公布考试成绩前收回。每学期末，任课教师对反馈情况进行研讨，分析存在问题，提出改进策略，形成良性循环。最终形成了“课程内容设计→课堂知识讲授→重要知识体验→知识升华演绎→学习效果反馈”的完备教学循环体系，对每个具体教学环节给出明确的执行方式，具有可持续性和操作性强的特点。
2、深化知识体验。引导同学们对所学知识进行深入思考，才能更好的理解掌握；将枯燥的问题规律化才能记忆深刻。开创性的设计了冶金传输原理诗词大赛这一教学环节，利用当代大学生的多才多艺，将其自身特长、才艺、爱好转嫁应用到枯燥的专业知识学习中。以所学传输原理知识为题材，通过总结、分析以各种文学形式进行表达。作品可以是对一类具体问题如管道流动、边界层理论、对流传热等问题的系统总结，也可以是对某个具体知识点的深入剖析。作品由两部分组成，第一部分为作品的正文，第二部分为作品内容的分析、解释，篇幅不超过3000字。将抽象的理论以不同的文学形式进行表达，无疑将极大调动同学们的积极性，发挥各自想象力和创造能力。由于诗词作品讲究工整、押韵、流畅，易读易记。因此传输原理知识的文学化表达必须在对所学知识充分理解、消化的基础上才能完成，通过作品创造，提高同学们的认知。作品以答辩的形式呈现，现场打分，教师点评和同学们的陈述给大家提供了二次学习的机会，每个人都受益匪浅。作品的创作以团队形式完成，2-3人一组，创作过程中，组内同学之间的相互交流、学习是进一步巩固所学知识、完成从简单认知到灵活掌握的助推剂。每个小组针对特定传输原理知识进行总结，升华，深刻诠释知识的内涵及应用，为其他同学学习、体会该部分知识提供便利和帮助。通过不断的积累，将不断提高同学们的认知水平，事半功倍。与此同时，教师可通过作品，了解学生知识掌握状况。将好的作品汇编成册，七律、绝句、诗歌、歌曲等创作形式让一些枯燥的专业知识更接地气，给了专业知识全新的诠释。这种从学生理解角度出发的知识诠释，由于大家知识背景类似，学习程度相近，因此最易于理解，成为新同学学习的有益补充，也增加了学习兴趣。
3、建立开放教学实验平台。知识体验是学习过程中不可或缺的环节，根据教学内容要求及现有条件，设计了管道流动中的质量平衡；不可压缩流体定常流能量方程；平板法测定保温材料导热系数；卡门涡街；气隙对材料导热性能影响；流动过程中的流线和迹线；毕托管测量流体流速；雷诺实验；多种传热形式综合传热；液—液间传质；气体蒸发过程的扩散传质等11个基础教学实验。利用学院开放教学实验平台，逐渐为同学们提供服务。每个实验设计包括五个部分，实验目的、实验原理、实验设备、实验步骤、结果与讨论。实验目的和实验原理主要描述对应的传输原理知识；实验设备的介绍使同学们对实验平台有直观认识；实验步骤提供了实验操作指导；结果与讨论引导同学们进一步思考实验背后的基本理论以及对所学知识的灵活运用。此外，充分发挥教师的专业实验室资源，在开展相应科研工作时，在开放实验平台上提前公布，鼓励同学们观摩、学习和参与讨论。
三、结束语
本文在充分调研国内外教学基本状况基础上，提出通过教学体系完善、深化知识体验以及教学实验平台建设来提高学生学习兴趣，改善教学效果的一系列改革措施。研究结果对改善本课程教学质量具有较强的实践意义和较高的借鉴价值。此外冶金人才培养全国应为一盘棋，建议整合国内冶金传输原理教学优质资源，充分利用现代化网络工具，建立冶金传输原理课程网站。实现教学资源共享，建立教学课件库、习题库、学生自我测试平台，重点难点解析专栏，并定期安排优秀教师网络答疑，通过不断努力，使冶金传输原理课程建设更上一层楼。
参考文献
[1]吴 铿. 冶金传输原理[M]，冶金工业出版社，2011,12.
[2]岳 强. 冶金工程专业传输原理课程教学的创新探索与实践. 教育教学论坛[J]，2014（13）：212-213.
[3] 何 飞. 关于提高《冶金传输原理》课程学习兴趣的教学改革探讨[J]. 高教学刊，2016(3):70-71.
[4]刘 然，王杏娟，艾立群，李运刚，李俊国. 《冶金传输原理》课程教学手段的改进. 教育教学论坛[J]，2015（27）：135-136.
[5]王 超，袁守谦，杨双平，鲁 路. 冶金传输原理教学方法改革. 中国冶金教育[J], 2009(4):42-43.
[6]金永丽，李保卫，赵增武，罗果平. 冶金传输原理课程的教学内容与教学方法改革. 中国冶金教育[J], 2009（5）:36-37.
[7] 郁青春，施 哲，徐宝强，马文会，朱道飞，翟大成，杨 斌. 冶金传输原理课程的“教”与“学”. 中国冶金教育[J]，2012（2）：23-25.