新形势下“冶金原理”教学内容与手段革新的探讨

黄宇坤 彭伟军 黄琴 曹亦俊

郑州大学中原关键金属实验室 河南郑州 450001

基础专业课程改革创新是推动工科一流本科课程建设良好发展的重要举措之一。为加强本科教育质量，教育部发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》等一系列重要文件，对工科本科生教育提出了新的要求和指导意见。“冶金原理”是冶金工程专业本科生重要的基础专业课程，是物理化学、有机化学等基础知识与冶金学等专业知识的重要衔接课程，也是本科生解决冶金相关技术问题、继续学习深造从事科学研究工作的重要理论基础[1-2]。

随着科学技术的发展及社会的进步，一方面，金属产品的种类及纯度供应需求发生了重大转变。铁、铝等大宗金属的需求顶峰即将或已达顶峰，近年来提出的镓、铟、锗、钴、锂等战略关键小众金属的需求将持续快速增长，且将成为制约高新技术产业发展的重要原料。另外，经过多年发展，铁、铝、锌、铜等金属的冶炼理论与技术相对成熟，而小众的关键金属冶炼理论和技术仍有较大挑战与机遇。另一方面，随着电子计算机及相关软件的快速发展，冶金学科专业软件的开发与应用也得到了长足发展。因此，在金属需求由大宗金属向小众关键金属转变及计算机科学快速发展的背景下，“冶金原理”课程内容也应与时俱进，合理完善“冶金原理”教学内容覆盖面和适应性，对提高本科生教学质量具有重要意义[3-4]。

一、冶金工程行业的发展现状

传统意义上，冶金工程主要是从矿石原料中提取金属、获得合格金属锭或化合物的科学，主要以黑色金属和铝、锌、铜等有色金属为主体。经过近几十年的科研攻关与行业发展，钢铁、铝等主要大宗金属的冶金过程所涉及的原理及其工艺技术体系取得了相当大的进步，已相对成熟。目前困扰行业发展的主要问题在于能耗的降低、生产效率的提升以及设备自动化控制的开发等，更多体现的是经济效益等非过程原理的问题。随着科学技术的发展，新能源、电子信息等领域的快速进步以及在社会生产、国防军工等方面的重要作用，铟、锗、钴、锂、锆、钽、铌等小众金属的需求量大幅度提升，逐渐引起世界范围内的广泛关注，被称为关键金属。在大宗金属需求量趋于饱和的背景下，金属供应重心必然向小众的功能性金属转变。然而，大宗金属由于矿物原料品位高、产品品质要求低，其冶炼过程大多采用“三高一强”的冶金过程；由于小众关键金属难以独立成矿，在矿物中大多以伴生形态赋存，品位较低，且功能化材料对金属高纯品质具有很高的要求，其冶炼过程需要精细化富集、分离、提纯，采用现有大宗金属冶金的工艺过程难以获得理想的冶炼效果。在冶金原理和方法上，相比于大宗金属强反应体系与过程，更加注重微量金属元素的富集与金属元素间的分离，必须以强选择性为反应的主导思维。现有的“冶金原理”授课体系为更便于理解，主要以大宗金属冶金过程为实体，将物理化学知识扩展到冶金过程中来，较少涉及微量元素富集、分离原理方面的知识。因此，冶金工程面临的对象将转变为成分更为复杂的矿物原料，冶金产品要求杂质含量更低，由传统意义上的冶炼提取转变为更为困难的微量目标金属与宏量杂质的分离提取、主金属与痕量杂质元素的纯化分离过程。冶金对象、过程、目标都发生重大改变的背景下，相应地，冶金工程本科生的教育也应顺应时代的发展和需要，积极做出探索与改革，拓宽本科生知识架构，以适应新形势下的就业、科学研究需求[5]。

二、“冶金原理”课程教学内容的改革

冶金工业是国家经济的基础工业，尤其是关键金属在高新技术领域的重要支撑作用，使得关键金属冶金工业近年来更是成为国际间国家竞争的重要支点。目前，各高校“冶金工程”课程设置、教材有所差异，总体来说，大多包含“冶金原理(冶金物理化学)”“钢铁冶金学”“有色金属冶金学”等核心专业课程。教材主要有中南大学李洪桂老师主编、科学出版社出版的《冶金原理》，马荣骏老师主编、冶金工业出版社出版的《湿法冶金原理》，傅崇说老师主编、冶金工业出版社出版的《有色冶金原理》等。为拓宽本科生就业、深造口径，冶金工程专业本科生不仅要学习火法冶金理论知识和技术体系，也要掌握湿法冶金相关理论和技术[6-7]；从金属种类上来说，钢铁、铝/锌/铜以及铟、锗、镓等众多金属的冶炼技术体系也需要充分了解。在宽口径培养教学思想主导下，授课课时不断被压缩，然而授课内容却不断需要更新增加，教学学时与教学内容之间的矛盾日益突出，现有教学架构和体系需要做出相应的改变。一方面，应打破“钢铁冶金学”“有色金属冶金学”和“冶金原理”等课程间的界面，在授课冶金三元系相图、热力学平衡图等内容时，主动结合相应金属冶炼技术体系，做到理论结合实际生产技术，提高学以致用思维[8]。如CaO-SiO2-Al2O3三元系相图与高炉炼铁工艺的结合、Zn-S-O系热力学平衡图及Zn-H2O系电位-pH图与硫化锌精矿焙烧—湿法浸出工艺的结合等。另一方面，在授课过程中，应更多关注小众金属的冶炼与“冶金原理”的结合方面，如在热力学平衡图叠加中，讲授了Zn-Fe-H2O系电位-pH的相关知识，以及硫化锌精矿焙砂在浸出过程中利用Zn-Fe-H2O系电位-pH分析如何实现锌焙砂中锌、铁的分离。鉴于硫化锌精矿伴生铟资源是铟冶炼工业的主要原料，在此部分内容讲解时，也应该结合铟在锌精矿焙烧及浸出过程中锌、铁、铟等复杂复合氧化物的浸出理论知识，并适当介绍湿法炼锌工艺中铟的提取工艺过程。

基于此，在授课学时压缩和拓宽知识面要求的背景下，应打破“冶金原理”“冶金学”等课程在理论知识、工艺过程上的界限，更加注重小众关键金属提取理论和技术方面，科学重组教材内容，使“冶金原理”理论知识与冶金工艺过程技术内容能够有效结合，使理论知识与其应用紧密联系，达到学以致用的目的，提高学生理论知识理解深度，使学生能够举一反三，又不会重复脱节。

三、“冶金原理”教学内容与专业软件的结合授课探索

“冶金原理”课程理论性较强，四年的教学实践发现，一味地讲授课程内容效果不理想，虽能在课程考核压力下使学生进行学习和记忆，但学生对所学知识理解有限且不能形成有效的应用思维，对理论知识的学习普遍存在考完就忘的现象，不利于学生学以致用并进一步创新能力的培养[9]。此问题的产生，一方面是由于受限于授课时长，不能够更为详细地讲解在实际工艺中的应用分析；另一方面是由于现有教材中诸多手段未能及时更新，实用性不强。因此，亟待与时俱进强化“冶金原理”教学内容与手段。

冶金热力学及相图分析是“冶金原理”的核心内容。通过学习课程中授课内容、教材中具体案例的分析以及课后习题的答疑，在一定程度上能够使学生掌握热力学计算方法以及某一实例的分析能力。然而，受课程学时及具体实例的限制，授课时并不能够带领学生进行查阅热力学数据手册、可能反应分析、数据计算、制图等一系列的具体授课内容，也不可能针对每一种金属、每一个冶炼体系面面俱到。因此，学生很难做到利用热力学知识分析具体冶金过程问题。如，书中讲解了CaO-SiO2-Al2O3三元系相图，但在碰到新的体系时，绘制新体系相图的方法并没有涉及，就造成学生知其然而不知其所以然，仍然不明白应该如何分析新体系在试验条件下的相图。此外，热力学数据手册虽版本众多，但往往出版年代较久，很多物质的热力学数据并没有得到更新或者查不到对应物质数据，需要广泛查阅文献中的相关数据，这给热力学平衡图的绘制工作造成很大的困扰。随着冶金行业发展及转变，冶炼的原料、反应过程也越来越复杂，传统热力学计算方法在分析现代冶金工业具体问题时存在一定局限性。

数据手册等传统分析手段已难以满足分析实际问题的需要，且需要大量的查阅、计算等工作。专业计算软件的出现与发展为“冶金原理”理论知识的教学与应用开拓了全新模式。如今的学习、科研工作中，诸如FactSage、HSC、Visual MINTEQ等一批成熟的商业化热力学计算软件已成为学生、工程师、科研人员研究冶金过程不可或缺的有效手段。这些软件拥有强大的计算功能，完善的数据库并能够实时更新，为绘制冶金热力学分析的多元多相平衡图、优势区图、电位-pH图提供了便捷，且精确度更高。相比于教材中查找热力学手册——人工计算的模式，热力学计算软件的学习具有很强的实用性和先进性，绘制相同的热力学平衡图，采用专业软件仅需几分钟，大大缩短了工作时间。如在授课过程中，充分讲解热力学平衡图绘制过程需要遵循的相律、同时平衡、逐级转变等原则，然后通过介绍软件的使用方法，利用软件绘制不同参数、不同组分的热力学平衡图，使学生掌握如何科学高效地进行热力学分析，并通过布置绘制不同参数、不同体系条件下的热力学平衡图作业的方式，使学生巩固软件操作流程，为今后的其他具体问题热力学分析奠定坚实基础。

结语

在高新技术领域快速发展的背景下，对冶金行业产品的金属种类需求和纯度要求已发生重大转变。冶金高质量人才培养是冶金行业健康发展的重要支撑。顺应产业需要，应合理改善冶金核心课程“冶金原理”的授课内容及侧重点。在教学内容上，注重新时代金属需求核心的关键金属，更多体现“冶金原理”知识在关键金属冶金中的应用；教学方式上，加强先进手段在分析具体问题中的应用示范，既要掌握理论基础，又能以计算软件解决实际问题。