热动力学软件在冶金工程专业实验教学中的应用

周进东 李志强 王炜 金焱 余岳

摘 要：文章简要阐述了武汉科技大学冶金专业实验教学的内容及存在的问题，介绍了热动力学软件在整个冶金流程中的应用，探讨了热动力学软件在冶金工程专业实验教学中的重要性，并对“虚实”结合的实验教学过程进行了初步设计。

关键词：热动力学软件；冶金工程；实验教学；“虚实”结合

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）04-0070-03

Abstract： This paper briefly expounds the contents and problems of metallurgical experiment teaching in Wuhan University of Science and Technology， introduces the application of thermal and kinetic software in the whole metallurgical process， and discusses the importance of thermal and kinetic software in metallurgical engineering experiment teaching， and experimental teaching process of the combination "virtual-reality" is preliminarily designed.

Keywords： thermal and kinetic software； Metallurgical Engineering； experimental teaching； combination of "virtual- reality"

冶金工程专业是典型具有工程背景的专业，掌握扎实的工程技术能力和职业技能是企业所强烈要求的。实验教学是冶金工程专业人才实践能力培养和本科教学中最重要的实践教学环节。通过实验教学，加深学生对所学理论知识的理解，了解和学习先进的实验方法和技巧，提高学生的实践动手能力，分析和解决问题的能力，在创新性人才培养中起着不可替代的作用。

在工程教育专业认证制度背景下要求冶金工程专业本科生在毕业时，应具备“选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对冶金反应过程的预测与模拟，并能够理解其局限性” 的能力。为此，武汉科技大学在教学上开设了《计算机冶金学基础》和《计算机冶金实训》等课程，让学生了解了热动力学软件的实用性，没有结合实际问题进行应用，缺乏实际应用和解决实际问题的能力。而传统的冶金实验教学过程中也存在诸多问题，如果能将实验室實验和热动力学软件进行结合，利用各自的优点，寻找一种既能使学生能够接触新的现代工程工具，又能培养学生解决实际问题的能力的实验教学方式，是当前实验教学达到培养冶金人才的目标所必需的。

因此，本文针对武汉科技大学冶金工程专业传统实验教学过程中存在的问题，将当前成熟的热动力学软件引用到冶金工程专业实验教学中，并对 “虚实”结合的实验教学过程进行了初步设计。

一、传统实验教学内容及存在的问题

武汉科技大学冶金工程专业实验包括冶金基础实验和冶金实验两部分。冶金基础实验包括传输原理实验和冶金原理实验。主要针对《冶金传输原理》和《钢铁冶金原理》两门必修课程的相关内容，安排相应的实验。其目的是通过相关实验，理论联系实际，加深学生对该门课程某章节或某个知识点的理解，同时使学生获得对冶金过程的感性知识，了解和掌握各种实验方法，激发学生的学习兴趣。冶金实验包括：烧结、炼铁综合实验、低温还原粉化、炼钢及钢品质检测综合实验、转炉水力学模型、电磁搅拌冷模拟、钢坯冷酸洗等。主要针对钢铁生产流程各个工序的原料优化、操作条件、产品质量检测等开展相应实验，其目的是进一步加强学生对冶金专业的认识，掌握相应的实验方法和手段对冶金过程进行优化，促使学生达到企业和社会的要求，提高从业竞争力，胜任冶金及相关领域的生产、设计、组织和管理等专门技术工作。

在传统实验教学过程中主要存在着以下问题：

1. 冶金实验教学以“传授式”为主，即授课教师准备好实验原料和设备，简单介绍实验原理、操作步骤及注意事项，学生只需“依葫芦画瓢”完成实验，获得实验结果，然后完成实验报告，学生完全处于被动接受状态，积极性和主动性不高。

2. 传统冶金实验大部分属于高温实验，还有一些实验在还原气氛中进行，需要通入CO或H2等气体，有一定的危险性。此外，实验设备庞大、价格昂贵、台数有限，且实验等待时间长。因此，实验只能以小组为单位进行，难以满足每个学生亲自操作，从而导致大多高温实验成了走马观花式的演示性实验，严重影响了学生对实验课程的学习兴趣。

3. 我校冶金工程专业本科学生每届人数在100人左右，而专职实验室教师只有3人（2人实验师，助理实验师1人），实验教学教师队伍建设滞后。限于教师人数和实验设备数量，采取小班和小组制，教师不可能照顾到每个学生，难免有学生偷懒的情况。

二、热动力学软件在实验教学中的应用及重要性

针对以上传统实验教学存在的问题，武汉科技大学尝试在传统实验教学的基础上，将当前较为流行的热动力学软件：FactSage热力学软件和ANSYS Fluent流体动力学软件，引入到冶金实验教学中。

当前，热动力学软件FactSage软件和ANSYS Fluent软件已在高炉冶炼[1-3]、铁水预处理[4-6]、炼钢[7]、连铸[8]、有色金属冶炼及钢种开发[9]等方面的科学研究中得到了广泛应用，基本覆盖了整个钢铁生产流程，满足冶金工程实验教学的要求和目的。

将热动力学软件引入冶金专业实验教学可发挥以下作用：

1. 冶金专业实验教学是学生探索科学实验方法和进行基本技能训练的重要教学环节，当前单一利用实验室设备进行教学，内容范围窄，单次演示实验不能激发学生的科研兴趣，将较为成熟的热动力学软件引入实验教学中，可帮助学生对某一冶金复杂问题进行深入研究和学习；利用热动力学模拟优化的结果，设计出合理的实验方案，然后利用实验室设备进行相关的实验，对模拟优化结果进行验证，从以“传授式”为主的教学模式，转变为学生“自主”实验的教学模式，锻炼和培养学生的科学实验能力和动手能力。

2. FactSage热力学软件和ANSYS Fluent动力学软件在冶金流程中应用广泛，基本涉及所有工序高炉炼铁-铁水预处理-炼钢-连铸，以及有色金属和钢种开发，满足实验教学的要求和目的。本科实验教学中应用热动力学软件，并与当前实验室高温模拟实验或冷模拟实验相结合，不仅能激发了学生实验操作积极性和兴趣，还能拓宽学生的知识面和科学的研究方法，培养学生创新精神和独立分析问题、解决问题的能力。学生在“开放环境”中轻松完成模拟优化实验，实验教师毋需担心实验的危险性、实验台数不够以及实验成本等问题。学生在实验模拟优化过程中，还可加深学生对所学理论知识的理解，掌握科学地研究方法，提高学习的积极性，并为以后从事相关科研工作打下坚实的基础。

三、“虚实”结合实验教学过程设计

传统实验教学过程主要以教师为中心，从实验原料的准备到实验的设计及实施都是以教师为主，学生由于人数多，存在少数人偷懒或不动手的情况，整个实验“走马观花”，实验后的报告也是千篇一律，甚至相互抄袭，没有达到实验的教学目的。将成熟的热动力学软件引入到实验教学中，如何提高学生的实验积极性和动手能力，如何培养学生的创新精神和分析与解决问题的能力，就需要设计一种“以学生为中心、以能力输出为导向”的新型实验教学模式，如图1所示。

1. 教师结合现有的实验设备与热动力学软件拟定实验题目，题目数为学生总人数的1/3～1/2，即2～3人为1组，分派1个实验题目。

2. 学生自由组合，自主选取教师所拟题目中的1个题目，推选1个组长，由组长分派每个成员的任务，进行分工协作，发挥个人和团队精神。

3. 根据选取的实验题目，小组成员一起查阅国内外有关文献，总结研究现状，设计实验方案。

4. 利用热（动）力学软件按实验方案进行计算，对计算结果分析得到最佳实验方案。

5. 在实验室有關设备上对最佳实验方案进行实验，验证计算结果。

6. 撰写实验报告，其内容包括文献综述、实验方案设计、热（动）力学软件计算过程及结果分析、实验室验证实验过程及结果。

7. 为了扩大学生的知识面，了解各种实验设备和研究方法，让每组制作PPT课件，进行交流讨论，加深学生的科研兴趣。

通过新型实验教学模式，不仅是为了让学生了解冶金实验设备和操作，而是通过实验教学让学生了解什么是“科学研究”，锻炼学生独立思考的能力和动手能力，同时，在实验过程中，培养学生的阅读能力、分析问提和解决问题的能力、能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究的能力、能够利用现代工具解决复杂工程问题的能力、能够协调个体和团队关系的能力以及能够与同行进行有效沟通和交流的能力。

四、结束语

冶金专业实验教学是学生探索科学实验方法和进行基本技能训练的重要教学环节，当前单一利用实验室设备进行教学，内容范围窄，单次演示实验很难激发学生的科研兴趣，在传统实验教学的基础上引入成熟的热动力学软件，不仅能激发了学生对专业课程和科学研究的兴趣，拓宽学生的知识面，掌握科学的研究方法，还能培养学生创新精神和分析与解决问题的能力，从而达到培养冶金人才的目标。

参考文献：

[1]任山，张建良，刘伟剑，等.高炉喷吹煤粉的灰熔融特性[J].钢铁研究学报，2012，24（10）：11-15.

[2]袁辉，金焱，薛正良，等.高炉出铁过程中铁水非稳态流动对炉缸炉底侵蚀的影响[J].钢铁研究学报，2017，29（7）：544-550.

[3]金焱，袁辉，祝俊俊，等.高炉风口回旋区内温度分布的模拟分析[J].武汉科技大学学报，2017，40（1）：1-4.

[4]金焱，毕学工.铁水脱磷处理涉及渣系的计算相图分析[J].武汉科技大学学报，2008，31（6）：601-604.

[5]周进东，黄治成.高磷铁水脱磷的热力学分析[J].武汉科技大学学报，2018，41（3）：161-166.

[6]毕学工，岳锐，周进东，等.基于Fluent的搅拌流场模拟研究[J]. 武汉科技大学学报，2012，35（5）：321-324.

[7]张立峰，李菲，方文.钢液钙处理过程中钙加入量精准计算的热力学研究[J].炼钢，2016，32（2）：1-8.

[8]杨康，金焱，成功，等.湍流控制器结构对中间包流场影响的数值模拟[J].铸造技术，2014，35（9）：2076-2078.

[9]曹战民，宋晓艳，乔芝郁.热力学模拟软件FactSage及其应用[J]. 稀有金属，2008，32（2）：216-219.