新工科背景下冶金与能源交叉专业“传输原理”教学

［摘 要］ 新工科背景下，专业与学科交叉、融合、渗透越来越广泛和深入，是当今科技发展的重要趋势。跨学科和跨专业的课程教学更有利于知识体系的拓展及学生综合能力的提升，也有利于培养宽口径创新型复合人才。结合内蒙古科技大学冶金工程专业特色与“传输原理”的课程特点，阐述了冶金与能源学科交叉条件下“传输原理”教学进程中存在的问题与应对措施。通过课程思政、“冶金原理”与“传输原理”课程融合教学、课下结合课上灵活教学等方式提升课堂教学质量。

［关键词］ 冶金工程；能源动力；交叉专业；传输原理；教学探讨

［基金项目］ 2021年度内蒙古自治区人力资源和社会保障厅自治区本级事业单位引进高层次人才科研支持项目（0701012302）；2021年度内蒙古自治区人力资源和社会保障厅自治区本级事业单位引进高层次人才科研支持项目（0701012303）

［作者简介］ 郄俊懋（1988—），男，内蒙古呼和浩特人，博士，内蒙古科技大学能源与环境学院讲师，主要从事冶金能源环保研究。

［中图分类号］ G420 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）17-0157-04 ［收稿日期］ 2023-11-22

在新工科推动下，学科与专业间不断交织、调和和渗入，两者相互依附和发展，探究冶金工程与能源与动力工程学科交叉，以及“冶金原理”与“传输理论”课程的交互式教学具有一定意义。具有冶金与能源交叉专业背景的毕业生在升学和工作方面将更有优势，未来从事的相关工作可涉足冶金、能源、材料与环保等行业，同时也可到冶金或能源高校进一步深造。本文以内蒙古科技大学冶金工程专业与能源与动力工程专业修读的“冶金原理”与“传输原理”课程为例，解析专业融合背景下冶金工程与能源动力工程的教学特性、问题与应对举措，增进学科与专业的跨越式融合。

一、内蒙古科技大学冶金工程和能源与动力工程专业交叉特点

内蒙古科技大学冶金工程专业围绕矿冶领域人才培育近况及中西部区域对矿冶人才的需求，整合现有学科体系，设立以“选矿—冶金—材料”为特色的学科方向和专业方向。内蒙古科技大学属于传统冶金高校，隶属于中华人民共和国冶金部，冶金工程专业更是本校最早设立的本科专业之一。该专业以化学通识类教育为基础，依托包钢等实践教育单位，集合矿物加工、有色冶金、材料科学与工程的人才培育机制，为社会和祖国输送了大量的应用型人才。

内蒙古科技大学能源与动力工程专业是内蒙古自治区品牌专业，为内蒙古自治区重点学科动力工程及工程热物理学科的主体专业，最早可追溯为1984年设立的冶金热能系。该学科含有“动力工程及工程热物理”一级工学硕士点及“能源动力—动力工程”工程硕士点。学科基于内蒙古自治区高效洁净燃烧重点实验室、自治区分布式能源重点实验室、自治区光热与风能发电重点实验室等科研平台，依托学校冶金、煤炭等行业优势，以能源高效转换与清洁利用为主线，建立起了服务冶金、电力、机械、化工等行业的能源动力类人才创新培养体系，在冶金热能、电站热能、新能源应用等领域形成了自己鲜明的特色。在此背景下，内蒙古科技大学动力工程及工程热物理学科和能源与动力工程专业的建立，具有鲜明的能源与冶金专业交叉的特质和亮点［1］。

在新工科理念不断深入的过程中，学科、专业间不断交织、调和和渗入，跨学科的专业融合教育体系建设已然成为社会和国家发展的必然要求，也是当前高校自身发展的需求。传统的冶金与能动专业在社会需求的牵引下，在教学、研究和人才培养上面不断推陈出新，表现出由“专业学科相对独立”向“专业学科交叉融合”发展的态势。

跨学科和跨专业的教学模式改革将有助于学生系统知识体系的构建，也将满足社会对复合型创新型人才的需求，这同样也是解决传统教育固有问题的重要途径和有力抓手［2-4］。

二、“传输原理”与“冶金原理”课程教学

“传输原理”和“冶金原理”课程是冶金工程和能源与动力工程专业均需要修读的课程，且均由具有一定现场经验的教师负责讲授，这种方式也便于“冶金原理”与“传输原理”融合式教学的实现。

（一）“传输原理”教学

作为能源、冶金以及其他相近专业的基础课程，“传输原理”涵盖了流体力学、传热学和传质学课程的主要内容，该课程是衔接理论和实践、基础与专业的重要桥梁。工业生产主要流程中相关的能量和物质传输现象和基础知识传输原理均有所涉及，课程的主要目标是合理运用数学、物理等知识探究和解析实际生产中涌现出的不同生产工序中的问题［5］。

实际生产运行过程以及主要动力装置中的动量传输、热量传输和质量传输基础理论是能源与动力工程专业传输原理课程讲授的主要内容，该课程以实际生产流程作为研究对象，又根据生产流程运行原理的结合点综合为不同的“操作单元”［6］。“传输原理”的主要内容包括动量、热量和质量的传递，其中动量传递过程主要论述了流体的流动、流体输送设备、床层中流体的运动形式、颗粒物的流态化与沉降等现象及机理；热量传递过程主要论述了实际生产流程中的热量传递和蒸发过程；质量传递过程主要介绍动力装置中存在的物质干燥、萃取、吸收等物理过程原理。该课程的目的是使学生能够利用“传输原理”基础知识观察、解析并处置实际生产过程中遇到的各种状况，同时可以从流体流动过程中的质能传输行为和原理来认识实际生产，学会分析实际生产的切实方法。

（二）“冶金原理”教学

“冶金原理”在专业教学体系中非常重要，其与冶金物理化学是冶金工程专业重要的专业基础［7］。金属冶炼的历史非常悠久，其过程通常是在高温和多相环境下发生的，具有复杂多相流反应的特点，反应过程中涉及金属熔体质量、动量和热量的传递。通常来讲，化学反应在高温多相条件下不是制约反应进行的关键步骤，传热和传质才是限制反应进行的关键，而金属熔体的流动直接影响其传热和传质的进程。故此，研究金属熔体流动过程中的热量、动量和质量传输是探求冶金反应速率的关键内容。

“冶金原理”的主要教学内容涵盖冶金反应热力学、动力学、冶金熔体（熔渣、金属熔体、熔盐和熔锍等）及其在冶金反应过程中质量、动量和热量的传递现象及规律，旨在提升学生运用冶金过程基本原理知识探究生产中实际问题的潜力。课程需要学生理解不同冶金反应过程及反应机理，加深对冶金反应过程的认识，同时为研发新的冶金工艺奠定基础。实际冶金反应过程的模拟研究通常是以冶金原理作为理论计算基础，这种研究方法也有效降低了新工艺的研发成本。

“冶金原理”教学侧重理论分析，强调基本概念和基本原理的掌握，将流体力学、传热学、传质学理论相结合，通过对典型冶金过程的解析，掌握实际冶金过程的基础理论和分析方法，其中的分析方法主要侧重于将化学反应与数学表达相统一，体现出实际冶金反应过程的特点。“冶金原理”的教学过程中应该适当简化数学公式的推导，强化学生对冶炼过程化学反应的认知。学生应深入理解一些重要冶金反应控制方程的推导过程并熟练掌握主要的理论分析方法。反应抽象、公式多、计算过程复杂且推导烦琐是冶金原理显著的特点，是比较有代表性的教师难教、学生难学的专业基础课。

三、学科交叉背景下教学存在的问题与应对措施

随着科技水平的不断提高，能源、环境和新材料已然成为当今世界科技发展的三个重要的方向，这也要求传统的冶金生产过程需要以更加节能、环保的方式进行生产，为社会的现代化发展提供清洁的基础材料，这也使得“冶金原理”的课程内容和应用范围不断扩大。“冶金原理”课程属于多学科交叉课程，围绕课程的内容及特点，大部分学校教学体系的建设主要以冶金特色为主体，而开设的与传输类相关的课程相对较少，如“传输原理”“传递过程导论”等，缺乏学科交叉性的凸显。

“冶金原理”重点和难点体现在与冶金反应相关的概念、定律和反应机理以及相互之间的逻辑关系，初学者由于缺乏相关的冶金背景知识，较难将课程内容中的理论知识与实际冶金过程建立联系。从应往届的学生反馈来看，对“冶金原理”中的一些基础理论知识许多学生较难理解，应对考试也是采取生硬记忆的方式，并未真正理解其中的知识点，基础知识不够扎实会对学生未来继续深入学习专业知识产生诸多不利影响。

在新工科建设不断深入以及不同学科相互融合发展的大背景下，基层课程组织建设应打破固有思维模式，突破学科与专业之间的障碍，全面构建交叉学科融合的教学团队和评价体系等教学体系，健全人才培养机制，实现交叉学科和专业的深度交叉融合。跨学科的形成与发展，是不同学科融合发展的具体表现，同时也是知识体系系统化的外在特征。学科间实现相互融合的前提必须是厘清原有学科间的相互关系以及打破固有的学科壁垒。针对“冶金原理”与“传输原理”在学科和专业方面所具有的特点，在分析和总结两门课程的教学方法以及课堂表现的基础上，对在教学过程中课程存在的关键性问题以及应采取的措施总结如下。

（一）促进学科交融，深化教学模式改革，助推“冶金原理”与“传输原理”之间的课程融合，整体提升学生对冶金反应及能量传递过程的认知水平

“传输原理”的教学主要以热量、动量和质量在传递过程中的基本概念和基础理论为主，其主要目的是使学生了解“三传”的这些概念和理论在实际生产当中的应用及意义，能够理解“三传”现象的物理本质，掌握“三传”过程的描述方法以及对实际冶金生产过程中的传输现象能够进行系统分析。由此可见，传输原理中的“三传”过程及其应用是与实际冶金生产过程紧密相关的。

注重“冶金原理”的课程思政。进入新时代以来，我们更要从实现教育根本任务的高度来深刻理解课程思政工作的重要意义，发挥好课程思政在我国大学教育体系中的基础性与前瞻性的作用。“冶金原理”与思政思想之间的有机融合，相互补充，可使专业学习过程中的育人作用更加凸显，实现国家、社会和家庭对学生的培养目标，同时帮助学生树立正确的世界观、人生观和价值观。教师在实际授课时应在专业知识点讲解的过程中潜移默化融入思政教育，让学生在掌握专业知识的同时也认识到相关知识的传承过程以及探索挖掘知识背后所蕴含的科研及人文精神。

利用多媒体实现交互式教学，在体现教师主导地位和学生主体地位的同时，将教学内容和课程主体思想利用现代多媒体工具融入课堂教学之中，通过将课件与板书进行科学合理的结合设计，强化学生对传输原理重要内容的记忆以及重要公式推导过程的理解，科学合理地调节教师、学生及学习内容之间的关系。利用多媒体教学优势，充分调动学生的学习兴趣和参与度，塑造良好教学氛围，促进教学内容的高效传递和理解，以学生熟悉的质量守恒定律和能量守恒定律为起点，逐步拓展到生活中的传输现象以及课程主要内容、对于重要公式的推导侧重过程的方法和严谨性，将传输现象的分析方法不断融入其他相关课程的教学实践当中。

（二）加强网络教学资源使用，开展“冶金原理”线上和线下教学

网络教学资源具有良好的便捷性、丰富性、共享性及灵活性，有助于培养学生的协作能力和创新精神，促进学生的个性化发展。

2020年，线上教学新模式在各大院校间得到了大范围的推广。内蒙古科技大学冶金工程专业和能源与动力工程专业利用雨课堂、腾讯会议及学堂在线等软件对本校学生开展了网络授课，这些在线直播课程均具有良好的交互性、开放性和灵活性，其中的回放模式及习题库板块对课程教学效果的提升效果显著，对于一些较难理解的知识点，学生通过线下回放及习题练习均有了较好的理解。

增加“冶金原理”实际教学过程中的视频展示及案例分析环节，强化学生对冶金反应过程的认识和理解。视频及分析案例选自实际冶金生产过程，重点分析这些过程中涉及的传输现象（如高炉中铁水与渣之间反应过程的分析、钢包中钢水的热量传递等），理论联系实际。通过将较难理解的冶金原理理论知识辅以相关的生产视频及案例进行讲授这种模式，更加能激发学生的学习热情，也更利于学生理解“冶金原理”及“传输原理”的实际意义，提升学生的业务水平。