新工科背景下“三层次一体化”冶金工程递进式仿真实验教学体系构建

摘  要：为突破传统高温、高危、长时、复杂冶金过程的实验教学难题，满足新工科建设提出的“冶金+”学科交叉等要求，江西理工大学冶金工程专业根据“专业为基、计算赋能”的思路，利用模拟仿真数字化、智能化现代手段，构建新工科背景下“三层次一体化”冶金工程递进式仿真实验教学体系，实现学生知识获取—知识应用—知识创新的递进式培养和冶金-材料-环境-化学-信息多学科交叉融通，以满足现代特色金属产业对一体化人才的需求，有效服务于稀土、钨、铜、锂等特色资源冶金产业绿色高质量发展和高素质专业人才培养需求。

关键词：新工科；递进式；虚拟仿真；实验教学；过程考核

中图分类号：G451.2      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）29-0090-05

Abstract： In order to break through the experimental teaching difficulties of traditional high-temperature， high-risk， long-term， and complex metallurgical processes， and meet the requirements of "metallurgy+" interdisciplinary intersection proposed by the construction of new engineering disciplines， the metallurgical engineering major of Jiangxi University of Science and Technology has constructed a "three-level integrated" progressive simulation experimental teaching system for metallurgical engineering under the background of the new engineering subject， which based on the concept of "specialty based， computational empowerment" and utilizing modern methods such as digital simulation and intelligence. This system realizes the progressive cultivation of students' knowledge acquisition， knowledge application， and knowledge innovation， as well as the interdisciplinary integration of metallurgy-materials-environment-chemistry information. The aim of it is to meet the demand for integrated talents in the modern characteristic metal industry， as well as effectively serve the green and high-quality development of rare earth， tungsten， copper， lithium and other characteristic resource metallurgical industries and the cultivation of high-quality professional talents.

Keywords： new engineering; progressive; simulation; experimental teaching; process assessment

基金项目：2021年江西省教学改革研究课题“以工程教育认证为抓手促一流本科专业体系建设和人才培养模式改革研究”（JXJG-21-7-2）；2022年江西省教学改革研究课题“新工科背景下‘三层次一体化’业绩全流程递进式仿真实验教学体系的构建”（JXJG-22-7-19）

第一作者简介：肖燕飞（1988-），男，汉族，江西赣州人，博士，教授，冶金工程学院副院长。研究方向为冶金工程教学。

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，旨在培养具有更强实践能力和创新能力的高素质、复合型人才，以适应并满足新兴产业和新经济时代的人才需求，助力高等教育强国建设[1]。

冶金工程要培养具有工程实践能力和创新能力，能从事冶金工程相关工程技术领域工作的高级工程技术人才。新时代新工科的建设对冶金工程领域提出了”智能化、绿色化和低碳化”等要求，对冶金专业人才培养也提出了“解决复杂冶金工程问题”等更高更具体的要求[2]。然而，由于冶金工业中存在高温、高危、长时且大型设备较多的特点[3]，在教学实验室中难以完全按照冶金生产实际设置实验环节，导致高校冶金工程专业人才培养过程中实验教学存在“理论联系实践不够，专业创新能力不足”等问题[4]；而且传统冶金工程专业人才培养结构单一，对材料、环境、化学、信息等知识储备不够，缺乏“冶金+”学科交叉理念[5]；造成了冶金人才培养质量不能满足新工科建设背景下对高素质应用型人才的要求。

基于此，江西理工大学冶金工程专业根据“专业为基、计算赋能”的思路，面向稀土、钨、铜、锂等特色金属资源，通过“冶金+计算机”“冶金+材料/环境/化学”等交叉融合，利用模拟仿真数字化、智能化现代手段，对稀土、钨、铜、锂等特色金属资源高效利用过程进行数字化、模型化、虚拟化，构建了新工科背景下“三层次一体化”冶金工程递进式仿真实验教学体系（图1），突破传统高温、高危、长时、复杂冶金过程的实验教学难题，实现“冶金-材料-环境-信息-化学”多学科知识的一体化，有效服务于稀土、钨、铜、锂等特色资源冶金产业绿色高质量发展和高素质专业人才培养需求，为落实新工科建设方针、工程教育专业认证提供积极助力。

一  借助数字化技术，开发冶金基础单元仿真实验项目，实现知识的获取

冶金基础单元实验主要涉及物理化学、冶金原理、冶金过程设备和冶金基本技能实验等课程，该层次实验的主要教学目标是帮助学生进一步夯实化学基础理论并形成知识体系，增强基础理论验证能力和基础化学实验技能，了解大中型仪器设备操作规程，掌握设备仪器工作原理，熟悉实验数据科学处理方法；同时使学生掌握湿法浸出、火法焙烧/熔炼、电解精炼、沉淀、结晶、金相分析等专业基本实验技能。

专业通过采用3D动画和虚拟仿真技术，对传输原理、湿法冶金、火法冶金过程中的单元操作如传质、传热、干燥、焙烧、萃取和离子交换等单元过程进行解析数字化，转化为基础单元仿真实验项目，同时购置和自主开发了多釜串联反应器返混性能测试、流体流动综合实验和洞道干燥实验等虚拟仿真系统12套（图2），实现冶金基础单元及设备内部结构、工作原理、反应过程、操作规程等的3D虚拟场景互动操作，以满足冶金基础单元操作仿真实验教学需求。

通过沉浸式虚拟仿真基础单元实验教学，虚实结合，增强学生感官认知，夯实学生专业理论基础，提升基本单元实验操作技能，为第二层次和第三层次实验打下坚实的基础。

二  利用学科资源优势，开发冶金工艺过程仿真实验项目，实现知识的应用

特色金属资源冶金工艺过程实验主要开设与特色金属资源冶金和基础材料制备等相关的实验，主要包括稀土冶金类、钨冶金类、铜冶金类和锂冶金类等，在稀土冶金学、萃取冶金学、稀土发光材料、钨冶金的理论与工艺、冶金专业综合实验、稀有金属冶金学、计算机在冶金中应用、轻金属冶金学和化学电源设计与制造等10余门专业课程，以培养学生综合运用专业知识、独立自主设计实验方案、主动分析解决问题的能力和工程素养。通过本环节的锻炼，积累了专业知识和自主动手及自主设计能力，在专业知识、科研思维和操作技能等方面为第三层次的自由探索型和任务驱动型开放创新实验的顺利开展提供了有利的保障。

针对稀土、钨、铜和锂等区域特色资源绿色高效冶金和基础材料制备过程，充分利用学科特色优势，遴选代表性科研成果，转化为仿真实验教学项目，包含覆盖稀土、钨、铜、锂等特色金属资源冶炼过程仿真项目20余套，打造了冶金全流程实践教学内容。①在稀土冶金方面，基于学科多年科研积淀，设计了“稀土串级萃取动态模拟仿真实验（图3）”“稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验（图4）、稀土发光材料制备虚拟仿真实验、稀土催化剂制氢虚拟仿真实验、稀土磁性材料生产虚拟仿真实验”等相对独立的实验单元。②在钨冶金方面，依托国家科技进步奖“白（黑）钨矿洁净高效制取超高性能粉体成套技术及产业化”开发建设“黑钨矿碱制备APT虚拟仿真实验”“钨离子交换过程动态仿真实验（图5）”等实验项目；③在铜冶金方面，根据国家科技进步二等奖成果“复杂稀贵金属物料多元素梯级回收关键技术”和安徽省科技进步一等奖成果“超高强度智能数控闪速炼铜技术”，设计开发了“铜闪速熔炼过程优化数模仿真（图6）”“铜转炉吹炼动态仿真”“铜闪速熔炼配料仿真计算实验”等项目；④在锂冶金方面，基于江西省动力电池及其材料重点实验室，依托国家自然科学基金、科技部产学研项目，通过开设“钴锂精矿焙烧酸溶净化仿真实验”“磷酸铁锂沉淀制备过程仿真实验”等，为学生提供锂电领域的专业综合实训。其中，高性能稀土永磁材料制备虚拟仿真实验、稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验、稀土改性催化剂上乙醇制氢虚拟仿真实验、稀土发光材料制备及器件组装虚拟仿真实验5个实验项目获批江西省虚拟仿真实验教学一流本科课程。

通过特色冶金工艺过程实验，实验教学内容从提取冶金延伸至矿物加工、化学化工、材料制备、冶金环保等领域，突破“化学-矿业-冶金-材料-环境”学科壁垒，加深了学生对特色领域前沿知识和先进技术的理解，增强学生科技创新意识，提高了学生的工程实践能力，具有引领和示范作用。

三  基于MetCal计算系统，开发开放设计创新实验项目，实现知识的创新

江西理工大学冶金学科自主研发的冶化流程设计计算系统（MetCal），学科利用MetCal计算系统，结合绿色高效冶金生产实践，按照工厂设计思路，在课程设计、实习实训和毕业设计等教学环节，开设开放式自主型冶金流程设计与创新仿真实验项目，如“年产**吨稀土氧化物工厂的设计”“铜转炉吹炼工艺设计（图7）”等。此外，结合学科购置的锂电生产虚拟仿真实训系统、钢铁生产虚拟仿真实训系统等，开设“锂电生产全流程设计（图8）”“高炉炼铁生产仿真实训设计（图9）”“氧化铝生产工艺设计（图10）”等实验项目。同时，鼓励学生依托开放设计创新实验参加“挑战杯”、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国大学生冶金科技竞赛等各类全国性的科技竞赛。

该层次实验覆盖“矿物采选-冶炼分离-材料制备-环境治理”全流程设计实训内容，通过开放设计创新实验的实施，有效增强学生在工程实践领域勇于探索的自信心和自觉性，强化学生的工程意识、合作意识，提升学生动手能力和创新能力。提高学生工程设计素养，增强工程实践能力，能让学生更好、更快地适应产业发展变化。同时，开放创新设计实验的搭建能满足后疫情时代实习实践的需求，对工厂现场实习可以做有效的补充。

四  改革评价考核方式，激发学生科技创新兴趣，提升综合素质能力水平

一般情况下，实验考核主要由平时成绩和实验报告成绩两部分构成。其中实验报告有据可查，容易得出较为客观的评分。而平时成绩的评价，以往主要以预习报告和签到记录为依据，难以反映学生在实验过程中的表现。在此情况下，学生参与实验的积极性不高，甚至出现个别“打酱油”现象，即预习报告、考勤记录、实验报告都有，但是实验过程中参与度不够，实验数据依赖于同组同学。为此，利用仿真实验的优势，改革评价考核方式，线上线下结合，激发学生科技创新兴趣。针对基础单元实验模块和工艺过程实验模块，在教学过程中实施全过程、多形式、多维度考核评价机制，通过课堂管理、线上实验记录和实验报告掌握每位学生的实际预习效果、实验参与情况、动手能力、协作能力、纪律和安全意识、原始数据记录的规范性和完整性等细节，科学评估学生综合运用知识和自主创新的能力。