新工科背景下“三層次一體化”冶金工程遞進式仿真實驗教學體系構建

摘 要：為突破傳統(tǒng)高溫、高危、長時、復雜冶金過程的實驗教學難題，滿足新工科建設提出的“冶金+”學科交叉等要求，江西理工大學冶金工程專業(yè)根據“專業(yè)為基、計算賦能”的思路，利用模擬仿真數字化、智能化現代手段，構建新工科背景下“三層次一體化”冶金工程遞進式仿真實驗教學體系，實現學生知識獲取—知識應用—知識創(chuàng)新的遞進式培養(yǎng)和冶金-材料-環(huán)境-化學-信息多學科交叉融通，以滿足現代特色金屬產業(yè)對一體化人才的需求，有效服務于稀土、鎢、銅、鋰等特色資源冶金產業(yè)綠色高質量發(fā)展和高素質專業(yè)人才培養(yǎng)需求。

關鍵詞：新工科；遞進式；虛擬仿真；實驗教學；過程考核

中圖分類號：G451.2 文獻標志碼：A 文章編號：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

基金項目：2021年江西省教學改革研究課題“以工程教育認證為抓手促一流本科專業(yè)體系建設和人才培養(yǎng)模式改革研究”（JXJG-21-7-2）；2022年江西省教學改革研究課題“新工科背景下‘三層次一體化’業(yè)績全流程遞進式仿真實驗教學體系的構建”（JXJG-22-7-19）

第一作者簡介：肖燕飛（1988-），男，漢族，江西贛州人，博士，教授，冶金工程學院副院長。研究方向為冶金工程教學。

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，旨在培養(yǎng)具有更強實踐能力和創(chuàng)新能力的高素質、復合型人才，以適應并滿足新興產業(yè)和新經濟時代的人才需求，助力高等教育強國建設[1]。

冶金工程要培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力，能從事冶金工程相關工程技術領域工作的高級工程技術人才。新時代新工科的建設對冶金工程領域提出了”智能化、綠色化和低碳化”等要求，對冶金專業(yè)人才培養(yǎng)也提出了“解決復雜冶金工程問題”等更高更具體的要求[2]。然而，由于冶金工業(yè)中存在高溫、高危、長時且大型設備較多的特點[3]，在教學實驗室中難以完全按照冶金生產實際設置實驗環(huán)節(jié)，導致高校冶金工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中實驗教學存在“理論聯系實踐不夠，專業(yè)創(chuàng)新能力不足”等問題[4]；而且傳統(tǒng)冶金工程專業(yè)人才培養(yǎng)結構單一，對材料、環(huán)境、化學、信息等知識儲備不夠，缺乏“冶金+”學科交叉理念[5]；造成了冶金人才培養(yǎng)質量不能滿足新工科建設背景下對高素質應用型人才的要求。

基于此，江西理工大學冶金工程專業(yè)根據“專業(yè)為基、計算賦能”的思路，面向稀土、鎢、銅、鋰等特色金屬資源，通過“冶金+計算機”“冶金+材料/環(huán)境/化學”等交叉融合，利用模擬仿真數字化、智能化現代手段，對稀土、鎢、銅、鋰等特色金屬資源高效利用過程進行數字化、模型化、虛擬化，構建了新工科背景下“三層次一體化”冶金工程遞進式仿真實驗教學體系（圖1），突破傳統(tǒng)高溫、高危、長時、復雜冶金過程的實驗教學難題，實現“冶金-材料-環(huán)境-信息-化學”多學科知識的一體化，有效服務于稀土、鎢、銅、鋰等特色資源冶金產業(yè)綠色高質量發(fā)展和高素質專業(yè)人才培養(yǎng)需求，為落實新工科建設方針、工程教育專業(yè)認證提供積極助力。

一 借助數字化技術，開發(fā)冶金基礎單元仿真實驗項目，實現知識的獲取

冶金基礎單元實驗主要涉及物理化學、冶金原理、冶金過程設備和冶金基本技能實驗等課程，該層次實驗的主要教學目標是幫助學生進一步夯實化學基礎理論并形成知識體系，增強基礎理論驗證能力和基礎化學實驗技能，了解大中型儀器設備操作規(guī)程，掌握設備儀器工作原理，熟悉實驗數據科學處理方法；同時使學生掌握濕法浸出、火法焙燒/熔煉、電解精煉、沉淀、結晶、金相分析等專業(yè)基本實驗技能。

專業(yè)通過采用3D動畫和虛擬仿真技術，對傳輸原理、濕法冶金、火法冶金過程中的單元操作如傳質、傳熱、干燥、焙燒、萃取和離子交換等單元過程進行解析數字化，轉化為基礎單元仿真實驗項目，同時購置和自主開發(fā)了多釜串聯反應器返混性能測試、流體流動綜合實驗和洞道干燥實驗等虛擬仿真系統(tǒng)12套（圖2），實現冶金基礎單元及設備內部結構、工作原理、反應過程、操作規(guī)程等的3D虛擬場景互動操作，以滿足冶金基礎單元操作仿真實驗教學需求。

通過沉浸式虛擬仿真基礎單元實驗教學，虛實結合，增強學生感官認知，夯實學生專業(yè)理論基礎，提升基本單元實驗操作技能，為第二層次和第三層次實驗打下堅實的基礎。

二 利用學科資源優(yōu)勢，開發(fā)冶金工藝過程仿真實驗項目，實現知識的應用

特色金屬資源冶金工藝過程實驗主要開設與特色金屬資源冶金和基礎材料制備等相關的實驗，主要包括稀土冶金類、鎢冶金類、銅冶金類和鋰冶金類等，在稀土冶金學、萃取冶金學、稀土發(fā)光材料、鎢冶金的理論與工藝、冶金專業(yè)綜合實驗、稀有金屬冶金學、計算機在冶金中應用、輕金屬冶金學和化學電源設計與制造等10余門專業(yè)課程，以培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)知識、獨立自主設計實驗方案、主動分析解決問題的能力和工程素養(yǎng)。通過本環(huán)節(jié)的鍛煉，積累了專業(yè)知識和自主動手及自主設計能力，在專業(yè)知識、科研思維和操作技能等方面為第三層次的自由探索型和任務驅動型開放創(chuàng)新實驗的順利開展提供了有利的保障。

針對稀土、鎢、銅和鋰等區(qū)域特色資源綠色高效冶金和基礎材料制備過程，充分利用學科特色優(yōu)勢，遴選代表性科研成果，轉化為仿真實驗教學項目，包含覆蓋稀土、鎢、銅、鋰等特色金屬資源冶煉過程仿真項目20余套，打造了冶金全流程實踐教學內容。①在稀土冶金方面，基于學科多年科研積淀，設計了“稀土串級萃取動態(tài)模擬仿真實驗（圖3）”“稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗（圖4）、稀土發(fā)光材料制備虛擬仿真實驗、稀土催化劑制氫虛擬仿真實驗、稀土磁性材料生產虛擬仿真實驗”等相對獨立的實驗單元。②在鎢冶金方面，依托國家科技進步獎“白（黑）鎢礦潔凈高效制取超高性能粉體成套技術及產業(yè)化”開發(fā)建設“黑鎢礦堿制備APT虛擬仿真實驗”“鎢離子交換過程動態(tài)仿真實驗（圖5）”等實驗項目；③在銅冶金方面，根據國家科技進步二等獎成果“復雜稀貴金屬物料多元素梯級回收關鍵技術”和安徽省科技進步一等獎成果“超高強度智能數控閃速煉銅技術”，設計開發(fā)了“銅閃速熔煉過程優(yōu)化數模仿真（圖6）”“銅轉爐吹煉動態(tài)仿真”“銅閃速熔煉配料仿真計算實驗”等項目；④在鋰冶金方面，基于江西省動力電池及其材料重點實驗室，依托國家自然科學基金、科技部產學研項目，通過開設“鈷鋰精礦焙燒酸溶凈化仿真實驗”“磷酸鐵鋰沉淀制備過程仿真實驗”等，為學生提供鋰電領域的專業(yè)綜合實訓。其中，高性能稀土永磁材料制備虛擬仿真實驗、稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗、稀土改性催化劑上乙醇制氫虛擬仿真實驗、稀土發(fā)光材料制備及器件組裝虛擬仿真實驗5個實驗項目獲批江西省虛擬仿真實驗教學一流本科課程。

通過特色冶金工藝過程實驗，實驗教學內容從提取冶金延伸至礦物加工、化學化工、材料制備、冶金環(huán)保等領域，突破“化學-礦業(yè)-冶金-材料-環(huán)境”學科壁壘，加深了學生對特色領域前沿知識和先進技術的理解，增強學生科技創(chuàng)新意識，提高了學生的工程實踐能力，具有引領和示范作用。

三 基于MetCal計算系統(tǒng)，開發(fā)開放設計創(chuàng)新實驗項目，實現知識的創(chuàng)新

江西理工大學冶金學科自主研發(fā)的冶化流程設計計算系統(tǒng)（MetCal），學科利用MetCal計算系統(tǒng)，結合綠色高效冶金生產實踐，按照工廠設計思路，在課程設計、實習實訓和畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)，開設開放式自主型冶金流程設計與創(chuàng)新仿真實驗項目，如“年產**噸稀土氧化物工廠的設計”“銅轉爐吹煉工藝設計（圖7）”等。此外，結合學科購置的鋰電生產虛擬仿真實訓系統(tǒng)、鋼鐵生產虛擬仿真實訓系統(tǒng)等，開設“鋰電生產全流程設計（圖8）”“高爐煉鐵生產仿真實訓設計（圖9）”“氧化鋁生產工藝設計（圖10）”等實驗項目。同時，鼓勵學生依托開放設計創(chuàng)新實驗參加“挑戰(zhàn)杯”、全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、全國大學生冶金科技競賽等各類全國性的科技競賽。

該層次實驗覆蓋“礦物采選-冶煉分離-材料制備-環(huán)境治理”全流程設計實訓內容，通過開放設計創(chuàng)新實驗的實施，有效增強學生在工程實踐領域勇于探索的自信心和自覺性，強化學生的工程意識、合作意識，提升學生動手能力和創(chuàng)新能力。提高學生工程設計素養(yǎng)，增強工程實踐能力，能讓學生更好、更快地適應產業(yè)發(fā)展變化。同時，開放創(chuàng)新設計實驗的搭建能滿足后疫情時代實習實踐的需求，對工廠現場實習可以做有效的補充。

四 改革評價考核方式，激發(fā)學生科技創(chuàng)新興趣，提升綜合素質能力水平

一般情況下，實驗考核主要由平時成績和實驗報告成績兩部分構成。其中實驗報告有據可查，容易得出較為客觀的評分。而平時成績的評價，以往主要以預習報告和簽到記錄為依據，難以反映學生在實驗過程中的表現。在此情況下，學生參與實驗的積極性不高，甚至出現個別“打醬油”現象，即預習報告、考勤記錄、實驗報告都有，但是實驗過程中參與度不夠，實驗數據依賴于同組同學。為此，利用仿真實驗的優(yōu)勢，改革評價考核方式，線上線下結合，激發(fā)學生科技創(chuàng)新興趣。針對基礎單元實驗模塊和工藝過程實驗模塊，在教學過程中實施全過程、多形式、多維度考核評價機制，通過課堂管理、線上實驗記錄和實驗報告掌握每位學生的實際預習效果、實驗參與情況、動手能力、協作能力、紀律和安全意識、原始數據記錄的規(guī)范性和完整性等細節(jié)，科學評估學生綜合運用知識和自主創(chuàng)新的能力。

此外，學生往往在實驗過程中按部就班，缺乏激情和精益求精的態(tài)度。因此，在專業(yè)實驗中引入競賽機制，開展技術經濟指標“大比拼”，增強學生的團隊意識，提高實驗興趣；同時，針對開放設計創(chuàng)新實驗模塊，依托各類學科競賽活動，鼓勵學生自由選題參與任務驅動型實驗研究，以賽促教，激發(fā)學生學科競賽熱情和科技創(chuàng)新興趣，提升學生綜合素質能力水平。

最后，為了提高學習效果，專業(yè)構建了網上教學管理系統(tǒng)，學生可以通過網絡平臺進行網上實驗預習和預約、網上實驗輔導、答疑和討論、網上相關實驗文件下載、成績查詢、教學效果評價、仿真實驗開展和實驗教學課件觀看等，促進開放式實驗教學的高效進行，學生可以隨時隨地進行實驗的準備和復習。

五 結束語

針對部分冶金教學實驗存在高溫、高危、長時和大型設備缺乏等問題，借助現代化信息技術，對稀土、鎢、銅、鋰等特色資源高效利用過程進行數字化、模型化、虛擬化，構建了“基礎單元-工藝過程-開放設計創(chuàng)新”“三層次”冶金工程遞進式仿真實驗教學體系。同時教學體系教學內容突破單一專業(yè)設置模式，設計了“冶金-材料-環(huán)境-信息-化學”交叉的實踐教學項目，構建了“冶金+”實驗教學內容，以實現多學科交叉融通，滿足現代特色金屬產業(yè)對全方位一體化人才的需求。通過虛擬仿真教學改革，可實現抽象理論知識直觀化、生動化、形象化，拓展了實驗內容的寬度與深度，使學生對復雜反應器結構，反應器內復雜的濃度場、溫度場變化情況，工藝參數對冶金過程及技術指標的影響等得以深入認識，實現了學生知識獲取—知識應用—知識創(chuàng)新的遞進式培養(yǎng)，為行業(yè)的發(fā)展提供人才保障和技術支持。

參考文獻：

[1] 周端明，沈燕培.習近平科技創(chuàng)新重要論述指引新工科建設的方向[J].高等工程教育研究，2021（4）：1-7.

[2] 張立強，張超杰，王海川，等.新工科背景下冶金工程專業(yè)改造升級的探索與實踐[J].安徽工業(yè)大學學報（社會科學版），2021， 38（5）：85-86.

[3] 楊文強，夏文堂，尹建國，等.虛擬仿真在有色金屬冶金方向實踐教學中的應用[J].中國冶金教育，2021（2）：83-84，88.

[4] 雷家柳，陳躍，徐先鋒，等.應用型本科院校冶金工程專業(yè)實踐教學模式探索[J].湖北理工學院學報，2020，36（1）：65-68.

[5] 蘭苑培，陳朝軼.“新工科”建設背景下冶金工程人才培養(yǎng)[J].中國冶金教育，2019（1）：4-6.