现代冶金物理化学教学内容改革及教材建设

现代冶金物理化学教学内容改革及教材建设郭汉杰周国治北京科技大学摘要：在新形势下对冶金物理化学教学进行了改革，教学内容方面，重新构架了冶金物理化学内容的新体系；利用知识主线原理优化了课程内容；内容的构架上，安排了重点和难点内容的适当的重复，强化教学效果；围绕现代冶金工业的发展的需求构建课程的理论体系。根据改革的内容编写出版了教材和教学参考书。构建了适合冶金物理化学教学特点的研究型教学的模式，并依据新的教学模式，建立了一支专业互补、学缘结构合理、老中青结合的教师队伍。2000年，当新世纪来临之际，北京科技大学经历了一次历史性变革，在“拓宽专业、优化结构、鼓励交叉、重点建设、办出特色”的专业建设方针下，作为冶金学科重要的基础课程之一的“冶金物理化学”课程已经不能满足学科的发展和新时期研究型教学的需求,内容和教育理念的改革势在必行。冶金物理化学是北京科技大学的传统优势课程，早在1952年建校之初，就由魏寿昆院士开创，在课程组一代又一代老师的努力下，教学水平、教学质量和教材建设等方面一直处于国内领先水平。在教改的大趋势下，冶金物理化学、钢铁冶金和有色金属冶金三个专业合并，按冶金工程一级学科设置本科专业后，教育部提出了发展研究型大学的办学方向，现代冶金理论的发展对冶金理论的新的需求，冶金物理化学课程的教学模式、课程内容必须要进行改革，并需要配套编写与之内容对应的新教材和教学参考书。1.教学内容的改革如何就新形势、新要求，对冶金物理化学的教学内容进行改革？以下从五个1方面进行讨论。1.1构架本科冶金物理化学课程新知识体系冶金物理化学课程在一级学科的冶金工程专业的重要性体现在，本科、硕士、博士三个学习阶段都是必修课。改革首先面临的问题是，冶金物理化学课程设置必须通盘考虑本科-硕士-博士培养全过程，重新构建知识结构，合理分配与优化各个阶段学时。结合现阶段冶金物理化学理论和冶金学科的发展，把冶金物理化学的内容，从知识结构上分为三个层次：基础理论与应用—理论加深与深层次探究—前沿领域在本科阶段安排“冶金物理化学基础与应用”内容。99版大纲为66学时，在内容的分配上有偏、散的情况。其中的冶金热力学部分24学时，冶金动力学部分22学时，冶金电化学部分20学时。就专业方向，冶金电化学是专业性很强的内容，只在有色冶金中使用，冶金热力学和冶金动力学是通用内容，如果三个部分都编排，在有限的学时，就会出现面面俱到，内容都不精的情况。改革将冶金电化学单独开设一门30学时选修课，集中学时把冶金热力学和冶金动力学讲透。优化后的64学时的05版大纲虽然比99版少了2学时，但突出了冶金热力学和冶金动力学内容，强化了教学效果。1.2利用知识主线优化课程内容课程改革中的主要问题是在有限学时情况下精选内容。如99版的大纲中“化学动力学基础部分”，共两章14学时，根据冶金动力学基础的知识结构主线：化学动力学＋单相传质（费克的两个定律及费克第二定律的两个特解）多相反应动力学理论（由“边界层理论”引出）多相反应动力学模型溶质渗透理论表面更新理论双膜理论原来课程内容中“吸附理论，牛顿定律与流体流动、相似原理”等都不在冶2金动力学基础知识主线上，而放在“冶金传输原理”课程体系内更合理。按照这样的原理进行优化后，05版冶金动力学基础部分从99版的14学时变为8个学时，各部分内容都进行优化后，知识重点突出了，知识的线路更清晰，课程适应面加宽了，虽然少了6个学时，但知识结构反而更紧促和完整了。1.3从知识循环往复中强化教学效果物理化学中的一些内容学习一次是不容易学懂的，教育界历来对于物理化学中的难点和重点内容是否需要在冶金物理化学中再重复存在争议，课程改革科学地解决了这个问题。在改革中精选了三点必须要强化的重点与难点内容，但在内容的安排上不是简单地重复，而是在重复中强化、完善和提高。强化的内容：“活度”的概念，课程中加强了铁、渣溶液中活度标准态的选择和转化问题；“化学反应标准自由能的计算”，加强了有铁溶液和渣溶液中的组元参加的化学反应的标准自由能的计算问题；“边界层理论”，引出了多相反应动力学的基本方程，并由此得出了冶金过程动力学的三个基本模型。1.4围绕现代冶金工艺构建课程的理论体系现代冶金工艺的发展主要体现在优化工艺流程，开发优、特钢冶炼的设备和工艺技术，节能环保等方面，而这些都需要冶金物理化学的原理和方法。原大纲的内容中只安排了4个学时。05版大纲，对冶金物理化学在现代冶金中的应用进行了5个方面的补充或加强。1）增加了如高炉渣、转炉渣的主要成分构成的相图和22CaOSiOAlO−−3322CaOSiOFeO−−的解析；2）标准焓与最高反应温度、元素的发热能力的计算；3）固体氧化物直接还原的原理及分析；4）选择性氧化还原的原理及应用举例；5）吹氩冶炼超低碳钢的动力学模型等。这些内容的增加或加强，给学生毕业到企业适应现代冶金的发展，打下了良好的基础。1.5冶金物理化学实验改革将作为基础课的冶金物理化学实验课和作为专业课的钢铁冶金、有色金属冶金实验课整合，重组为“冶金工程实验技术”课，体现了冶金物理化学基本理3论与应用的有机结合，更有利培养学生的实践研究能力。整合后实验课，就专业内容划分，从矿物烧结、直、间接还原到精炼、夹杂物变相处理、水模型等；就基础理论应用范围，从热力学理论计算到动力学模型的设计等；就实验手段来说，采用最先进的电子显微镜、X射线、热重分析等尖端仪器。2编写与05版教学大纲配套教材 根据改革后的05版大纲，配套编写适合本科冶金工程专业的教材和教学参考书。1）配套教材为改革后的新的教学内容配套编写的教材“冶金物理化学”和“冶金工程实验技术”具有如下特色[1][2]：（1）科学性强，内容具有先进性、系统性和理论性；（2）结构完整、合理，符合认知规律和05版本科生专业课研究型教学的特点；（3）思想及逻辑性强。（4）文字规范、流畅，图文配合适当，图表清晰，符号和计量单位符合国标。教材准确、完整、系统地表述了冶金物理化学的基本概念、理论、方法。联系实际介绍其基本应用、以及学科发展的新成果、前沿及趋势。介绍了现代冶金、材料研制所用的计算机热化学数据库，属于本教材创新的内容。脱硫本是钢铁冶金热力学中经典的内容，引用权威性的原始文献而不是照抄其他教科书来介绍概念。用近年来发表在权威性学术刊物的新文献说明脱硫理论的新发展。结合较新的文献中熔渣对耐火材料的侵蚀，介绍了固/液反应动力学，这既在内容上有创新，又结合了实际应用。与已出版同类教材比较在本书的编写过程中，虽然参考了国内其他教材的内容，但根据教学改革和制定的05版大纲，融入了作者多年的教学经验和国内外新的冶金物理化学的成果。使本书具有以下的特点：（1）使用对象和内容涵盖的面上与其他教科书不同。以一级学科冶金工程专业本科生为使用对象，内容经过仔细精选，选用的参考文献具有权威性；反映学科公认的教学和新科研成果，1990—1999年的文献和2000年后文献约分别占总文献数的六分之一，强调了与资源综合利用、4环保、节能相关的内容。（2）内容完整齐全。例题、思考题和习题适量，给出答案。索引符号、附录（数据及来源）、参考文献齐全。符号和单位严格执行国标。图文搭配得当，设计、校编、印刷及装订水平高。便于教师组织教学及学生自学使用。2）配套教学参考书课程组老师总结了多年的教学经验，编写了“冶金物理化学教程”，作为教学参考书，具有如下一些特色[3]。（1）知识点循序渐进，按照冶金工程专业本科、研究生、博士研究生三个学习阶段讲授的内容共分3篇，第一篇冶金物理化学基础，是按照05版大纲而编写的，但在写法和参考内容上语言更简练，重点更突出，适合冶金工程专业的学生作为教学参考书；第二篇现代冶金物理化学理论，是作者给冶金工程专业研究生教授冶金物理化学的讲稿而编写的，内容也与05版研究生教学大纲一致；第三篇冶金物理化学应用，是作者给北京科技大学博士研究生讲授“物理化学理论与应用”的部分内容。（2）作为教科书，按照大纲要求的教学内容，形成一个紧凑的知识结构，学生可以抓住重点学习，避免在厚厚一本书中找要学习的内容；（3）教材语言简练、通俗，便于学生自学；（4）第四篇是学习指导书，可以帮助学生对内容进行总结，指出重点、难点，并附加北京科技大学各个阶段冶金物理化学试题，便于学生练习。与已出版同类教材比较（1）根据北京科技大学冶金工程专业各个阶段（本科、硕士、博士）教学大纲的要求按照知识结构分三篇编写，层次分明，便于教学实施。（2）由于是教学参考书，本科生在使用本书时，可以浏览未来研究生的学习内容，建立直观的概念；研究生在使用本书时，可以随时、方便复习本科生的内容。（3）抓住了知识的主干线，虽然精简了课程内容，但并没有精简课程知识。3.研究型教学方法的建立1）构建一、二级知识点，制定每个知识点的教学模式课程组把05版大纲所有内容划分为35个一级知识点（冶金热力学25个，冶金动力学10个），68个二级知识点（冶金热力学38个，冶金动力学30个），5形成了冶金物理化学知识的立体结构。对各个知识点，分别确定其采用的教学模式，分为传统型、讨论型、探究型三种模式。传统型的模式是教师按照过去的教学方法进行讲授，学生记好笔记。教学内容中的公式推导，基本概念的提出适合这种模式；讨论型的模式是教师在教学过程中讲解基本理论及基本的知识结构，课堂上留出20%的时间引导学生进行讨论，在讨论中完成知识的传授；探究型的模式又称第二课堂模式，对于既是重点又是难点的内容，老师提出知识的假设条件和思路，由学生课外查资料，每个同学都进行书面准备，然后由老师参加学生的小组交流及讨论，全部过程中，每位同学参与的深度是相同的，前期，老师是引导者，后期老师和同学一样，也变为参与者。课程安排两次探究型的教学模式，热力学的活度和动力学的双膜理论。2）教学和学生科技创新相结合是研究型教学的好模式课程组尝试了课程的部分内容与大学生的科技创新结合，得到一种研究型教学的好模式，这种方法在冶05的冶金物理化学课程中进行了实验。三元系相图是教学的一个难点，特别是含有一个二元不稳定化合物的冷却过程分析，学生往往对体系随温度的变化的关系在三维空间难以想象。课程组设立了一个科技创新的题目：三元系相图的动画演示系统，由大家讨论，并提出最佳设计方案。最后052班的何肖飞和陈洪智两个同学，经过一个暑假的时间，在老师的指导下完成的最为出色。在08-09学年的第一学期给06级同学授课时就采用了他们的这项创新。当老师给同学们介绍这是上届同学的科技创新时，更加激发了06级同学结合冶金物理化学教学内容科技创新的热情，大家课后非常踊跃找老师商量题目，目前又有3个题目获得了学校的立项。4.教学改革下教师队伍建设课程改革后，按照研究型教学的方针，冶金物理化学课程由原来的大班授课改为小班授课，课程组的老师由原来的6人增加到13人，形成了一支专业互补、学缘结构合理、老中青结合的教师队伍。就教师专业背景情况看，9人是冶金物理化学专业的，1人是物理化学专业的，3人是钢铁冶金专业形成了很好的学科交叉。就教师职称情况，1位院士，8位教授（全为博士生导师），4位副教授。就教师学历情况，13名教师中，除周国治院士外，都有博士学位，9名有海外著6名大学的留学或进修经历。就学缘构成来说，9位是本校培养的博士（其中6位有国外著名大学进修或高级访问学者的经历）；一位中科院博士；一位北大博士；一位东北大学的博士。就教师年龄结构来说，60岁以上占23％，54％的分布在40－60岁，有四个40岁以下的青年教师作为后备梯队，占到24％，各年龄段分配合理。团队中，分别由教学经验丰富的老教师负责传、帮、带。在13位教师中，都在不同阶段、不同层次获得过国家、北京市和学校的各种奖励，多数教师获得过校级教学标兵、北京市优秀教师；9位教师参与了所选用的教材、教学参考书的编写。“冶金工程”专业每年招6-8个班，教师队伍的建设，可以让冶金物理化学课程同时在四个讲台，每个讲台两个班，配备具有不同专业特长的两个主讲老师和一个助课老师，一个老师讲冶金热力学，一个老师讲冶金动力学。