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冶金工程专业实验教学
冶金工程专业实验教学
摘要：结合西安建筑科技大学的办学实际情况，提出了一系列冶金工程专业本科实验教学人才培养模式改革的理念、特色、设想和工作重点及方向，包括实验教学定位及规划、实验教学特色、实验教学质量评估体系、实验教学、科研及社会服务管理与学术梯队，逐步建立多元化开放的冶金工程实验室，为培养学生的创新精神、创造能力、创业能力，提高学生的综合素质，使之成为适应社会发展需要的高素质复合型专业人才进行了一定的理论探索。
关键词：实验教学;人才培养;开放实验
西安建筑科技大学(原西安冶金建筑学院)是国家1956年院系调整在西北布点的唯一设有冶金工程学科点的院校。
1994年经国家教委批准，更名为西安建筑科技大学，当时隶属于国家冶金工业部，是部直属重点院校。
冶金工程专业现为陕西省名牌专业和校级名牌专业，是从1958年建立的炼铁、炼钢、有色冶金等专业逐步发展起来的。
冶金工程作为西北地区办学最早的该类专业，一直保持着自己的特色和优势，其中冶金物理化学为省级重点学科。
冶金工程实验室是西安建筑科技大学创建较早的实验室之一，其前身是1958年成立的钢铁实验室、有色冶金实验室和冶金炉实验室。
1999年9月，为适应学科发展和专业调整的需要，在原钢铁实验室的基础上成立冶金工程实验室。
现开设有钢铁冶金学、冶金原理、有色冶金学、冶金传输原理、特种冶金、钢铁冶金原料处理与工艺、冶金实验技术等课程的本科生专业基础实验和专业实验12项，其中综合性实验11项、设计、综合性实验1项，同时承担本科生、研究生创新及实验室开放项目。
一、冶金工程实验教学理念与特色
西安建筑科技大学冶金工程专业现有在校本科生、研究生600余人，如何系统全面地做好实验教学和实验研究工作是一项复杂而严谨的课题。
冶金工程实验室为此配备了必要的专职实验技术人员，组织精干高效的教学研究队伍，冶金工程教研室编制实验教学计划，承担实验教学任务，完善实验教材，根据自身特色和现有仪器设备，结合兄弟重点院校精心撰写了15万余字的实验指导书等教学资料，安排实验指导人员保证完成实验教学任务。
同时积极开展实验教学研究，改革教学方法，更新实验内容，努力提高实验教学质量。
在保证完成教学任务的前提下，积极开展技术开发，开展学术、技术交流活动。
做好实验室的工作任务、人员、物资、环境状态等基本信息的记录、统计和分析，及时为学校或上级主管部门提供准确原始数据。
冶金工程学院实验室工作委员会依据实验室建设规划和《实验教学任务书》进行评估，每学年学院与学校实验室管理科、国资处和教务处进行检查。
冶金工程实验室在省级名牌专业实验室的标准建设过程中，明确实验课教师的岗位职责，构成规范化管理工作的重要组成部分。
学校以有效提高学生能力与素质为实验教学目标制定了建立高水平、高素质教学队伍的规划，要求校学术学科带头人、教学骨干教师参加实验教学、管理和改革，制定了鼓励实验开发立项、实验教学改革立项和评奖等制度及相关政策。
冶金工程实验教学采取专业基础实验和专业技术实验并重的举措，利用“开放实验室”增加学生接触仪器的机会、解决对照仪器预习实验的问题。
创造条件积极增加设计性、综合性实验课题以提高学生的综合能力。
实验内容注重专业基础课和专业课内容的协调，利用多种手段增加学生实验兴趣，拓宽学生的知识面，取得了良好的效果。
1.实验教学定位及规划
科学研究是经济建设中极其重要的一环，在校学生必须打好实验研究基础。
冶金工程专业是一门理论和实践(生产+实验)紧密结合的学科，良好的实验能力在很大程度上决定了学习者的综合科研素养。
因此，提高实验教学质量是冶金技术实验室的主要工作。
冶金工程实验的目的在于培养学生掌握基本操作、技能和方法的同时，培养独立思考及独立工作的能力，培养具有一定的综合运用知识、进行分析问题和解决问题的能力、应用开发研究能力以及科学研究的基本素质，为今后其他课程的学习和进行科研工作打下基础;同时，培养实事求是的科学态度、良好的科学素养、科学的思维方法及综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。
冶金工程实验教学利用基础实验、设计性、综合性专业实验逐步提高、加强和巩固学生的实验基础和技能，培养学生综合运用实验技能解决实际问题的能力、查阅文献资料的能力;利用开放性实验室培养学生创造性思维和科学创新精神。
通过重点投入、重点建设和强化管理，提高实验室的基础条件和综合水平，建成一个能够满足冶金工程及相关专业教学需求，在全省高校及西北高校具有示范作用的实验室体系，为培养高素质创新型人才搭建一个开放的实验教学平台。
2.实验教学特色
(1)实验教学仪器与设备。
冶金工程实验室现有实验用房约500m2，铁矿石烧结实验车间200m2，仪器设备180余台(套)，总值500万余元，主要装备的仪器设备有熔体物性综合测定仪、铁矿石高温软熔滴落测定仪、铁矿石焦炭冶金性能测定仪、全自动炉渣熔点熔速测定仪、烧结杯系统(Ф200)、煤粉爆炸性测定仪、热重/差热同步分析仪、
煤粉燃烧炉试验装置、真空碳管电阻炉、多功能粉体物性测定仪、精密火花直读光谱分析仪、计算热力学软件及数据库、氧氮氢分析仪、磁选机、微波马弗炉、综合烟气分析仪、高压釜、煤气发生炉、圆盘造球机，100kg感应炉，25kg真空感应炉、转炉水力学模型等。
其中自行研制有炉渣熔点测定仪、铁矿石还原度测定系统、铁矿球团动态爆裂性能测定装置等。
另有各类高温电炉，可根据实验和科研要求进行灵活组合与学院化工实验室结合，具备从火法和湿法冶金的原料处理到各类提取冶金过程实验和检测所需的基础条件，并形成了从铁矿石烧结到铁矿石和焦炭完整的钢铁冶金原料冶金性能检测的特色。
(2)实验教学内容与要求。
将冶金工程专业实验由原来的分配在各门相关专业课程中提取出来，单独设立了一门“冶金工程专业实验”课程，开设了一些综合性、设计性实验。
1)铁矿石还原实验：通过实验了解温度、矿石粒度、还原气体流量对铁矿石还原度的影响，以便能合理充分利用。
2)铁矿石低温还原粉化实验：通过实验了解铁矿石进入高炉炉身上部在500℃～600℃区间，由于受气流冲击及铁矿石还原Fe2O3→Fe3O4→FeO过程发生的晶形变化而导致的块状含铁矿物的粉化，直接影响炉内气流分布和炉料顺行。
低温还原粉化性的测定，就是模拟高炉上部条件进行的，是评价铁矿石冶金性能的重要指标。
3)铁矿石软化温度实验：了解软化温度的测量方法以及影响测定数据的因素;通过对不同含铁矿物软化温度的测定，了解不同碱度的烧结矿软化性状的变化规律、天然矿与烧结矿软化性状规律。
综合运用已学的知识，或有关文献中介绍的矿石软化温度，结合所测数据评价矿石的冶金性能。
4)冶金炉渣熔化温度的测定实验(冶金熔体性能测定)：通过测定炉渣熔化温度，并结合其他物理化学性质(如粘度、表面张力等)的测定和分析选择合理的渣系。
5)冶金(炉渣)粘度的测定实验(冶金熔体性能测定)：了解冶金炉渣的粘度在钢铁生产过程中所起的化学平衡等作用。
6)金属提取冶金综合实验：在对矿物采用湿法冶金或火法冶金之前，根据原料成分、工艺流程等决定焙烧除去矿中的部分或全部硫。
焙烧的实质是硫化物的氧化，产物是金属的氧化物或硫酸盐。
经焙烧的焙砂再经湿法或火法的过程进行金属的分离和提取;浸出是选择适当的溶剂，使矿石或半成品中的有价成分有选择的溶出。
电解在冶金过程主要用在分离和提纯金属，电解是利用金属或金属离子在一定电压作用下可以氧化或者还原来分离或富集金属。
7)钢坯(锭)凝固过程冷态模拟：讲解钢液的结晶原理，讲述二者模拟的物理相似性，熟悉实验装置和操作过程。
8)流体流速和流量的测量方法：使用毕托管测量全压力和静压力。
9)流体能量的转换及贝努力方程的应用实验：通过测量一个截面逐渐收缩的锥体，截面不变的喉管和截面逐渐扩大的锥体的试验段，动压力和静压力因截面不同的变化及相互转换的关系，深入理解能量转换定律。
10)高温炉设计及分析：通过对高温炉(以电阻炉为例)的设计与计算正确选择电热元件、炉管、耐火材料、保温材料、热电偶及控制系统等。
11)钢铁原料物性测定实验(焦碳反应性、铁矿烧结)：焦碳是高炉的主要炉料，它在高炉冶炼过程中除供热及还原剂外，而且是保持炉内料柱具有良好透气性的骨架。
反应性是评价焦碳形状的重要指标之一。
焦碳与CO2或水蒸汽的反应速率称为焦碳的反应性，通常用反应后气体中的CO和CO2百分浓度的函数R、CO生成速率Vco、碳或CO2的反应速率Vc、VCO2以及反应一定时间后焦碳消耗量占原试样量的百分比。
铁矿粉的烧结：确定烧结方法和流程;研究影响过程的因子;查明各因子对过程进行的主次地位及相互关系，以确定最佳工艺条件，提出最终的烧结技术经济指标。
12)感应炉熔炼实验：小型中频无芯感应炉可熔炼高级合金钢，特殊性能的合金钢以及利用液体金属进行某些实验和研究，结合有关知识，还可掌握感应炉熔炼过程中的一些实验技能。
本课程为实践性环节，通过本环节的学习，使学生在完成冶金原理、冶金学、炼钢厂设计、炼铁厂设计等课程后，巩固所学的冶金理论知识和冶金工艺流程，培养动手能力、科学思维和工程意识，掌握冶金工程的基本实验研究技能，以培养和提高学生进行生产实践及科学研究的综合素质为根本目的。
掌握实验步骤，懂得实验数据的取得和处理方法，能够按要求完成实验报告，对于设计性和综合性实验应能在教师指导下自行查阅资料，拟订实验方案和步骤，培养创新能力。
“冶金工程专业实验”的开设有助于学生理论联系实际，为培养学生的科学实验能力奠定了良好的基础，有效避免了实验进程扩大、分散的弊端，便于学生对实践知识的积累和掌握。
采取单独考核、单独记学分的措施体现了对实验教学的高度重视。
同时也提高了实验室的仪器设备集中利用率和完好率，便于合理安排其他开放性实验和科研工作。
(3)实验教学过程与考核。
实验教学过程包括理论讲授、实验操作和实验报告三部分，是一门理论与实践结合性较强的课程。
要求学生重点掌握冶金实验室常用仪器、设备的名称、结构、工作原理、使用方法、维护等;掌握冶金实验研究中常用的分析研究方法的原理、操作等。
了解生产工艺过程中的实验研究技术实验前由指导教师结合所学相关专业课程，讲授实验的性质、原理、任务、要求、实验守则及实验室安全制度等。
学生根据各个实验的任务，10人一个实验小组，5人一套实验装置，在规定时间内独立完成实验测定、数据处理，并撰写实验报告。
实验前，学生必须认真阅读实验指导书，理解和掌握实验的目的和原理。
教师需对学生的预习情况进行检查，合格后学生才能开始做实验。
实验过程中，要求学生勤于动手，敏锐观察，细心操作，开动脑筋，分析钻研问题，准确记录原始数据，经教师检查并签名，实验及其原始数据记录才有效。
任课教师认真上好每一次实验课，实验前教师要亲自检查仪器设备情况，清点学生人数;实验过程中，要向学生提问，引导学生深入思考与实验现象有关的一些问题，着力培养学生观察实验、综合考虑问题的能力，使学生学会分析和研究问题的方法。
本课程的考核以实验预习报告和实验结果报告为依据。
实验完毕后，要求学生对实验各环节认真分析、处理实验数据，并与教师共同讨论实验结果，最后以实验报告的形式写出报告。
每个实验实行百分制，总分平均后综合考查实行“五级制”(优、良、中、及格、不及格)。
对能在实验过程中提出合理化建议和改进措施的学生酌情给予加分奖励。
二、实验教学改革思路及方案
1.实验教学的改革内容
学生通过实验研究可以使已学过的概念掌握得更为牢固，可以培养洞察力和迅速抓住事物本质的能力，可以培养从事科学实验的严肃态度和严密的作风，可以学会从事科学研究的本领，养成用实验方法研究科学问题的习惯。
为了进一步提高学生的实验研究能力，结合本校实际情况，对实验教学进行了逐步改革。
(1)逐步增加设计性、综合性和创新性实验教学内容。
全面进行分层次教学。
教学内容分基础部分、设计部分、综合部分、研究部分。
承担各类本科生(一本、三本)、研究生的各类科学研究与实验教学、毕业设计等。
(2)实验室进一步加大对学生开放，鼓励学生课余时间进入实验室开展科技创新项目。
在时间上、内容上全面开放实验室，大大增加开出实验课题数目，接纳做实验的学生数量。
(3)不断完善实验教学质量监控和教学评价体系。
2.保障措施
为达到上述实验教学改革目的，将在未来五年内采取下列措施。
(1)集中优势资源逐步更新、完善实验教学内容。
加强现代化教学手段。
促进“计算机模拟实验”和“网络模拟炼钢”系统的开发与应用，有力提升和加强学生对冶金工程实验教学的兴趣、爱好，同时节约了大量实验教学经费，使得“动手”与“动脑”过程达到有机完整的结合。
(2)逐步建立多元化开放冶金工程实验室。
多元化的含义包括形式上的多元化和内容上的多元化。
培养学生的创新精神、创造能力、创业能力，提高学生的综合化学素质，使之成为适应社会发展需要的高素质复合型专业人才。
利用“多元化开放实验室”增加学生的实验兴趣，为学生自主学习、个性发展、培养创新能力提供充裕的时间和空间，是深化教学改革、由被动教育到主动教育、由应试教育到素质教育、全面提高实验教学质量的有效方法。
(3)完善实验教学质量评估体系。
冶金工程实验室在未来五年的发展目标是提高在保证基本实验开出率的前提下，不断提高实验教学质量，使实验课的内容紧跟时代，更多地将现有的、老化的、验证性实验以现代实验、设计性、开发性实验、综合性研究实验取代。
逐步实现实验教学个性化、层次化教育，逐步建立多平台实验教学体系以及逐步开放实验室等管理体制，使学生不仅掌握实验的基本操作和基本技能，为后续毕业设计和毕业课题研究工作提供扎实的实验技能和数据处理、报告撰写能力，而且使学生具有综合分析、设计和开展研究的能力，充分发挥其创造性。
(4)加强实验教学梯队建设与管理。
在实验教学、科研及社会服务管理等方面，由院长主管，专人负责，明确分工，任务落实到人;其次，有以博士生导师、年富力强的教授、副教授、博士、硕士、高级工程师等为骨干组成的结构合理、学术水平高的教学科研梯队为技术支撑。
教师与技术人员经常参加陕西、西北地区及全国性教学、科研研讨会，经常与兄弟院校交流，将我们在实验技术研究、清洁生产理论研究等方面取得的成果与兄弟院校进行介绍、交流相互取长补短，也吸取了在实验教学、实验管理方面的经验。
三、结束语
50年来，经过几代教师和实验技术人员的共同努力，西安建筑科技大学冶金工程实验室为我校冶金工程专业成为陕西省和西安建筑科技大学名牌专业奠定了坚实的基础，冶金工程实验室为以其无可替代的特色为该专业的本科生、硕士生和博士生的培养以及教师的科研工作提供了有力的实验教学和实验研究条件，已为国家冶金工业战线培养各类毕业生1800余人。
今后，将继续为培养更多优秀的具有较强工程实践能力和高素质的创新应用人才而努力奋斗。
参考文献：
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[2]冯林,张巍.“质量工程”视角下的大学生创新性实验计划[J].实验室研究与探索,2008,(6).
[3]杨华盛.改革实践教学,培养学生综合能力[J].实验室研究与探索,2002,(6).
[4]吕俊杰,高逸锋.转变教育观念,努力办出应用型本科教育特色[J].中国冶金教育,2007,(5).
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