2022年2月第7期
Feb. 2022
No.7教育教学论坛
EDUCATION AND TEACHING FORUM
智能制造时代“冶金流程工程学”课程教学改革
蒋胜龙，陈红生，张生富
（重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044）
［摘 要］ 智能制造的迅速发展使传统工科专业教育面临新机遇、新挑战。从智能制造发展趋势和冶金工程专业新工科人才培养要求出发，阐述了“冶金流程工程学”课程的教学目标，详细分析该课程的教学现状以及教学过程中所面临的问题。在此基础上，提出了系统工程理论与冶金流程工程学相融合的教改思路，对课程教学内容、教学模式的改革进行初步尝试，以进一步提升学生的学习兴趣，培养学生创新思维和实践能力。
［关键词］ 冶金工程；系统工程；冶金流程工程学；教学改革
［基金项目］ 2018年度国家自然科学基金项目“强不确定条件下连铸-热轧生产线基于软决策机制的调度方法研究”（61873042）［作者简介］ 蒋胜龙（1981—），男，江西金溪人，工学博士，重庆大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师（通信作者），主要从事复杂工业系统过程智能建模、优化和仿真研究；陈红生（1989—），男，重庆潼南人，博士，重庆大学材料科学与工程学
院讲师，主要从事流态化炼铁、颗粒流及颗粒动力学研究；张生富（1980—），男，甘肃会宁人，博士，重庆大学材料科学
与工程学院教授，博士生导师，主要从事冶金过程能源高效利用技术、炼铁新工艺及新技术研究。
［中图分类号］ G642.0；C229.29    ［文献标识码］ A      ［文章编号］ 1674-9324（2022）07-0037-04    ［收稿日期］ 2021-05-31
一、面向智能制造的“冶金流程工程学”课程
（一）“冶金流程工程学”课程的发展
中华人民共和国成立以来，中国钢铁行业在由弱到强的蓬勃发展历史进程中积累了大量的经验和认识。1993年，中国工程院殷瑞钰院士通过研究现代钢铁生产流程的演变及其单元工序的功能转化进程，发表了《冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化》专题论文，标志着“冶金流程工程学”这一新兴交叉学科方
向的创立。随后《冶金流程工程学》和《冶金流程集成理论与方法》两本学术专著的出版进一步奠定了“冶金流程工程学”的基础理论体系［1，2］。
自21世纪初，北京科技大学率先开设“冶金流程工程学”课程的教学实践：2001年，首次在冶金工程专业开设硕士研究生选修课“钢铁制造流程多维物流管制”；2005年，在冶金工程专业开设博士研究生选修课“冶金流程工程学”；2008年，在冶金工程专业本科教学中开设“冶金流程工程学”课程。此后，“冶金流程工程学”这一课程逐渐得到了国内大部分冶金类高校的重视，如重庆大学、安徽工业大学、辽宁科技大学、河北理工大学等先后在本科生、研究生的培养方案中开设了
这门课程［3］。除此之外，宝钢、首钢等大型钢铁联合企业、首钢国际工程公司等冶金类设计院也召开了一系列“冶金流程工程学”相关专题讲座和学术研讨会。如2009年8月在河北省唐山市召开了以“新一代钢厂精准设计技术和流程动态优化研究”为主题的冶金流程工程学教学、应用交流、研讨；2011年8月于沈阳召开了以“钢铁制造流程优化与动态运行”为主题的研讨会；2011年10月在重庆大学召开的“第六届全国高校冶金院校院长暨冶金学科高层论坛”和2012年11月在安徽工业大学召开的相关会议上，从冶金教育的角度，提出了冶金流程工程学教育的有关问题［4］；2017年5月，重庆大学组织召开了面向本科生教学的《冶金流程工程学基础教程》教材研讨会。
（二）智能制造新时代面临的挑战
随着中国经济进入“新常态”和世界经济的萎靡，钢铁材料市场竞争进一步加剧。因此，我国钢铁工业将逐渐从“高效率”技术特征转向追求“低成本、高质量”。为达成这一目标，当下钢铁工业首先明确了绿化、智能化的发展任务，从冶金流程这一层面进行统一规划设计，加强与人工智能、大数据、工业互联网等先进技术的融合，建立
【教改创新】
教育教学论坛2022年2月
贯穿设计、生产、管理、服务等环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的智能钢厂制造新模式。这要求当下高校冶金工程专业亟须培养适应钢铁工业智能制造新时代的发展需求的新工科人才，使学生具备科学思维、系统思维和创新思维，掌握学科交叉、深宽兼备的专业与通识知识、能力与技能且具有可持续竞争力［5，6］。
随着工程实践和理论探索的深入，人们逐渐认识到冶金生产过程本质上是一类开放的、远离平衡的、不可逆的复杂过程系统［7］，属于一类耗散结构的自组织系统。由于冶金流程系统内部产生的熵总是大于零的，所以必须依赖外界输入的“负熵”才能使系统向有序方向进化。在满足产品质量的前提下，构造可对物质流、能量流运行涉及的时间、数量、温度等基本属性进行有效调控的系统模型是“负熵”重要表征形式。因此，认识冶金系统内组分、结构、环境与功能之间普适关系与调控规律的系统工程理论［8，
9］为冶金流程工程学习和研究提供了基本方具。
二、课程教学现状及问题
（一）教学现状
重庆大学冶金系根据冶金工程专业的办学特点和未来发展趋势，于2012年起开设“冶金流程工程学”博士生课程，并于2014年开设了本科生教学课程。根据本科培养方案安排，“冶金流程工程学”本科专业选修课课程，安排在本科大四上学期开课，共24学时，1.5学分。在学习这门课程之前，学生已经具备冶金专业课程基础知识（冶金原理、传输原理、钢冶金学等）、数学基础知识（高等数学、线性代数、概率统计等）、计算机编程基础。同时，开设“系统工程”课程作为专业基础课程，为“冶金流程工程学”的本科教学铺垫良好的知识基础。
在教学内容方面，重庆大学冶金系自2012年起就以殷瑞钰院士的《冶金流程工程学》（冶金工业出版社2009年3月出版）一书为主要参考教材。主要讲授内容包括：冶金流程工程学概述、中国钢铁工业的发展历程、流程制造业与流程工程、钢铁制造流程与工程科学、钢铁制造流程的解析与集成、钢铁制造流程的多维物流控制、制造流程的时间因素、钢厂生产流程的运行动力学及相关应用案例介绍。自2012年开设本课程以来，重庆大学冶金工程专业经过不断探索，形成了一套围绕“系统工程+冶金流程工程学”的完整教学体系。
（二）面临的问题大学编程课是学什么的
经过多年的实践和探索，“冶金流程工程学”教学过程仍有一些亟须完善之处。殷院士《冶金流程工程学》这一著作主要面向的是具有一定专业经验积累的科技工作者和企业管理人员［1］，书中的一些概念对本科生而言较为抽象不易理解，有一定的学习门槛，需对课程教学内容进行适当组织和设计，以更好适应本科生教学。鉴于，学生在本课程学习之前就已经通过“系统工程”课程学习了系统建模与优化的基本理论与方法，这两门课程之间需要进行衔接与过渡。此外，以多媒体课件展示为主的传统教学方式，侧重对冶金流程学基本概念和知识体系的讲授，在培养学生提出问题和解决问题能力方面仍需加强。
三、教学改进办法
为了完善“冶金流程工程学”这门课程的本科教学，加强学生解决复杂工程问题能力的培养。首先，本课程在原有教学内容的基础上加强系统工程理论与冶金流程工程学之间的衔接，重点讲授面向流程系统的建模和优化方法；其次，结合钢厂生产运行优化和设计优化的实际需求开展实践教学；最后，为了加强学生实践能力的培养和提升，开展了项目教学和翻转课堂的实践。
根据系统工程原理冶金流程系统优化过程包括五个迭代演化的步骤，即了解问题、构建模型、设计求解算法、实验分析和应用验证［10］。按照计算复杂度和不确定性两个维度，流程系统建模与优化的对象
问题可以进行分成四类：简单确定性问题、简单不确定性问题、复杂确定性问题、复杂不确定性问题（如图1所示）。其中，简单确定性问题影响因素少、计算简单，面向基于理想化假设的对象系统，是解决其他问题的基础。关于此类问题的建模和优化理论（如线性规划、动态规划等）是教学重点。对于简单不确定性问题和复杂确定性问题这两个学术研究热点，系统讲授了智能优化算法、仿真优化、数据驱动优化等基本知识点［11-13］，提升学生的科学研究兴趣；对于现实工程系统中的复杂不确定性问题，简要介绍了其解决思路。在此基础上，介绍了流程建模与优化方法在钢厂生产运行优化和设计优化过程中的应用（如图2所示）。其中，钢厂生产运行优化主要包括批量生产计划、
第7期车间调度及其动态优化、辅助运输调度；钢厂设计优化主要包括动态运行与界面技术、概念设计与顶层设计和动态精准设计。除了介绍一般性的优化建模原理，本课程针对上述问题给出了基于线性规划理论的数学模型，并运用Python 语言进行
编程实践教学［14］。在教学过程中，采用北京科技大学徐安军教授等人主编的《冶金流程工程学基础教程》作为参考教材，结合系统工程理论与方法重新组织学内容。
根据“把教的创造性留给教师，把学的主动
图1 流程系建模问题与优化方法
因素
（不确定性度）
简单不确定性问题复杂不确定性问题
•特点：强扰动，计算简单•方法：数据优化驱动（预测分析、聚类分析、时间序列等）•学术研究热点•重点指数：★★★
•特点：低扰动，计算简单•方法：最优方法（线性规划、动态规划等）
•理想化条件（课程基础）•重点指数：★★★★★
•特点：低扰动，计算复杂•方法：智能优化（遗传算法、蚁算法等）•学术研究热点•重点指数：★★★
•特点：强扰动，计算复杂
•方法：分解成若干个简单问题，综合运用虚拟仿真、大数据技术•现实工程问题（难优化）•重点指数：★复杂度（计算难度）
简单确定性问题复杂确定性问题
冶金流程工程学
系统工程
2流程系统建模与优化方法
流程工程学基础
1.冶金流程工程学基本概念
3.冶金流程的演变及结构优化
4.冶金制造流程的物质流
5.冶金制造流程的功能拓展
6.钢铁制造流程运行动力学
7.1生产运行调控概述7.2批量生产计划优化7.3车间调度及动态优化7.4辅助运输调度优化
8.1动态运行与界面技术8.2概念设计与顶层设计（含要素、功能和结构优化）8.3动态精准设计
7.生产运行优化8.设计优化
基于数学规划和Python 语言描述
图2 基本教学内容
权还给学生”的教学理念［15］，本课程在教学形式也进行了若干改进。首先，在传统多媒体教学的基础上引入项目教学机制。在课程教学前期，教师将冶金流程工程学概念和流程系统建模与优化方法讲授完毕之后，设计出若干由学生自选的项目课题。学生组成课题小组，利用所学方法和工具对具体问题建立系统模型和优化算法，并撰写实验报告。在课程末期，以翻转课堂为形式，各组学生代表走上讲台上展示自己项目成果，介绍问题背景、模型算法设计思路和计算结果。
四、进一步探讨
为了提高“冶金流程工程学”课程的教学效果，首先在冶金流程学中加强了“系统工程”和“冶金流程工程学”两门课程之间的联系与融合；其次着重讲解了在生产运行优化和设计优化方面的应用方法；最后在教学形式方面，除了通过多媒体教学让学生理解知识外，还增加了项目实践和翻转课堂环节。未来还需要改进的工作还可以包括以下方面。
1.建立面向冶金流程工程学的专业教学软件
蒋胜龙，等 智能制造时代“冶金流程工程学”课程教学改革
教育教学论坛2022年2月
平台。“冶金流程工程学”是一门多学科交叉课程，由于课时限制很难保证高质量讲授现实冶金流程系统生产运行与设计的建模与优化方法。如果有了一款专业教学软件，学生只需通过人机交互界面即可完成模型构建、算法设计和实验分析等一系列过程，省去繁杂的建模和编程过程，可以进一步提升教学效果。
2.加强与实际工业应用的衔接。在智能制造的背景下，随着钢铁企业流程系统优化的需求不断的演化，课程教学内容也应紧跟时代发展。邀请相关行业专家进入课堂，介绍企业在实际生产中的一线经验和需求，加强与企业的协同，让学生把所学的理论知识与实际问题相结合，进一步提高创新和实践能力的培养。
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Teaching Reform of “Metallurgical Process Engineering” in Intelligent Manufacturing Era
JIANG Sheng-long, CHEN Hong-sheng, ZHANG Sheng-fu
(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China) Abstract: The rapid development of intelligent manufacturing makes the traditional engineering professional education face new opportunities and challenges. Starting from the development trend of intelligent manufacturing and the training requirements of Emerging Engineering Education talents in metallurgical engineering, this paper expounds the teaching objectives of Metallurgical Process Engineering, and analyzes in detail the teaching situation and problems in the teaching process. On this basis, this paper puts forward the teaching reform idea of the integration of system engineering theory and metallurgical process engineering, and makes a preliminary attempt on the reform of teaching content and mode, so as to further enhance students’ learning interest and cultivate students’ innovative thinking and practical ability.
Key words: metallurgical engineering; system engineering; Metallurgical Process Engineering; teaching reform

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