冶金原理学习指南.pdf

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1、冶金原理学习指南 通过本课程的学习（包括课堂学习、实验和认识实习等环节），使学生掌握提取冶金的基本理论和方法，培养学生综合运用所学知识分析和解决冶金工程实际问题的能力；以本课程为载体，结合冶金史和方法论，训练学生的发散性思维和创造性思维，培养和增强学生的创新意识和创新能力。1）掌握冶金熔体相平衡图的分析方法，深入了解主要的冶金熔体结构理论，冶金熔体的物理化学性质及其变化规律，能用这些理论理解和分析冶金中的问题。2）掌握化合物吉布斯自由能图和热力学平衡图的原理和绘制方法，初步具有运用热力学平衡图解决具体冶金问题的能力；掌握主要冶金单元过程的基本原理和平衡计算方法。3）掌握各种多相反应动力学模型的

2、建立方法和使用条件，结晶过程、电极过程的动力学原理，能初步运用这些模型对实际冶金过程进行分析和描述。4）受到冶金实验技术的基本训练，掌握主要的冶金实验研究方法，培养学生实验室工作能力打下基础。整个课程学生需要重点掌握的内容有：冶金熔体的相平衡图，冶金熔体的结构，冶金过程的热力学分析与平衡计算，热力学平衡图的绘制及应用，多相反应动力学模型及其应用等几个方面。学生在课程学习过程中，往往会遇到如下一些方面的困难。如学生在学习冶金熔体相平衡图时往往难以建立平衡图的空间概念，从而影响对三元相图的理解和掌握；三元系中熔体的冷却结晶过程比较抽象，学生不易掌握。在学习硅酸盐熔体（熔渣）结构理论时，对熔体中硅氧

3、阴离子的立体结构及其随熔渣成分的变化缺乏感性认识。学生对吉布斯自由能图的本质理解不透，因而常常不能掌握自由能-温度直线斜率的变化规律。传统的热力学平衡图的绘制方法比较烦琐，学生难以掌握，容易出错。还有不少学生对多相反应动力学模型的使用条件及适用范围不甚明了，常常出现错误使用动力学模型的情况。从本质上讲，各种多相反应动力学模型其实是一致的，对于这一点，大多数学生都难以理解。为了使学生能真正掌握提取冶金的基本理论与方法，我们针对课程的难点和重点部分进行详尽细致的工作。我们制作了 12 个反映各类相图特征的立体相图实物模型，将抽象问题直观化，有助于学生尽快建立三元相图的空间概念。并开发了“相图之旅”

4、Flash 动画演示软件，将液相组成和固相组成的变化轨迹动态演示出来，并采用联动的方式，使学生在看到立体相图中的变化的同时，又能看到平面投影图中的变化。该软件既可以全自动演示整个熔体冷却过程，也可以由教师在讲课时采用步进的方式进行演示，以利于学生观察熔体冷却过程的每一个步骤。其次，利用 Gaussian98 量子化学计算软件生成了各种硅氧阴离子立体结构的计算机模型，教师在讲授时既可以通过鼠标操作、也可以预设程式，使之上下、左右旋转或翻转，有助于学生建立起熔渣中硅氧阴离子立体结构的概念。采用“温故知新”的教学方法，引导学生从物理化学中熵的定义和基本意义出发，根据反应体系中气相物种和凝聚相物种的标

5、准熵的相对大小，分析冶金反应的标准熵变化，从而深刻地理解各种反应的自由能-温度直线的斜率及其变化的本质。课程教学过程中，除了讲授教材中的传统方法之外，还重点讲授了“预先定性分析剔除不可能反应分析调整直线斜率逐步得出原则图形计算绘图”的新方法。通过与传统方法的对比，使学生真正从本质上理解热力学平衡图绘制的原理，培养学生分析、解决问题的能力。与这种新的绘制方法相配套，开发了可实现“人机互动”的 Flash 动画软件；教师在讲授时，可以一边分析、一边改变直线的斜率，使学生直观地看到对与错的不同效果。此外，将课堂讲授与实验课有机地结合起来，专门设计了电势-pH 图的测定实验，以强化学生对热力学平衡图的

6、理解和认识。采用生动形象的教学手段，我们设计了“折纸模型”，将反应物扩散过程绘在纸上，而生成物扩散过程绘在透明纸或玻璃上，二者在反应界面处连接。讲课时只需左右翻动演示，学生就可以看出“不同的多相反应只是反应前后扩散方向不同而已，与微分动力学模型的建立无关”这一本质问题，从而产生豁然开朗的效果。实验教学方面，为了与新版冶金原理教材相适应，我们重新设计了教学实验，强化了认识实习。首先，我们把对学生分析和解决实际问题的能力及创新能力的培养放在首位。在实验设计上，我们将传统的印证性实验改为探索性、设计性实验，以培养学生分析和解决实际问题的能力及创新能力为第一目标。在实验中，鼓励学生大胆探索、自己摸索最

7、佳实验参数，确定最佳实验方案，例如，进行电极过程动力学实验时，在给学生讲解实验过程的基本原理以及相关电化学仪器的性能和使用方法之后，要求学生自己进行探索实验，寻找合适的电位区间，通过亲自动手、动脑，深化专业基础知识，加深对电化学过程的认识。又如在溶剂萃取实验中，实验指导书并未给出直接所谓的最佳水/油相比，学生必须通过不断改变实验条件，并结合理论分析才能找到水/油相比的最优值。为配合新教材对冶金动力学部分内容的强化，我们按“三性试验”的要求，设计了“硫化锌氧化动力学”、“金属氧化物还原动力学”、“锌焙砂浸出动力学”三个新实验，让学生根据课堂所学知识，综合考虑粒度、气体分压、试剂用量、浓度、温度、

8、时间等诸多因素，自己设计实验方案，达到了培养学生创新能力的目的。其次，实现了教学实验与课堂教学有机配合、互相补充和加强。以前，冶金原理实验和冶金原理为两门独立的课程，实验内容和进度与课堂教学都不一致，严重影响了两门课程的教学效果。现在，将这两门课程有机结合，由课程组统一制定教学大纲、统一规划课堂教学和实验的内容和进度，使实验内容与课堂教学的难点相呼应。学生带着问题做实验，在实验中去寻找这些问题的答案，有利于巩固学生对相关知识的掌握，达到了强化课堂教学效果的目的。同时，通过合理设计实验方案来提高教学实验的效率。在设计教学实验时，我们注意合理地运用实验方法，设计合适的实验方案，提高教学实验的效率，

9、尽量使学生能够在两个实验课时内完成从准备、实验、取样到化学分析等的实验全过程。例如，在一些教学实验中常常用到化学滴定、比色分析等方法，这些步骤虽然不是实验的主要内容，但往往却是非常耗时的环节；为此，在新设计的实验中采用测量反应物的重量变化、测量生成气体的体积等手段取代滴定、比色等常用方法，从而能简单、迅速获取实验数据，大大缩短了实验时间，提高了实验效率。再有，通过强化认识实习过程来增强学生对冶金的感性认识。冶金原理是一门工程学科，深入了解相关冶金过程的工艺和设备是学好本课程的关键。为此，在学习本课程之前，我们都安排任课教师与学生一起到冶金工厂进行认识实习，熟悉主要的冶炼工艺和设备，增强学生对冶金过程的感性认识，为冶金原理课程的学习奠定必要的实践基础。由于这些实验设计很好地配合了新教材的讲授内容，可以极大地促进学生对相关理论知识的掌握。例如，有些同学原先对实验原理不甚明了，实验方案的设计或实验条件的选择不合理，导致实验误差很大甚至得到错误的结果；通过老师对实验报告的批改和讲解，使学生加深对所出现问题的印象，促进对相关理论知识的理解和掌握。这些实验也使学生的动手能力得到锻炼，使他们初步掌握一些常见的实验研究方法，受到冶金实验技术的基本训练。