微信公众平台冶金工程实验教学模式初探

韩丽辉， 于春梅

(北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083)

0 引 言

冶金工程是我校优势特色专业学科，包括钢铁冶金、有色金属冶金和冶金物理化学3个专业。冶金工程实验技术是针对冶金工程专业开设的专业必修课程，是一门独立设课的实验课，目前共包括16个实验项目。冶金过程水模型是该课所包含的16个实验项目之一，该实验项目4学时，每次上课人数为10人左右，目前仅针对中间包进行水模型实验。而在冶金生产中钢包、中间包、结晶器是连铸生产中的必须设备，一般通过水模型实验来优化设计其内部结构。以相似原理为基础的冶金过程水模型实验在冶金研究工作中得到广泛的应用，也是冶金工程专业学生应该熟悉掌握的实验方法之一。所以在冶金过程水模型实验项目中应包含钢包、中间包和结晶器的水模型实验，由于时间有限，一次上课无法完成3个实验项目，学生应该根据兴趣点自主选择一种设备的水模型实验。

目前的实验教学模式是学生进入实验室后，在老师的指导下开始固定内容固定方案的实验教学，学生没有选择性。这种实验教学模式无论是在实验内容还是实验方案上学生都是被动的，学生课前不预习或预习效果差，课上缺乏积极性和主动性，更缺乏跟老师的沟通互动。在互联网技术发达、手机微信广泛应用的今天，这种教学模式显然是落后的，不利于学生的创新能力的培养以及综合素质的提高。结合北京科技大学“十三五”发展规划中的人才培养目标“推进素质教育，培养学生的创新精神、创业意识和实践能力”，实验教学模式需要与时俱进，亟待改革创新。通过冶金过程水模型实验项目为例，借助手机微信公众平台，对自主选题、自行设计方案的实验教学模式进行初步探索，取得了显著的教学效果。

1 微信公众平台在高等教育中的应用

随着互联网技术的飞速发展，在线教育越来越受到人们的广泛兴趣，很多教育工作者开始探讨在线课程的应用模式及各种混合式教学方法的优点和缺点，推进教学方式的改革与创新[1]。MOOC、移 动 学 习 (M-learning)、混合学习(Blended learning)、翻转课堂(Flipped classroom)等都是利用互联网+技术将计算机信息媒介教学与面授教学相结合，学习者可以随时随地获取所需知识的一种全新的学习模式[1-4]。这种将传统学习方式和数字化或网络化学习方式结合起来的教学模式，既能发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又能充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。

大学生智能手机的普遍使用和良好的无线网络(WiFi)和4G网络信号，使得教育信息化也朝着移动端应用发展[4]。微信公众平台是腾讯公司于 2012 年 8 月推出的一项微信订阅服务，可以进行一点对多点的信息推送平台，通过这一平台，任何个人和机构都可以打造一个微信公众号，用以群发文字、图片、语音、视频、音乐消息5个类别的内容[5]。微信公众平台不仅可以在智能手机上使用，而且支持电脑端登录，这样既能保证信息的及时性，又能对信息进行管理与共享，从而实现一对多的交流与互动，具有操作便捷性、交流时效性、推送内容丰富性精准性等优点[6]。目前的高校教学中存在课时少，学生多，师生沟通少，学生课前预习不充分等问题，微信公众平台的出现为解决这一问题提供了新思路。文献[6-8]中针对微信公众平台应用于高等教育领域进行了可行性研究，目前微信公众平台已应用于实验室安全教育[9-10]、学生思想政治教育[11-12]、图书馆实验室服务管理质量控制[10,13]，课堂教学实验教学[14-20]等方面。在实验教学中通过微信公众平台，实验指导老师可以推送实验操作视频、实验讲义、设备使用说明、安全注意事项等，尤其对于选题研究型、设计型实验项目，学生可以在微信平台上选择实验项目、设计实验方案、预设实验问题、小组间评价及建议、实验室预约等。总之，利用微信公众平台可以实现教学项目管理、师生及时互动、学生随时学习、课程及时改进、课上有效率提高等教学功能。另外建立微信教学管理平台相对简单，不需要复杂的网络编程技术和昂贵的开发费用，任何教师都可以拥有自己的微信教学管理平台[19]，微信公众平台应用于高等教育领域已成必然趋势。

2 实验教学中存在的问题

冶金工程实验技术是冶金工程专业一门独立设课的实验课，通过实验课操作使学生掌握冶金工程专业各类科研设备测量仪表的使用方法及基本测量和研究方法，提高学生实际动手能力和分析解决问题的能力，并为本科毕业活动及将来参与科研活动奠定基础。然而，由于实验教学模式的传统和僵化，使实验教学中存在一些问题。

(1) 实验课课堂学习和实践学习部分脱节。该课有18学时的课堂讲授和54学时的实验室操作，课堂讲授在大三第2学期完成，实验室操作在大四第1学完成。由于时间间隔太长，当学生进入实验室时把课堂所学的理论都忘了，实验指导老师还要重新讲实验原理，这样就减少了学生的操作时间，降低课堂有效利用率，不利于实验室操作项目的顺利完成。

(2) 实验时间和实验项目没有选择性，学生被动接受安排。该课共包含16个实验项目，分为演示实验、综合性实验和设计性实验，演示实验2学时，综合性设计性实验4学时。课程的安排是由负责实验教学的老师排好课表，学生在指定时间到指定地点做指定的实验项目，所有实验项目由实验中心的不同老师分别指导完成。这种被动的学习方式，使学生在实验项目的选择上毫无自主选择权，当然在课堂上就会毫无热情，注意力不集中，目标任务不明确，甚至有的同学进入一个实验室根本不知道要做什么实验。

(3) 课前预习不充分或者根本不预习。目前大部分学生不进行课前预习，有的同学即使预习了也是照着实验讲义抄一份预习报告，不会对实验项目的原理和方法进行深度思考，更不会预先设置一些问题以备实验课来解决。由于学生没有充分预习，老师讲解实验时，学生不理解或很难跟上思路，经常是老师提出问题时学生一脸茫然；另外由于预习不充分，对设备缺乏感性认识，学生在使用设备时经常忘记使用注意事项，手忙脚乱，甚至损坏设备。

(4) 小组合作中个别同学缺乏主动参与。在实验操作课之前班长将同学分成3个小组，一次上课一个小组，多数实验项目为4学时。进入实验室后，一个小组同学共同完成一个实验项目，这样有的同学总是站在后面，不积极参与，甚至还偷偷玩手机，不仅浪费了自身学习实践的机会，还对课堂气氛造成很坏的影响。

(5) 实验项目单一，对于优秀学生存在“吃不饱”现象。一般实验课时的设计是针对多数同学设计的，但是对于预习充分、动手能力强的优秀学生，他们可以在短时间内完成实验项目，处理好实验数据。如果能够提供其他实验题目，充分利用同一实验室内的实验条件，给学生更多主动发挥的空间。比如现在的冶金过程水模型实验项目，仅对中间包做水模型实验，应该让学有余力的学生再做钢包或结晶器水模型实验。给学生提供充分发挥个人能力的空间，为培养具有工程实践能力和创新素质的高水平人才奠定基础。

微信公众平台的广泛使用，为解决上述实验教学中出现的问题提供了新思路。以冶金过程水模型实验课为例建立微信公众平台，实验指导老师发布实验相关内容及安全注意事项等信息，学生扫描二维码或者关注该维修公众号，从钢包、中间包、结晶器3种水模型实验项目中选择至少一个自己感兴趣实验项目进行准备。借助微信公众平台做到自主选题、自动分组、自主评价、师生及时互动、教学效果不断改善，从而建立课前自主选题、课上充分实践的实验教学新模式。

3 冶金过程水模型实验

水模型实验是一种物理模拟实验[21]，以相似原理为基础，用水来模拟钢液，用有机玻璃模型模拟设备，包括测量仪表、数据采集仪、计算机、水泵、流量计等，通过控制实验参数来保证相关的相似准数相等。图1所示为连铸生产过程，精炼好的钢水经钢包浇注到中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器内，在结晶器内钢液凝固结晶，拉矫机与结晶器振动装置共同作用将铸件拉出。连铸过程中精炼设备、中间包、结晶器等设备的内部结构和工艺参数对铸坯质量有着非常重要的影响，所以通过水模型实验来定性分析问题、找出某种规律、优化参数设定、改进冶金设备结构等已广泛应用到相关的科研工作中。

图1 连铸生产过程示意图

3.1 钢包水模型实验

钢包水模型实验可针对转炉、CAS、VOD、LF、RH等炉外精炼设备进行水模型实验，一般优化最佳喷吹位置、合金元素加入位置、及临界卷渣吹气量。实验中主要测量不同喷吹位置、不同吹气量下的混匀时间，测量仪表为电导率仪，实验设备除了前面提到的以外，还用到气瓶或压缩机，图2所示为钢包水模型实验示意图。学生可以自己设计吹气量和喷吹位置，并将不同方案测得的数据结果进行对比，分析哪种方案的搅拌效果更有利于钢液温度、成分快速均匀。

图2 钢包水模型实验装置

3.2 中间包水模型实验

中间包水模型实验主要是优化中间包内部的控流装置，调整钢液流动状态，延长钢液在中间包内的平均停留时间，使夹杂物有充分的时间上浮，从而达到均匀温度和促进非金属夹杂物上浮的效果，进而提高铸坯的质量。实验中采用“刺激—响应”的方法测得中间包不同控流装置条件下水的停留时间分布(Residence Time Distribution, RTD)曲线，并用有色试剂做示踪剂观察钢液的流动状态。测量仪表为电导率仪，实验装置示意图如图3所示。学生通过移动挡墙、挡垻的位置设计2种实验方案，对2个实验方案的实验数据进行计算处理，分析哪种方案的控流装置有利于钢中非金属夹杂物的上浮，有利于成分、温度均匀。

3.3 结晶器水模型实验

结晶器液面波动加剧，容易产生表面卷渣，造成铸坯质量恶化，因此研究结晶器内液面的波动情况以及如何控制液面波动，对于生产高表面质量的板坯具有重要意义。拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口吹气量以及结晶器宽度的变化等都会影响结晶器内液面波动，需要通过水模型实验对上述参数进行优化。实验过程用到的测量仪表为波高仪、表面流速测定仪，实验装置示意图见图4。学生可以针对某一个工艺参数设计不同的方案进行水模型实验，分析不同参数对结晶器液面波动的影响权重。

图3 中间包水模型实验装置示意图

图4 结晶器水模型实验装置示意图

4 冶金过程水模型实验微信公众平台

任何个人或单位都可以申请微信公众号，申请者只需提供地址、姓名、联系手机、身份证信息等，并且同意和遵守相关“服务协议”，对自己申请的微信公众号负法律责任。微信公众号不同于微信企业号，前者一般适于普通个人，而后者适用于企业或组织机构；前者任何人都可以关注，后者对特定的人群开放；前者在固定的画面结构中推送内容，而后者还可以开发第三方应用。考虑到微信公众号的简单方便，又能满足要求，文中建立的“冶金过程水模型实验”为微信公众号，不是微信企业号。学生只需扫描该公众号二维码或者添加关注，该微信公众号便出现在个人的微信订阅号中，便可随时随地查看平台信息，与实验指导老师沟通互动。

4.1 平台架构和内容

微信公众号自定义主菜单最多包括3项，子菜单项目不限，素材分为图文、视频、音频、投票等，24 h内公开发布最多1次。了解微信公众号使用的基本原则后，将要发布的信息整理好放到平台上。一般的实验项目都包含实验原理、方法、装置、内容、步骤、数据、结果分析等，实验教学微信公众平台不仅包括上述内容，而且信息更加丰富，并以更立体更逻辑的方式展现出来，具有界面操作简单，内容易懂的特点。“冶金过程水模型实验”微信公众平台架构如图5所示，以能够方便自主选题为核心，主要向学生介绍钢包、中间包、结晶器3个水模型实验项目， 每个实验项目包括实验视频、原理、装置、步骤、数据处理等子菜单。为了学生选择实验项目时一目了然，故在微信平台结构中将3个实验项目做成主界面的第一个菜单，外加“实验设备”和“实验安排”菜单。实验设备主要介绍该实验室主要设备的使用说明，实验安排中包括学生选择实验项目的情况、学生上课意向时间、实验指导老师课程安排时间、学生问卷调查、课程评价及建议等。

图5 “冶金过程水模型实验”微信公众平台架构

图6所示为冶金过程水模型实验微信公众平台界面截图，平台发布的内容比实验指导书更感性更全面，实现信息开放共享，建立了一个真正的移动学习平台。首先实验操作视频的推送，使学生课前就对实验有明确的认识，而不是通过想象来认识实验过程；实验原理通过图文方式发布，尽管水模型实验的原理均为相似原理，但各个实验项目侧重的相似准数有所不同，所以在各个实验项目中分别介绍了实验原理；实验装置中介绍了实验台的组成，测量仪器的原理、使用方法和注意事项，图文并茂，简单明了；实验步骤中详细介绍了完成实验的具体步骤，误操作后的实验现象及处理措施，比如中间包水模型实验中出口流量输入错误导致中间包内水位上涨该如何处理；数据处理介绍得到实验数据后计算哪些评价指标，如何计算以及如何评价。通过“冶金过程水模型实验”微信公众平台中的内容介绍，学生事先选择好自己感兴趣的实验项目，查阅相关文献了解该方向的科研工作，设计实验方案，并通过“实验安排”菜单与指导老师沟通确定实验时间，进入实验室后，通过平台中实验仪器设备的使用方法和实验步骤的介绍，学生根据自己设计的实验方案，就能够主动有序地高质量完成实验内容。这样的实验活动不仅锻炼了学生的动手能力、项目执行能力，还有利于培养学生科研素质。

图6 “冶金过程水模型实验”微信公众平台界面截图

4.2 平台应用实例

平台初步建好后首先应用于冶金工程专业本科2014级一个班，根据实际使用情况逐步完善。开课前1周让学生关注平台二维码，进行实验项目选择、预习以及查阅相关文献，实验指导老师通过平台了解学生的选题人数和上课时间，进行课前实验准备。从实验课教学效果看，这种基于微信公众平台进行自主选题的实验教学模式相比具有以下优点：

(1) 拓展实验题目，学生主动性增强。原来水模型实验室只有中间包水模型实验台用于本科教学，钢包和结晶器实验台主要用于研究生的科研工作。本科生进入实验室后大家都做中间包水模型实验，尽管分成2个小组实验方案不同，但是都是被动的接受实验内容，在老师的带领下进行实验操作，对老师依赖性强，思考少，动手能力差，实验课缺少生机和活力。现在本科生实验项目由1个扩展到3个，而且实验难易程度相差不大，通过微信平台学生选择自己感兴趣的实验项目，课前针对难点和问题跟老师进行了有效沟通，查阅文献对该实验项目充分了解。实验课上学生的主动性大大增强，进入实验室后主动找到自己的实验台，根据预先小组讨论的实验方案，开始有条不紊的实验操作，最后处理实验数据，撰写实验报告，从头至尾学生都成为实验室的主角，老师成为配角，课堂上一片生机、紧张有序，如图7所示。

图7 学生自主选题后的上课情景

(2) 课前预习充分，实验项目高质量完成。原来虽然学生在上课之前手中已有实验指导书，但是多数学生课前不预习或预习不充分，甚至上课时有的学生空手而来。现在通过微信平台选择实验题目后，学生可以随时随地反复观看实验操作视频及阅读实验步骤，了解实验操作，铭记于心，不受时间和空间的限制而进行充分的移动预习。另外通过对实验设备原理、使用方法及注意事项的介绍，学生在实验过程中避免了错误使用，大大提高了实验效率，并减小了实验误差，原来一个实验方案要做3次实验，现在只需做2次就可以了，节省的实验时间还可以选做其他的实验项目。

(3) 选题相同而结组，培养团队合作意识。传统的上课模式是一个班分成3组，每次上课1个组，为了使同学都参与实验中来，老师会给学生进行分工，大家共同完成一次实验。现在通过微信平台选题后，每个小组内题目相同的同学自动结成组内组，他们自己课前商量实验方案，自己进行课前工作分工，实验课上按照事先分工进行实验操作，一起讨论实验中遇到的问题，共同商定解决方案，共同进行实验数据分析，大家齐心协力完成所选择的实验项目。这种工作模式大大提高了工作效率，而且培养了学生团队合作意识。

(4) 微信预约，实验课安排自由度大。“冶金工程实验技术”是冶金工程专业大四年级的必修课，每个班分成3个组进行14个实验项目，经常是同一时间不同小组进行不同的实验项目。而14个实验项目每个有1个指导老师，这样一来老师的时间多学生的时间少。“冶金过程水模型”实验通过微信平台进行实验安排后，老师在平台上发布自己的可预约时间，供组内组学生预约，学生不必拘泥于固定的安排好的上课时间完成实验项目。这种预约模式使学生可以驾驭自己的学习时间，实验室真正做到开放共享。

5 结 语

冶金过程水模型实验微信公众平台的建立是移动通信信息化技术与实验教学的完美结合，是对传统实验教学模式改革的有效工具，实现了教学资源信息化及开放共享，建立了真正的移动学习平台。借助于该平台进行自主选题的实验教学模式能够拓展实验题目，调动学生对实验课的热情和主动性，锻炼学生的动手能力、分析问题解决问题的能力，增强学生的团队精神和合作意识，有利于学生综合能力及创新素质的培养。