高校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型下化工熱力學(xué)課程的教學(xué)實踐

吳方棣，范榮玉

(武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

為適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的要求，地方本科高校需要大力培養(yǎng)高級應(yīng)用型技術(shù)人才；因此，轉(zhuǎn)型發(fā)展是大多數(shù)地方新建本科院校適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要[1，2]。武夷學(xué)院于2007年升本以來，根據(jù)應(yīng)用型辦學(xué)定位，結(jié)合地方區(qū)域特色，積極培育并初步形成“傳朱子理學(xué)，做武夷文章，育新型工科”的辦學(xué)特色。對于應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)，人才培養(yǎng)是目標(biāo)，課程體系建設(shè)則是根本。因此推動課程體系改革將是新建本科院校內(nèi)涵建設(shè)與應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容[2]。

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程的重要分支和基礎(chǔ)學(xué)科，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課?；崃W(xué)的原理和知識應(yīng)用是從事化工過程的研究、開發(fā)以及設(shè)計等方面工作必不可少的重要理論基礎(chǔ)，是一門理論性與工程應(yīng)用性均較強(qiáng)的課程。本課程要求學(xué)生能掌握流體熱力學(xué)性質(zhì)（如：P、V、T、H 、S 等）意義及計算方法；掌握熱力學(xué)定律在化工過程能量計算和過程熱力學(xué)分析中的應(yīng)用；熟悉各種溶液熱力學(xué)性質(zhì)定義、物理意義、計算方法及其相互關(guān)系；掌握平衡條件、平衡判據(jù)及流體相平衡數(shù)據(jù)和化學(xué)平衡數(shù)據(jù)計算方法。

然而，化工熱力學(xué)邏輯性和理論性強(qiáng)，公式、模型方程多且復(fù)雜；導(dǎo)致學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)過程中，多有畏懼心理[3-5]。結(jié)合近年的教學(xué)經(jīng)驗，根據(jù)化工熱力學(xué)的特點(diǎn)，為了提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，筆者進(jìn)行了以下的探索和實踐。

1 案例講解促進(jìn)教學(xué)

化工熱力學(xué)的理論性較強(qiáng)，單純的講解理論學(xué)生往往覺得枯燥且難于接受。因此在教學(xué)過程中，通過引入大家日常學(xué)習(xí)、生活中熟悉的具體事例，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深對概念和理論知識的理解。例如，在講解流體的p、V、T相圖時，以恒壓容器內(nèi)過冷水的加熱過程來進(jìn)行說明，在加熱過程中，水的狀態(tài)變化依次為：過冷狀態(tài)-飽和液體狀態(tài)-汽液混合物-飽和蒸汽狀態(tài)-過熱蒸汽狀態(tài)；再把這個過程描繪在T-V相圖上，學(xué)生對該相圖的基本組成，物質(zhì)狀態(tài)的變化規(guī)律就能夠更好的理解；進(jìn)一步可推廣到P-V、P-T相圖的過程。再如在制冷原理的分析講解中，通過以大家熟悉的冰箱、空調(diào)為例，來對制冷循環(huán)過程進(jìn)行分析，讓大家對抽象的概念有更形象直觀的理解。在如何理解溶液偏摩爾性質(zhì)的概念中，以偏摩爾體積為例：在一個無限大的、頸部有刻度的容量瓶中，盛入大量的乙醇水溶液，在乙醇水溶液的T、P和濃度都保持不變下，加入1mol乙醇，充分混合后，量取瓶上的溶液體積的變化，這個變化值即為乙醇在這T、P和濃度下的偏摩爾體積；把這個抽象的概念以大家熟悉的乙醇水溶液來進(jìn)行講解，讓同學(xué)能夠更好的理解這些基本的概念。

2 加強(qiáng)計算機(jī)的輔助教學(xué)

上文已提及，化工熱力學(xué)的公式、模型方程多且復(fù)雜；單純的依靠人為的計算工作量大且效率低下。而借助計算機(jī)和相應(yīng)的軟件，可以大大方便我們的計算過程，也有助于把更多的時間和精力投入到具體的過程應(yīng)用中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)應(yīng)用能力的培養(yǎng)；這與應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)是一致的。依托我校的省級虛擬仿真實驗中心，對于化工熱力學(xué)計算常用的輔助計算軟件如Aspen Plus、Visual Basic、Matlab等都進(jìn)行了配備，并開設(shè)了相應(yīng)的課程。在熱力學(xué)的各個章節(jié)中，都可以借助這些軟件來進(jìn)行輔助計算。如流體飽和性質(zhì)的計算、估算，流體P、V、T性質(zhì)計算等都可以通過Aspen Plus來完成[6,7]；對于活度系數(shù)模型（NRTL、Wilson、UNIQUAC 等）參數(shù)的計算，可以借助Visual Basic、Matlab等軟件編程來實現(xiàn)。

3 加強(qiáng)思維能力的培養(yǎng)

化工熱力學(xué)教學(xué)，除了傳授課本知識以外，更重要的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，而不是簡單使用公式進(jìn)行計算的能力[8]。化工熱力學(xué)中有很多的公式推導(dǎo)、計算，這要求學(xué)生應(yīng)該要有良好的邏輯推理能力。因此，在課堂的講解過程中，應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力及數(shù)學(xué)邏輯；當(dāng)遇到新的問題時，學(xué)生能夠自行的解決，而不是局限于課堂講解的內(nèi)容。例如在流體熱力學(xué)性質(zhì)的計算中，maxwell關(guān)系式（包括第一、第二關(guān)系式）是焓、熵等熱力學(xué)性質(zhì)計算關(guān)系式推導(dǎo)的基礎(chǔ)，而maxwell關(guān)系式是由物理化學(xué)中學(xué)過的四個熱力學(xué)基本關(guān)系式（內(nèi)能、焓、自由能和亥姆霍茲函數(shù)）結(jié)合數(shù)學(xué)中的倒易關(guān)系得到的；因此，在課堂的講解中，把這些邏輯關(guān)系講解清楚，學(xué)生在解題和分析問題時，就更能夠理清思路，找準(zhǔn)問題的切入點(diǎn)。

歸納總結(jié)的能力有助于讓學(xué)生把學(xué)過的內(nèi)容進(jìn)行整理、比較，找出異同點(diǎn)，幫助其記憶和理解，起到事半功倍的效果。在熱力學(xué)很多章節(jié)的教學(xué)過程中，都可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié)。例如，在第四、五、六章中，涉及到很多的效率，系數(shù)，在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，放在一起來比較，如表1所示。機(jī)械效率主要體現(xiàn)做功過程的效率，熱效率主要是熱功轉(zhuǎn)化過程的效率，等熵和熱力學(xué)效率主要反映過程的理想性與非理想性的差異程度。通過比較，讓學(xué)生加強(qiáng)對做功過程、耗功過程和熱功轉(zhuǎn)化過程的理解，同時也有助于對不同效率、系數(shù)的比較和記憶。

表1 熱力學(xué)效率、系數(shù)Table 1 Thermodynamic efficiency and coefficients

4 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

課堂學(xué)習(xí)的時間、學(xué)習(xí)的內(nèi)容是有限的，因此應(yīng)改變傳統(tǒng)灌輸式的學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生學(xué)會獨(dú)立思考，發(fā)揮創(chuàng)造、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[9]。比如在化工過程熱力學(xué)分析中，可以讓學(xué)生自己選擇一個具體的化工過程，結(jié)合課本第四、五、六章節(jié)的內(nèi)容，對過程進(jìn)行能量分析、熵分析和有效能的分析。在純流體、溶液熱力學(xué)性質(zhì)和汽液平衡的計算中，可以讓學(xué)生以小組的形式，針對化工生產(chǎn)過程的實例，對該體系物質(zhì)進(jìn)行熱力學(xué)性質(zhì)的計算和相平衡數(shù)據(jù)的計算，并對該反應(yīng)過程、分離過程進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計結(jié)果可與實際的生產(chǎn)過程進(jìn)行比較，以驗證過程的準(zhǔn)確性；從而激發(fā)學(xué)生的求知欲與探索精神；同時也做到學(xué)以致用，符合當(dāng)下我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)定位。

5 在科研實踐中學(xué)習(xí)

化工熱力學(xué)，除了有較強(qiáng)的理論性外，其對工程應(yīng)用性的要求也較高。僅僅通過課本理論知識的學(xué)習(xí)是不夠的，還應(yīng)通過科研實踐，學(xué)以致用，把所學(xué)知識應(yīng)用到具體過程中。例如在畢業(yè)設(shè)計中，大多涉及到對反應(yīng)器的選型，反應(yīng)器的選擇依據(jù)參數(shù)包括：物質(zhì)的物性（物質(zhì)狀態(tài)、密度、粘度等）、反應(yīng)的動力學(xué)、熱力學(xué)、相平衡數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)的獲得就要求同學(xué)運(yùn)用熱力學(xué)的知識去估算或測定相應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時，同學(xué)在參與老師的科研項目，如本人的柑青醛和新鈴蘭醛汽液平衡研究中，就要求學(xué)生能夠應(yīng)用活度系數(shù)模型去擬合、估算相平衡數(shù)據(jù)。此外，同學(xué)在課外實踐，如：大學(xué)生創(chuàng)新性實驗等環(huán)節(jié)中，經(jīng)常也需要應(yīng)用熱力學(xué)和動力學(xué)的方法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。通過這些實踐環(huán)節(jié)，來強(qiáng)化對所學(xué)知識的掌握，也提高了學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。

6 結(jié)語

化工熱力學(xué)是化工專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，雖有較強(qiáng)的理論性，但理論學(xué)習(xí)的最終目的還在于應(yīng)用。因此，在教學(xué)過程中，通過案例教學(xué)、計算機(jī)輔助教學(xué)和科研實踐等環(huán)節(jié)，在掌握好理論知識的情況下，加強(qiáng)對所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用，為培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才服務(wù)。同時，在教學(xué)過程中，加強(qiáng)對學(xué)生思維能力和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，不僅能為本課程服務(wù)，同時也能為其他課程的學(xué)習(xí)及學(xué)生未來的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

[1]劉芳,李全良,王筠,等.高校轉(zhuǎn)型期化工熱力學(xué)課程的教學(xué)實踐[J].周口師范學(xué)院學(xué)報,2016,33(5):102-105.

[2]李寶銀.地方新建本科院校轉(zhuǎn)型發(fā)展的背景與路徑[J].武夷學(xué)院學(xué)報,2014,33(1):1-4.

[3]童張法,陳小鵬,王琳琳,等.堅持特色教學(xué)打造化工熱力學(xué)精品課程[J].化工高等教育,2010(6):19-23.

[4]蔡江濤,周安寧,楊志遠(yuǎn),等.《化工熱力學(xué)》教學(xué)實踐與方法交流[J].廣州化工,2015,43(17):205-207.

[5]楊文,馮艷艷,王桂霞.化工熱力學(xué)教學(xué)方法的探討[J].梧州學(xué)院學(xué)報，2016,26(3):83-85.

[6]陳新志,趙倩,錢超.基于Aspen Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)(II)純物質(zhì)飽和性質(zhì)計算[J].化工高等教育,2011(6):58-60.

[7]陳新志,張哲明,錢超.用Aspen軟件輔助化工熱力學(xué)教學(xué)(一)狀態(tài)方程計算流體的p-V-T性質(zhì)[J].教育教學(xué)論壇,2016(21):214-216.

[8]王毅.淺論化工熱力學(xué)教學(xué)中學(xué)生思維能力的培養(yǎng)[J].化工高等教育，2015(5):95-99.

[9]徐飛,曹順安.《化工熱力學(xué)》課程的教學(xué)改革探討[J]．廣州化工,2015,43(23):269-270.