張麗麗，李 立

(荊楚理工學院化工與藥學院，湖北 荊門 448000)

工程教育專業(yè)認證對推進工程教育改革，提高教育質(zhì)量，培養(yǎng)學生工程觀念和能力具有重要意義[1-3]。2006年，各大高校開始從教學建設(shè)和實踐過程兩個方面為專業(yè)認證做準備工作[4-5]。結(jié)合中國的實際情況，根據(jù)國際工程專業(yè)教育互認體系要求，各大高校對工程教育專業(yè)的教學內(nèi)容、教學目標進行引導和規(guī)范，強調(diào)技術(shù)創(chuàng)新意識和工程實踐能力的培養(yǎng)[6]。2010年全國有11所高校先后通過化學工程與工藝的專業(yè)認證，學生的素質(zhì)能力和職業(yè)能力得到了很大的提升[7]。荊楚理工學院是一所服務(wù)地方經(jīng)濟的本科院校，為了更好的服務(wù)社會，培養(yǎng)學生能夠在化學工業(yè)及其它相關(guān)過程工業(yè)具備有良好的創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)精神和職業(yè)道德[8]。學校非常重視工程教育工作，以化學工程與工藝專業(yè)為試點積極開展工程教育認證工作?！痘崃W》是化學工程與工藝專業(yè)重要的核心課之一，同時也是全國工程專業(yè)認證標準中確定的四門學科專業(yè)基礎(chǔ)課程之一[9]。為了能讓學生具備化工專業(yè)知識技能和終身學習的能力，同時更好的支撐化學工程與工藝專業(yè)畢業(yè)要求達成度，本文在工程教育專業(yè)認證背景下從教學內(nèi)容、教學方法和考核方式三個方面對化工熱力學課程進行相應改革和實踐。

1 以工程教育專業(yè)認證為導向，設(shè)置課程目標

課程目標的設(shè)置是課程教學改革和工程教育專業(yè)認證的重要部分。通過設(shè)置與畢業(yè)要求相對應的課程目標，使學生掌握化工熱力學的基本知識和科學原理，能夠推演和分析解決工程問題，為后續(xù)專業(yè)課程和專業(yè)設(shè)計提供必要的基礎(chǔ)。以工程教育認證為導向，根據(jù)學生的實際情況和專業(yè)的培養(yǎng)目標設(shè)置課程目標，因此在課程大綱中建立明確的課程目標與相關(guān)畢業(yè)要求指標點的對應關(guān)系，如表1所示。

表1 課程目標與畢業(yè)要求及指標點關(guān)聯(lián)矩陣Table 1 Correlation matrix between course objectives，graduation requirements，and indicator points

根據(jù)畢業(yè)要求指標點的要求，設(shè)置了四個課程目標：(1)課程目標1：掌握真實流體P、V、T、S、H、U的計算方法，以及相平衡原理，熱力學第一、第二定律，熵平衡方程基本理論和宏觀經(jīng)典熱力學的研究方法。(2)課程目標2：能夠運用熱力學的性質(zhì)和熱力學原理，對化工過程中的相平衡和化工過程能量的分析與計算，達到生產(chǎn)過程中的物質(zhì)最大化和能量的最大化利用。(3)課程目標3：能夠利用熱力學原理針對均相封閉體系、均相敞開體系、流動系統(tǒng)特征的模型，表達化工過程中實際、復雜的化學工程問題。(4)課程目標4：能運用熱力學第一定律、第二定律計算穩(wěn)流系統(tǒng)的熱力學效率、進行能量分析，并和經(jīng)濟因素相結(jié)合考慮相關(guān)實際化工過程的可行性?；谡J證設(shè)置的課程目標能準確表達出學生通過這門課的學習所獲得的知識、能力和素質(zhì)，并對教學過程和考核內(nèi)容有明確的導向，能有效支撐相應畢業(yè)要求指標點的達成。

2 優(yōu)化精簡教學內(nèi)容

現(xiàn)有的化工熱力學課程教學內(nèi)容中抽象概念多、公式推導復雜、理論難理解，導致學生在該課程中產(chǎn)生畏難情緒，很難達到該課程的畢業(yè)要求。以工程教育專業(yè)認證為契機，需求導向為理念，教學內(nèi)容要充分支撐畢業(yè)要求指標點及課程目標的達成，因此教學內(nèi)容要根據(jù)課程目標要求進行設(shè)計與優(yōu)化。根據(jù)課程目標1和3，在保證化工熱力學基本理論知識和系統(tǒng)模型掌握的情況下弱化公式的繁瑣推導過程，強調(diào)公式模型的適用范圍及如何利用公式解決實際工程問題。例如第二章中流體的狀態(tài)方程是化工過程開發(fā)和設(shè)計、安全操作、科學研究中不可缺少的工具。狀態(tài)方程形式達上百種，復雜各異，適用的范圍不同，沒有任何一個方程具有普適性。對于工科的學生來說，在課堂中側(cè)重幾種狀態(tài)方程的適用條件及應用，這些狀態(tài)方程及參數(shù)的推導過程參考學習通拓展知識部分。選擇適合的狀態(tài)方程之后接著計算流體的PVT關(guān)系，假設(shè)利用PR方程來計算流體的體積或溫度，需要采用迭代的方法進行計算，工作量大，學生產(chǎn)生畏難情趣。這部分內(nèi)容通過現(xiàn)代軟件(Aspen)技術(shù)以及Excel單變量求解的方法進行計算，既節(jié)省時間又提高學生對該課程的熱情。由此，利用現(xiàn)代技術(shù)選用正確的數(shù)學模型解決復雜的工程問題，達成畢業(yè)要求1和2。針對課程目標2，能運用熱力學的性質(zhì)和熱力學原理，對化工過程中的相平衡和化工過程能量的分析與計算。例如相平衡大部分問題需要通過內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)不斷迭代求解，計算過程也是一項非常巨大的工程，這部分教學內(nèi)容引導學生掌握計算的思路，具體的求解用Aspen軟件輔助計算，因此增加了熱力學模型選擇與Aspen Plus內(nèi)容。學生利用現(xiàn)代化軟件工具將繁瑣復雜計算演繹的清晰明了，快速高效的解決復雜的工程問題，從而也讓學生認識到計算機、網(wǎng)絡(luò)與化工的聯(lián)系和應用，走在時代的前沿。針對課程目標4和畢業(yè)要求7的達成，教學內(nèi)容上側(cè)重熱力學第一定律和第二定律的應用，培養(yǎng)學生合理利用能源與資源，促進全球可持續(xù)發(fā)展。優(yōu)化后的教學內(nèi)容較好的培養(yǎng)學生利用化工熱力學的基本知識和理論應用到解決工程問題中，提高學生的思維能力和創(chuàng)新技能。

3 教學方法改進

3.1 主線式教學方法

針對化工熱力學課程理論強和工程系統(tǒng)化強的特點，在教學過程中采用與課程目標相適應的主線式教學法，以學生為中心，專業(yè)認證為背景，培養(yǎng)學生工程系統(tǒng)化能力。為了引導學生更好把化工熱力學的基本理論和公式應用于解決工程問題中，以物質(zhì)利用和能量利用為兩條主線，“實際=理想+校正”模型為研究工程問題的方法，把各章知識點聯(lián)系起來，研究體系從理想過渡到真實體，解決實際工程中的相平衡和能量利用問題。例如物質(zhì)利用這條主線，以中壓條件下汽液平衡的計算為例，某個組分氣相逸度系數(shù)的計算串到第四章逸度系數(shù)的求取，具體的求解又以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，串起第二章的內(nèi)容；液體活度系數(shù)的計算又把第四章的內(nèi)容串聯(lián)起來，和學生一起回顧已學過的知識點，將它們串起完整的鏈子。能量利用這條主線以實際的Rankin循環(huán)為例，整個過程包括吸熱、膨脹、壓縮、放熱四個過程。重點關(guān)注的是這個循環(huán)系統(tǒng)的效率，哪些因素影響循環(huán)效率，最后如何提高效率。由于考慮工質(zhì)在汽輪機中的不可逆過程，Rankin循環(huán)的效率為不可逆膨脹過程的焓變和吸熱過程的焓變之比，真實氣體焓變的計算串連到第三章純流體熱力學性質(zhì)。進一步，針對如何提高Rankin循環(huán)效率以及Rankin循環(huán)的改進，又串到第六章的化工過程中能量分析及合理用能。各章的知識點通過兩條主線關(guān)聯(lián)起來，層層遞進，條理清晰，讓學生在心中有個清晰的思維框架，同時也加深了對知識的理解及應用。

3.2 案例驅(qū)動法

針對工程專業(yè)認證畢業(yè)要求指標點2，要求有正確表達和解決復雜化學工程問題的能力。在教學過程中選用生活、工程及科研案例進行驅(qū)動教學，通過案例向?qū)W生拋出問題，引出概念、原理，然后總結(jié)規(guī)律再應用到相似的工程問題中。例如，最近汽油不斷漲價，經(jīng)濟環(huán)保的天然氣成為汽車的新能源，那么如何估算一罐天然氣能行駛多遠的距離，是否可以通過再提高壓力使壓縮天然氣液化，引出SRK狀態(tài)方程在生活中的應用。在實驗過程中，乙醇和水混合之后溶液總體積減小的案例引出重要的偏摩爾性質(zhì)概念，它代表了組分在真實溶液中貢獻。通過案例中具體的體積與組成的變化關(guān)系的分析，讓學生通俗的理解比較抽象的概念-偏摩爾性質(zhì)，進而以偏摩爾性質(zhì)為基礎(chǔ)推導許多重要的熱力學關(guān)系式。血液中氧與水，雪碧中二氧化碳與水分別采用什么標準態(tài)？這些生活案例加深了理想溶液的模型與標準態(tài)的理解。通過案例驅(qū)動法教學，學生用相應的原理和知識點對案例進行討論與分析，引導學生識別和判斷復雜化學工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生綜合應用性和工程實踐能力。

4 引入思政元素

圍繞課程教學目標與畢業(yè)要求指標點，每次課堂設(shè)置一明一暗兩條教學線索，讓思政教育潤物無聲地貫穿在知識點的教學中。課程的基本知識點以及知識點在實際工程中的應用作為主線，與知識點相關(guān)聯(lián)的科學思維和課程思政元素作為暗線貫穿課程。在課堂講授過程中，可以將人物故事、科研動態(tài)、應用實例引入課堂中。例如，范德華狀態(tài)方程的建立對低溫技術(shù)發(fā)展有著舉足輕重的作用，而低溫極限→氦氣液化又發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，目前高溫超導材料已成功應用在磁懸浮列車、超導磁鐵、超導發(fā)電機等設(shè)備。這個案例體現(xiàn)創(chuàng)新的軌跡與科學技術(shù)的繼承性，引導學生具有一定的思維創(chuàng)新能力和不斷探索的精神。北京石油學院郭天民教授也將狀態(tài)方程擴展應用于強極性非理想溶液，獲得極大的成功，引起了國際熱力學學界的注意，并引發(fā)了后繼研究熱潮。以科學思維為融入點，學習科學家們系統(tǒng)思維，創(chuàng)新思維、辯證思維的精神。貫穿課堂的思政元素不僅能夠培養(yǎng)學生的科學精神、創(chuàng)新精神、愛國情懷，還能啟發(fā)學生。為什么一杯涼水和一杯熱水混合變成一杯溫水，而一杯溫水不能自動的變成涼水和熱水。這個貌似“很傻”的問題是偉大的物理學家吉布斯提出來的，大家比較熟悉的吉布斯自由能、熱力學基本關(guān)系式、相律都是他提出的，對化工熱力學的發(fā)展做了很大的貢獻，整個過程也很艱辛。最開始的時候他9年沒有薪水，仍然堅持他的研究工作，并把自己的論文發(fā)給147個物理學家、數(shù)學科學家，一切不畏艱難、為科學獻身的精神得到認可。在生產(chǎn)和生活中離不開冷凍，制冷的方式很多，在吸收式制冷循環(huán)中可以利用太陽的輻射熱作為解析器的熱源，把夏天火熱的太陽這種可再生能源進行利用，為人們造就涼爽的環(huán)境，這種潤物無聲的方式培養(yǎng)學生的節(jié)能思想和專業(yè)責任感。

5 課程評價體系的多樣化

課程考核是工程教育專業(yè)認證中一項重要的工作，也是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的課程主要以單一的期末考試作為考核形式，學生會在期末時不斷刷題復習知識點，而知識不是簡單的死記硬背概念和公式，是要學生學會融會貫通，具有不斷獨立思考、敢于思考、終身學習的能力。適當?shù)目己嗽u價方式是教育的指揮棒，通過必要的考核評價也能夠方便教師了解課程目標的達成度。因此在教學過程中，建立多指標的綜合評價和考核體系，采用線上學習、課程參與、作業(yè)與案例分析、期末考試四個環(huán)節(jié)評價學生的學習成果。詳細的成績比例及評定方式如表2所示。教學內(nèi)容按周組織，每周發(fā)布學習內(nèi)容、測驗和作業(yè)。在課前，教師給出教學內(nèi)容相關(guān)知識點和要求，學生通過觀看線上的視頻掌握基本概念和分析方法等部分內(nèi)容，這部分占比10%，完成記得分。為了能更好地消化課上知識，進行線上測試和討論，軟件及時打分，調(diào)動學生的積極性，這部分占比15%，按得分點給分。在課堂上隨機分組進行短暫討論，加強學生之間的互動交流，有效利用課堂，占比5%，每次參與0.5分。為了加強學生的工程實踐應用能力，布置案例分析或大作業(yè)，占比10%，有教師及學生共同評價給分，最后平時課后作業(yè)10%和考試50%。上述課程分數(shù)構(gòu)成中過程50%，期末考試50%，達到過程與卷面并重。多樣化的考核評價方式以課程目標達成度的結(jié)果反饋給學生和教師，用于教學的持續(xù)改進。

表2 課程分數(shù)的構(gòu)成與評價方式Table 2 The composition and evaluation methods of course scores

6 結(jié) 語

基于工程教育專業(yè)認證背景下，化工熱力學的教學改革過程中以學生為中心，根據(jù)學生的實際情況，利用線上輔助平臺對教學內(nèi)容的精簡與優(yōu)化；以提高學生主動學習能力和學習興趣為目標，采用主線式和案例驅(qū)動教學方法，暗線引入思政元素、同時注重過程考核，使學生扎實的地掌握了化工熱力學基本知識和原理，培養(yǎng)了學生的解決實際工程問題與創(chuàng)新實踐能力。經(jīng)過三個學期應用，化學工程與工藝專業(yè)的學生參加的全國化工設(shè)計大賽，并取得全國一等獎和二等獎的好成績。從就業(yè)方面，化工專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率一直保持在95%以上，同時用人單位也給予很高的評價，說明學生能較好地把學到的知識應用到后續(xù)的化工研究和相關(guān)工作中?？傊?，學生的專業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)能力以及教學質(zhì)量得到了切實的提高。