CDIO理念在化工熱力教學改革中的應用

徐 新 羅國華 靳海波

（北京石油化工學院 北京102600）

CDIO理念在化工熱力教學改革中的應用

徐 新 羅國華 靳海波

（北京石油化工學院 北京102600）

為了迎合“大工程教育”的背景，我校開展了CDIO工程教育模式在化工熱力學教學中的應用實踐。本文闡述了我?，F有的教學狀況及基于CDIO理念下熱力學教學改革的具體實施方案、考核方式等方面的一些探索及體會。

化工熱力學；CDIO；大工程教育；教學改革；方案

化工熱力學作為化學工程的基礎性學科，在研究化學工程以及解決化工生產實際問題中都起著非常重要的作用。同時，它也是化學工程與工藝專業本科生及研究生必修的重點專業課程之一。然而，由于課程中的概念抽象難懂，公式數量多且推導復雜，歷屆本科學生都感到難以理解和掌握。雖然嘗試過各種改革，探索過新的教學方法，但收效甚微，學生掌握到的理論常常疲于應付考試，沒有真正解決實際問題的能力，更不用說會作“工程”了。為了迎合“大工程教育”的背景，在2009年，我校開始嘗試將CDIO的教育理念應用于化工熱力學課程教學中，取得了一定的成效。

CDIO教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，這種全新的教育模式將構思（Conceiving）、設計（Designing）、實現（Implementing）與運作（Operating）結合在一起，形成一個連貫而完整的流程。學生從參加產品研發到產品運行的生命周期當中，可以親身體驗到“以產品為導向”CDIO教學模式所帶來的不同于傳統教學模式的參與感。這種以學生為主體，實現了“做中學”的全新教育理念，對于提高學生能力，激發學習興趣，促進化工熱力學課程建設等各個方面都具有非常重要的意義。

化工熱力學教學現狀分析

教學內容與實際脫節 隨著近年來工業體系的不斷進步和化工行業的快速發展，化工熱力學作為一門體系較為完善的課程，其教學內容與實際的化工技術相比已顯得比較滯后。這種滯后不但使教學與工程脫節，并且由于課程模式長期固定，在某種意義上限制了教師的思維方式，進而對學生的創新及發散思維也造成影響。同時，也造成了大學與社會之間的脫離。這也是為什么學生掌握了知識，卻不能在畢業以后派上用場的原因。

忽略了學生作為主體的角色 在從事化工熱力學教學的十余年中，如何解決教與學之間存在的矛盾，也是一直困擾著筆者的一個問題。為何在經歷了數次改革之后，我們的教學卻并沒有發生實質的改變？其原因在于忽略了“在教育過程中，學生才是主體”的這一事實。一直以來，無論運用何種創新式的教學方法，總是離不開以教師作為主體的講授，總是去研究如何將知識更快速準確的灌輸給作為客體的學生，如何將枯燥的理論講授變得生動有趣，讓學生在愉快的氛圍中掌握知識，在一次一次的教學改革中，教師歷練成了“優秀的演員”，而學生充其量也就是一個“文明的觀眾”并沒有成為一名“優秀的演員”。在這種教育方式下，培養出來的學生，實際上是被剝奪了自主學習的機會，其思維模式也會變得僵化，重理論，輕實踐。在具體問題的處理上往往拘泥于唯一的“正確方案”，按照教師或書本上所講述的步驟給出解答，這就達到了我們所說的“掌握”的基本要求。學生并不會從一個實際的工程問題中，發現相關的熱力學問題和定義熱力學問題。比如，在講授流體的 “PVT”關系時，我們會定義好兩個變量（溫度T，壓力P）讓學生去求體積（V），學生都可以很好的根據熱力學方程解出體積，但如果讓學生去求解某工藝流程中輸送流體的管徑時（生產能力即流體的質量流量已知），學生就常常束手無措。他們不會根據輸送流體的工藝條件（即溫度、壓力）用學過的熱力學知識來求出流體的摩爾體積，將其換算成流體的密度后，再根據流體的質量流量解出體積流量結合管路中的允許的流體流速去求管徑?？墒侨绻麑⑦@種求管徑的問題放在化工原理的課程中，學生又可以很好的解決。因為，在化工原理的課程中，流體的密度常常都是作為已知量出現在例題中的，而在實際的工程設計和計算中，這些問題都是需要靠學生自己去發現、定義并解決的。學生這種今后最需要能力，在我們多年的教學中卻被忽略了。

總之，無論是在教學內容上，還是在教學模式上，現有的化工熱力學教學當中都存在著很多問題，已經逐漸無法滿足社會對高等人才培養的需要。而CDIO的教學理念則為我們解決這一問題提供了一項新的可能性。通過將熱力學課程與CDIO教學理念相結合，讓學生在“做中學”的過程中更好地掌握知識，提高能力，通過一個個真實的工程案例，去研究問題、發現問題。這樣，學生才能具有獲取相關知識去解決問題的動力。在此過程中，重要的不是解決了一個具體的問題并由此掌握了相關的知識，而是在于學會如何發現問題、定義問題、分析問題并獲取相應的知識解決問題，總結新知識，同時，加強與人溝通的能力以及團隊合作的能力。那么，究竟如何進行化工熱力學課程的改革呢？

基于CDIO理念下熱力學教學改革方案

針對化工熱力學教學上的種種問題，我們確定了以“產品為導向”的教學模式改革。就是讓學生通過“產品工藝的工程設計”真正學到工程設計中的熱力學知識。熱力學是從工程中來，最終還要回到工程中去，為工程服務。因此，確定了以產品制造為目標，將學生感興趣的產品“工業化”，學生扮演一個“工程師”主持一個“產品與過程”的工程設計工作。在工程項目的設計中，學生必然會碰到相關的熱力學問題。如工藝條件下流體密度（流體的PVT關系）、換熱器和功設備的負荷計算 （流體的熱力學性質:焓、熵與PVT的關系）、分離塔的計算（流體的相平衡）等等，在設計過程中，學生遇到問題時，教師加以適當的指導并結合課堂所講授的熱力學內容解決實際工程中的問題，最終完成一個工程設計報告。學生只憑上課聽講是不可能將項目設計好的。必須通過自己看書、查閱大量的文獻與資料，與同組同學研究討論，才可能將項目完成。在這個過程中，強化了化工熱力學在工程中的應用，讓學生真正體會到熱力學不是虛無飄渺的理論，而是實實在在的技能。為此，我們制定的具體改革方案如下:

將學生按班級分組。原則上每班兩大組，也可根據個人興趣自成一組。選擇一個學生感興趣的化工產品，圍繞如何實現該產品的工業化完成以下內容:（1）市場調研報告。包括:產品的國內外發展現狀、市場前景、簡單的經濟分析及相關的工藝流程的了解（開課后第1～4周完成）。（2）對產品多套工藝流程方案進行可行性及經濟分析，確定小組詳細的工藝流程路線及詳細的工藝條件，完成簡單的工藝流程圖（開課后第5～8周完成）。（3）根據學生選定的工藝過程，完成簡單的工藝流程圖，教師指定與工藝流程相關的熱力學計算，通過計算體會熱力學在工程中的應用（開課后第9～12周完成）。（4）將以上三部分合成一個完整的報告期末上交，報告成績占期末總成績的30%。每一小步的工作要求完成的功課都要按時上交，并按教師的批改意見修改完善自己的報告內容（開課后第13～16周完成）。（5）最后，選擇優秀的項目報告作講演（第17周完成）。

由于選題是學生根據自己的興趣確定的工業產品，因此，項目類型與涉及的學科面應該是很復雜的。教師不可能事先知道結果，這就要求教師需要具有相對扎實的工程實際和理論的背景知識，指導學生在課題初期盡快進入課題角色，隨著課題的進展，學生要自己獲取更多的相關知識，并進行深入的研究，應用知識去解決問題。在此過程中，教師要做好“導演”，側重對學生的方法和能力方面進行指導。學生在整個過程中一定會投入大量的時間和精力，因為是以小組為單位，所以，最后的項目一定是集中了整個團隊的才智，一定會有所收獲。

通過兩年的實踐，使用以上方法取得了較好的教學效果，在加強學生學習熱力學課程積極性的同時，使學生在學習期間就能受到未來職場環境的熏陶，只有叫他們了解自己將來的用武之地，造就他們成為合格的化工專業人才，滿足產業和社會的需要。

然而，在改革中還存在一些問題，如學生的合作還存在欠缺，各組同學中都有“坐車”的現象，如何對這部分不積極參與的學生進行評價，使所有學生都能積極動起來，將是我們未來改革中亟待解決的問題。

表1 化2007、化2008屆的學生自選題目表

結語

化工熱力學課程從2009年開始進行了CDIO工程教育培養模式的理論與實踐探索，并取得初步成效，我們將不斷努力探索，使這一教育模式趨于科學、有效。積極推進CDIO人才培養的培養方案改革和教學方法創新，開展適應于學生研究性學習的教學方法創新，在傳統的案例式、啟發式、交流式教學方法改革中推進體驗式、研究式、討論式教學方法，利用具體工程項目的實施，引導學生“做中學”，通過營造工程環境，實現師生間、學生間對話式學習和合作式學習，形成教學相長的生動學習局面。在教學過程中融入最新的化工工程技術成果和工藝方案，啟迪學生的工程意識和利用科技成果的創業意識，開拓學生的創新思維和創業精神，構筑“創新創業”應用型人才培養的知識新體系和課程新體系。

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（本文責任編輯：尚傳梅）

G712

A

1672-5727（2012）06-0159-02

徐新（1967—），碩士，北京石油化工學院副教授，研究方向為化工。

羅國華（1966—），北京石油化工學院副教授，研究方向為工業催化。

靳海波（1968—），北京石油化工學院教授，研究方向為分離工程。