計算機在國內化工熱力學教學中的應用現狀

郭相坤++吳文榮++張惠玫++馬名杰++王梯延++王瀟

【摘要】本文基于中國知網收錄的相關文獻，對計算機在國內化工熱力學教學中的應用成果進行梳理與總結，以期為后續的教學研究提供參考。

【關鍵詞】化工熱力學 教學 計算機應用 現狀

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0002-03

一、引言

化工熱力學（Chemical Engineering Thermodynamics CET）是伴隨著化學工業發展而形成的應用性交叉學科，主要研究化工過程中能量、能量轉換以及與能量轉換有關物性間相互關系，是基礎課與專業課之間的紐帶和橋梁[1]，也是化工專業核心課程群的基石[2]。

CET理論性強，概念抽象、模型復雜、邏輯性、系統性強，推導繁壅，雖經近50年發展，教學體系完整且嚴謹，但仍是難“教”和難“學”的課程。因此，處理好CET的“教”與“學”，是對任課教師的挑戰，也是教學實踐過程中亟需解決的問題。

隨著微電子、計算科學及網絡技術發展，計算機性價比不斷提高，應用領域不斷擴大，給CET教學改革與發展提供了歷史機遇，結合計算機應用的教學模式，把更多精力集中于培養學生熱力學嚴密邏輯思維和解決工程問題的能力，是CET教學改革的方向之一[3]，已用于輔助教學及物性計算、過程模擬等。

本文基于截止到2015年8月31日，中國知網收錄的與計算機在CET教學應用相關文獻，對國內CET教學中計算機應用成果進行梳理與總結，為后續CET教學研究提供參考。

二、多媒體軟件的應用

將直觀、生動、形象的多媒體技術應用到CET教學中，不僅可刺激、感染和吸引學生，直觀演示數據圖表，化抽象概念為直觀形象，也可簡化CET中的復雜計算和公式推導，形象展示化工操作單元[4]，還可增加教學信息量和學生的感知量[5]，是突破CET教學難點、彌補學時有限、實施開放學習的有效手段[6]。

目前，絕大多數CET任課教師，都或多或少采用了計算機輔助教學（Computer Aided Instruction CAI），有些還建設了便于學生交流學習的網絡平臺。如有在雙語教學過程中，創作圖、文、聲、色并茂CAI課件的[7-8]；有結合CAI、教學網站建設和網絡通訊工具，實現資源共享的[9-11]；有將Aspen的計算理念和CAI相融合的[12]，也有將傳統教學手段與CAI結合[13-27]，并建設開放式網絡教學平臺的[21-24， 26-28]。

也有結合多種多媒體軟件，制作了交互式CAI課件[5， 29-34]或可完整展現實驗過程的CET虛擬實驗室[35]。

另外，施云海認為CET教學改革可以CAI為主，任課教師要盡快抓好CAI軟件編制和教材編寫，形成教學軟件包[3]。然而，CAI雖有諸多優勢，CET教學卻不能被CAI取代，因為CAI本身僅是利用了先進的教學工具和手段，并不等于教學方法也先進，只有與先進的教學方法相結合，CAI才能最大限度地發揮其作用[36]，而且課件內容表現形式也要適當，課件制作應重點突出[4-5]。

三、專業計算軟件的應用

隨著計算科學和軟件技術發展，已推出了功能強大的商業化專業軟件，如化學化工專業軟件Aspen、Simulis Thermodynamics、Hysys、ChemCAD，數學軟件Mathematica、Maple、MathCAD等，已成功應用于CET的教學中。

如有的以Aspen、Simulis Thermodynamics及Excel，組織學生上機實踐[37]；或以Aspen為工具[38-41]，以PR狀態方程計算定組成天然氣的摩爾體積、1-丁烯狀態變化后的摩爾體積、焓和熵的變化[38]，計算正丁烷在273.15 K時的氣、液飽和熱力學性質[39]，計算水/乙醇體系的相平衡曲線的方法[41]。

也有的僅使用Excel的計算功能[42-48]，如重新計算[42， 47]、規劃求解[42]和單變量求解功能[42， 47]，計算乙烷的摩爾體積、壓縮因子、剩余熵、剩余焓與逸度等性質[43-44]、泡點與露點等[45]，以及高壓下丙烯-丙烷混合氣體密度及甲醇/乙睛體系相平衡數據的計算等[47]。

也有將數學軟件結合CAI，應用于CET的教學過程的，如利用符號計算系統Maple，計算流體PVT性質、剩余性質和相平衡[49]；或利用MathCAD計算氣相組分的逸度、液體混合物中組分逸度及活度系數模型參數的擬合、多元相平衡[50]以及計算了剩余自由能、剩余焓和剩余熵[51]等。

四、專用軟件的開發

盡管專業軟件成熟，功能強大，使用方便，然而需花巨資購買，推廣普及難度大，因而，有些學者建議使用程序設計語言，引導學生自行設計程序，開發了CET教學或計算專用軟件[52-58]。

如采用Basic編程，進行物性計算[52]；以VB語言為工具，開發擁有自主知識產權的，可用于Windows平臺下CET教學與計算的模塊化、菜單式、界面友好、視窗化的軟件包[53]，以及可采用不同狀態方程進行純流體及二元混合流體熱力學性質的計算與教學，并對流體的物性參數實行數據庫管理的視窗化的軟件包[54]。

也有將Borland C ++與FORTRAN語言相結合，開發了可用于氣體的熱力學性質、溶液的性質、純組分以及多組分體系汽液平衡的計算，界面友好、自帶漢字系統、操作簡單的CET教學軟件包[55]。

Matlab使用、編程簡單，語法靈活，程序設計自由，程序可移植性、兼容性優良的特點，可很好地解決CET各種復雜、非線性的計算，如流體pVT的計算和相平衡的計算等，同時可用于無約束多元函數參數回歸，有效地解決CET的復雜計算，拓展CET的理論教學，如以純流體熱力學性質、露點壓力及組成以及活度系數模型參數的回歸計算[59]、基于Wilson活度模型的常壓二元汽液平衡數據的處理等[60]。

還有人設計了既可用于化工原理課程設計教學，又可進行常見汽液傳質設備設計的兩棲軟件THPRO，將化工原理、CET、計算方法實現有機結合[61]。

五、結論

計算機在CET教學中的應用以CAI較為普遍；專業軟件由于受到使用許可及投資的制約，不便于推廣；使用程序設計語言可實現編制者的思想，不受版權的限制，但需要有先期學習的基礎。

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基金項目： 2013年河南理工大學教改項目：《化工熱力學》交互形象化教學改革的探索與實踐（編號：2013JG076）