化工熱力學教學方法的探討

楊 文，馮艷艷，王桂霞

(1.2.3.桂林理工大學 化學與生物工程學院，廣西 桂林 541004)

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化工熱力學教學方法的探討

楊 文1，馮艷艷2，王桂霞3

(1.2.3.桂林理工大學 化學與生物工程學院，廣西 桂林 541004)

化工熱力學是化工類專業的一門必修課程。根據化工熱力學特點及其所存在的問題，提出了關于化工熱力學教學方法改革的建議和看法。通過教學手段的改革激發了學生的學習興趣，深化了對理論知識的理解，培養了學生的工程意識，提高了學生分析和解決實際工程問題的實踐能力，進而提高化工熱力學課程的教學質量和水平。

化工熱力學；教學；方法探討

化工熱力學是一門理論與實踐應用并重，將理論過渡到實際應用，同時講究嚴格邏輯推理的化工類專業的核心基礎專業課程。化工熱力學通過熱力學相關的基本原理、定律和數學推理、計算來解決化學工程中所遇到的實際問題，為后續課程的學習和解決化工過程的實際問題打下牢固的基礎。其主要任務是研究化工過程中各種能量的相互轉化和利用；研究物質狀態變化與其性質的關系；研究物理或化學變化過程達到平衡的理論極限、條件或狀態[1]。而化工熱力學邏輯性和理論性強、概念多而抽象、內容廣、公式繁多、推導過程復雜，這使得化工熱力學課程的教學非常困難[2]。因此，如何搞好化工熱力學教學質量對化工專業的學生非常重要。根據化工熱力學的特點和我們的教學體會，下文將從化工熱力學教學目前存在的問題及其教學方法兩個方面進行討論。

1化工熱力學教學存在的問題

對于學生而言，學習過程中遇到的問題主要包括：①大量的數學推理和數學換算使得化工熱力學理論知識抽象難懂；②各章節的學習內容多，很難將各章節的知識點相互貫通；③即使掌握了基本理論也很難將所學知識應用到實際當中。這些問題打擊學生對化工熱力學的學習信心，學習感到吃力，興趣不高。同時，通過教師與教師的交流，我們總結出在以往化工熱力學教學中存在以下問題：①學生學習興趣不高；②過于注重理論公式的推導而輕應用；③以課堂教學為主，教學手段單一；④重理論而輕實際應用。而搞好化工熱力學教學對化工專業的學生非常重要，因此對化工熱力學教學方法進行改革就顯得尤為緊迫。

2化工熱力學教學方法探討

根據以上所存在的問題可以看出如何提高學生的學習興趣，培養學生的積極性，讓學生理解一些基本原理，應用到實際生活和化工生產中，是本門課程教學所關注的重點。針對目前化工熱力學教學中存在的問題，同時結合化工熱力學課程自身的特點和在化工熱力學教學中的一些心得體會，以天津大學馬沛生老師編寫的《化工熱力學》第二版第四章為列，講述對化工熱力學教學的方法和改革探討。

2.1設問教學，激發學生興趣

興趣是教學中最好的老師，如何激起學生在化工熱力學學習中的興趣尤為重要。在講解主要內容之前，通過設立幾個可以通過本章節知識點解決而又貼近生活的實際案例和疑問，來激發學生的學習興趣。在天津大學馬沛生老師編寫的《化工熱力學》第二版的第四章主要講述了熱力學第一定律和熱力學第二定律及其應用。本章的知識點解釋了很多我們生活中相關的問題，例如，冰箱和空調是如何實現制冷，空氣能熱水器是如何實現節能，蒸汽機車的工作原理是什么等問題，這些案例都可以在課前進行設問。通過講課前設問，有意制造懸念，能引導學生進行思考，將內容中抽象的熱力學第一定律和復雜的公式與前面的案例聯系起來，化抽象為形象，深入淺出，層層深入的方式讓學生領會到化工熱力學的實際應用和魅力，真正理解化工熱力學的原理和精髓之處。在每小節課的后期，學生的精神容易松懈，不集中、乏困。教學過程中發現通過應用所學的理論知識對課前所設的疑問進行啟發、討論和互動交流，能顯著地提高學生的注意力，幫助學生運用所學理論知識去分析和解決實際問題。同時，這類設問教學，讓學生帶著問題有目的地學習，能有效地提高學習的興趣，將抽象問題具體化，使復雜問題簡單化，加深了學生對理論的理解。

2.2輕公式推導，重應用

化工熱力學是化工類專業課中理論公式推導最嚴謹的一門課程。理論公式中運用了大量的積分微分等數學運算，使得化工熱力學課程的內容變得復雜抽象，從而使得學生對化工熱力學的學習形成畏懼心理。例如，在第四章中的熱力學第一定律的數學表達式的推導，即敞開體系的能量平衡方程的推導中運用了大量微分式，既要建立質量守恒方程又要建立能量守恒方程。將熱力學第一定律公式化形成一個微分公式，如果對其進行應用，需對具體的邊界條件進行積分，復雜抽象。而作為理工院校，我們應該更注重培養學生的應用實踐能力，而不在于復雜公式的理論推導。因此，在講授第四章中熱力學第一定律內容的能量守恒方程時，我們直接將穩態系統的能量平衡方程給出，再將能量平衡方程經過一定的簡化，推導出化工原理中著名的伯努利方程，將化工熱力學的知識和化工原理相關知識緊密聯系起來，加深學生對化工熱力學中熱力學第一定律的理解。

2.3結合實驗現象，深化理論知識理解

要讓學生深刻地理解理論知識，必須打破灌輸式的教學模式，應該在理論課堂的基礎上引入實踐教學環節，通過實驗現象來鞏固學生對化工熱力學知識的理解。為加深學生對熱力學第一定律的理解，我們在一個U型管中加入水，通過搖晃讓水在管內上下來回運動，當水往上運動時，運動速度會變慢；當運動到底部時運動速度最快。通過現場演示動能與勢能相互轉化的現象，學生對熱力學第一定律有了更深入的理解。第四章中的應用部分包括氣體膨脹性質的內容，這部分內容對制冷技術來說是非常重要的知識點。當氣體在通過孔板和閥門時，由于受到局部阻力，流體的壓力下降明顯，這種現象在化工熱力學中被稱之為節流現象。在節流過程中會發生制冷或制熱效應，其取決于節流膨脹系數。當節流膨脹系數大于零時，就會產生冷效應，反之則產生熱效應。為了讓學生能深入理解這一現象，在實驗室給學生演示鋼瓶中二氧化碳氣體經過總閥流到減壓閥時，由于二氧化碳通過總閥小孔產生冷效應而在總閥和減壓閥之間有水蒸汽凝聚形成水珠的現象。通過此演示實驗后，學生普遍對節流效應有了更深刻的理解。

2.4理論與實際應用并重的教學靶向

化工熱力學作為一門專業基礎課，其內容包括基礎理論及其實際應用兩部分，將理論與實踐緊密聯系在一起，實現理論到實踐應用的過渡。基于課程性質，化工熱力學教學要“原理”與“實際應用”并重，改變以往“重理論輕應用”的教學理念，培養學生應用理論知識解決實際問題的能力[3-4]。在描述熱力學第二定律時，克勞修斯的說法為：熱不可能自動地從低溫物體傳給高溫物體。但借助外力，熱可以從低溫傳遞給高溫物體的，從而對冷物體的熱量進行回收。在本節內容中，我們給學生講述熱泵技術，這是典型的將熱能不斷地從低溫區輸送給高溫區的技術。化工企業中，熱泵裝置用得最多的是熱泵精餾。在熱泵精餾過程中，精餾塔塔頂的低壓蒸汽通過加壓形成高壓蒸汽，同時伴隨著溫度的升高，再通過高壓蒸汽在再沸器中冷凝放出潛熱用于加熱精餾塔的底部溶液。熱泵技術的講解讓學生了解低溫氣體熱量的回收利用技術，同時進一步理解了熱力學第二定律。再如，目前比較時尚的空氣能熱水器，其工作原理是化工熱力學中的熱泵原理，即制冷循環過程，利用設備內的吸熱介質(冷媒)從空氣或自然環境中采集熱能，并通過熱交換器使冷水迅速提溫，同時排放出冷氣。此外，在化工熱力學教學內容中要注意理論與應用并重。例如，在第四章熱力學基本定律的應用部分，可以投入更多的學時，對蒸汽動力循環、制冷循環、熱泵的應用、深冷循環等做更細致的講解。

2.5考試方式改革，增加工程意識導向

化工熱力學是一門兼具理論性和工程性的課程，不僅要增加學生的理論知識，而且需要培養學生利用理論知識解決工程問題，增加學生分析問題和解決問題的實踐能力[5-6]。在解決化學工程問題的過程中需要查閱大量的圖表來獲得基本的物性參數和熱力學性質參數。例如，在第四章關于化工過程熱力學分析中，需要查閱特定溫度下物質的焓值和熵值，進而求取化工過程的能量有效利用率。因此，培養學生的圖表查閱能力對解決化學工程問題很重要。然而傳統的閉卷考試考核評價方法限制了圖表查閱能力的考察，考試內容局限于簡單的理論概念和數學推導，而采用開卷考試的考核方式能有效地避免這一局限性。在開卷考試中，試題的內容可以向解決化學工程問題的方向傾斜，引導學生在平時的學習中多分析和研究涉及工程問題的案例，熟悉常用的物質參數和熱力學性質參數的查閱方式，提高學生的工程設計和工程優化能力。同時，開卷考試減少了學生對化工熱力學中復雜公式的記憶量。

此外，為培養學生的工程意識和應用實踐能力，教師要具備工程意識和實踐能力，然而大多高校教師缺少在工廠和企業工作和學習的經歷。因此，教師要不斷提升自身的教學能力和教學水平，積極推進和構建一流的教學團隊，對全國高校的本科教學水平提高具有重要的意義。

3結語

作為化工類專業的必修基礎專業課，化工熱力學是一門理論與應用并重的課程。在教學過程中，不僅要扎實化工類專業學生的理論基礎，還要提高學生的實踐能力和工程意識。作為化工熱力學課程的主講教師，要能夠將化工熱力學中抽象繁瑣的公式和理論形象化地展現給學生，要注重理論聯系實際，做到化繁為簡、深入淺出，激發學生的興趣，提高學生對該課程學習的積極性和主動性。

[1]朱自強，吳有庭．化工熱力學[M].3版.北京:化學工業出版社，2010

[2]李香琴，于志家.化工熱力學課程研究型教學的幾點體會[J].化工高等教育，2015，32(3)：82-85.

[3]黃燕，吳世逵.化工熱力學課程教學改革探索[J].化工高等教育,2014,31(6):44-45.

[4]童張法,陳小鵬.堅持特色教學打造化工熱力學精品課程[J].化工高等教育，2010，27(6)：19-23.

[5]常賀英，馬沛生.論化工熱力學在化工類課程體系中的核心作用[J].化工高等教育，2005(4)：28-30.

[6]喬柯，宋春敏.靈活運用多種教學方法，優化化工熱力學教學效果[J].化工高等教育，2014(1)：50-53.

(責任編輯：高 堅)

Study of Teaching Methods for Chemical Engineering Thermodynamics

Yang Wen1, Feng Yanyan2, Wang Guixia3

(1.2.3. College of Chemistry and Bioengineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Chemical engineering thermodynamics is a required course of chemistry majors. According to the characteristics of chemical engineering thermodynamics and some existing problems, this paper puts forward some suggestions and ideas concerning the reform of teaching methods for chemical engineering thermodynamics. Through the reform of teaching methods, students’ learning interest can be aroused, their understanding of theories can be deepened, their consciousness of engineering can be developed and their ability of analyzing and solving problems occurring in actual projects can be improved, which can result in the improvement of teaching quality and level.

Chemical engineering thermodynamics; Teaching and learning; Study of methods

2016-03-28

2015年廣西自治區高等教育教學改革重點項目(2015JGZ129)

G642

A

1673-8535(2016)03-0083-04

楊文(1984-)，男，廣西桂林人，桂林理工大學化學與生物工程學院講師，研究方向：儲能材料。

馮艷艷(1988-)，女，河南鞏義人，桂林理工大學化學與生物工程學院講師，研究方向：工業催化。

王桂霞(1976-)，女，河北滄州人，桂林理工大學化學與生物工程學院副教授，研究方向：有機功能材料和水溶性高分子材料的合成。