案例教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化工熱力學(xué)課程中的規(guī)劃與初探

莫福旺　陳秋娟　廖清　萬(wàn)茂生　劉星

摘 要 化工熱力學(xué)是化工相關(guān)專業(yè)的重要課程，針對(duì)化工熱力學(xué)教學(xué)過(guò)程中公式復(fù)雜，推導(dǎo)繁瑣，概念抽象等特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)采用具體的事例對(duì)具體概念做講解的輔助，以問(wèn)題、現(xiàn)象和事例為導(dǎo)向，在探索趣聞，詳述事件的過(guò)程中將問(wèn)題引出，引導(dǎo)學(xué)生逐步去解決，同時(shí)結(jié)合適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)揭示驗(yàn)證理論要點(diǎn)，最后將問(wèn)題與課本內(nèi)容進(jìn)行整合，通過(guò)合理的聯(lián)想與關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生的記憶更加深刻，課堂教學(xué)更加有成效。

關(guān)鍵詞 化工熱力學(xué) 案例教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程與工藝相關(guān)專業(yè)的必修課程，是以物理化學(xué)為基礎(chǔ)，以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具，將熱力學(xué)的知識(shí)在工程角度進(jìn)行展開(kāi)，在理想狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正進(jìn)而應(yīng)用在實(shí)際的過(guò)程中，對(duì)后繼的課程如分離過(guò)程、化工工藝學(xué)、精細(xì)化工等課程起著重要的指導(dǎo)作用。

化工熱力學(xué)就是一棵整體的大樹(shù)，以熱力學(xué)的四個(gè)基本定律也就是第零、一、二、三定律為根本，然后利用數(shù)學(xué)工具如勒讓德變換、歐拉定理、Jacob行列式等數(shù)學(xué)工具，進(jìn)一步豐富不同條件下的熱力學(xué)基本關(guān)系式，就可以解決我們所遇到的全部熱力學(xué)問(wèn)題。進(jìn)一步借助數(shù)學(xué)工具，就可以定量描述不同條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定的判據(jù)，據(jù)此就完成了愛(ài)因斯坦所描述的熱力學(xué)基本理論的學(xué)習(xí)。 學(xué)完這些“抽象”的理論之后，我們將聯(lián)系具體的熱力學(xué)系統(tǒng)，來(lái)具體分析熱力學(xué)過(guò)程的性質(zhì)，如純物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)、混合物基礎(chǔ)理論、非電解質(zhì)溶液和電解質(zhì)溶液的基礎(chǔ)理論。這一部分內(nèi)容起到承上啟下的作用，他們密切聯(lián)系熱力學(xué)基本原理，給出具體的、面向具體體系的熱力學(xué)方程。 最后，我們將這些方程應(yīng)用到能源、材料、環(huán)境、化工、生物等具體的領(lǐng)域中，解決熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題、新材料設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)問(wèn)題、相平衡問(wèn)題、化學(xué)平衡問(wèn)題、電化學(xué)平衡問(wèn)題、生物大分子熱力學(xué)問(wèn)題、復(fù)合材料預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)問(wèn)題等等。這些都是熱力學(xué)的具體應(yīng)用這些過(guò)程的教學(xué)中，許多概念對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)都是一些生澀的概念，如果在每一類的概念的傳授過(guò)程都能結(jié)合具體的事例來(lái)進(jìn)行結(jié)合，將熱力學(xué)理論應(yīng)用其中，就創(chuàng)造更多新知識(shí)以解決目前面臨的各種實(shí)際問(wèn)題。

1案例教學(xué)——以狀態(tài)方程為例

狀態(tài)方程給人的初始感覺(jué)就是單調(diào)的公式，十分單調(diào)乏味，其實(shí)狀態(tài)方程的由來(lái)、應(yīng)用事例是一個(gè)有趣的探索過(guò)程，中間大有故事可講。

1.1 PVT相圖中案例教學(xué)

PVT是物質(zhì)的基本性質(zhì)，純物質(zhì)隨著溫度、體積、壓力的變化而發(fā)生相變，純物質(zhì)的PVT相圖包含了豐富的知識(shí)，將相態(tài)的點(diǎn)與溫度、壓力、體積一一對(duì)應(yīng)，這些點(diǎn)的集合匯聚成線，線的集合有成為面，而線與線相交的點(diǎn)，面與面的交線是研究這個(gè)內(nèi)容的重點(diǎn)和突破點(diǎn)。如圖1所示，如什么是過(guò)熱現(xiàn)象，什么是過(guò)冷現(xiàn)象？榨糖的時(shí)候什么時(shí)候要加晶種？潛水設(shè)備中除了氧氣還要充入什么氣體，為什么？克拉貝隆-克勞修斯方程與PVT相圖有什么關(guān)系？什么是超臨界現(xiàn)象及其應(yīng)用事例的講解等等，這些問(wèn)題都可以在相圖上進(jìn)行一一解釋。

1.2狀態(tài)方程的案例串聯(lián)

講到狀態(tài)方程時(shí)，如范德華（van der Waals， vdW）方程，它是人類歷史上第一個(gè)既能描述氣相也能描述液相，又能顯示出相變過(guò)程的狀態(tài)方程，其內(nèi)容發(fā)展到后來(lái)衍生的平均場(chǎng)法在許多物理相變和臨界現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。介紹這部分內(nèi)容時(shí)，首先介紹人物的具體情況以及人物與定理之間的關(guān)系，將人物得出該定理的過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)介，接著從該方程式產(chǎn)生的背景中簡(jiǎn)述這個(gè)狀態(tài)方程的形成過(guò)程和深遠(yuǎn)影響，在這一部分從淺入深，從簡(jiǎn)單的波意耳定律開(kāi)始入門(mén)介紹，接著再?gòu)牟槔恚–hares J H C）的研究結(jié)果，結(jié)合蓋·呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）的不同氣體在水中冰點(diǎn)和沸點(diǎn)的熱膨脹，引出研究氣體的最早三大定律，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)三大定律在一些極端的情況下偏差極為嚴(yán)重，因此，卡尼亞爾·得·拉·圖爾（C Cagniard de la Tour）和英國(guó)物理學(xué)家安德魯斯（Thomas Andrews）對(duì)三大定律進(jìn)行了修正，同時(shí)在赫勒帕斯和克朗尼格從氣體分子動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)氣體的壓強(qiáng)和臨界狀態(tài)進(jìn)行了描述，得到了波義爾定律和蓋-呂薩克定律等價(jià)的結(jié)論。再接下來(lái)克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）提出了理想氣體分子模型，引出了理想氣體狀態(tài)方程，以上的結(jié)論都沒(méi)有將分子大小和分子間相互作用考慮進(jìn)去，因此，范德瓦耳斯在前人的基礎(chǔ)上，做了兩點(diǎn)修正，得到新的方程，也就是范德瓦耳斯方程，這個(gè)方程是人類歷史上對(duì)氣體熱力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)的質(zhì)的飛躍，這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的兩個(gè)世紀(jì)，激發(fā)了后人對(duì)狀態(tài)方程極大的熱情。在對(duì)該節(jié)課授課的過(guò)程中，首先會(huì)對(duì)研究過(guò)程中的人物和著名的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹，將實(shí)驗(yàn)材料展示在PPT課件上，用簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言描述這個(gè)實(shí)驗(yàn)中所闡明的深意，同時(shí)適時(shí)的進(jìn)行小結(jié)，層層遞進(jìn)，讓學(xué)生真正懂得它到底是如何而來(lái)的，在介紹完了這些知識(shí)之后，適時(shí)的引入應(yīng)用最終的狀態(tài)方程取得的一系列成功的例子，使學(xué)生從概念到應(yīng)用有一個(gè)具體的領(lǐng)會(huì)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程避開(kāi)概念量的堆積，在具體實(shí)例中層層分析，步步遞進(jìn)，逐步提升學(xué)生自我探索的信心，同時(shí)在這其中適時(shí)的加入一些相關(guān)的趣聞與趣事，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力。當(dāng)然這個(gè)過(guò)程的前提需要授課教師花心血進(jìn)行資料的收集與資料編輯，同時(shí)要注意課件的圖文并茂，需要花較大的心血與時(shí)間來(lái)進(jìn)行備課。

在接下來(lái)的Redlich-Kwong（RK）方程、Soave（SRK）方程、Peng-Robinson（PR）方程基本都采用相類似的介紹方法，在內(nèi)容上注重層層遞進(jìn)，在細(xì)節(jié)上注重從具體的事例和例題來(lái)進(jìn)行方程的講解，授課的過(guò)程加入了較多的與方程相關(guān)的趣聞與趣事，盡量讓學(xué)生知道方程的來(lái)龍去脈和應(yīng)用領(lǐng)域，真正讓學(xué)生學(xué)以致用。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)

雖然化工熱力學(xué)這門(mén)課程很多很多時(shí)候呈現(xiàn)的許多復(fù)雜的公式，生澀的文字介紹，在一些主要的概念、圖形、公式的理解卻可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而加深理解。

2.1相平衡實(shí)驗(yàn)

相平衡是化工熱力學(xué)的重要組成部分，幾乎在所有的混合物體系中都會(huì)涉及相平衡的知識(shí)，關(guān)于相平衡的公式多種多樣，大多數(shù)都是抽象的公式，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)和事例來(lái)陳述公式中的的具體符號(hào)意義具有重要的意義。在這里選取了兩組分混合物的相圖描繪實(shí)驗(yàn)來(lái)介紹汽液平衡的知識(shí)。

在講到混合物的汽液平衡時(shí)候，線呈現(xiàn)給學(xué)生的是兩組分的相圖，那這些相圖到底是怎么來(lái)的呢這時(shí)就可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)與圖形中的點(diǎn)、線、面來(lái)一一對(duì)應(yīng)，在此選用測(cè)定水—乙醇在常壓下的汽液平衡數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明相圖到底是怎么制作的。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程如下：

（1）講述實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹獪y(cè)定差壓水—乙醇汽液平衡數(shù)據(jù)，繪制溫度—組成相圖；雙組份汽液平衡數(shù)據(jù)測(cè)定方法；阿貝折射儀的使用。

（2）介紹測(cè)試原理，包括了測(cè)試過(guò)程涉及的公式以及公式中參數(shù)的求法，結(jié)合文獻(xiàn)相圖來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。

（3）介紹儀器的使用方法，包括折光儀、沸點(diǎn)儀。

（4）介紹實(shí)驗(yàn)裝置，并指導(dǎo)進(jìn)行安裝。

（5）介紹并演示實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟。

（6）做好實(shí)驗(yàn)記錄并繪制曲線。

（7）實(shí)驗(yàn)分析。

以上就是大致的實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思路，目的是讓學(xué)生對(duì)相平衡相關(guān)公式中的參數(shù)的具體意義和來(lái)源有一個(gè)看得見(jiàn)摸得著的認(rèn)知，這個(gè)過(guò)程中需要學(xué)生提前做好預(yù)習(xí)，對(duì)學(xué)生提出更高的要求，同時(shí)，教師自己本身需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行預(yù)演，自己需要根據(jù)實(shí)際情況完整的做一遍實(shí)驗(yàn)，在講解的過(guò)程中教師要注意循序漸進(jìn)，對(duì)每一個(gè)要點(diǎn)所涉及的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行揭示，還要及時(shí)的將要點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)結(jié)與歸納。對(duì)教師的備課提出了更高的要求。

2.2超臨界狀態(tài)及其應(yīng)用

超臨界狀態(tài)是物質(zhì)的一種特殊的狀態(tài)，在講到超臨界狀態(tài)的時(shí)候，我們了解到，在較溫和的溫度和壓力，能達(dá)到超臨界狀態(tài)的就是二氧化碳，而且二氧化碳無(wú)毒無(wú)副作用，因此，考慮到用二氧化碳為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)讓學(xué)生研究一下超臨界狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹獙?shí)驗(yàn)設(shè)備及原理—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容—實(shí)驗(yàn)步驟—實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析來(lái)層層遞進(jìn)研究二氧化碳?xì)怏w的相變過(guò)程，除了上述的內(nèi)容，最后還模擬二氧化碳在工業(yè)上的超臨界萃取過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室模擬的萃取的全過(guò)程，萃取的內(nèi)容可以使花生干品中萃取花生油，茉莉花中萃取精油，八角中萃取莽草酸等等，通過(guò)這些具體的操作，讓學(xué)生提高興趣的同時(shí)又得到知識(shí)。

當(dāng)然，在其他一些章節(jié)涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如三元水鹽相圖、液體混合物體積測(cè)定、制冷制熱循環(huán)、無(wú)限稀釋活度系數(shù)等內(nèi)容都可以根據(jù)自身的條件盡量地與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行講解，這對(duì)于化工類專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程能力至關(guān)重要，而且從學(xué)科的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性也迫切需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助。

3結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)生活中與化工熱力學(xué)知識(shí)相關(guān)的案例和實(shí)驗(yàn)是非常多的，教師平時(shí)備課的時(shí)候要多花些精力對(duì)相關(guān)的案例和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行收集和歸類，逐漸形成自己的特色，在案例講解和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助下，培養(yǎng)學(xué)生既具有扎實(shí)的理論功底，又具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（通訊作者：廖清）

作者簡(jiǎn)介：莫福旺（1986-），男，博士研究生，講師；通訊作者：廖清（1983-），副教授。

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