化工熱力學教學實踐交流

周 瑞，吳 霞，李 楠，王國政

(昌吉學院 化學與應用化學系，新疆 昌吉 831100)

化工熱力學是化學工程專業本科、研究生學生的一門專業基礎課。與物理化學、化工原理、分離工程、高等數學及其他門類學科聯系非常緊密。核心任務是要培養學生利用熱力學基本原理，在化工工業生產實踐中解決相關實際問題的能力。由于該學科內容的基本概念抽象,且計算公式繁雜。課程設置僅一學期，72學時，在短期內培養學生真正掌握課程要求的理論知識，具備解決實際工程應用問題能力，且之后繼續深造學習、科學研究、實際工作中打下堅實的基礎。而許多教師在實際教學過程中，通常并未達到理想的教學效果。目前面對這些亟待解決的問題，我們結合課程狀況及學生的知識結構，匯集教學經驗進行交流。初步探索出以下方式，逐步優化該課程的教學質量。

1 突出啟發式教學方法

化工熱力學學習中，公式概念繁雜且推導復雜，適用條件多重限制，計算步驟繁多。實際問題中又涉及到多個變量、局部實驗數據以及不可測數據，來推導系統完整信息。有時還需通過已知條件查閱數據資料，得到物性參數，再使用相應半經驗公式或簡化公式進行計算。因此課程的理論性很強，結構、邏輯嚴密，又與高等數學其他專業課交叉緊密，離使得學生掌握知識程度較差，課堂感受普遍是枯燥乏味，教師的課程教學效果收效甚微。如何提高學生學習興趣,活躍課堂氛圍，改變學生由被動換為主動思考。

突出啟發式教學，教師在講授基本概念前，先引入貼近生活中實例，啟發式提問，如何解決實際問題。再由課本內容導入，進行準備概念講解和定義。如純流體的P-V-T關系中T-V圖的講解，可讓學生思考日常生活中燒開水時，外界條件的影響因素，以及過冷水到過熱蒸汽的變化的過程。這種貼合生活實例的教學方式，可以啟發學生思考的同時，引起學生興趣，加深對基本概念的理解。再比如，講臨界溫度、壓力時，可先提出在如何壓縮鋼瓶中的液化氣等一系列生活常見問題的實例。學生就更容易理解和接受。最后再結合書本知識，概念引入，由淺入深達到較好的教學開端，使學生逐步掌握課程的基本原理。培養學生能從熱力學的角度出發，獨立觀察和解決化工實際生產問題的能力。

其次，教師要主動收集教學與生活實踐的相關實例。課程的小節開始時，可以以實例作為導入，拋出問題，懸而不解，使學生帶著疑問，探求解決路徑。使化工熱力學課程有趣，緊密聯系生活。在教師的引導和啟發教學影響下，培養學生觀察和聯系實際的的能力。如在講述混合變量時，讓學生舉例收縮、放熱現象。再對混合變量中體積、焓等抽象熱力學性質進行講解。

2 夯實基礎，追根溯源，刪減繁復

對初次接觸化工熱力學課程的學生來說重要概念和原始公式的推導同等重要。要避免只記重要的結論、概念，而忽視原始公式的推導。其他繁瑣衍生公式可由老師簡要概述或由學生課余自行推導。尤其對于熱力學課程而言，學生聽課時不能只看不動筆，在推導基本熱力學公式時，教師應適時地用板書推導，帶動學生理清解題思路，主動消化教學內容。例如立方型狀態方程中，vdW方程中a,b項的引入，考慮氣體分子的體積以及分子之間的相互作用,通過引力、斥力修正,如何修正理想氣體模型等；如何由混合溶液中偏摩爾性質微分推導出Gibbs-Duhem方程等。由概念逐步消化，由簡到難，重點掌握結論以及經驗公式。上課由老師協助，學生一同進行推導，利用高等數學運算在化工熱力學中的常見解決方法，使得學生輕松掌握簡單原始公式，再鼓勵學生發散思維以此類推。當學生掌握基礎概念和公式推導中,會產生一種成功感,提高其學習的主動性。

物理化學課程開設在前，一些課程中的內容在化工熱力學的真實狀態下的進一步延伸,如熱力學基本方程、化學位、偏摩爾性質、Maxwell關系式等,雖然學生在物理化學課程中已經學過這些內容,但是這些基礎內容在化工熱力學課程中也十分重要。通過再次回憶和復習，夯實學生基礎，鞏固熱力學基本知識，以此做好后續課程的有效銜接。將理想狀態與化工熱力學中的實際緊密結合，解決化學工程中的實際應用。與化工其他專業課相結合，如化工原理、化工分離技術和分離工程等專業課程中，團隊討論可優化和調整對課程結構體系，精煉教學內容。使學生扎實必要的理論基礎，先建立理想基礎模型，再用實際應用的修正路徑，讓學生循序漸進地入門。

3 深入剖析，歸納總結

化工熱力學其中的抽象概念和公式，可采用聯系歸納的方法進行總結，讓學生系統、科學地掌握。例如偏心因子和壓縮因子都是描述偏離程度的概念，在課程中以公式形式反復出現。可以對其進行歸納總結，掌握它的基本含義和使用條件，方便在普遍化維里系數的運算。而在講解逸度、逸度系數、活度、活度系數的概念中，可以用之前的偏離程度的概念深入剖析，怎樣與壓力，濃度建立聯系，同時歸納系統講解各種使用條件。其次需要前后進行有效區分和對比記憶，例如剩余性質和超級性質。

教師需要對典型例題的深入剖析，使學生的作業和練習中再次鞏固。教會學生利用熱力學知識的原理和公式的技巧，加深對熱力學概念和原理的理解，再觸類旁通，解決其他問題。如在反應過程中的熱力學分析、能量守恒、反應方向判斷需要用到的最基礎的熱力學參量。其中反映物系狀態的最重要的兩個熱力學函數就是焓和熵。在解決實際熱力學系中，熵和焓的參量分析和計算具有重要意義。然而焓和熵是不可直接測量的熱力學性質，單純利用四大熱力學微分關系式是難以直接求解。要運用二元函數微分性質和參數間關系，作一定的代換，把不可直接量值用可已知可測量表示出來。在均相單組份體系中，利用Maxwell關系式，最終焓和熵的微分方程式僅與可測的熱容和P-V-T相關聯。

怎么樣從實際過程變為常溫常壓理想模型，運用已知的熱力學參數,從理想態到標準態，再加上校正數據，最后求取真實狀態性質。化工熱力學需要使學生建立化學思維，循序漸進地剖析關聯，解決具體應用，提高學習熱情。同時，為教師對學生的平時測評提供了一定依據。

4 拓展相關專題研究，進行綜合考評

隨著學科不再單一發展而是交叉衍生。化工熱力學的研究方向與計算機編程、生物環境、能源生產、材料科學等領域擴展。所研究對象不再僅僅局限于簡單的氣、液、固三相，還涉及超臨界流體、節能減排等問題。因此在教學中,需要與學生交流本學科的最近進展和前沿動態。通過開展專題討論，鼓勵學生上網搜索文獻，自行選擇感興趣的角度，歸納總結撰寫專題小論文，在課程上一同交流。例如超臨界流體在生物制藥和保健品中的應用等。以此來拓寬學生的知識面，聯系生活實際，了解前沿科學進展，增強查閱文獻的能力。

同時,教師對學生進行可分組布置學習任務和專題PPT的制作，對其小組成果進行講解，鍛煉學生上講臺演講的能力。同時在搜集資料的同時，加深知識的鞏固和溫習。

如果以期末成績作為考核結果，這種方式不僅不利于學生學習習慣的培養，還容易讓學生滋生一勞永逸的想法。在研究性教學中,可采用綜合考評方式，用將平時小測驗，專題匯報、期末考試相結合的最后結果進行評判。期末考試側重考查學生基本公式、概念的掌握程度和解決實例的能力,占總成績的60%。專題擴展考評占20%，其他平時成績占20%，包括到課率、上課提問、作業成績。

5 結語

將課程特點與學生實際情況相結合的前提下,注重提高學生學習的興趣和自主學習能力，幫助學生更好地掌握解決實際工程問題的能力，也為其今后的發展打下堅實的專業基礎。教師在團隊教學研討中，應合理編排教學內容和調整進度，對課程內容進行優化，刪減繁復，達到預期教學效果。通過教師輔助，學生為主導，豐富學生社會實踐能力，提高綜合素質。