基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的化工熱力學(xué)課程教學(xué)改革

丁雪 宋春敏 劉熠斌 喬柯 楊軍衛(wèi) 譚雅文

[摘 要] 基于對(duì)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)化工熱力學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了詳細(xì)介紹。課程改革實(shí)踐的具體措施包括：優(yōu)化課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)綜合案例，輔助工程軟件，建立進(jìn)程式考評(píng)體系等，以提升學(xué)生將專業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐相結(jié)合的能力。

[關(guān)鍵詞] 化工熱力學(xué);教學(xué)改革;工程實(shí)踐

一、改革背景

高等工程教育的根本任務(wù)在于培養(yǎng)優(yōu)秀工程技術(shù)人才，關(guān)鍵在于工程實(shí)踐教育[1]。2018年教育部發(fā)布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，列出了核心課程體系建議，指出核心課程體系是實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的體現(xiàn)[2，3]。化工熱力學(xué)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)起著重要作用[4，5]。在專業(yè)課程鏈中，化工熱力學(xué)處于承上啟下的過(guò)渡環(huán)節(jié)，其基本理論指導(dǎo)著化學(xué)反應(yīng)、分離過(guò)程中物質(zhì)及能量的合理利用，最終于化工設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)得以體現(xiàn)。然而，化工熱力學(xué)課程概念抽象，理論性強(qiáng)，公式繁多，學(xué)生學(xué)習(xí)通常側(cè)重基本概念和繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，而對(duì)于熱力學(xué)的實(shí)踐指導(dǎo)作用缺乏感性認(rèn)識(shí)。從培養(yǎng)化工專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力的角度考慮，我們對(duì)化工熱力學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，旨在強(qiáng)化教學(xué)中相關(guān)理論知識(shí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的銜接，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際的能力、增強(qiáng)工程意識(shí)及開(kāi)拓創(chuàng)新能力。

二、改革內(nèi)容

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容

1.理順理論知識(shí)點(diǎn)，實(shí)施主線式教學(xué)。化工熱力學(xué)教學(xué)以Gibbs自由能G=H-TS為主線，以“實(shí)際=理想+校正”為主要處理問(wèn)題的方法，建立熱力學(xué)理論知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，研究對(duì)象從簡(jiǎn)單的理想體系逐漸過(guò)渡到真實(shí)體系，循序漸進(jìn)，理論最終服務(wù)于平衡研究和過(guò)程能量分析的實(shí)際。

2.將生活實(shí)例和工程問(wèn)題引入課堂。選用生活、工程及科研實(shí)例：如配酒溶液體積減小問(wèn)題、相平衡理論在閃蒸塔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問(wèn)題、熱力學(xué)定律在化工單元設(shè)備如泵、換熱器、透平機(jī)中的應(yīng)用問(wèn)題以及熱力學(xué)原理在蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)中的應(yīng)用如電廠熱水利用以及空調(diào)、冰箱、熱泵中的應(yīng)用問(wèn)題，等等。鮮活的案例促使學(xué)生更加深刻地了解各種分離操作的特點(diǎn)和應(yīng)用，并對(duì)分離方法的選擇原則和分離技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生更深層次的理解。

3.設(shè)計(jì)綜合案例，強(qiáng)化理論和實(shí)際的聯(lián)系。典型的化工過(guò)程設(shè)計(jì)主要包括判斷化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行、反應(yīng)物預(yù)處理和產(chǎn)物的分離處理、工藝過(guò)程的能量合理利用。這些過(guò)程都需要在熱力學(xué)基本原理指導(dǎo)下完成。選用涵蓋課程不同章節(jié)的基本知識(shí)點(diǎn)的綜合案例，在化工熱力學(xué)課堂教學(xué)中穿插講解，使學(xué)生在知識(shí)的接受上實(shí)現(xiàn)連貫與融合，在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，又能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際生產(chǎn)相聯(lián)系，做到學(xué)以致用。例如石油催化裂化過(guò)程包括反應(yīng)—再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)。在該工藝設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)熱力學(xué)反應(yīng)平衡計(jì)算分析該工藝反應(yīng)的可行性;分餾系統(tǒng)和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)所用的分離塔設(shè)計(jì)可根據(jù)熱力學(xué)平衡計(jì)算結(jié)合物料衡算及能量衡算完成，以確定生產(chǎn)過(guò)程中所需設(shè)備的尺寸和設(shè)備數(shù)目，以及分離條件等;對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行能量分析可以指導(dǎo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及能量回收系統(tǒng)的設(shè)備選擇。類似的工藝案例還有合成氨、裂解制乙烯等，我們將這些工藝過(guò)程滲透于課程各章節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生在不同環(huán)節(jié)把熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際案例中，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的貫通認(rèn)識(shí)，達(dá)到學(xué)與做的統(tǒng)一，工程實(shí)踐能力得以提高。

（二）以工程軟件輔助課程建設(shè)

由于解決化工真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題所涉及系統(tǒng)通常較為復(fù)雜，溫度壓力幅值范圍寬廣，物性變化受多種條件影響等，往往不能用簡(jiǎn)單的理想模型來(lái)計(jì)算，而是需要適用范圍更廣、準(zhǔn)確性更好、復(fù)雜性更高的實(shí)際模型。實(shí)際體系計(jì)算模型參數(shù)較多，模型復(fù)雜，計(jì)算工作量大，要實(shí)現(xiàn)快速高效的計(jì)算，需借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成。Aspen Plus是化工生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、模擬和優(yōu)化的大型通用過(guò)程模擬軟件，利用該軟件可以建立化工流程并進(jìn)行過(guò)程計(jì)算，熱力學(xué)方程是該軟件的主要計(jì)算依據(jù)，包含狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法兩類物性方法。在聯(lián)合課程教學(xué)中以“突出實(shí)用功能、加強(qiáng)能力培養(yǎng)”為指導(dǎo)思想，融合Aspen Plus的計(jì)算理念，采用Aspen Plus進(jìn)行實(shí)際案例的化工計(jì)算，突顯現(xiàn)代大型計(jì)算過(guò)程模擬軟件的作用，提高學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力和利用效率。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，英文軟件應(yīng)用雖然對(duì)部分學(xué)生有一定難度，但多數(shù)學(xué)生卻表現(xiàn)出很大興趣。利用軟件解決復(fù)雜真實(shí)體系的計(jì)算，能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)得到實(shí)踐鍛煉，開(kāi)闊眼界，從而為后續(xù)化工設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)打下更為扎實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐中，我們結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，完善了卓越工程師班的教學(xué)。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證：該軟件用于教學(xué)，教實(shí)一體，簡(jiǎn)明生動(dòng)，效果顯著。

（三）建立進(jìn)程式考評(píng)體系

根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和工程意識(shí)的目標(biāo)，我們課程組對(duì)考評(píng)方式和考評(píng)內(nèi)容進(jìn)行了分析，建立了進(jìn)程式考評(píng)體系，總評(píng)成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)、期中測(cè)驗(yàn)和期末測(cè)驗(yàn)綜合給出。平時(shí)表現(xiàn)采取開(kāi)放式考核，考核形式多樣，從多個(gè)側(cè)面考查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。日常作業(yè)則考查學(xué)生掌握和跟進(jìn)課堂知識(shí)的程度;課堂練兵為開(kāi)卷形式，選擇典型題目現(xiàn)做現(xiàn)答，讓學(xué)生知道自己的知識(shí)體系中遇到的問(wèn)題在哪，并怎樣找到答案;拓展型題目基于課程網(wǎng)絡(luò)以思考題、討論題的形式發(fā)布，學(xué)生在網(wǎng)上相互討論、解答并提交答案;通過(guò)布置大作業(yè)方式考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力，允許學(xué)生查閱資料、應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算完成。期末和期中考試采取閉卷形式，以對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解性考查為主，同時(shí)引入實(shí)踐類題目，考驗(yàn)學(xué)生靈活綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。

（四）建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教育資源，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代學(xué)生獲取知識(shí)的重要手段。目前課程的教學(xué)大綱、教案、教學(xué)錄像、課件、習(xí)題、參考文獻(xiàn)等資源已上網(wǎng)并免費(fèi)開(kāi)放，同時(shí)具有網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上布置和提交作業(yè)等師生互動(dòng)功能。課程網(wǎng)站資源豐富，并保持經(jīng)常更新，方便學(xué)生根據(jù)自身的條件而自主學(xué)習(xí)，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣與熱情。使學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的領(lǐng)會(huì)更加深刻。

三、結(jié)語(yǔ)

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程工藝專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要作用。我們課程組通過(guò)課程內(nèi)容整合和貫通性綜合案例的引入，優(yōu)化了課程內(nèi)容;通過(guò)引入工程軟件輔助課程建設(shè)，提高了學(xué)生的工程計(jì)算能力;通過(guò)進(jìn)程式考評(píng)體系，考核并提高了學(xué)生處理實(shí)際問(wèn)題的能力。

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