“課程思政”理念下的《化工熱力學》教學

韓效釗 王百年 張旭 劉亞華 秦廣龍 李正星

【摘要】分析了《化工熱力學》課程的教學目標與“思政”目標，介紹了“偏摩爾性質及其計算”的“課程思政”教學設計，自然融入了“中西口罩觀”“防凍液配制”“白酒中的熱力學”“乙醇與汽油”4個教學案例來開展“知識講解、案例分析、價值引領”教育教學工作，實施“立德樹人”根本任務。

【關鍵詞】課程思政? 專業課? 化工熱力學

【基金項目】2019年度合肥工業大學“課程思政”教學示范課程，2021年度合肥工業大學“課程思政”教學改革示范精品課程，2020年度安徽省課程思政建設研究項目（2020kcszyjxm1），2020年度合肥工業大學（研）教學改革重點項目。

【中圖分類號】TQ021.2-4;G641? ? ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）40-0147-04

青少年階段是人生的“拔節孕穗期”，這一時期心智逐漸健全，思維進入最活躍狀態，最需要精心引導和栽培[1]。“課程思政”作為一種新的教育理念，是新時期加強高校人才培養和思想政治教育的新要求、新舉措、新方向，從根本上回應了“為誰培養人、培養什么樣的人、怎樣培養人”等重大理論與實踐問題[2]。中國是世界上最大的化工產品消費國和生產國，也是化工產品需求增量最大的國家[3]。結合化工類專業課程教學內容，充分挖掘化工行業和日常生活中的思政元素，把做人做事的基本道理、科學技術探索的基本素質要求、實現中華民族偉大復興的理想和責任融入化工類專業課堂教學之中，激勵學生自覺把個人的理想追求融入國家和民族的事業之中，為我國化工行業培養高質量的建設者，為中國特色社會主義事業培養可靠的接班人[3-4]。《化工熱力學》課程在化工類人才培養中起著重要的承前啟后、由基礎到專業的橋梁作用，是化工類人才持續深造和研究開發必須打好的知識功底[5]。本文以“偏摩爾性質及其計算”為例介紹《化工熱力學》“課程思政”教學設計。

一、《化工熱力學》“課程思政”教學簡介

課程介紹：《化工熱力學》主要討論熱力學第一、第二定律在化工過程中的應用以及相關基礎數據的確定方法，是化工過程研究、開發和設計的理論基礎。《化工熱力學》是化學工程與技術學科的一個重要分支，是化工類專業的主干課程;《化工熱力學》既要解決化學問題，又要解決工程問題，其最根本的任務就是給出物質和能量的最大利用極限。

課程教學設計：以“掌握知識、發展能力、培養品德”為目標、以“知識講解、案例分析、價值引領”為方法，以“育人有溫度、潤物細無聲”為理念，開展教學工作。

課程教學目標：①知識目標。掌握純物質和混合物的p-V-T關系，H、S、G等熱力學函數的計算方法，化工過程能量分析理論，相平衡原理等;②能力目標。運用熱力學原理對化工過程中各設備所消耗的能量進行分析和計算，以確定能量消耗的數量、分布及原因，為改進生產工藝、確保能量的合理利用提供理論依據;掌握測量、關聯與推算不同條件下物質的平衡性質，確定相平衡條件，計算平衡各相的組成，為蒸餾、吸收、萃取、無機鹽分離、海湖井礦鹽的開發等化工過程提供必要的平衡數據;③素質目標。能夠綜合運用“化工熱力學”基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析化工工程問題，以獲得有效結論。

“課程思政”目標：以立德樹人為目標。引導大學生熱愛祖國、熱愛社會、熱愛科學、熱愛化工、熱愛生活;培養大學生節能減排理念、創新創業能力;為國家培養合格的社會主義建設者和接班人;為社會培養具有強烈責任感、良好職業道德、扎實專業能力的工程技術人才;為家庭培養孝敬父母、身心健康的孩子。

二、“偏摩爾性質及其計算”“課程思政”教學設計

（一）“課程思政”教學目標

將“偏摩爾性質及其計算”的知識傳授與工程能力培養、政治認同與家國情懷精神培育有機結合;將政治認同、家國情懷的培育融化在知識傳授與工程能力培養之中。預期實現的教學與思政目標是掌握偏摩爾性質概念及其計算方法，培養學生運用偏摩爾性質解決實際問題的能力，培育學生制度自信與家國情懷精神。

（二）“課程思政”教學過程的組織與實施方案

1.承上啟下（大約30秒）

前一節課介紹的是純物質的性質，然而在實際生活和生產中存在大量的混合物，其中一類為流體混合物，也稱為溶液;那么流體混合物的性質該怎么計算呢？這就是本節課將要學習的內容。

2.問題互動引出教學內容（大約90秒）

運用雨課堂推出3道選擇題：（1）50 mL水和50 mL水混合后的體積是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL];（2）50 mL乙醇和50 mL乙醇混合后的體積是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL];（3）50 mL水和50 mL乙醇混合后的體積是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL]。

給出水和乙醇混合前后的體積的實驗數據見表1。

用實例表明不同分子混合后的體積不能是混合前各組分體積簡單的相加，混合物的性質需要考慮不同分子對混合物性質的貢獻值，這就是本節課要詳細討論的“偏摩爾性質”，為了更好地理解偏摩爾性質，我們先來討論一個社會案例。

3.“中西口罩觀”案例促進偏摩爾性質理解和制度自信（大約120秒）

社會好比混合物，社會制度就是混合物狀態的條件，人就是混合物中的分子，不同分子構成的混合物在不同條件下表現出不同的熱力學性質;同樣，不同價值觀的人在不同的社會制度下表現出不同的社會現象。

中國與美國的文化差異導致中國人與美國人對口罩的態度迥異。美國人認為生病的人才需要戴口罩，未生病的人戴口罩不僅無用、而且觀感不好，排斥戴口罩。中國人雖然平時也不經常帶口罩，但在觀念上，把戴口罩視為正常的健康和衛生習慣，對自己起到保護作用、對別人起到安慰作用。在新冠疫情發生后，中國政府堅持“生命至上”，從官方到民間，都把帶口罩作為最主要的防疫手段;美國政客選擇“政治至上”，共和黨和民主黨把戴不戴口罩變成一種政治或意識形態的表達[6]。中華民族優秀傳統文化和以人民為中心的中國特色社會主義政治制度使得中國在短短幾個月時間內就完全控制住了疫情，并有序恢復了經濟發展。美國疫情沒有得到有效地控制，導致了疫情防控與經濟發展兩失敗。

自然科學與社會科學一樣，不同的分子在不同的條件下對混合物的性質有不同的影響，因此，需要掌握偏摩爾性質。

4.偏摩爾性質（大約10分鐘）

均相流體混合物的熱力學性質不僅與溫度、壓力有關，而且隨著體系內各種物質的相對含量即體系的組成而變化，若均相混合物含有n種物質，則體系的容量性質nM是體系的溫度、壓力和各組分物質量的函數：

nM=M（T，p，n1，n2，…，ni，…）

對該式兩邊求偏導，可得式（1）：

d（nM）=

dT+

dp+

dn （1）

式（1）中的偏微分

可以理解為在給定的溫度、壓力和組成下，向含有i組分的無限多量的溶液中加入1 mol i組分所引起的一系列熱力學性質的變化，稱為溶液中i組分的偏摩爾性質，用符號Mi表示，即：Mi=

（2）

在等溫、等壓和組成恒定下，偏摩爾性質保持不變，所以M1、M2、…、Mi、…在等于常數的情況下，式（1）變成：

d（nM）=

dn=M1dn1+M2dn2+…+Mdn+…? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式（3）積分得：nM=n1M1+n2M2+…+niMi+…=nii或M=x1M1+x2M2+…+xiMi+…=xii? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式（4）表明了流體混合物的性質與各組分的偏摩爾性質之間呈線性加和關系，是計算流體混合物摩爾性質的關系式之一[7]。

5.“防凍液的配制”案例培養M=xiMi應用能力（大約4分鐘）

城鎮天然氣輸送到末端室外明設的管道設備后，雖然壓力降低，但是由于冬季環境氣溫較低，天然氣水露點高于環境氣溫，就會形成液體水;另外在管道施工過程中，管溝開挖、水壓試驗、空氣試壓等都可能將水帶入管道內。當管道運行中溫度降低到一定值時，天然氣管道內的這些水就會結冰發生凍堵。天然氣管道防凍堵常用的防凍劑是甲醇溶液，即甲醇與水的混合物，隨著甲醇濃度升高，甲醇溶液冰點會下降，如20%（體積分數）的甲醇溶液冰點是-14.5℃[8]。

例題：已知20%甲醇溶液中甲醇與水的偏摩爾體積及甲醇與水純組分的摩爾體積分別為V=37.8cm3·mol，V=18.0cm3·mol-1，V=40.46cm3·mol-1，VHO=18.04cm3·mol-1[9];利用公式M=xiMi計算配制3L20%（體積分數）甲醇溶液所需水的體積。

解：設配制3L 20%（體積分數）甲醇溶液所需水的體積為Vcm3。

（1）配制3L 20%（體積分數）甲醇溶液所需甲醇的摩爾數：

n==14.8295mol

（2）配制3L 20%（體積分數）甲醇溶液所需水的摩爾數：

由nM=nii可得：n==135.5247mol

（3）配制3L 20%（體積分數）甲醇溶液所需水的體積：

V=135.5247×18.04=2444.9cm3

該案例表明偏摩爾性質數值對流體混合物性質研究的重要性，因此，需要掌握偏摩爾性質的計算方法。

6.偏摩爾性質計算（大約20分鐘）

（1）解析法

由式（2）i=

展開得：

Mi=M

+n

=M+n

（5）

對于有N個組分的混合物，在等溫、等壓的條件下，摩爾性質M是N-1個摩爾分數的函數，即：

M=f（x1，x2，…，xi-1，xi+1，…，xk，…xN）

式中xi選作因變量而被扣除。等溫、等壓時，對上式全微分可得：

dM=

dxk

以dni除上式并限定nj為常數，則得：

=

（6）

由于：xk==

所以：

==-=-，代入式（6）得下式：

=-

x

（7）

將式（7）代入（5）得：

Mi=M-xk

（8）

式（8）中，i是討論的組分，k不包括i、j，j不包括i、k。對于二組分混合物，則有：

M1=M-x2

=M+x2

（9）

M2=M-x1

=M+x1

（10）

（2）作圖法

以偏摩爾體積為例的作圖法計算偏摩爾性質的步驟如下：

第一步：獲取乙醇（1）與水（2）混合體積實驗數據（表2），繪制混合物V-x1圖（圖1A→B曲線）。

第二步：在曲線上找到擬計算的混合物組成點，如圖中C點（x1=0.4）。

第三步：過C點作曲線A→B的切線，交縱坐標軸于D點和E點。

第四步：則DF=V，EH=V

證明：

（1）過C點做橫坐標軸的平行線，交縱坐標軸于J、K點;直線JK與切線DE夾角為α。

（2）DJ=CJ×tgα=x1

（3）FD=FJ-DJ=V-x1

對比式（10），則有

FD=FJ-DJ=V-x

=V

（4）同理可證明HE=V

7.“白酒中的熱力學”案例培養分析復雜工程中問題的能力（大約9分鐘）

白酒是乙醇與水的混合物。酒的度數用酒精度表示，即酒中乙醇的體積百分比，通常是以20℃時的體積比表示的，如39度的酒，表示在100mL的酒中，含有乙醇39mL（20℃）。某酒廠39度酒每瓶500 mL售價89元，52度酒每瓶500 mL售價108元;以1000 kg乙醇為基準，計算不同度數酒的營銷額。已知20℃純水的密度為0.998891g·cm3，酒精的體積分數、質量分數與密度關系見表3，相對密度指20℃時酒精水溶液密度與純水密度之比值。計算結果見表4。

表4? 計算結果顯示39度酒比52度酒多賣52032元。這是因為乙醇與水混合后體積減少，且減小值隨著組分濃度的變化而變化，這也是大多數酒廠更樂意銷售低度酒的緣故。該案例也揭示了偏摩爾性質在實際生產與生活中的應用以及對經濟效益的指導意義。

甲醇與水混合、乙醇與水混合都表現出混合后體積減小的特性，那么有沒有混合后體積增大的體系呢？

8.“乙醇汽油”案例培養科學嚴謹性和社會責任感（大約3分鐘）

化學工業出版社出版、馮新主編的《化工熱力學》教材第92頁描述“如果用等體積的酒精和汽油混合，總體積也會變大。”[9]《計量與測試技術》期刊2015年第42卷第12期第48頁“偏摩爾體積對乙醇汽油計量的影響”一文總結中顯示：“經過實驗證明：偏摩爾體積所引起的體積變化使得汽油與乙醇相溶后體積下降。”[11]混合物的性質與混合物的狀態有關，那么乙醇與汽油混合后體積到底是增大還是減小？在不同狀態條件下乙醇與汽油的混合體積如何變化？這個問題留給學生課后研討，并在下節課組織討論。

三、討論與結論

（1）融入“課程思政”教學后，價值引領就納入了教學內容，隱性教育也進入了教學方法，教學過程中較好地將傳授知識、培養學生工程與創新能力、培育學生家國情懷精神有機地融合于一體，學生的能力與素質培養得到了良好的推進，更好地達成了課程教學目標。

（2）實施“課程思政”教學后，更加突出了“以學生為主體、教師為主導”的教學理念;更加踐行了“立德樹人”的根本任務;更加落實了培養德、智、體、美、勞全面發展的社會主義建設者和接班人。

（3）深化“課程思政”教學后，較好地發揮了學生的主動性，有助于學生形成積極的情感態度、正確的價值觀、良好的競爭意識、較強的社會責任感和國際視野。

參考文獻：

[1]習近平.思政課是落實立德樹人根本任務的關鍵課程[J].求是，2020（17）：4-16.

[2]張大良.課程思政：新時期立德樹人的根本遵循[J].中國高教研究，2021（1）：5-8.

[3]蒙紅平，羅艷，卿周君等.化工類專業課程“課程思政”策略的研究與實踐[J].廣州化工，2021，49（1）：144-145.

[4]王禾玲.“課程思政”融入專業課教學的探索[J].現代企業，2018（9）：112-113.

[5]夏淑倩，馬沛生，陳明鳴等.化工熱力學課程改革[J].化工高等教育，2006（4）：38-41.

[6]黃小鵬.中西口罩觀[N].證券時報，2020-03-20（A03）.

[7]陳鐘秀，顧飛燕，胡望明編.《化工熱力學》（第三版），化學工業出版社（面向21世紀課程教材），2011.7.

[8]劉德青，許朝霞，劉金坤等.城鎮天然氣管道注入甲醇防凍技術[J].燃氣與熱力，2015，35（9）：44-46

[9]馮新，宣愛國，周彩榮等.化工熱力學[M].北京：化學工業出版社，2014：97-98.

[10]賈樹彪，李盛賢，吳國峰.新編酒精工藝學[M].北京：化學工業出版社，2009.8

[11]李楊，謝遠偉.偏摩爾體積對乙醇汽油計量的影響[J].計量與測試技術，2015，42（12）：48-49.