面向工程教育認證的《化工熱力學》教學探索*

戴亞芬，何祿英，高家俊，熊 蕓，閆志國

(武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430205)

《化工熱力學》是化學工程與工藝專業必修的專業核心基礎課程，其知識體系在化工過程研究與工藝設計中發揮著至關重要的作用。該課程的教學體系實現了原理、模型、應用三要素的結合[1]，旨在培養學生從熱力學角度闡釋化工過程中的物質轉化及能量有效利用極限的能力，進而為其學習后續課程和解決實際工程問題打下牢固的基礎。

自2016年6月我國加入了《華盛頓協議》以來，工程教育專業認證已成為國內工科專業的發展趨勢，其核心是確認工科畢業生達到行業認可的質量標準要求，是一種以人才培養目標和畢業要求為導向的評價體系[2]。化學工程與工藝專業是武漢工程大學辦學歷史最長、師資力量最強、規模最大、培養質量最高的本科專業，是湖北省首批“國家級一流”建設專業、國家級特色專業、省級品牌專業，三次通過國際工程教育專業認證，2016年獲6年認證期限，是省級拔尖創新人才培育試驗計劃項目、教育部卓越工程師教育培訓計劃項目、湖北省戰略性新興(支柱)產業培養計劃項目、教育部首批“新工科”研究與實踐項目和湖北省“一流學科”重點建設專業。

在面向工程教育認證背景下，我校堅持加強專業基礎課建設。化工熱力學在化學工程與工藝專業課程體系中起著承先啟后的作用，旨在培養學生樹立工程思想，啟發創新思維。本文面向工程教育認證，以我校化學工程與工藝專業《化工熱力學》課程為研究對象，對此課程的建設與教學改革進行了初步探索。

1 以學科前沿技術激發學習熱情

化工熱力學的教學內容主要包括物性數據和熱力學定律。物性數據在教材中主要顯示為熱力學圖表，初學者難以迅速接受大量數據信息和規律；而熱力學定律則描述抽象，相關推導又對學生有一定的邏輯演繹能力的要求。因此，化工熱力學是一門“焓焓”糊糊“熵”腦筋的課程，教學過程中學生會感覺枯燥，缺乏學習熱情。前沿成果具有時效性，代表了當前課程內容的直接應用。優秀科技成果的引入，能拓展學生知識廣度，增強理論聯系實際，提高學生學習興趣。例如，在學習“純流體的p-V-T關系”中相圖的超臨界流體區時，可引用相關前沿應用，如超臨界CO2用于新能源領域萃取回收鋰[3]、利用液氨pVT變化的熱棒技術來解決青藏鐵路路基多年凍土層夏季融沉、冬季凍脹的不穩定問題[4]，打破學生對傳統化工行業的刻板印象，有助于形成對本專業發展和就業前景積極的影響，提高學生對課程學習的熱情。

2 強化現代化工軟件工程應用的意識

使用專業模擬軟件，對復雜工程問題進行分析、計算與設計是工程教育專業認證中必不可少的一項畢業要求，計算機輔助模擬已化工類專業核心課程的重要教學內容。目前，各種現代計算軟件可用于化工熱力學輔助教學，浙江大學陳新志教授團隊在化工熱力學教學中采用ThermalCal軟件進行壓縮制冷循環、同時涉及反應平衡與相平衡系統的計算，能夠有效減輕計算壓力，且計算結果精確，操作步驟簡單易行，從而提高學生工程計算和對知識的應用能力[5-6]。我校化工系教研室也在化工熱力學教學中應用了一些現代軟件進行探索。例如，在求解“立方型狀態方程”時老師用實例示范Excel、Matlab、MathCAD求解的過程，在講解“低壓泡露點汽液平衡計算”時采用流程模擬軟件AspenPlus物性分析功能對常壓下甲醇-水二元體系對比了Wilson、NRTL、UNIQUAC活度系數模型求解出的T-x-y數據，將化工過程的基礎計算與流程模擬統一起來。此外，在化工熱力學課后作業中，要求學生至少掌握一種軟件進行數值求解，替代手動迭代計算，提高計算效率，有助于增強他們應用熱力學知識結合現代計算軟件解決實際問題的意識。

3 任務驅動下充分鍛煉綜合應用能力

在當今信息日益增長的形勢下，學生在面對“信息爆炸”式的局面需要學會獨立思考，能夠針對復雜工程問題，選擇與使用恰當的資源、工具，并能通過信息綜合獲得合理有效的結論。在化工熱力學平時成績的考核環節中，我們設置了分組大作業匯報環節，在任務驅動下充分鍛煉學生組織、計算、搜集、歸納、總結信息、表達等綜合能力。具體而言，大作業匯報要求學生組隊完成“計算101.325 kPa下乙醇-水體系T-x-y數據并判斷是否發生共沸，查閱總結出由20wt%酒精精制成99%乙醇汽車燃料的分離方法”，從學生執行意愿來看，在任務驅動下，學生積極主動組隊、分工，將平時所學零散的知識點和技能串起來完成大作業任務，該環節要求學生站在講臺上掌握主動性，是一次難得鍛煉匯報和表達能力的機會；從學生完成方式來看，所有小組均采用了計算機軟件輔助求解汽液平衡數據，50%采用Excel單變量求解，另50%小組采用AspenPlus物性分析功能計算；從計算結果來看，正確率約為70%，經分析問題一般出在汽液平衡方程式的錯誤使用、活度系數模型中組分編號混淆、Antonie方程參數錯誤選用等步驟；從信息搜集歸納結果來看，學生相關經驗累積不足，文獻調研多數為中文文獻，檢索到的信息缺乏歸納整理。總之，盡管本次大作業匯報教學方式的探索暴露出學生綜合運用技能的一些不足，但本次實踐任務驅動下學生通過自己梳理工程問題需求解的計算式并完成計算，查閱及整理、歸納文獻，可以更好地了解“抽象”熱力學原理及“復雜”數學模型在化工過程中的重要作用，強化學生工程意識，充分鍛煉了對所學知識和技能的綜合運用能力。

4 貫徹培養工程素養和工程思維

工程教育的目標是實現學生實際應用能力的培養，“新工科”背景下高素質應用型人才的需要能夠綜合掌握學科領域知識和技能[7]，具有研究開發、工程設計和解決工程技術問題的能力，并能洞察工業技術和經濟發展的趨勢。要實現這一目標，就要求學生理論扎實、專業知識面廣，具有工程素養和工程思維。《化工熱力學》本身是一門理論與化工實際緊密相連的課程，我校在課程教學過程中通過專業實驗和工程實踐，不斷強化學生工程素養和工程思維。目前，我校化工專業實驗開設了 “常壓下乙醇-水二元汽液平衡測定”實驗課程，工程實踐環節安排學生赴武漢中韓石化、湖北荊門石化、湖北三寧化工等優秀企業進行認識實習、生產實習、畢業實習，啟發運用工程思維解決問題。例如，分餾塔為什么配備的諸多換熱器，使用的分別是什么熱介質，如果更換成其他熱介質會產生什么結果？通過查物性數據和計算，綜合比較換熱介質的成本、設備要求及能量利用情況，從而給出最優化的換熱方案。教學過程中這類討論行問題的解決始終堅持“以學生為中心”，在教師指導下充分發揮學生的主體作用，一方面可以對所學基礎知識查漏補缺，另一方面還能夠鍛煉學生的工程素養和工程思維，從而在綜合分析不同換熱介質的基礎上更優的換熱方案。

綜上，本文面向工程教育認證，結合我校在《化工熱力學》課程建設和教學實踐，進行了一些教學改革與探索。通過以學科前沿技術激發學習熱情、強化現代化工軟件工程應用的意識、任務驅動下充分鍛煉綜合應用能力、貫徹培養工程素養和工程思維等改革措施，將學生知識掌握、能力提升、素質培養這三個方面有機融合于教學實踐中。今后我校仍將不斷調研、總結和創新，立足于工程教育專業認證理念，在《化工熱力學》教學中進一步豐富教學內容、改革教學方法，不斷提高教學質量，培養出助力我國經濟高速持續發展的具備工程思想、創新思維高素質應用型人才。