提高地方院校學生掌握化工熱力學能力的探索與實踐*

陳 莖，孫 平，李學坤，薛 敏，李蓓蓓

(西安文理學院，化學工程學院，陜西 西安 710045)

化工熱力學是化學工程與工藝專業的一門專業基礎課，也是一門核心課。利用化工熱力學的理論基礎可進行化工過程的研究、開發和設計[1]。該課程是物理化學的升級，同時又是化工設計、化學反應工程、化工原理和化工分離等課程的基礎和應用指導[2]。由于部分學生是從食品等其他專業完成專科學習后，跨專業專升本到化工專業，相關的知識和專業背景不足。另外，化工熱力學課程理論性強，計算繁雜、公式推導多、概念抽象等使該課程學習顯得枯燥，容易使學生產生畏難和抵觸心理[3]。為了激發學生專業學習興趣，培養學生的邏輯和工程思維能力使學生更好掌握這門課程，我們在化工熱力學課程教學上進行以下幾方面的改革嘗試，以便于學生提高對本課程的學習興趣和學習能力。

主要工作包括兩方面，一是思想方面引導學生從身邊的生活現象聯系到化工熱力學的本質，用通俗易懂的生活常識解釋清楚復雜的機理；從局部的實驗數據加半經驗模型推算系統完整的信息，以理想狀態為參考態加上校正，求取物質真實狀態的熱力學性質。其次通過課堂和課后練習、測試以及課后小結等手段提高學生的學習效果。

1 改變以教師為中心轉為以學生為中心，引導學生建立學習化工熱力學學習熱情

1.1 做到與學生良好的交流和對話，爭取做到通俗易懂，將復雜的知識簡單化

老師需要明確的一點是，不是老師在課堂上講過了，也講得很清楚了，學生就能學會了。在學生的心中可能還有一萬個“這究竟是什么鬼”。因此，需要老師盡可能通過學生能夠聽得懂或有實際感受的生活實例讓學生減輕畏難抵觸情緒，甚至于讓學生能夠喜歡上這門“特別有用的基礎課”；比如“老太太都知道揭鍋蓋的時候要小心點，別讓蒸汽給燙了，汽燙了比水燙了還要疼”。這個生活實例可以非常生動地解釋“水蒸汽的潛熱問題”，因為水蒸汽在遇到皮膚時會液化并放出大量的熱，同時溫度不變，而“開水”碰到皮膚后會直接降低溫度并沒有液化這一過程，因此，蒸汽“燙得更疼”。再比如去海拔高的地方需要高壓鍋才能煮熟面條，揭露了泡點溫度與壓力之間的關系，即壓力越低，水的沸點越低。從簡單的生活常識入手，讓學生通過對生活現象的解釋與表達而產生學習興趣，認識到學習知識是為了在現實生活中應用的，逐漸過渡理解和掌握氣體的p-V-T相圖的意義及其狀態方程的在化工工業中的應用。當然做到這一點對老師的要求也隨之提高，除了對知識的融會貫通外，還要化繁為簡，需要老師自身素質高本領過硬，因此，需要老師時時刻刻學習，不斷更新對知識的理解和應用。

1.2 建立模型思想，將其與容易計算的數據建立聯系，方便解決問題

通過本課程學習，讓學生掌握化工熱力學“實際過程=理想模型+校正”的處理問題方法，運用模型能正確求解，并理解其局限性。計算熱力學函數變化時，常常要用到偏離函數這個概念，通過偏離函數可以簡便計算熱力學性質，更方便獲取H、U、S、G等函數值。單純讓學生從定義式求解比較莫澀難懂，通過畫框圖建立模型，再引入一個理想狀態的中間變量，學生就能夠完全理解互相之間的對應關系。表1中是700 K下不同壓力的異丁烷的焓和熵的值。試估算700 K和不用壓力下的偏離焓和偏離熵(取參考態的壓力P0等于研究態P)[4]。

表1 異丁烷在700 K和不同壓力下的焓和熵

為了有助于讓學生理解偏離函數的運用，繪制了一個框圖，如圖1所示。

圖1 偏離焓的推導框圖

偏離函數指研究態相對于某一參考態的熱力學函數的差值，并規定參考態是與研究態同溫，壓力為P0的理想氣體狀態，根據定義得出偏離焓就等于H-Hig0，假設表1(0.01 MPa，700 K)狀態下氣體為P0的理想氣體，理想氣體的焓與壓力無關[5]，即Hig0(0.01 MPa，700 K)=52933，按照偏離焓定義得出700 K下不同壓力的偏離焓，即H- Hig0=H-52933，學生理解起來比較困難。因此，為了便于學生理解引入一個中間態，將(0.01 MPa，700 K)狀態假定為理想氣體狀態，并將此狀態定為中間態，參考態是與研究態同溫，壓力為P0的理想氣體狀態，如上圖所示，偏離焓的計算就分解為兩部分，一部分是真實狀態H(700，P/MPa)變化到理想態的Hig(700，0.01/MPa)焓差，另一部分是理想狀態之間的變化，即從Hig(700，0.01/MPa)變化到Hig0(700，P0/MPa)，焓是狀態函數，它只與體系的始態和終態有關，與變化的具體途徑無關。計算過程如下：

=H-52399+0=H-52399

通過引入一個中間態，建立模型框圖這種方式讓學生一目了然，對進一步學習后面的理論知識奠定了扎實的基礎。由于篇幅原因偏離熵的計算在這不做贅述。

2 提高課堂教學效果，需要切實可行的舉措

具體主要包括以下幾個方面：

2.1 講練結合精練

課堂教學中，首先要對重點內容進行詳細講解，之后，馬上進行隨堂訓練，想要保證課堂效果，必須讓學生在課堂上掌握基礎計算。作為一所地方院校，由于辦學需求，除了本科生以外還有一部分專升本的學生，并且有部分學生是從食品等專業升學而來，未修物理化學課程，幾乎沒有儲備專業基礎知識，馬上進入化工熱力學課程的學習勢必困難重重。也有部分學生學習主動性差和自學能力弱，還有部分學生不愿吃苦受累，因此，必須要在課堂上下功夫。要提高課堂教學效果，需要在課堂教學中多引入討論、思考和當堂訓練環節，幫助基礎欠缺的學生當堂消化課程內容。例如，p-V-T狀態方程理論學習完之后，選擇典型例題在課堂上講解和訓練，尤其是狀態方程的迭代是重中之重，涉及到后續章節的學習，例如計算純流體偏離焓和偏離熵涉及到p-V-T狀態方程的迭代，同樣計算純物質和混合物的逸度仍然要用p-V-T狀態方程的迭代，因此練好基礎才能為第三章和第四章鋪墊好理解聯系之路。講授完RK方程的計算方法后，選擇一道典型例題，找學生代表在黑板上計算，老師在下面檢查其他學生計算情況，再由學生講解過程，臺上臺下學生互相學習，老師最后歸納總結，從而讓學生掌握重點計算內容。每學完一節重點難點計算內容，選擇典型例題進行當堂練習，在課堂上消化吸收，課下再配備一定的作業強化所學內容。通過幾年的授課發現這一方法還是有效果的，大部分學生能掌握重點難點計算內容，作業抄襲現象大大減少，及格率也逐年提高

2.2 課堂測試和學生自測

培養學生的學習能力，讓學生學會學習方法，方法之一就是增加課堂測試，只需在一堂課上加入一次測驗(檢索練習)，就能極大地改善學生期末考試的分數。而且，課堂測驗進行得越頻繁，收效就越大。學完一章內容在課堂或課后進行測試，加深學生的印象。測驗不是非要由教師發起，讓學生課下可以隨時隨地練習檢索。引導學生怎樣把檢索練習當成學習方法使用：比如在讀課本或是研究課堂筆記的時候，要不時地停下來，合上書本問自己這樣一些問題：核心概念是什么？哪些術語或概念是我沒接觸過的？我會如何定義它們？這些概念和我已知的東西有什么聯系？學生在學習的時候就會更為留意：“我會停下來想一想，剛才我讀了些什么？是關于什么內容的？然后我會再看一遍，檢查自己是想對了還是想偏了”。復習的時候，不能只是重讀，提醒學生要看自己是否能回憶所學的知識，是否記住了具體內容。學生要先自測，確實不記得了就復習后再自測。”化工熱力學公式多概念多且不容易理解，必須要讓學生下硬功夫，才能真正做到理解和掌握。

2.3 課后小結

用思維導圖的小結方法將每章進行總結，再將整本書的內容用思維導圖的方式進行總結，建立章節內容的系統性和關聯性，使學生明白各章節在課程中所處的位置和建立各章節關系，以便于更好的理解和記憶所學知識。許多教師相信，只要讓學生學起來更快、更輕松，學習效果就更好，而大量研究卻證明事實恰恰相反：正是感覺到學習更吃力時，記憶才更為長久、牢固。通過學生自己總結思考，將課本的知識用自己的想法整理歸納出來，才能對所學內容做到真正的掌握和理解。同時課后小結也鍛煉了學生的科學寫作能力，即簡明扼要地寫一段文字。只有努力用自己的話解釋學習資料，聯系事實，讓學習內容形象起來，把它和已知的東西相關聯，才能真正做到專注。與難題搏斗才會刺激學生的創造力，讓學生有意識去借鑒已有的經驗、知識，并應用它們獲得急需的解決方案。當學生真正獲得答案時，它會和先驗知識以及能力深深地結合起來，遠超過幻燈片在學生的頭腦中留下的膚淺印象。

3 結 語

通過以上兩方面的舉措，能較好地提高學生學習化工熱力學的效果。化工熱力學包含眾多的抽象概念、原理和模型公式，除了從思想上減輕學生的畏難情結，由淺入深的引導學生對課程的興趣，建立模型思想，巧妙利用數學方法由易得的數據計算復雜的難測的數據。從學習方法上嘗試引導學生，除了課堂教學充分闡述清楚外，讓學生通過典型例題的深入分析和強化練習掌握重點難點計算知識。課堂測試和課后總結讓學生主動發現問題，并能夠聯系所學的熱力學知識，激發學生主動學習能力和運用熱力學知識，鍛煉學生的分析問題能力和表達能力，教學質量得以提升。