《化工熱力學(xué)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

高道偉，姜占坤，陳國柱

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

《化工熱力學(xué)》是一門以熱力學(xué)基本定律為基礎(chǔ)的課程，主要涉及多學(xué)科知識，例如通過熱力學(xué)函數(shù)(P、V、T、G、H、S 等)分析某些化工過程達(dá)到平衡的條件、狀態(tài)和能量利用及其效率問題，以及制訂節(jié)能措施以提高反應(yīng)過程的能量利用率[1,2]。《化工熱力學(xué)》作為一級學(xué)科化學(xué)工程與技術(shù)下屬專業(yè)(如化學(xué)工程與工藝專業(yè)、能源工程專業(yè)等)的重要專業(yè)課程，對培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用[1]。在化工專業(yè)課程鏈中，化工熱力學(xué)上承物理化學(xué)，下啟化學(xué)分離工程、化學(xué)反應(yīng)工程，所以該課程處于從基礎(chǔ)課到專業(yè)課的過渡環(huán)節(jié)[2]。

因此，化工熱力學(xué)是貫穿整個化工過程的重要專業(yè)課程。我們選取濟(jì)南大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生為培養(yǎng)對象，從培養(yǎng)綜合能力強(qiáng)的應(yīng)用型化工專業(yè)人才的角度出發(fā)，我們對本校該課程進(jìn)行了系統(tǒng)反思與改進(jìn)，目的在于促進(jìn)教學(xué)過程中相關(guān)理論知識與實(shí)際工程環(huán)節(jié)的緊密銜接，夯實(shí)學(xué)生的基本熱力學(xué)理論基礎(chǔ)，提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力、增強(qiáng)化學(xué)工程意識及創(chuàng)新能力[3]。

1 《化工熱力學(xué)》課程教學(xué)目前存在的問題

濟(jì)南大學(xué)《化工熱力學(xué)》課程開設(shè)于大三上學(xué)期，其理論課時為48學(xué)時，3學(xué)分。本課程系統(tǒng)講授了化工熱力學(xué)基本原理；預(yù)測和分析化工系統(tǒng)的性能；根據(jù)熱力學(xué)問題的屬性，采用不同的流體熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)學(xué)模型；計算和優(yōu)化化工過程中的熱力學(xué)性質(zhì)變化；計算純流體和溶液的相平衡(主要為氣液平衡)；掌握化工熱力學(xué)相關(guān)知識在實(shí)際化工過程中的應(yīng)用。本課程的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生學(xué)習(xí)完化工熱力學(xué)知識后，能熟練運(yùn)用熱力學(xué)相關(guān)原理和數(shù)學(xué)模型去計算純流體或溶液的熱力學(xué)性質(zhì)；解決化工過程中的相平衡問題或化學(xué)反應(yīng)平衡相關(guān)問題；利用熱力學(xué)基本知識來綜合分析反應(yīng)過程和后續(xù)分離設(shè)備的能量利用效率；熟悉蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)的基本概念、原理和方法，并能利用相關(guān)知識進(jìn)行計算[4,5]。然而在授課過程中，我們發(fā)現(xiàn)目前本校的《化工熱力學(xué)》課程在實(shí)際教學(xué)過程中存在以下幾點(diǎn)問題。

1.1 課程內(nèi)容枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低

《化工熱力學(xué)》課程有許多新的知識點(diǎn)，例如對應(yīng)態(tài)原理、超額性質(zhì)、剩余性質(zhì)、偏摩爾性質(zhì)、逸度和逸度系數(shù)、活度和活度系數(shù)、化學(xué)位、損失功等等，具有概念抽象、模型復(fù)雜、公式繁多等特點(diǎn)，這些使得學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中感到晦澀、難以理解[6]。學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的時候通常側(cè)重抽象的基本概念和繁雜的理論計算，對于熱力學(xué)在實(shí)際化工生產(chǎn)中的作用認(rèn)識不到位。如果學(xué)生無法做到課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，課下進(jìn)行復(fù)習(xí)，當(dāng)課程內(nèi)容講解的深度不斷遞進(jìn)，學(xué)生很容易出現(xiàn)課堂授課內(nèi)容聽不懂，無法跟上課程節(jié)奏，從而導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。根據(jù)我們的調(diào)研，全國其它化工類高校的本科生在學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)課程時，都認(rèn)為本門課程如“天書”一般，難以理解。在繼續(xù)深造，攻讀研究生期間，大多數(shù)學(xué)生在選擇科研方向時，都選擇性的避免化工熱力學(xué)方向[5]。目前，在課堂上引起學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)的興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，是化工熱力學(xué)授課老師亟待解決的困境。

1.2 教學(xué)過程中的反饋與評價機(jī)制不合理

本校《化工熱力學(xué)》課程的學(xué)習(xí)評價方法一直采取傳統(tǒng)的“日常考勤-課后作業(yè)-期末考試”三者結(jié)合的方式。然而上述方法的弊端是缺少對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，目前判斷學(xué)生的掌握知識程度，只能通過期末考試的方式進(jìn)行評估，但這樣的判斷方式是不合理的，并且滯后于教師的授課進(jìn)度[7]。通過“課后作業(yè)+期末考試”這種模式只能檢驗(yàn)學(xué)生對基本概念的掌握，尤其是對于化工熱力學(xué)這種理論復(fù)雜、計算繁瑣的應(yīng)用型課程來說，這種模式存在一定弊端，很多重難點(diǎn)內(nèi)容無法檢驗(yàn)，很難考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力[6]。所以該方式無法全面反映學(xué)生對化工熱力學(xué)課程內(nèi)容的掌握情況，不利于學(xué)生的化工熱力學(xué)知識體系的構(gòu)建，也不利于培養(yǎng)應(yīng)用型化工人才的培養(yǎng)。因此，以期末考試為主的“日常考勤-課后作業(yè)-期末考試”教學(xué)反饋與課程評價體系有待改進(jìn)。

1.3 課程內(nèi)容與工程實(shí)踐缺少緊密聯(lián)系

根據(jù)我們調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)本科院校的化工熱力學(xué)教學(xué)采用以“以教師講授課本概念為主，學(xué)生自主探索為輔”的傳統(tǒng)的教學(xué)模式。受化工熱力學(xué)課程的理論性和邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)的影響，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程會產(chǎn)生“這些理論無非就是一些推導(dǎo)公式的組合”的錯覺，所以大多數(shù)學(xué)生很難將課堂上學(xué)到的化工熱力學(xué)知識與化工實(shí)際生產(chǎn)過程中的熱力學(xué)問題有效的結(jié)合起來，導(dǎo)致學(xué)生無法形成完整的化工熱力學(xué)思維。在這種傳統(tǒng)的講授模式下，不利于提高學(xué)生的化工素養(yǎng)，從而難以培養(yǎng)出綜合能力強(qiáng)的應(yīng)用型化工人才。

因此，如何改變傳統(tǒng)化工熱力學(xué)課程評價方案、優(yōu)化課程內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法是目前面臨的重要問題。針對上述問題，我們依托濟(jì)南大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)《化工熱力學(xué)》課程的實(shí)際教學(xué)情況，從以下幾個方面對化工熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)評價體系等方面進(jìn)行了改進(jìn)。我們的宗旨是提高化工熱力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的工程意識與綜合能力。

圖1 不同規(guī)格的熱裂解反應(yīng)器Fig.1 The pyrolysis reactor with different specification

2 《化工熱力學(xué)》課程教學(xué)探索與改進(jìn)

2.1 精煉教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系

本課程教學(xué)內(nèi)容主要包括流體的 PVT關(guān)系、流體的熱力學(xué)性質(zhì)、相平衡、化工過程的能量分析、蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)等方面。由于課時有限，教學(xué)信息量大，且基本概念抽象難懂，在多年的教學(xué)實(shí)踐過程中，我們對課程教學(xué)內(nèi)容不斷進(jìn)行優(yōu)化，刪減與物理化學(xué)等課程重復(fù)的知識點(diǎn)，握好各章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)層次之間的關(guān)系。例如：對教學(xué)中的重要基礎(chǔ)概念如偏摩爾性質(zhì)、逸度系數(shù)、活度系數(shù)等基礎(chǔ)概念要反復(fù)講解，深刻理解，使學(xué)生熟記熟用，便于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)中等難度的問題；將難于學(xué)生目前學(xué)習(xí)現(xiàn)狀的內(nèi)容進(jìn)行簡化，將復(fù)雜難點(diǎn)作為介紹內(nèi)容，以理清思路為目的，使學(xué)生有個初步印象，待學(xué)生其他知識得到提升時，可以自學(xué)。其次，關(guān)注化工熱力學(xué)發(fā)展的前沿動態(tài)，將前沿性內(nèi)容引入課程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣. 熱力學(xué)的發(fā)展不能閉門造車，要與重大技術(shù)變革相結(jié)合，形成熱力學(xué)新理論、新方法；要拓展研究對象，創(chuàng)建新的熱力學(xué)應(yīng)用學(xué)科。例如：使用化工熱力學(xué)原理準(zhǔn)確的描述發(fā)生爆炸的原理；還可以利用熱力學(xué)PT相圖解釋了冰沙的形成原因。從好奇，到用化工熱力學(xué)揭秘；從生活中來，到生活中去。這就是科學(xué)的魅力所在，讓更多的人用所學(xué)知識創(chuàng)造美好生活，這也是一代代化工熱力學(xué)人的使命所在。第三，加入實(shí)驗(yàn)、參觀等實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生將學(xué)到的理論知識能通過校正模型與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系起來，使本學(xué)科不再抽象難懂，加強(qiáng)學(xué)生對化工生產(chǎn)實(shí)際的直觀認(rèn)識。例如：與附近企業(yè)聯(lián)合開展具有時代氣息的化工廠“節(jié)能減排”設(shè)計課；在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中，重新溫習(xí)所學(xué)的氣體多級壓縮，空氣液化原理(空分)，熱裂解(圖1)等實(shí)踐課，在化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，吸收式制冷循環(huán)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)等。充分突出了化工熱力學(xué)的時代特色，又強(qiáng)化了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神。最后，課后作業(yè)則難以避免的涉及迭代計算，例如： 狀態(tài)方程及流體熱力學(xué)性質(zhì)的課后習(xí)題大都需要迭代法求解，手工計算很麻煩，還容易出錯。在使學(xué)生明白迭代法基本原理的基礎(chǔ)上，增加部分計算機(jī)課程的學(xué)習(xí)，如MATLAB、Aspen 等，使學(xué)生能進(jìn)行簡單的計算機(jī)計算，不用將精力浪費(fèi)在繁瑣的手工計算中，并將計算機(jī)知識應(yīng)用在化工熱力學(xué)中。由于軟件的引入避免了復(fù)雜的計算，突出了應(yīng)用性和實(shí)用性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時還可以為全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽奠定基礎(chǔ)。在化工熱力學(xué)教學(xué)過程中，每章內(nèi)容的授課過程都按照先基本概念后復(fù)雜模型、先理想流體后真實(shí)流體、先基本知識后實(shí)際案例的基本原則。另外，課堂上，重視結(jié)合生動鮮活的實(shí)際案例，用淺顯易懂的語言對化工熱力學(xué)課程上的概念、原理與熱力學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)剖析，這樣更加調(diào)動學(xué)生的積極性，并理解和掌握本課程的基本原理。教師在在課堂講授過程中注重加強(qiáng)問題或真實(shí)案例的啟發(fā)性教學(xué)，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對熱力學(xué)課程學(xué)習(xí)的興趣，重點(diǎn)掌握基本知識的具體應(yīng)用，使學(xué)生樹立以基本知識、基本概念、方法及熱力學(xué)模型為基礎(chǔ)。以化工熱力學(xué)的基本知識作為學(xué)生處理化學(xué)工程問題的工具。

2.2 完善課程評價方案

傳統(tǒng)的化工熱力學(xué)教學(xué)模式會注重學(xué)生的考試成績，現(xiàn)在的評價體系認(rèn)為考試成績不能完全反應(yīng)學(xué)生應(yīng)用熱力學(xué)知識處理化學(xué)工程問題的能力[7]。因此，我們在實(shí)際教學(xué)過程中充分考慮了應(yīng)該如何評價學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，而不是僅僅在期末考核時為了取得高分而突擊學(xué)習(xí)[8]。因此，我們以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程意識為目標(biāo)，完善了現(xiàn)有的課程評價體系。首先我們將日常考勤改進(jìn)為開放式考核，包括課后作業(yè)、課堂練習(xí)等方面，將從不同角度考查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。課后作業(yè)的目的是考查學(xué)生掌握課堂知識的程度。同時我們增加了課堂練習(xí)環(huán)節(jié)，通過選擇典型例題在課堂上作答講解，以便學(xué)生及時查漏補(bǔ)缺。最后，我們將期末考核分為兩個模塊，第一模塊采取以基本題型為主的傳統(tǒng)考試形式，主要考察學(xué)生對基礎(chǔ)知識和基本概念的理解。第二模塊選擇布置模擬實(shí)際化工生產(chǎn)任務(wù)考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識的能力，允許學(xué)生查閱資料、Aspen Plus計算輔助完成，濟(jì)南大學(xué)2019級《化工熱力學(xué)》課程目標(biāo)達(dá)成度分析如表1所示。總之，考核評估應(yīng)包括平時作業(yè)、隨堂測驗(yàn)、課堂提問、師生互動、生生互動、單元測驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)上機(jī)等，還應(yīng)該結(jié)合大數(shù)據(jù)、相關(guān)軟件等，盡可能客觀公正地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)，讓教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程的輔導(dǎo)者。

表1 濟(jì)南大學(xué)2019級《化工熱力學(xué)》課程目標(biāo)達(dá)成度分析Table 1 Analysis of achieving Chemical Thermodynamics course goal of the 2019 class students in University of Jinan

在《化工熱力學(xué)》課程的教學(xué)過程中，理論教學(xué)是基礎(chǔ)，但單從基本理論講解，收效甚微[9]。從實(shí)踐中來，到實(shí)踐中去，并將科技的最新發(fā)展，最新的研究成果與學(xué)生分享，進(jìn)而加深學(xué)生對基本理論知識的興趣和理解。比如，利用化工熱力學(xué)相關(guān)知識對化工反應(yīng)過程和分離過程進(jìn)行能量分析時，選取常減壓精餾車間節(jié)能措施的改進(jìn)為例進(jìn)行研究[8]。第一，授課學(xué)生要知道從能量衡算法和有效能衡算法來研究此問題。第二，要分別利用能量衡算和有效能衡算進(jìn)行研究：能量衡算法是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的一種計算方法，這種方法僅僅表現(xiàn)為能量在數(shù)量上的相互轉(zhuǎn)換，沒有把能量品位的高低作為評價范疇，這種評價結(jié)果不能表明能量利用的完善性與合理性；有效能衡算法是以熱力學(xué)第一和熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，進(jìn)行相同品位能量的數(shù)量衡算和利用情況評價，從有效能的角度對能量利用的整體性進(jìn)行綜合評價，從而可以給出系統(tǒng)中相應(yīng)能量的利用效率[8]。最后，能量衡算法和有效能衡算法計算結(jié)果明顯不同，其中能量衡算法表明，能量利用效率較低的設(shè)備單元為冷凝器，而有效能衡算法表明，要提高節(jié)能效果必須改進(jìn)燃燒和傳熱過程。通過具體實(shí)例的分析與討論，培養(yǎng)和提高了學(xué)生獨(dú)立思考與解決問題的能力，強(qiáng)化了學(xué)生對基本概念、原理、方法及模型等方面的實(shí)際應(yīng)用能力。

3 結(jié) 語

化工熱力學(xué)在化工專業(yè)課中處于重要地位，本課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生利用化工熱力學(xué)知識來處理實(shí)際化學(xué)工程問題。在傳統(tǒng)單向灌輸為主的教學(xué)模式下，實(shí)現(xiàn)這種教學(xué)任務(wù)是很難的[7]。針對目前化工熱力學(xué)教學(xué)過程中存在的一些問題，我們化工熱力學(xué)教研組在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行了反思。結(jié)合本校的化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)際教學(xué)情況，提出精煉教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系、完善課程評價方案，注重實(shí)例分析與討論，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力等改進(jìn)措施。由注重基本理論、公式推導(dǎo)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q工程實(shí)際問題和樹立工程意識的培養(yǎng)，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。