“化工熱力學”有效課堂教學的探索

武衛榮 宋先雨 路 峰 姜骉麟 黃美英 李廷真

(重慶三峽學院 環境與化學工程學院,重慶 萬州 404199)

“化工熱力學”是化工及相關專業,如化學工程與工藝專業、分子科學與工程專業、過程裝備與控制工程專業的重要基礎核心課程,是一門理論性和應用性較強的課程[1-4]。該課程是將化學熱力學和工程熱力學原理應用到化學工程領域,用以評價化學工程領域能量的合理利用,探討物質變化的方向和限度,指導混合物的有效分離,解決化工過程熱力學性質的計算、能量的有效利用、物質的高效轉化、以及相平衡和化學反應平衡的計算等工程實際問題。本課程教學是通過科學思維方法的訓練和工程倫理的教育,培養學生具備解決化工生產、工程設計、科學研究中實際問題的能力,利用熱力學原理分析和優化化工生產中物質和能量的有效利用極限問題。同時,也是幫助學生理解所學專業、樹立正確的價值觀,培養節約資源、合理利用能源意識的重要手段。

1 有效課堂教學的必要性

“化工熱力學”課程的基本概念和理論比較抽象,公式繁多且相關的推導過程復雜,學生在理解和掌握課程內容時具有較大難度[5],尤其是在應用化工熱力學理論和知識分析解決實際問題時,導致學生有較大的畏難情緒,學習熱情不高。因此,如何在有限的授課學時內,將化工熱力學基本理論和知識,尤其是解決問題的思想和方法傳授給學生,讓學生更好地理解和掌握熱力學原理和實際應用,樹立正確的工程觀念,提升獨立思考和解決工程實踐問題的能力,是一個極大的挑戰。

教學實踐證明,只有實現教與學的高度統一,才能取得理想的教學效果,達到讓學生掌握知識并能解決問題的目的[6,7]。有效的課堂教學能夠激發學生學習興趣,有助于學生克服畏難情緒,更好地投入學習中。因此,教學過程的科學組織和有效整合是實現課堂高效利用的前提條件,而高效利用課堂則是教學的重中之重。為了提高課堂教與學的效果,依據“以工程案例為主線、以學生為主體”的原則,優化課堂教學內容,同時注重與學生的情感交流。

2 課堂教與學統一的探索

2.1 課堂教學注重情感交流,提升課堂教學效果

課堂教學過程是由相互依存的教和學兩方面構成,也是課堂上師生間面對面傳遞信息、相互交流的過程。老師的態度決定學生學習的態度,而學生學習的態度又會反過來影響教師的教學過程。當今大學生處于電子產品、互聯網的世界中,缺少了人與人之間面對面的交流和溝通,更需要關愛。因此,教師在課堂上需要有意識地與學生進行交流和溝通,在傳授知識的同時傳遞尊重、平等與關愛。同時密切關注學生的聽課狀態,及時調整課堂教學進度,利用小問題或生活的實例,與學生討論活躍課堂氣氛,在交流互動中傳授知識。當學生感受到來自老師的關注后,便會更加重視課堂學習。另外,充分利用好課間和課后時間,教師及時為學生答疑解惑,有助于提升課堂教學效果,實現教與學統一。

2.2 突出應用性,優化課程教學內容

“化工熱力學”課程共有48學時,主要介紹流體的p-V-T關系及狀態方程式、純流體熱力學性質計算、溶液熱力學性質計算、蒸汽動力循環和制冷循環、流體相平衡、化工過程熱力學分析等,要求掌握20多個重要知識點。要在有限課時內,把信息量較大的概念、公式,以及抽象難懂的基本理論有效地傳遞給學生,必須對課堂教學進行有效組織才能實現高效利用課堂的效果。

課程內容抽象、公式復雜、概念嚴謹,常令學生望而生畏,教學難度很大。要在有限的學時內達到教學目標,應以突出應用為目的,分清主次,優化教學內容、合理設計課程結構和知識點?！盎崃W”主要內容中流體的p-V-T關系和狀態方程式、純流體與溶液熱力學性質計算是其他章節內容的基礎,流體相平衡是熱力學與傳質過程、分離過程之間聯系的橋梁。在教學過程中,具體做法是:對于后續課程學習極為重要的概念、公式、理論要講清來源、內涵以及意義,重點突出用途,精簡理論推導,增加聯系生產生活的實例和趣味知識,用通俗易懂、生動形象的語言講解熱力學知識,讓學生學習起來輕松,克服畏難情緒,更好地掌握熱力學核心內容,懂得如何學以致用。對于經驗或半理論、半經驗的公式只講基本內容,理論推導略講或不講,避免學生混淆。在課堂教學過程中,按“理想模型→修正→建立實際體系模型→應用”的思路進行課程內容的優化和講授,從而傳遞給學生熱力學中理想模型可加“校正”用于處理實際體系的思維方式。

2.3 利用生產生活實例讓課程“落地”,有助于提升課堂教學效果

化工熱力學課程內容抽象難懂,如果只注重公式、概念以及基本理論的講授,只會讓學生認為熱力學知識離生活很遙遠,從而缺乏學習積極性。為了取得理想的教學效果,應樹立“以應用為目的”的教學理念,在課堂上選取實際生產生活中典型的實例進行分析討論,讓學生懂得如何靈活運用相關熱力學知識解釋實際生產生活中存在的現象。例如在學習第二章流體p-V-T關系和狀態方程式的應用時,教師讓學生討論實際生活中的例子“以壓縮天然氣為能源的汽車為什么在冬天的里程比夏天長?”,并提示學生利用合適的狀態方程計算一定體積的儲氣罐在不同溫度和一定壓力下壓縮天然氣能行駛的里程數?；蛘卟贾靡粋€關于清潔能源可燃冰的材料題。材料中重點介紹了我國在全球海域天然氣水合物(可燃冰)開采取得的成績,然后將所學知識與可燃冰進行結合提出問題:“假設可燃冰(CH4·nH2O)組成是純凈的二水合甲烷晶體,多少克的可燃冰可釋放1標準立方米的天然氣(利用Peng-Robinson狀態方程計算)?”這類實際生產生活中的例子能夠很好地調動學生的學習積極性和主動性,通過學以致用加深對概念、原理、方法及模型的理解,切實讓學生感受到熱力學知識的價值和魅力。將課程內容與生產生活實例相結合,不僅能促進學生提升學習效率和實際應用能力,促進學生有意識地形成工科思維模式,還能增強學生對專業的認同感,從而達到課程的教學目標。

2.4 考核形式多樣化,調動學習積極性

對學生的考核主要包括平時的過程性考核和期末考核,二者考核的側重點不同。平時的過程性考核反映學生對所學內容的理解和掌握程度,主要涉及課堂提問與討論、課堂練習、各章節作業、平時測驗等方面。為了調動學生參與課堂討論的積極性,可以適當提高平時的過程性考核,如課堂提問與討論在學生考核中的占比。對積極參與課堂討論的和討論內容正確的同學,應根據不同情況當堂分別給予獎勵,獎勵分數在最后考試成績中占有一定比例。例如引出逸度前,給出理想氣體的關系式dGi=RTdlnp,再提問如果該式用于真實氣體,公式中壓力p變化了嗎?引導學生討論壓力在理想氣體和真實氣體中的不同概念,在真實氣體中,采用逸度fi代替壓力p,看作是校正壓力或有效壓力,二者單位相同。通過討論,學生理解了真實壓力要采用逸度的原因,從而很自然地接受有關逸度的學習。通過課堂提問與討論,不僅可以調動學生學習積極性,而且有助于學生加深對化工熱力學基本知識的綜合運用,培養學生自主解決問題的能力,同時還有助于輕松應對期末考試。

2.5 注重課堂教學幾個環節,提高課堂教學效果

由于學生缺乏對已學知識點進行及時復習的主動性,會導致知識點的遺忘,而知識點遺忘又會影響下次課的教學效果。為了鞏固學生已學的舊知識,同時有助于新知識的學習,在課堂教學中,教師需要注重幾個細節的引導:每次新課前需要利用2～3分鐘對前一次課的內容和知識點進行課前回顧,承上啟下為引出新的內容做好鋪墊;在講解每個知識點過程中或精講每個知識點之后,穿插幾個精心設計的對應練習,讓學生進行課堂隨練,時間控制在5～8分鐘,根據解答情況對易錯知識點進行講解,讓學生在課堂上及時消化知識;邊學習邊總結——每次新課結束后會對本節課內容以及知識點進行梳理,同時,每章節內容結束后再次進行章節小結,同時進行大約20～30分鐘課堂測試,進一步鞏固所學知識;每兩周課程完成之后,教師要求學生以不記名的方式反饋對課堂教學的想法、感受、意見和建議,并針對學生提出的意見和建議及時調整和改進授課方式和方法。只有教師重視學生的學習體驗,才能取得好的課堂教學效果。

2.6 豐富教學手段,提高課堂教學效果

適宜的教學方法和手段的選擇也是課堂高效利用的保證。在課堂教學過程中,應針對不同教學內容合理采取相應的教學方法和手段進行講授。例如針對大量重要的公式推導需要充分發揮黑板板書的優勢。在公式推導過程中,黑板板書非常靈活,教師可以按照需要補充相應的知識點幫助學生理解,同時通過板書可與學生進行較好的互動,達到多媒體沒有的效果。例如在利用熱力學第二定律判斷過程進行的方向時,學生遺忘了孤立系統熵增原理的推導公式,為了不影響本次課學生對課堂內容的學習,發揮黑板優勢,可以直接在其上面進行公式的推導,補充這部分相應內容。

對于課堂上一些抽象、難以用圖或板書形式表現出來的內容,合理地采用多媒體教學手段,以電動圖片和動畫的形式表現許多熱力學數據、圖和表、著名人物、實驗過程和工藝流程、設備等并結合板書,向學生直觀、生動、形象展示,有利于學生對所學內容的記憶理解。同時,運用多媒體教學手段,增加了課堂教學的信息量,減少了板書的工作量,拓寬了學生的思維空間,對調動學生的學習興趣起了積極的作用,提高了化工熱力學課堂的教學效果。對于需要利用試差迭代方法進行公式求解,直接計算困難時,通過采用計算機程序完成求解過程,有利于學生明確公式的適用范圍、參數設定等關鍵問題。為了彌補課堂教學時長的不足,同時增強學生自主學習能力,建設線上資源,為學生學習提供便利。總之,通過采取多種不同的教學手段,來提升化工熱力學課堂教學效果。

3 結語

課堂是學生學習的主渠道,是獲取信息最直接的場所。課堂高效利用離不開課堂教學有效地組織。只有充分利用好這個主渠道才能實現教與學的統一,取得理想教學效果,達成化工熱力學教學目標。