新工科背景下“化工熱力學”教學改革創新與實踐

馮莉莉 賀飛 楊飄萍

［摘 要］ “化工熱力學”是化學工程領域中最重要的學科分支之一。作為化學工程與工藝專業的基礎核心課程，“化工熱力學”兼具工程性和理論性，在實施工程化教育和培養新化工人才的過程中擔負著舉足輕重的作用。在新工科背景下，立足一流化工及相關領域技術專業復合型人才培養，講述教學內容及相關基礎理論知識如何適應當今社會迅速發展和產業新需求、教學質量如何有效評定和提高、思政理念如何有機融入“化工熱力學”教學等幾方面內容，形成基于新工科背景下的教學方法改革、創新與實踐，促進該課程在化工專業領域課程體系中的發展。

［關鍵詞］ 新工科；化工熱力學；教學改革；教學實踐

［基金項目］ 2022年度哈爾濱工程大學校級本科教學改革項目“新工科背景下‘化工熱力學專業課程教學改革研究”（JG2022B1002）

［作者簡介］ 馮莉莉（1992—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院副教授，碩士生導師，主要從事納米材料生物學效應研究；賀 飛（1985—），男（蒙古族），內蒙古興安人，博士，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院教授，博士生導師，主要從事稀土發光材料的制備及合成研究；楊飄萍（1972—），男，吉林榆樹人，博士，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院教授，博士生導師（通信作者），主要從事多功能納米材料生物應用研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0057-04［收稿日期］ 2022-09-21

新工科自2017年提出，標志著以新工科建設為主題的高等工程教育改革進入一個新階段［1］。新工科是在新科技革命、新產業革命、新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇。為達到服務國家戰略發展新需求、構筑國際競爭新形勢、落實立德樹人新要求等多種目的，而提出的中國方案。其內涵是，以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新性卓越工程人才［2］。新工科，“工科”是本質，“新”是取向，要把握好這個“新”字，但又不能脫離“工科”，就要開展新工科背景下的“化工熱力學”專業核心課程，需要從理念、要求和途徑三個層面進行理解和創新［3］。

“化工熱力學”是化學工程與工藝專業的核心知識領域，也是全國工程專業認證標準中確定的四門學科專業基礎課程之一［4］。“化工熱力學”課程涉及范圍極廣：上接高等數學、物理化學和計算機軟件，下聯分離工程、化工原理、反應工程和化工設計等課程，是化工過程研究、開發和設計的理論基礎，在實施工程化教育中擔負著重要任務與責任。這門課程旨在幫助學生熟悉熱力學基本定律應用于化學工程和工藝，培養學生運用這些基本原理來分析和解決相關問題的能力。這不僅有助于培養學生化工與制藥類學生的工程觀念和工程意識，還可以為其鍛煉其解決復雜工程問題的能力打下重要前期基礎［5-7］。在新工科背景下，如何使教學內容和基礎理論知識與社會發展和產業需求相適應、如何有效評定和保證教學質量、思政理念如何有機融入“化工熱力學”教學，這些都成為新時期“化工熱力學”課程面臨的嚴峻問題。因此，“化工熱力學”專業課程的教學改革勢在必行。本文從新工科的內涵要求出發，并從課程的教學內容、教學方法和手段、考核方式等進行梳理改善，助力課程思政元素融入以提升教學質量，形成一套基于新工科背景下的教學改革創新和實踐。

一、“化工熱力學”課程介紹及教學方案梳理

（一）化學工程與工藝專業特色

化學工程與工藝專業的目標是，培養卓越的化工及相關領域工程技術專業人才，將傳授知識、提高能力與增強素質并舉。本專業實行分類型培養模式，旨在全面發展學生的德、智、體等方面，以適應國家化學工業及其相關領域經濟建設的需求。同時培養學生具備扎實的自然科學基礎和優秀的人文素養，掌握化工專業基礎知識和工程實踐能力，對社會責任有強烈的意識，并具有良好的道德修養和心理素質。此外，我們還注重培養學生的創新精神、團隊合作能力、國際視野及管理技能，使其發展為能在化工及相關行業從事科學研究、技術開發、設計、工程開發、生產管理和經濟管理相關工作的綜合型專業人才。一方面，要求畢業生具備在工業界和學術界成功鑒定、分析和解決與專業職位相關的工程問題的能力，并能適應獨立和團隊工作環境。一方面，要求畢業生具備廣泛的系統視角，并能夠管理多學科的項目，涉及重要的法律、倫理、監管、社會、環境、工業安全和經濟等方面。畢業生需要表現出擔當精神，不斷進行終身學習和專業發展，同時具備領導能力。這樣，畢業生才能在化工領域具備職場競爭力。

（二）“化工熱力學”課程培養目標

化工熱力學是化學工程學的主要分支之一，是化學工程和化學工藝專業的必修課程。化工過程的分析研究、生產設備的設計等都需要流體的熱力學性能和平衡數據。熱力學原理在解決化工實際問題中所起的作用是毋庸置疑的。本課程的目標要求學生會應用經典熱力學原理來解決化工生產中的工程實際問題。通過本課程的學習，學生可以了解化工熱力學學科的發展歷程、前沿理論和發展趨勢，掌握化工熱力學的基本概念、理論和基礎知識，培養和提高從事化工生產、設計和科學研究工作的理論分析能力，能夠運用熱力學方法解決化工過程研究、開發與工程設計中所涉及的物性、相平衡以及能量利用等問題，為化工過程研究、開發和設計等打下牢固的基礎。

（三）教學方法與策略

（1）案例教學法：以案例為基礎，教師扮演設計者和激勵者，鼓勵學生討論。（2）支架式教學：構建一種對知識理解的概念框架，用于促進學習者對問題的進一步理解。（3）參與式教學：以激發學生的學習興趣為前提，以學生的主動參與為過程和環節。（4）情境教學法：引入或創設具體場景，以引起學生一定的態度體驗。（5）任務驅動法：圍繞一個任務中心，通過資助探索和互動寫作完成對學習資源的主動應用。（6）啟發引發法：引導學生進入學習的主體，開動思維，使學生積極主動地掌握知識技能。

（四）“化工熱力學”教學內容及教學要求

具體教學內容及教學要求主要為以下幾個部分：（1）真實流體的P-V-T關系，闡明這種關系對研究流體熱力學性質的重要意義。要求學生了解流體PVT關系，它是熱力學性質的基礎。（2）熱力學函數計算的原理和方法，介紹了最常用的熱力學性質的計算以及常用的熱力學數據和熱力學圖表，讓學生掌握組成體系熱力學性質間基本關系式，清楚理解剩余性質概念及計算，學會由單相、純物質性質計算兩相區純物質性質的方法，掌握工程上常用熱力學圖表的使用方法。（3）化工過程的能量分析，包括熱力學第一定律與能量平衡方程、穩定流動體系能量平衡方程及其應用、熱功轉換的不等價性和熱力學第二定律，對能量的有效利用進行分析和評述。為了讓學生理解熱力學兩個定律及其在工程上如何應用，要求學生不僅對過程的方向和限度有明確概念，還對過程的不可逆性導致能的降級也要有明確的認識。（4）蒸汽動力循環與制冷循環，具體介紹制冷循環的種類及工作原理。要求學生能夠利用熱力學第一、二定律進行此兩種循環熱效應、制冷量、功耗和循環效率的計算。通過對熱效率、直接加熱和利用制冷原理的供熱效率等計算，學生理解合理利用能源的意義和途徑。（5）溶液的熱力學性質：化學位、偏摩爾性質、G-D方程、逸度和逸度系數、純氣體的逸度計算、混合物的逸度與其組分逸度之間關系、壓力和溫度對逸度的影響；理想溶液及其二種標準狀態、Lewis-Ransall和Henry定律；混合性質變化、理想溶液的混合性質變化；活度和活度系數；超額性質、超額自由焓和活度系數。要求學生對偏摩爾性質、化學位、逸度、混合性質變化、超額性質和標準態等概念正確理解；掌握均相流體混合物熱力學性質關系式，超額性質與活度系數關系式，學會逸度和逸度系數計算方法。（6）相平衡與化學平衡：運用熱力學解決化工領域的相平衡與化學反應平衡問題，這部分知識是熱力學和傳質、分離、反應工程間聯系的紐帶。要求學生能夠掌握相平衡條件和判據、相律及其應用；掌握完全互溶體系在中低壓下汽液平衡的計算方法；應用活度系數與液相組成關系式。此外，教學過程中精選研究、開發和工程設計的實踐案例，有助于學生加深對課程的理解。

（五）新工科背景下的教學考核和反饋

“化工熱力學”是化工專業理論性較強的專業核心課程，在教學過程中要求學生對專業有明確的認知，如應具備的專業技能、專業知識，對專業課程設置、專業職業要求、專業就業和發展有一定的了解，掌握課程的教學大綱、考核方法，以及在專業課程體系中占據的位置，并通過問卷調查、過程考核和形成性評價來掌握學生的知識容量和專業認知情況。課程考核的主要目的是考查學生課程目標的達成度，充分了解學生對課程內容的掌握情況。創建合理的考核方式和具體指標，可以有效地衡量教學效果。本課程的考核方式主要由隨堂測試、期中考試、課后作業和期末考試四個部分組成。隨堂測試能夠掌握學生上課時注意力的集中程度和對新知識的接受能力；期中考試作為相對重要的組成環節，也能夠調動學生平時學習的積極性，發現問題并對教學內容和方法及時做出改正。為了提升學生自主學習的能力，也為以后撰寫畢業論文做鋪墊，在課后作業中，要求學生從熱工角度分析生活中遇到的熱現象或熱力學領域的新技術，以小論文的形式呈現。撰寫小論文過程中涉及文獻檢索、對化工模型的分析，以培養學生發現、分析、歸納和總結化工實際生產應用中的問題，將課程所學的理論知識與實踐融會貫通。通過期末考試來評判學生對化工熱力學課程的整體掌握情況，以分析課程目標度完成情況，創建有效的教學評價和反饋機制，從而提升教學質量。

二、課程思政元素融入

課程思政是立德樹人的根本任務，是新時期貫徹黨的教育方針的重要途徑。新工科背景下，課程思政的主要目的是以專業知識為主體，使課程思政案例和課程教學內容科學性地融合，培養“一專多能”型人才，全面落實立德樹人根本任務，必須深入挖掘各類課程中思政教育內容和元素，強化課程思政德育功能，把政治教育貫穿人才培養全過程，促進各類課程與思想政治理論課程、主題教育、經常性思想教育同向而行、同頻共振，構建起全員全程全方位育人新格局。結合課程教學內容和課程思政案例設計的科學性，課程在實驗研討教學中引入化工過程模擬器、熱泵精餾等目標的特征提取及識別案例，使專業知識與思政教育自然融合，傳承家國情懷、拓寬視野，提升科學素養。“化工熱力學”課程教學章節對應思政內容建設要點如表1所示。

結語

結合本科生專業核心課“化工熱力學”的課程特點和新工科背景下的能力要求，對課程的教學內容、要求和考核方式等進行了改革。課堂教學強調以學生為中心，采取了自主學習能力的培養、加強能力鍛煉和重視習題課的融合、深入淺出的分析重點難點問題、開展課堂研討教學、構建虛擬實驗平臺創新工程訓練等教學改革舉措。這些教學改革措施逐漸培養學生精益求精、認真負責、嚴謹細致的科學態度；提升學生的科學思維素養，樹立辯證唯物主義世界觀；培養學生熱愛科學、嚴謹、實事求是的學風和創新精神。通過“化工熱力學”課程的改革，學生對該課程的學習興趣更濃厚并主動學習，注重傳統教學方法與新興教學方法的結合，以及理論講解與實際應用的融會貫通，注重課程全方位的質量評價與監督，提升教學質量與效果，使得充分發揮“化工熱力學”在化工專業領域的整體課程體系中的橋梁作用，使學生在學習工作中真正的受益。

參考文獻

［1］李華，胡娜，游振聲.新工科：形態、內涵與方向［J］.高等工程教育研究，2017（4）：16-19+57.

［2］夏淑倩，王曼玲，程金萍，等.踐行OBE理念，開展化工類專業新工科建設［J］.化工高等教育，2018，35（1）：9-12+61.

［3］鐘登華.新工科建設的內涵與行動［J］.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

［4］馮新，宣愛國，周彩榮，等.化工熱力學［M］.北京：化學工業出版社，2018：1-3.

［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］陳新志.《化工熱力學》教材的改革［J］.化工高等教育，2000（3）：25-29.

［7］常賀英，馬沛生.論化工熱力學在化工類課程體系中的核心作用［J］.化工高等教育，2005（4）：28-30.

Practice and Effect of Educational Reform of Chemical Engineering Thermodynamic under the Background of Emerging Engineering Education

FENG Li-li， HE Fei， YANG Piao-ping

（College of Materials Science and Chemical Engineering， Harbin Engineering University， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： Chemical engineering thermodynamics is the core course of chemical engineering and technology major， which has both theoretical and engineering characteristics， and plays an important role in the implementation of engineering education. Under the background of emerging engineering education， with the purpose of cultivating first-class chemical engineering and technical professionals in chemical industry and related fields， this paper analyses how to adapt teaching content and basic theoretical knowledge to social development， industrial needs， how to evaluate and guarantee teaching quality effectively， how to integrate ideological and political ideas into the teaching of chemical engineering thermodynamics， and how to form the teaching reform innovation and practice based on the background of emerging engineering education， and give full play to the bridge role of this course in the curriculum system of chemical specialty field.

Key words： emerging engineering; chemical engineering thermodynamic; educational reform; teaching practice