化工熱力學(xué)習(xí)題改革初探＊

呂玲紅馮新 劉暢 楊祝紅 王昌松 陸小華 武文良

(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 江蘇南京 210009)

化工熱力學(xué)習(xí)題改革初探＊

呂玲紅＊＊馮新 劉暢 楊祝紅 王昌松 陸小華 武文良

(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 江蘇南京 210009)

習(xí)題練習(xí)是化工熱力學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)習(xí)題題型單一,且往往與生產(chǎn)和生活實際相距甚遠。本文從增加選擇題練習(xí)、選取新穎且與實際結(jié)合緊密的計算題、利用 Excel和計算軟件以及如何防止作業(yè)抄襲 4個方面闡述了對化工熱力學(xué)習(xí)題的改革嘗試。這些探討對化工熱力學(xué)教學(xué)改革提供了有益的思路。

化工熱力學(xué)是一門化工專業(yè)本科生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課,是化學(xué)工程與工藝類專業(yè)的核心課程。它上接物理化學(xué)、高等數(shù)學(xué)和計算機軟件,下連化工分離工程、化學(xué)反應(yīng)工程、化工工藝學(xué)和化工設(shè)計等課程[1]。學(xué)好這門課,可為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。但化工熱力學(xué)課程中的大量公式、繁雜的公式推導(dǎo)、抽象的基礎(chǔ)理論、復(fù)雜的圖表等,不僅使授課教師在講解的時候不容易表述清楚,學(xué)生學(xué)習(xí)時更是感覺難以理解,產(chǎn)生畏難情緒。許多教師針對這一現(xiàn)狀進行了不懈的努力,譬如在教學(xué)改革方面,施云海等[2]提出,應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)課程的特點,講清基本概念,突出課程主線和熱力學(xué)處理問題的方法,采用啟發(fā)式教學(xué)手段,提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。一些教師在調(diào)整該課程結(jié)構(gòu),提高課堂講授質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生的外語、計算機、科研能力,加強學(xué)科間的滲透等方面作了有益的探索[3]。鄭立輝等[4]認為熱力學(xué)教學(xué)應(yīng)深化經(jīng)典熱力學(xué)基本概念、方法,培養(yǎng)學(xué)生掌握熱力學(xué)建模方法和應(yīng)用熱力學(xué)原理解決問題的自信心,培養(yǎng)初步的工程觀點。還有許多教師對教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時分配、教學(xué)方法和考試方式乃至教材建設(shè)等方面進行了改革和探討[5-6]。馮新等[7]在教學(xué)中引入以學(xué)生為本的理念,使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中由被動轉(zhuǎn)為主動,教學(xué)效果明顯提高。

近年來,化工熱力學(xué)教學(xué)改革取得了很大的成效,化工熱力學(xué)的教學(xué)效果大為提高。然而關(guān)于習(xí)題對于學(xué)生理解課程起到至關(guān)重要的作用這一點還沒有得到足夠的重視。高等教育要求學(xué)生的自學(xué)能力在課程學(xué)習(xí)中占主導(dǎo)作用,而學(xué)生自學(xué)的效果往往要通過習(xí)題來表現(xiàn),故習(xí)題的質(zhì)量和形式對于學(xué)生掌握知識是非常重要的。目前的很多習(xí)題偏重于大量公式演算,其結(jié)果往往是使學(xué)生陷入繁瑣的計算當中,而對于加強概念和基礎(chǔ)知識的掌握以及與生產(chǎn)實際的聯(lián)系往往并不夠。

為了使學(xué)生真正掌握所學(xué)的知識,并鞏固和加深對已學(xué)內(nèi)容的理解,我們將習(xí)題庫、Excel與熱力學(xué)軟件相結(jié)合,對化工熱力學(xué)習(xí)題進行了一些改革嘗試,取得了一些進展。

1 增加選擇題設(shè)置

化工熱力學(xué)的考試題型主要是選擇、填空、判斷、名詞解釋、問答和計算題。選擇題形式簡單,著重于概念的掌握。統(tǒng)計結(jié)果表明,一道選擇題解題時間平均是 1分鐘,而一道計算題解題時間平均在 10分鐘以上,因此學(xué)生普遍喜愛選擇題。而以前傳統(tǒng)做法是以布置計算題為主,這種形式容易造成學(xué)生的畏難情緒,不利于樹立學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。選擇題不但有利于習(xí)題和試題的標準化,而且適于錄入題庫制作成測試軟件。許多參加過各種類型計算機考試的人都有體會:在考之前一般可以在網(wǎng)上進行模擬測試,這種測試大多數(shù)都是選擇題,每一次模擬測試完后馬上就可以得到本次測試的得分,并且可以進行多次測試,隨著測試次數(shù)增多,學(xué)生對于知識點會更加熟悉,得分也會逐漸升高。而隨著得分的提高,測試者會越來越有興趣,最后正式考試時大多數(shù)都能順利通過。對于大多數(shù)學(xué)生應(yīng)該盡量多采用選擇題的形式。由于選擇題的特點,學(xué)生往往樂于使用這種形式。通過多次適當選擇題練習(xí),就可以掌握基本概念和原理;而對于有拔高要求的學(xué)生,另外安排難度適當?shù)木C合題進行練習(xí)能起到更好的效果。我們已經(jīng)編制了大量的選擇題并錄入題庫,可隨機選取供學(xué)生使用。

2 結(jié)合生產(chǎn)和生活實例

化工熱力學(xué)作為化工專業(yè)這樣一個實踐性比較強的專業(yè)的基礎(chǔ)課,教學(xué)應(yīng)理論聯(lián)系實際。涂淑鳳[6]等提出教學(xué)、科研和生產(chǎn)應(yīng)緊密結(jié)合。對于習(xí)題練習(xí)來說,也應(yīng)該注意這一點,傳統(tǒng)計算題往往是已知某些條件,然后求出某些熱力學(xué)性質(zhì),題目不但乏味,而且已知和求解都是已經(jīng)設(shè)置好的。但實際處理問題時,已知和求解需要我們自己去分析和簡化出來,因此這樣的題目與實際問題的解決還相差較遠。

比如,氣體的 pVT關(guān)系這一章,傳統(tǒng)的計算題往往是直接給出已知 pVT性質(zhì)中的某兩個熱力學(xué)性質(zhì),然后求解另外的熱力學(xué)性質(zhì)。學(xué)生在做習(xí)題時,只知道求解熱力學(xué)性質(zhì),卻不知為何要求熱力學(xué)性質(zhì)。經(jīng)過改革,我們編寫了如下一道習(xí)題:

隨著汽油不斷漲價,既經(jīng)濟又環(huán)保的天然氣已成為汽車發(fā)動機的新燃料,越來越多的公交車和出租車改用天然氣(主要成分為甲烷)。為了使單位氣量能行駛更長的里程,天然氣加氣站需要將管道輸送來的 0.2MPa、10℃的天然氣壓縮灌裝到儲氣罐中,制成壓縮天然氣,其壓力為 20MPa,由于夏天壓縮機的冷卻效果較差,所以氣體的溫度在冬天為 15℃、夏天為 45℃。已知儲氣罐體積為 70L,每 kg甲烷可行駛 17km。問:(1)如果將 20MPa,15℃壓縮天然氣當作理想氣體,則與 RK狀態(tài)方程相比,計算出來的一罐壓縮天然氣的行駛里程是多了還是少了,相差多少公里?(按冬天算)。試問:此時的壓縮天然氣能否當作理想氣體?(2)如果將管道輸送來的 0.2MPa、10℃的天然氣不經(jīng)壓縮直接裝入儲氣罐中,一罐天然氣能行駛多少公里? (3)為了行駛更長的里程,在其他條件均不變的情況下,是否可以通過再提高壓力使壓縮天然氣變成液化天然氣來實現(xiàn)?你有什么好的建議?(4)據(jù)出租車司機說“同樣一罐壓縮天然氣,夏天跑的里程比冬天要短”,為什么?請說出理由,并估算出同樣每天行駛 300公里,夏天比冬天要多花多少錢?[8](一罐壓縮天然氣約 50元。必要的數(shù)據(jù)可以自己假設(shè))。

這道題實際就是考察學(xué)生對氣體 pVT關(guān)系的掌握。如果直接將題目出成已知甲烷的壓力和溫度,用合適的狀態(tài)方程求其體積,那就純粹變成了練習(xí)不同狀態(tài)方程的計算。但在題目開頭,首先以當前廣受關(guān)注的熱門能源問題引起學(xué)生興趣,然后把 pVT關(guān)系的求解隱藏于實際問題的解決之中。第一小題實質(zhì)就是在已知溫度、壓力和體積的條件下,分別用理想氣體狀態(tài)方程和 RK方程,計算氣體的量,用兩種狀態(tài)方程得出的結(jié)果誤差會不同。而在這里,形式上體現(xiàn)為由于狀態(tài)方程的誤差可能造成估計的行駛里程不準確這一實際問題。看了題目之后,學(xué)生就會想立即知道估計的行程是多了還是少了,從而有了完成習(xí)題的動力。第 (4)小題從出租車司機“夏天跑的里程比冬天短”這一現(xiàn)象出發(fā),學(xué)生能感到這是日常生活中的問題,使他們原有的熱力學(xué)過于偏重理論而與實際應(yīng)用較遠的印象得到了改觀。

又如以下習(xí)題:

某蒸汽渦輪機的操作測試結(jié)果如下:供給汽輪機的蒸汽為 1350kPa、375℃,汽輪機乏汽為10kPa的飽和蒸汽。假設(shè)絕熱操作且忽略動能和勢能變化,計算汽輪機的效率,即從同樣的初始狀態(tài)變化到同樣的排氣壓力,汽輪機實際做功與汽輪機等熵做功的比率[9]。

這道題比傳統(tǒng)習(xí)題加深了難度,要求學(xué)生對實際遇到的問題進行分析,然后利用已學(xué)的知識加以解決。題目的核心是考察對于兩相系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)計算的掌握。在實際生產(chǎn)中,蒸汽系統(tǒng)都處于具體設(shè)備或管線網(wǎng)絡(luò)之中,在這種情況下,必須自己找到問題,解決問題,而不像已知求解那么簡單。因此,給出與生產(chǎn)實際緊密相連的實際情況,讓學(xué)生自己提煉出已知求解,然后再去解題是非常重要的。許多傳統(tǒng)題目是已知蒸汽或液態(tài)水狀態(tài),然后要求求出系統(tǒng)濕含量、焓、熵等,實際就是套用公式進行計算,學(xué)生的分析能力得不到鍛煉。而此題要求對汽輪機的工作過程有所了解,要從水蒸氣表中查出始態(tài) 1350kPa、375℃蒸汽和終態(tài) 10kPa飽和蒸汽的焓和熵,然后求出等熵過程的干度,從而求出焓變,進而求出汽輪機效率。在解題過程中,學(xué)生都是自己分析題意找出已知求解。有的學(xué)生提前把后面章節(jié)中的蒸汽動力循環(huán)看了一遍,有的到網(wǎng)上查找了一般渦輪機與汽輪機的區(qū)別,從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。學(xué)生也通過做習(xí)題開動了腦筋,有成就感。

高等教育的不同就在于學(xué)生要有自學(xué)的能力,而不是被動地被灌輸知識,這類聯(lián)系實際的題目不但能提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且能讓他們從習(xí)題中發(fā)現(xiàn)問題,通過查找解決問題,鍛煉了學(xué)生的專業(yè)意識和學(xué)習(xí)能力,對于培養(yǎng)合乎社會需要的化工專業(yè)畢業(yè)生起到了積極的作用。

3 鍛煉學(xué)生多方面解題的能力

學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)課程的目的是了解化工熱力學(xué)中的重要概念,而繁瑣的計算、抽象的公式并不是它的本質(zhì)。只有了解清楚了概念,才能正確使用經(jīng)驗和非經(jīng)驗方程式進行計算。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機技術(shù)在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,各專業(yè)的學(xué)生都應(yīng)該具有使用與本專業(yè)相關(guān)的計算機軟件的能力。目前已經(jīng)有許多編制好的熱力學(xué)計算軟件可以使用,也可以讓學(xué)生自己編程計算。這不但可以鞏固學(xué)生已學(xué)的計算機知識,而且有利于學(xué)科交叉,符合培養(yǎng)新世紀復(fù)合型人才的需求。另一方面,利用 Excel軟件作狀態(tài)方程和相平衡計算,能實現(xiàn)多數(shù)據(jù)的迅速計算,而不必使用繁瑣的手工迭代。但也不應(yīng)完全拋棄手算,以免學(xué)生忽略解題過程。因此,要求學(xué)生在解題時寫出迭代的步驟和思路,加深理解。

例如題目:試用 RK、SRK和 PR方程分別計算異丁烷在 300K,0.3704MPa時的摩爾體積。實驗值為V=6.081m3/kmol。

可以先由參數(shù)表查得異丁烷的臨界溫度、臨界壓力和偏心因子,然后由此得出狀態(tài)方程中的具體參數(shù),分別應(yīng)用RK、SRK和 PR方程通過迭代求出V,然后與實驗值作比較,由誤差大小的不同得出不同狀態(tài)方程的精度。

除了可用手工進行迭代過程計算外,還可以利用 Excel軟件的單變量求解工具。比如上題如圖 1,可將臨界溫度,臨界壓力,溫度、壓力及其他參數(shù)分別填入相應(yīng)單元格中,然后填寫目標單元格的計算公式(圖中是 I2單元格),再將彈出的單變量對話框中目標值設(shè)為 0,可變單元格設(shè)為體積V所在的 g2單元格,確定即可得到迭代后的V值。

圖1 利用 Excel軟件實現(xiàn)迭代計算

此外還可以利用現(xiàn)成的軟件,例如圖 2所示的由劍橋大學(xué)提供的網(wǎng)上立方型狀態(tài)方程計算軟件(http://www.cheng.cam.ac.uk/～pjb10/thermo/pure.html)計算,只要在左邊的狀態(tài)方程選項里任意選取一個方程,并在右邊的參數(shù)格里填入臨界參數(shù),再輸入相關(guān)壓力、溫度數(shù)據(jù),點擊計算按鈕即可算出數(shù)據(jù)。

我們在布置習(xí)題的時候,曾經(jīng)要求學(xué)生使用手算、網(wǎng)上軟件或 Excel單變量求解這 3種方法中的任一種方法解題,但有很多學(xué)生主動同時使用了 3種方法,并將結(jié)果加以比較,分析各種方法的優(yōu)缺點。這表明學(xué)生對這樣的教學(xué)改革非常歡迎。

圖2 利用網(wǎng)上狀態(tài)方程計算軟件計算 pVT性質(zhì)

4 防止習(xí)題抄襲

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),有部分學(xué)生不愿獨立完成作業(yè),而是抄襲其他同學(xué)的作業(yè),這樣既得不到鍛煉,教師也往往不好鑒別。解決此問題的方法是將習(xí)題計算的已知數(shù)據(jù)以不同的數(shù)值分給每個學(xué)生,這樣所得結(jié)果也必然不相同,而教師可以利用已編制好的 Excel表格,方便地得到結(jié)果,批改起來也很方便。比如有這樣的一道題:

用普遍化第二維里系數(shù)關(guān)系式 (Tc=508.2K,pc=4.762MPa,ω =0.7)求 200℃, 1.0133MPa時異丙醇的壓縮因子與體積。

解題時,先根據(jù)臨界溫度和壓力以及體系的實際溫度和壓力求出對比溫度和壓力,再根據(jù)維里系數(shù)公式求出第二維里系數(shù)的值,然后根據(jù)壓縮因子公式得出壓縮因子,進而求出體積的值。出題的目的是要求學(xué)生有清晰的解題思路,但如果照抄其他人的解題,則沒有任何意義。可將題目的已知條件的數(shù)值加以改變,使每個學(xué)生所得到的已知數(shù)據(jù)的值都不一樣,這樣就能防止學(xué)生全盤抄襲其他同學(xué)的作業(yè)。將解題過程編制在 Excel表格中,只要已知數(shù)據(jù)改變,其結(jié)果就能自動改變,教師批改作業(yè)時也很方便,不需要逐一手動計算不同結(jié)果。

5 結(jié)語

由于化工熱力學(xué)在化工專業(yè)知識中具有重要地位,在教學(xué)時必須克服其概念抽象、計算繁雜等困難,積極進行教學(xué)改革。習(xí)題是教學(xué)的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的習(xí)題著重于公式和原理的應(yīng)用,編制的習(xí)題以計算題偏多,學(xué)生在演算過程中多采用手算方式。我們通過增加選擇題等標準化習(xí)題形式的練習(xí),將題目內(nèi)容盡可能與實際生產(chǎn)結(jié)合起來,并利用各種計算機軟件解題,對現(xiàn)有的習(xí)題從形式和內(nèi)容進行了初步的改革探討,受到學(xué)生的歡迎。針對部分學(xué)生對習(xí)題不感興趣,習(xí)慣于抄襲,并會進一步發(fā)展為在考試時作弊的現(xiàn)象,我們采取給予不同已知數(shù)據(jù)的方法從源頭上進行了遏制。

[1] 常賀英,馬沛生.化工高等教育,2005,86(4):28

[2] 施云海,彭陽峰,王艷莉,等.化工高等教育,2006,90(4):35

[3] 王琳琳,陳小鵬,張冬云.廣西高教研究,2001(2):65

[4] 鄭立輝,韋一良,宋光森,等.化工高等教育,2007,93(1):77

[5] 周彩榮,蔣登高.化工高等教育,2006,90(4):42

[6] 涂淑鳳,董新法.大學(xué)化學(xué),1996,11(4):21

[7] 馮新,陸小華.化工高等教育,2006,90(4):30

[8] 馮新,宣愛國,周彩榮,等.化工熱力學(xué).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008

[9] Smith J M,Van Ness H C,Abbott M M.Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics.7th ed.New York:The McGraw-Hill Companies,2005

江蘇省精品課程(2008年);國家精品課程(2009年);2007江蘇高等教育教改立項課題重點項目(4-42)

＊＊ 通訊聯(lián)系人,Email:linghonglu@njut.edu.cn