高校應用型轉型下化工熱力學課程的教學實踐

吳方棣，范榮玉

(武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300）

為適應當前經濟和社會發展的要求，地方本科高校需要大力培養高級應用型技術人才；因此，轉型發展是大多數地方新建本科院校適應地方經濟和社會發展的需要[1，2]。武夷學院于2007年升本以來，根據應用型辦學定位，結合地方區域特色，積極培育并初步形成“傳朱子理學，做武夷文章，育新型工科”的辦學特色。對于應用技術型大學，人才培養是目標，課程體系建設則是根本。因此推動課程體系改革將是新建本科院校內涵建設與應用型轉型的核心內容[2]。

化工熱力學是化學工程的重要分支和基礎學科，是化學工程與工藝專業及相關專業的專業基礎課。化工熱力學的原理和知識應用是從事化工過程的研究、開發以及設計等方面工作必不可少的重要理論基礎，是一門理論性與工程應用性均較強的課程。本課程要求學生能掌握流體熱力學性質（如：P、V、T、H 、S 等）意義及計算方法；掌握熱力學定律在化工過程能量計算和過程熱力學分析中的應用；熟悉各種溶液熱力學性質定義、物理意義、計算方法及其相互關系；掌握平衡條件、平衡判據及流體相平衡數據和化學平衡數據計算方法。

然而，化工熱力學邏輯性和理論性強，公式、模型方程多且復雜；導致學生在該課程的學習過程中，多有畏懼心理[3-5]。結合近年的教學經驗，根據化工熱力學的特點，為了提高教學效果，增強學生學習的主動性和積極性，筆者進行了以下的探索和實踐。

1 案例講解促進教學

化工熱力學的理論性較強，單純的講解理論學生往往覺得枯燥且難于接受。因此在教學過程中，通過引入大家日常學習、生活中熟悉的具體事例，來激發學生的學習興趣和加深對概念和理論知識的理解。例如，在講解流體的p、V、T相圖時，以恒壓容器內過冷水的加熱過程來進行說明，在加熱過程中，水的狀態變化依次為：過冷狀態-飽和液體狀態-汽液混合物-飽和蒸汽狀態-過熱蒸汽狀態；再把這個過程描繪在T-V相圖上，學生對該相圖的基本組成，物質狀態的變化規律就能夠更好的理解；進一步可推廣到P-V、P-T相圖的過程。再如在制冷原理的分析講解中，通過以大家熟悉的冰箱、空調為例，來對制冷循環過程進行分析，讓大家對抽象的概念有更形象直觀的理解。在如何理解溶液偏摩爾性質的概念中，以偏摩爾體積為例：在一個無限大的、頸部有刻度的容量瓶中，盛入大量的乙醇水溶液，在乙醇水溶液的T、P和濃度都保持不變下，加入1mol乙醇，充分混合后，量取瓶上的溶液體積的變化，這個變化值即為乙醇在這T、P和濃度下的偏摩爾體積；把這個抽象的概念以大家熟悉的乙醇水溶液來進行講解，讓同學能夠更好的理解這些基本的概念。

2 加強計算機的輔助教學

上文已提及，化工熱力學的公式、模型方程多且復雜；單純的依靠人為的計算工作量大且效率低下。而借助計算機和相應的軟件，可以大大方便我們的計算過程，也有助于把更多的時間和精力投入到具體的過程應用中，提高學生的學習興趣，加強應用能力的培養；這與應用型人才的培養目標是一致的。依托我校的省級虛擬仿真實驗中心，對于化工熱力學計算常用的輔助計算軟件如Aspen Plus、Visual Basic、Matlab等都進行了配備，并開設了相應的課程。在熱力學的各個章節中，都可以借助這些軟件來進行輔助計算。如流體飽和性質的計算、估算，流體P、V、T性質計算等都可以通過Aspen Plus來完成[6,7]；對于活度系數模型（NRTL、Wilson、UNIQUAC 等）參數的計算，可以借助Visual Basic、Matlab等軟件編程來實現。

3 加強思維能力的培養

化工熱力學教學，除了傳授課本知識以外，更重要的任務是培養學生的思維能力，而不是簡單使用公式進行計算的能力[8]。化工熱力學中有很多的公式推導、計算，這要求學生應該要有良好的邏輯推理能力。因此，在課堂的講解過程中，應該注意培養學生的演繹推理能力及數學邏輯；當遇到新的問題時，學生能夠自行的解決，而不是局限于課堂講解的內容。例如在流體熱力學性質的計算中，maxwell關系式（包括第一、第二關系式）是焓、熵等熱力學性質計算關系式推導的基礎，而maxwell關系式是由物理化學中學過的四個熱力學基本關系式（內能、焓、自由能和亥姆霍茲函數）結合數學中的倒易關系得到的；因此，在課堂的講解中，把這些邏輯關系講解清楚，學生在解題和分析問題時，就更能夠理清思路，找準問題的切入點。

歸納總結的能力有助于讓學生把學過的內容進行整理、比較，找出異同點，幫助其記憶和理解，起到事半功倍的效果。在熱力學很多章節的教學過程中，都可以引導學生進行歸納總結。例如，在第四、五、六章中，涉及到很多的效率，系數，在教學過程中，引導學生進行總結，放在一起來比較，如表1所示。機械效率主要體現做功過程的效率，熱效率主要是熱功轉化過程的效率，等熵和熱力學效率主要反映過程的理想性與非理想性的差異程度。通過比較，讓學生加強對做功過程、耗功過程和熱功轉化過程的理解，同時也有助于對不同效率、系數的比較和記憶。

表1 熱力學效率、系數Table 1 Thermodynamic efficiency and coefficients

4 培養學生自主學習能力

課堂學習的時間、學習的內容是有限的，因此應改變傳統灌輸式的學習模式，讓學生學會獨立思考，發揮創造、創新能力，培養學生的自主學習能力[9]。比如在化工過程熱力學分析中，可以讓學生自己選擇一個具體的化工過程，結合課本第四、五、六章節的內容，對過程進行能量分析、熵分析和有效能的分析。在純流體、溶液熱力學性質和汽液平衡的計算中，可以讓學生以小組的形式，針對化工生產過程的實例，對該體系物質進行熱力學性質的計算和相平衡數據的計算，并對該反應過程、分離過程進行設計，設計結果可與實際的生產過程進行比較，以驗證過程的準確性；從而激發學生的求知欲與探索精神；同時也做到學以致用，符合當下我校培養應用型人才的辦學定位。

5 在科研實踐中學習

化工熱力學，除了有較強的理論性外，其對工程應用性的要求也較高。僅僅通過課本理論知識的學習是不夠的，還應通過科研實踐，學以致用，把所學知識應用到具體過程中。例如在畢業設計中，大多涉及到對反應器的選型，反應器的選擇依據參數包括：物質的物性（物質狀態、密度、粘度等）、反應的動力學、熱力學、相平衡數據等，這些數據的獲得就要求同學運用熱力學的知識去估算或測定相應的數據。同時，同學在參與老師的科研項目，如本人的柑青醛和新鈴蘭醛汽液平衡研究中，就要求學生能夠應用活度系數模型去擬合、估算相平衡數據。此外，同學在課外實踐，如：大學生創新性實驗等環節中，經常也需要應用熱力學和動力學的方法來對數據進行分析計算。通過這些實踐環節，來強化對所學知識的掌握，也提高了學生對學習的興趣。

6 結語

化工熱力學是化工專業開設的一門專業基礎課，雖有較強的理論性，但理論學習的最終目的還在于應用。因此，在教學過程中，通過案例教學、計算機輔助教學和科研實踐等環節，在掌握好理論知識的情況下，加強對所學內容的應用，為培養應用型技術人才服務。同時，在教學過程中，加強對學生思維能力和自主學習能力的培養，不僅能為本課程服務，同時也能為其他課程的學習及學生未來的發展產生積極的影響。

[1]劉芳,李全良,王筠,等.高校轉型期化工熱力學課程的教學實踐[J].周口師范學院學報,2016,33(5):102-105.

[2]李寶銀.地方新建本科院校轉型發展的背景與路徑[J].武夷學院學報,2014,33(1):1-4.

[3]童張法,陳小鵬,王琳琳,等.堅持特色教學打造化工熱力學精品課程[J].化工高等教育,2010(6):19-23.

[4]蔡江濤,周安寧,楊志遠,等.《化工熱力學》教學實踐與方法交流[J].廣州化工,2015,43(17):205-207.

[5]楊文,馮艷艷,王桂霞.化工熱力學教學方法的探討[J].梧州學院學報，2016,26(3):83-85.

[6]陳新志,趙倩,錢超.基于Aspen Plus的化工熱力學教學(II)純物質飽和性質計算[J].化工高等教育,2011(6):58-60.

[7]陳新志,張哲明,錢超.用Aspen軟件輔助化工熱力學教學(一)狀態方程計算流體的p-V-T性質[J].教育教學論壇,2016(21):214-216.

[8]王毅.淺論化工熱力學教學中學生思維能力的培養[J].化工高等教育，2015(5):95-99.

[9]徐飛,曹順安.《化工熱力學》課程的教學改革探討[J]．廣州化工,2015,43(23):269-270.