實(shí)例教學(xué)在《化工熱力學(xué)》課程中的應(yīng)用

田會(huì)娟

(唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

實(shí)例教學(xué)在《化工熱力學(xué)》課程中的應(yīng)用

田會(huì)娟

(唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

化工熱力學(xué)作為化工本科生的專業(yè)核心課程，存在抽象概念多，公式繁瑣等問題，針對(duì)這些問題提出了以學(xué)生為中心的實(shí)例教學(xué)。在教學(xué)過程中引入生活、工程和科研等熱力學(xué)相關(guān)實(shí)例，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

化工熱力學(xué)；實(shí)例教學(xué)；教學(xué)質(zhì)量；學(xué)習(xí)興趣；應(yīng)用能力；思維方式

化工熱力學(xué)是國(guó)內(nèi)外化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程[1-2]，是化工原理、分離工程、化學(xué)反應(yīng)工程等課程的基礎(chǔ)，是化學(xué)工程專業(yè)的基石，但是該課程概念多且抽象，公式繁瑣且枯燥，是公認(rèn)的難教和難學(xué)的課程[3]。在有限的時(shí)間里，使學(xué)生掌握到化工熱力學(xué)的原理、概念、公式及方法，并能熟練應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，是化工熱力學(xué)的教學(xué)目的。化工熱力學(xué)教學(xué)改革的措施多種多樣，都取得了一定的效果。天津大學(xué)《化工熱力學(xué)》教學(xué)組提出了“以應(yīng)用為中心”的教學(xué)法[4]，該教學(xué)方法在可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，又可以使學(xué)生對(duì)基本理論有更加深入的理解。揚(yáng)州大學(xué)的張存等[5]認(rèn)為教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)和突出化工熱力學(xué)在課程內(nèi)容、課程體系、課程目標(biāo)三個(gè)層面上的橋梁作用， 引導(dǎo)學(xué)生掌握本課程的基本原理和應(yīng)用方法，學(xué)會(huì)將熱力學(xué)原理和模型應(yīng)用到具體實(shí)踐中，進(jìn)而能夠運(yùn)用化工熱力學(xué)的理論知識(shí)分析、解決化工生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中有關(guān)實(shí)際問題。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)張軍等[6]在熱力學(xué)教學(xué)中引入有突出代表性的實(shí)例，使學(xué)生的知識(shí)面得到了極大的拓寬，上課的積極性與認(rèn)真程度得到了明顯提高。南京工業(yè)大學(xué)的馮新等[7]認(rèn)為教學(xué)過程中引入“從生活中來到生產(chǎn)中去”與熱力學(xué)原理密切相關(guān)的實(shí)例，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，使他們體會(huì)到化工熱力學(xué)的魅力。筆者通過親身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并參考國(guó)內(nèi)外同行的研究成果，認(rèn)為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的地方本科院校應(yīng)的化工熱力學(xué)課程教學(xué)改革應(yīng)以學(xué)生為中心，通過引入與化工熱力學(xué)密切相關(guān)的生活、科研和生產(chǎn)中的實(shí)例，將復(fù)雜的公式和抽象的理論與應(yīng)用實(shí)例聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到化工熱力學(xué)的重要和巧妙。

1 引入生活實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

日常生活中，可以遇到許多與熱力學(xué)相關(guān)的知識(shí)，從與衣食住行等日常生活息息相關(guān)的實(shí)例中提出問題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在“制冷循環(huán)”章節(jié)，要講授蒸汽壓縮這冷循環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、熱管等制冷循環(huán)方式。講授蒸汽壓縮制冷循環(huán)之前，首先引入同學(xué)們?cè)谏钪谐Ｒ姾统Ｓ玫目照{(diào)和冰箱，二者采用的都是空氣壓縮制冷循環(huán)。請(qǐng)同學(xué)們思考：“冰箱的工作原理與空調(diào)是否相同？夏天打開冰箱門是否能當(dāng)空調(diào)？空調(diào)為什么夏天降低房間溫度而冬天提高房間溫度？”同學(xué)們經(jīng)過思考和討論之后，結(jié)合前面章節(jié)講過的 “熱力學(xué)圖表”和“熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用”，講授蒸汽壓縮制冷的工作原理，空調(diào)與冰箱的工作原理相似，但是電冰箱放出的熱是在室內(nèi)，而空調(diào)器則將熱量排出室外，因此空調(diào)器能夠使室內(nèi)降溫，而冰箱則不行。這樣不僅可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以加深對(duì)基本原理、圖表和公式的理解。

講授“熱管”時(shí)，讓同學(xué)們意識(shí)到日常生活中筆記本電腦的散熱和青藏高原鐵路凍土路基穩(wěn)定等問題都采用了“熱管”技術(shù)。筆記本電腦的熱管中裝有液體，在蒸發(fā)段利用蒸發(fā)吸熱原理使液體變?yōu)檎羝褵崃恳谱撸瑹峁艿牧硪欢藶槔淠危捎蔑L(fēng)扇及散熱片把熱量吹到外面，當(dāng)蒸汽熱量被吹走后，又會(huì)冷凝為液體，在吸液芯毛細(xì)抽吸力作用下回到蒸發(fā)段，周而復(fù)始完成散熱的作用[8]。青藏鐵路建設(shè)中最難解決的問題就是多年凍土[9]，將低溫?zé)峁馨惭b在凍土地區(qū)，置于凍土中的部分為蒸發(fā)器，暴露在地面且安裝有散熱片的部分為冷凝器。在寒冷的季節(jié)，空氣溫度低于凍土的溫度，即冷凝器溫度低于蒸發(fā)器的溫度時(shí)，蒸發(fā)器中的液體吸收周圍凍土中的熱量，蒸汽上升至冷凝段，與較冷的冷凝器管壁接觸，放出汽化潛熱，再通過冷凝器的散熱片將熱量傳遞到空氣中。同時(shí)蒸汽冷凝成液體，在重力的作用下沿管壁回流至蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復(fù)，將土體中的熱量傳遞至空氣中。在溫暖季節(jié)，由于空氣溫度高于凍土體溫度，熱管中的液體蒸發(fā)后形成的蒸汽到達(dá)冷凝器后不能冷凝，液體停止蒸發(fā)，熱管停止工作，因此空氣中的熱量不能通過熱管傳至凍土中，從而可保持凍土良好的凍結(jié)狀態(tài)。

2 引入工程實(shí)例，提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力

對(duì)于應(yīng)用型本科院校，化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生本科畢業(yè)后大部分化工相關(guān)的單位，在化工熱力學(xué)課程中引入工程實(shí)例，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。化工熱力學(xué)的根本任務(wù)是利用熱力學(xué)兩大定律給出物質(zhì)和能量的利用極限，降低生產(chǎn)消耗，節(jié)約能源。在講授“化工能量分析”章節(jié)時(shí)，給出節(jié)能減排的工程實(shí)例。例如：上海市氯堿化工公司華勝?gòu)S蒸汽減壓系統(tǒng)合同能源管理項(xiàng)目，針對(duì)蒸汽減壓系統(tǒng)中存在的問題，實(shí)施節(jié)能改造的方案。項(xiàng)目于2009 年4月建設(shè)實(shí)施，通過半年的實(shí)際運(yùn)行，使氯堿化工公司華勝?gòu)S的節(jié)能項(xiàng)目取得了顯著的節(jié)能效果，年節(jié)能量達(dá)12796.02t 蒸汽，折合標(biāo)煤1645.6t，年平均節(jié)能收益65.1 萬元，6 年收回投資[10]。

“相平衡”章節(jié)中，對(duì)于二元?dú)庖浩胶庀鄨D存在逆向冷凝和逆向蒸發(fā)，是烴類混合物在特定壓力、溫度和組成下所產(chǎn)生的一類特殊相平衡現(xiàn)象，在石油開采中利用逆向現(xiàn)象可以優(yōu)化生產(chǎn)。地底層溫度為100℃，壓力達(dá)到幾十MPa。溫度變化不大，壓力常起決定因素。原油開采過程，可看作等溫減壓過程。為了單位時(shí)間油品的產(chǎn)量最大，油品以液相采出最為經(jīng)濟(jì)。在上圖的G→M線上，J點(diǎn)的液相量最大。因此控制出口壓力為J點(diǎn)壓力，可保證生產(chǎn)量最大。實(shí)際生產(chǎn)中，老油井往往采用往井中注水的辦法，使其處于逆向凝聚區(qū)，提高油產(chǎn)量[9]。

圖1 逆向冷凝和逆向蒸發(fā)示意圖[11]

3 引入科研實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式

對(duì)于注重應(yīng)用的地方本科院校，雖然化工專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后大部分要去與化工相關(guān)的單位工作，但是本科院校培養(yǎng)的并不是技術(shù)工，而是具有科學(xué)研究精神的工程師。此外，也有部分學(xué)生選擇考取研究生進(jìn)行繼續(xù)深造。因此，《化工熱力學(xué)》課程還需要適當(dāng)?shù)囊肭把氐目蒲袑?shí)例，刺激學(xué)生思考、探索和研究。

在講授“流體的p-V-T關(guān)系”同時(shí)，除了引入生活實(shí)例以外，還應(yīng)當(dāng)介紹前沿課題“超臨界萃取技術(shù)”。超臨界流體萃取技術(shù)是一種新型高效的分離技術(shù)，具有萃取能力強(qiáng)、有效成分不被破壞、無溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、煙草等行業(yè)。例如：從茶葉中提取茶多酚[12]。茶葉是我國(guó)豐富的天然植物資源，富含具有保健藥效功能的茶多酚。茶多酚的提取的傳統(tǒng)方法包括：溶劑提取法、金屬離子沉淀法、超聲波浸提法等。超臨界萃取法工藝過程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，所采用的溶劑為二氧化碳，無毒無污染。講完實(shí)例之后，讓學(xué)生在圖書館查閱關(guān)于超臨界流體的相關(guān)知識(shí)，討論對(duì)超臨界流體的特點(diǎn)、原理、工藝和應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。對(duì)一部分學(xué)生可進(jìn)行更深層層次的引導(dǎo)，指導(dǎo)他們參加大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。這樣不僅讓學(xué)生覺得學(xué)有所用，還能提高學(xué)生的查閱資料、總結(jié)力、實(shí)驗(yàn)等能力，為學(xué)生今后的工作或考研深造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

總之，通過在化工熱力學(xué)講授過程中，引入與日常生活相關(guān)的實(shí)例，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；引入熱力學(xué)相關(guān)的工程實(shí)例，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能減排意識(shí)；引入前沿的科研課題，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，提高學(xué)生的查閱資料、總結(jié)力、實(shí)驗(yàn)等能力，為學(xué)生今后的工作或考研深造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1] 常賀英,馬沛生.論化工熱力學(xué)在化工類課程體系中的核心作用[J].化工高等教育,2005,22(4):28-30.

[2] 劉金強(qiáng),鄧冬生.提高化工熱力學(xué)緒論課教學(xué)質(zhì)量的實(shí)踐[J].山東化工,2012,41(8):100-102.

[3] 馮 新,陸小華.以學(xué)生為本的化工熱力學(xué)課程教學(xué)改革[J].化工高等教育,2006,23(4):30-34.

[4] 夏淑倩,馬沛生,陳明鳴,等.讓應(yīng)用實(shí)例使《化工熱力學(xué)》教學(xué)更加生動(dòng)[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2005,22(S1):98-99.

[5] 張 存.由教學(xué)實(shí)踐充分認(rèn)識(shí)化工熱力學(xué)的橋梁作用[J].化工高等教育,2011,28(3):67-70.

[6] 張 軍,謝 松,張子偉,等.案例教學(xué)在化工熱力學(xué)中的應(yīng)用[J].新課程研究(中旬刊),2012(8):63-64.

[7] 馮 新,陸小華,吉遠(yuǎn)輝,等.化工熱力學(xué)中從生活中來到生產(chǎn)中去的實(shí)例[J].化工高等教育,2009,26(1):42-45,66.

[8] 梁 浩,劉惠茹,王春花.《化工熱力學(xué)》教學(xué)實(shí)踐與嘗試[J].廣東化工,2010,37(1):157,174.

[9] 馮 新,宣愛國(guó),周彩榮,等.化工熱力學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[10] 曹莉萍,魏玉劍,王立貴,等.合同能源管理模式的應(yīng)用及利益相關(guān)者分析—以氯堿化工公司華勝?gòu)S蒸汽減壓系統(tǒng)節(jié)能改造項(xiàng)目為例[J].上海節(jié)能,2012(1):11-15.

[11] 羅明輝,陸恩錫.逆向冷凝和逆向氣化[J].化學(xué)工程,2010,38(6):99-102.

[12] 王朝瑾,馬紅青,陳溫嫻.超臨界萃取茶葉中茶多酚的提取與應(yīng)用[J].分析科學(xué)學(xué)報(bào),2009,25(3):281-284.

(本文文獻(xiàn)格式：田會(huì)娟.實(shí)例教學(xué)在《化工熱力學(xué)》課程中的應(yīng)用[J].山東化工,2017,46(11):164-165.)

Application of Example Teaching in Chemical Engineering Thermodynamics

TianHuijuan

(Department of Environmental and Chemical Engineering,Tangshan University,Tangshan 063000,China)

As a core course for undergraduates of chemical engineering, chemical engineering thermodynamics has many problems, such as many abstract concepts and complicated formulas. In response to these questions,an example teaching with students as the center is put forward. The introduction of examples about life, engineering and scientific research in the process of teaching can stimulate students' learning interest,improve students' practical ability and cultivate students' scientific thinking. It can achieve the goal of the improving teaching quality and cultivating applied talents.

chemical engineering thermodynamics; example teaching; teaching quality; learning interest; application ability; thinking mode

2017-05-13

田會(huì)娟(1982—)，女，河北人，講師，博士，從事化工材料相關(guān)的科研和教學(xué)研究。

G642

B

1008-021X(2017)11-0164-02