面向工程應用 五位一體打造“化工熱力學”課程

童張法?陳小鵬?梁杰珍?王琳琳?鄒昀?韋小杰

摘 要：提出以“化學工程與工藝專業(yè)實驗+工程實習+科研與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃+工程學科競賽+畢業(yè)設計與論文”為“五位一體”的“化工熱力學”課程工程教學新理念；精心選擇教學與科研相結合的課題，創(chuàng)新“化工熱力學”課程教學內(nèi)容；采用“以應用為中心”和“合作探究式”的特色教學模式，注重培養(yǎng)學生化工熱力學的工程實踐創(chuàng)新能力；完善“化工熱力學”課程工程創(chuàng)新教育措施，形成系統(tǒng)性、先進性和科學性的新課程體系。“化工熱力學”課程經(jīng)過面向工程應用的“五位一體”的教學改革，實現(xiàn)了“教學出題目、科研做文章、成果進課堂”的目標。

關鍵詞：化工熱力學；化工專業(yè)；課程建設；工程應用；五位一體

“化工熱力學”是化工類專業(yè)主干專業(yè)基礎必修課，是將熱力學原理運用于化學工程領域，既解決化學問題又解決工程問題，是化學工程領域重要專業(yè)理論基礎課程。而且化工熱力學與化學反應工程、化工分離工程以及化工設計緊密相關聯(lián)，是化工過程研究與開發(fā)的理論基礎，對于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的工程素養(yǎng)是必不可少的課程[1]。化工熱力學課程設置的初衷是通過該課程的學習，使學生逐步樹立工程觀點，并能應用化工熱力學的理論解決化學工程中的實際工程問題。但是多年以來，該課程向來是以抽象的理論、煩瑣的計算為特點，學生形容該課程是“一大堆的數(shù)學符號，沒完沒了的數(shù)據(jù)，無窮無盡的計算”，是一門既難學又難教而又非常重要的專業(yè)基礎理論課程[2]。因此，如何回歸“化工熱力學”課程“面向工程應用”的初心，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力[3，4]，是本課程建設必須解決的核心問題和實施教學改革的背景。為此，本教學團隊精心設計了以“化學工程與工藝專業(yè)實驗+工程實習+科研與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃+工程學科競賽+畢業(yè)設計與論文”為“五位一體”的“化工熱力學”課程創(chuàng)新建設方案，在“化工熱力學”教學與研究發(fā)展方面取得了顯著的成果。

一、改革目標與思路

1.改革目標

由于“化工熱力學”課程教學難度大、作業(yè)多，又和科研與技術開發(fā)關聯(lián)少[5]，是一門吃力不討好的課程，所以許多高校“化工熱力學”課程的主講教師都不愿意承擔該課程的講授，致使主講“化工熱力學”課程的教師極少甚至青黃不接，連正常開課都有困難。

針對“化工熱力學”課程理論性強、概念多、公式多、內(nèi)容抽象、教學內(nèi)容枯燥無味，學生不愿學，教師不愿教的現(xiàn)狀，回歸“化工熱力學”課程“面向工程應用”的初心，打破“化工熱力學”課程教學“從書本到書本、從課堂到課堂”的傳統(tǒng)教學模式，采用理論聯(lián)系實踐方式將“化工熱力學”建設成為具有新體系、厚基礎、新手段、重工程、促自學、引思考的化學工程與工藝專業(yè)工程素養(yǎng)培育的理論基礎課程，把化工熱力學領域的科學研究與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練相結合，提升學生和任課教師“學”與“教”的主動性和積極性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維方法和工程創(chuàng)新研究與產(chǎn)品研發(fā)的工程應用能力。正如2016年9月21日教育部陳寶生部長在廣西大學調研時指出的那樣，實現(xiàn)“教學出題目，科研做文章，成果進課堂”的目標，并采用“合作探究式”的雙語教學模式，培養(yǎng)學生既有前瞻性的學術觀點，又有前沿化工熱力學知識的交流能力。

2.改革思路

根據(jù)上述背景和現(xiàn)狀，本教學團隊針對“化工熱力學”課程的教學理念、模式和內(nèi)容進行改革與實踐，面向工程應用和卓越工程師人才培養(yǎng)，把“化工熱力學”課程貫穿于“化學工程與工藝專業(yè)實驗+工程實習+科研與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃+工程學科競賽+畢業(yè)設計與論文”等五項工程教學環(huán)節(jié)中，創(chuàng)立“五位一體”打造“化工熱力學”課程的工程素養(yǎng)培育教學體系。其中核心的改革思路是“化工熱力學課程內(nèi)容+科研+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”模塊。著名教育專家潘懋元提出，高等學校科研選題的特殊原則是——選題必須考慮到有利于人才培養(yǎng)和學科的發(fā)展[6]。因此需要根據(jù)“化工熱力學”課程內(nèi)容選擇適合的科研課題，將研究成果引入“化工熱力學”課程教學中[7]，并指導學生開展“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”活動。而且，依據(jù)化學工程與工藝專業(yè)本科生的專業(yè)外語學習不斷線的思路，編寫了Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics（《化工熱力學導論》）雙語課教材和開設雙語課程[8]，為學生掌握最新的化學工程發(fā)展動態(tài)和提高國際交流能力打下堅實基礎。

二、“化工熱力學”課程改革探索與實踐

1.理論研究成果

（1）運用整體性與相互聯(lián)系性的哲學原

理，建立“五位一體”的“化工熱力學”課程工程教學新理念化工過程的整體模式（如圖1所示）。

由圖1可見，化工過程是一個緊密關聯(lián)的有機整體，而“化工熱力學”課程則是各個關鍵節(jié)點的基礎理論知識，因此“化工熱力學”課程教學必須貫穿化工過程的各節(jié)點以及各節(jié)點的關聯(lián)中，實現(xiàn)“化工熱力學”課程的工程創(chuàng)新教學與化工過程工程實踐的整體融合。為此本教學團隊建立了以“化學工程與工藝專業(yè)實驗+工程實習+科研與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃+工程學科競賽+畢業(yè)論文與設計”為“五位一體”面向工程應用的“化工熱力學”課程教學改革新理念。“五位一體”教學方案如圖2所示。

（2）精心選擇教學與科研相結合的課題，創(chuàng)新“化工熱力學”課程教學內(nèi)容。根據(jù)“化工熱力學”課程的教學內(nèi)容：超臨界流體現(xiàn)象與特性、流體熱力學性質、多組分流體的氣液及固液相平衡以及界面吸附熱力學等內(nèi)容[9]，精心選擇教學內(nèi)容與科研相結合的課題。自2009年以來，本教學團隊成功申報化工熱力學學科的國家自然科學基金項目8項，并指導學生成功申報有關化工熱力學研究內(nèi)容的國家級“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”項目6項。通過參與科研項目訓練，啟迪了學生化工熱力學的工程創(chuàng)新智慧。

（3）采用“以應用為中心”的特色教學模

式，注重培養(yǎng)學生化工熱力學的工程實踐創(chuàng)新能力。采用“以應用為中心”的教學模式，立足區(qū)域資源特色與優(yōu)勢，培養(yǎng)學生開發(fā)本地資源的化工熱力學工程思維方法與實踐能力。“化工熱力學”課程歷來是化工學科教學的難點，許多學生感嘆這是一門既難學又沒有實際用途的理論課程。為此本課程緊密結合亞熱帶生物質資源開發(fā)利用和保護的相平衡、化學平衡和節(jié)能減排等問題，開展教學改革和科學研究，利用“以應用為中心”的教學模式，把課程的難點放到“解決問題”中去討論，變枯燥乏味的教學內(nèi)容成為培養(yǎng)學生開發(fā)利用廣西資源的思維方法和實踐能力，從而增強學生為家鄉(xiāng)經(jīng)濟建設服務的信心，激發(fā)學生努力掌握化工熱力學知識和方法的熱情。

（4）完善“化工熱力學”課程工程創(chuàng)新教育措施，形成系統(tǒng)性、先進性和科學性的新課程體系。化工熱力學課程內(nèi)容的重點是闡明基本原理，向學生介紹化工熱力學中的最基本概念、原理和研究方法，難點是掌握化工熱力學的抽象理論和工程思維方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程問題的實際能力。在學時數(shù)被壓縮的情況下，對教學內(nèi)容進行優(yōu)化和整合，關注本學科最新發(fā)展動向的前沿知識；引進工程實踐環(huán)節(jié)如課程實驗、教師科研、工程實習、工程學科競賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃的相關內(nèi)容，形成系統(tǒng)性、先進性和科學性的工程應用課程內(nèi)容體系。妥善處理更新內(nèi)容和基礎內(nèi)容之間的關系，體現(xiàn)教學改革內(nèi)容的優(yōu)化整合，結合本地資源開發(fā)中的化工熱力學問題，將教師科研項目的相關研究成果與心得引入課堂，改革以往理論課“從理論到理論”的講授模式，在使用實例分析講解課程原理和方法的同時，培養(yǎng)學生學以致用的實際工程應用能力。

2.改革實踐成果

（1）回歸“化工熱力學”課程面向工程應用的“初心”，實施“五位一體”的教學改革。“化工熱力學”課程設置的“初心”是通過該課程的學習，使學生逐步樹立工程觀，并能應用化工熱力學的理論解決化學工程中的實際工程問題。本教學團隊打破“化工熱力學”課程教學“從書本到書本、從課堂到課堂”的傳統(tǒng)教學模式，采用“從書本知識到工程實踐應用、從課堂到企業(yè)工程實習”的課內(nèi)課外相結合教學模式，回歸“化工熱力學”課程面向工程應用的“初心”，實施由“化學工程與工藝專業(yè)實驗+工程實習+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃+工程學科競賽+畢業(yè)論文與設計”組成“五位一體”的“化工熱力學”課程教學改革方案。在“五位一體”理論研究成果的指導下，“化工熱力學”課程取得了一系列改革實踐成果。

（2）科研與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，創(chuàng)建大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練平臺。2004年廣西大學為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，啟動了“大學生創(chuàng)新性實驗訓練計劃”項目，一般是由大二、大三的學生申報，該時間節(jié)點的學生正處于“化工熱力學”課程的開課時段。為此結合“化工熱力學”課程的教學內(nèi)容，指導學生參加“大學生創(chuàng)新性實驗訓練計劃”，共獲批化工熱力學方面的國家級、自治區(qū)級和校級“大學生創(chuàng)新性實驗訓練計劃”項目28項，學生與導師共同署名在學術刊物Industrial Crops and Products、Chinese Journal of Chemical Engineering和《高校化學工程學報》等雜志發(fā)表有關化工熱力學方面學術論文58篇，其中SCI和EI收錄31篇。科研與“化工熱力學”課程教學內(nèi)容相結合的研究與實踐效果如圖3所示。所取得的改革成果正如教育部陳寶生部長在廣西大學調研時指出的那樣：教學出題目，科研做文章，成果進課堂。

（3）工程實驗與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，精細設計工程實驗教學內(nèi)容。緊緊圍繞著產(chǎn)品工程的模式（產(chǎn)品功能結構設計+原料 →化學反應 → 化工分離 → 產(chǎn)品+過程設計+商業(yè)計劃）來重組、優(yōu)化化學工程與工藝專業(yè)實驗項目，使實驗教學內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，形成一個整體，全部實驗項目組合在一起則是一個完整的產(chǎn)品開發(fā)過程[10，11]。在整個化工產(chǎn)品開發(fā)過程中，涉及“化工熱力學”課程的教學內(nèi)容有：流體P-V-T關系和超臨界現(xiàn)象、流體熱力學性質、流體相平衡和界面吸附熱力學等。為此，以廣西特色優(yōu)勢資源為原料，開設了如下“化工熱力學”課程專業(yè)實驗[12]：CO2超臨界現(xiàn)象觀測及P-V-T關系測定實驗，松節(jié)油體系的氣液相平衡數(shù)據(jù)測定，松香樹脂酸固-液相平衡實驗測定[13]，超臨界流體反應合成生物柴油實驗[14]，石蠟產(chǎn)品固液溶解度的測定實驗，等等。通過上述有關化工熱力學方面的實驗教學，從而鞏固了學生“化工熱力學”課程的知識，啟迪了學生應用“化工熱力學”課程內(nèi)容進行產(chǎn)品工程開發(fā)的智慧，并把上述有關化工熱力學的實驗教學內(nèi)容編入教材《新編化學工程與工藝專業(yè)實驗》。

（4）工程實習與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，采用“學生+師傅+工程技術人員+指導教師”的工程創(chuàng)新實習模式。在工程實習中，應用“化工熱力學”課程的知識，共同探討典型生產(chǎn)案例的工程問題解決方法[15，16]。比如本科生到松脂蒸餾制造松香和松節(jié)油生產(chǎn)車間實習，該車間采用過熱水蒸氣作為活氣以降低蒸餾過程的相平衡分壓，從而降低蒸餾過程的溫度，避免松香在高溫下發(fā)生脫羧副反應。這就是典型的應用化工熱力學原理解決松香和松節(jié)油的生產(chǎn)問題，即流體P-V-T關系中的道爾頓分壓定律以及流體相平衡中泡露點與壓力的關系。由于松脂蒸餾采用溫度為350 ℃的過熱水蒸氣作為蒸餾活氣，水在蒸餾過程中發(fā)生了蒸發(fā)與冷凝兩次相變化，導致松脂蒸餾過程浪費了75%的相變潛熱，而且松香樹脂酸的羧基是親水基團，導致松香夾帶微量水分而引起結晶現(xiàn)象成為不合格產(chǎn)品；同時排放過熱水蒸氣活氣冷凝水又夾帶微量油分，既造成松節(jié)油的損失又污染了環(huán)境。如何解決上述生產(chǎn)難題呢？在實習過程中，組織“學生+師傅+工程技術人員+指導教師”進行合作研究性學習討論，應用學過的 化工熱力學知識探討如何降低松脂蒸餾過程的能量消耗問題。從化工熱力學的知識可知，物質的相變熱（潛熱）遠遠大于比熱（顯熱），因而松脂蒸餾過程選擇不發(fā)生相變的氣體——N2或CO2作為蒸餾活氣，松脂蒸餾的節(jié)能降耗和松香產(chǎn)品夾帶水分問題則迎刃而解。有關“N2或CO2循環(huán)活氣法蒸餾松脂的節(jié)能減排生產(chǎn)過程開發(fā)”正是廣西大學與松脂廠合作承擔的一項“廣西科技攻關項目”，是一項緊密結合“化工熱力學”課程內(nèi)容的工程創(chuàng)新項目。因此，工程實習與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，促進學生書本知識向實踐能力的轉化，培養(yǎng)了學生分析和解決生產(chǎn)實際問題的工程創(chuàng)新能力。

（5）工程學科競賽與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，創(chuàng)建豐富多彩的課外工程實踐教育平臺。通過工程學科競賽與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，把化工設計競賽中的熱量平衡、相平衡和化學平衡轉換應用Aspen軟件計算，在化工設計實踐教學中，對學生進行專業(yè)設計思路、設計方法、設計能力、分析能力、繪圖能力、表達能力和團隊精神等的全面訓練。

（6）畢業(yè)環(huán)節(jié)教學與“化工熱力學”課程內(nèi)容相結合，培育高水平的畢業(yè)論文、設計作品。

（7）以“工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練+工程學科競賽+工程實驗+工程實習”為主題，舉辦化工熱力學本科生學術研討會。

參考文獻：

[1] 閆新龍，孟獻梁，武建軍，等. 基于卓越工程師培養(yǎng)的化工熱力學教學改革研究與探討[J]. 化工高等教育，2015，135（6）：16-19.

[2] 江振西，任保增，湯健偉，等. 化工熱力學雙語教學探討和實踐[J]. 化工高等教育，2015，135（4）：29-33.

[3] 鮑崇高，張健，趙欣，等. 改革課堂教學模式 提升基礎課程教學質量[J]. 中國大學教學，2017（3）：59-62.

[4] 孫康寧，李愛民，張景德，等. 大學生實踐、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)一體化訓練模式與能力疊加效應探究[J]. 中國大學教學，2017（3）：74-79.

[5] 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，2010，130（6）：19-23.

[6] 潘懋元，吳麗卿，黃錦漢. 新編高等教育[M]. 北京：北京師范大學出版社. 1996：537，548.

[7] 陳小鵬，王琳琳，韋小杰，等. 把科研引入實驗教學 培養(yǎng)學生開發(fā)能力[J]. 實驗室研究與探索，2008，27（6）：108-111.

[8] 鄒昀，童張法，潘遠鳳，等. 化工熱力學課程的雙語教學改革探索[J]. 化工高等教育，2013，133（5）：25-29.

[9] 蘇鐵健，王琳. 有關熱力學特性函數(shù)與判據(jù)的教學探討[J]. 化工高等教育，2016，135（3）：100-102.

[10] 梁杰珍，陳小鵬，王琳琳，等. “化學工程與工藝專業(yè)實驗”課程教學創(chuàng)新體系建設與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2014（2）：166-169.

[11] 王琳琳，陳小鵬，梁杰珍，等. 改革地方院校課程教學模式和內(nèi)容，培養(yǎng)學生工程與創(chuàng)新能力 [J]. 實驗技術與管理，2012，29（8）：10-14.

[12] 王琳琳，陳小鵬，韋小杰，等. 實驗教學與課堂教學相結合培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力[J]. 實驗室研究與探索，2007，26（9）：75-77.

[13] 韋小杰，陳小鵬，王琳琳，等. 固液溶解度實驗裝置的改進與應用[J]. 實驗室研究與探索，2010，29（6）：9-11.

[14] 梁杰珍，陳小鵬，王琳琳，等. 超臨界甲醇與松脂反應制備生物柴油實驗[J]. 實驗室研究與探索，2012，31（2）：4-7.

[15] 童張法，粟海鋒，文衍宣，等. 強化工程實踐的化工類應用型人才培養(yǎng)探索[J]. 化工高等教育，2008，25（6）：43-46.

[16] 周龍昌，陳小鵬，王琳琳，等. 精心設計實習內(nèi)容 提高認識實習教學質量[J]. 實驗室研究與探索，2008，27（4）：113-115.

[責任編輯：余大品]