工程教育專業認證背景下的“化工熱力學”教學改革

韓效釗，張 旭，王百年，劉昆，楊?？?，陳敏

（合肥工業大學化學與化工學院，安徽合肥230009）

工程教育認證是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。教育部高等教育教學評估中心主任吳巖認為：2016年6月2日，在吉隆坡召開的國際工程聯盟大會上，中國成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的正式會員。這是我國高等教育發展的一個里程碑，意味著英美等發達國家認可了我國工程教育質量，我們開始從國際高等教育發展趨勢的跟隨者向領跑者轉變。我國于2005年開始建設工程教育認證體系，并逐步在各工程專業開展認證工作，自此，各工科院校都非常重視工程教育工作，并積極推行教育教學改革，申請工程教育認證。合肥工業大學化學工程與工藝專業2012年1月首次通過國家工程教育專業認證，有效期6年；2017年11月第2 次接受了國家工程教育專業認證。在專業建設過程中，為了更好地支持“化學工程與工藝專業”畢業要求達成度，作為必修的專業基礎課程的“化工熱力學”進行了相應的教學改革和實踐。

1 明確對應的畢業要求和課程目標

中國工程教育專業認證協會工程教育認證標準（2015 版）指出：畢業要求是對學生畢業時應該掌握的知識和能力的具體描述，包括學生通過本專業學習所掌握的知識、技能和素養；同時明確規定普通高等學校本科專業必須有明確、公開的畢業要求,而且畢業要求應完全覆蓋工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理和終身學習12 條素質要求；此外，還明確指出，課程設置要能支持畢業要求的達成?！盎崃W”課程所對應的工程認證畢業要求主要有兩點：①工程知識，即對化工生產過程或設備進行設計計算，能運用專業知識，對典型化工工程問題進行分析；②問題分析，即能識別典型化工生產過程中存在的問題，能運用化學工程與工藝基本原理，尋求多種解決問題的方案[1]。為了保證課程教學能夠支持這兩點要求，我們在“化工熱力學”課程教學過程中設置了3個課程目標：①知識目標：掌握純物質和混合物的p—V—T 關系，H、S、G 等熱力學函數的計算方法，化工過程能量分析理論，相平衡原理等；②能力目標：運用熱力學原理對化工過程中各設備所消耗的能量進行分析和計算，以確定能量消耗的數量、分布及原因，為改進生產工藝、確保能量的合理利用提供理論依據；掌握測量、關聯與推算不同條件下物質的平衡性質，確定相平衡條件，計算平衡各相的組成，為蒸餾、吸收、萃取、無機鹽分離、海湖井礦鹽的開發等化工過程提供必要的平衡數據[1]；③素質目標：能夠綜合運用“化工熱力學”基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析化工工程問題，以獲得有效結論。

2 完善課程內容

我國石化和化學工業發展規劃（2016-2020年）明確堅持綠色發展原則，加大節能減排力度，提高資源能源利用效率?！盎崃W”的根本任務就是利用熱力學第一、第二定律給出物質和能量的最大利用極限，降低能耗和物耗，減少廢棄物產生量，提高資源和能源利用效率。2014年10月教育部化工類專業教學指導委員會起草了“化工類專業本科教學質量國家標準”，把“化工熱力學”定位為“化學工程與工藝專業”學科基礎知識中化學工程與技術類知識的核心課程，并明確規定其內容包括：流體的p-V-T 關系、純流體的熱力學性質、流體混合物的熱力學性質、相平衡、化工過程的能量分析、蒸汽動力循環與制冷循環。1992年，我校選用了全國高?；すに囶悓I教學指導委員會教材工作會議確定編寫的教材——陳忠秀、顧飛燕編著的“化工熱力學”。目前，我校采用的教材是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材——陳鐘秀、顧飛燕、胡望明編著的“化工熱力學”（第三版），并針對我校學生主要就業領域需求，在第五章“相平衡”中補充了“水鹽體系相圖及其應用”，介紹“三元體系表示法”“三元水鹽體系相圖”知識點和“NaCl-KCl-H2O、KCl-MgCl2-H2O 三元體系相圖”案例；在第六章“化工過程的能量分析”中補充了“氣體的壓縮功”,介紹“等溫壓縮”“絕熱壓縮”“多變壓縮”“多級多變壓縮”知識點和“合成氨工藝氣體壓縮過程”案例，以滿足石油化工和煤化工等行業對氣體壓縮知識的需求和無機鹽、化肥、海湖井礦鹽的開發、非金屬礦深加工等領域對水鹽體系相圖知識的需求。

本課程實驗教學過去開設有“二氧化碳臨界狀態觀測及p-V-T 關系測定”“汽- 液平衡數據測定”和“三元水鹽體系相平衡測定”；現增設了“蒸汽壓縮制冷”實驗，通過實際測定和操作制冷壓縮機的運行，分析壓縮機性能及制冷效果的影響因素，使學生在實踐中加深對熱力學基礎理論p-V-T 關系的理解，同時也能通過“相平衡”和“制冷循環”的實驗操作和數據分析，培養化工過程節能減排、提供資源和能源利用效率的意識和能力。

3 教學方法改進

“化工熱力學”教學是“教師的教”和“學生的學”所組成的培養學生以熱力學基本定律為基礎，研究化工過程中各種能量的相互轉換及其有效利用的規律，研究物質狀態變化與物質性質之間的關系以及達到平衡的理論極限與條件的人才培養活動?！盎崃W”的教學方法自然包括教師教的方法（講授法）和學生學的方法（學習方法）兩個方面。要想更好地實現“化工熱力學”三個課程目標和支持“化學工程與工藝專業”兩點畢業要求的達成，化工熱力學教學方法必須遵守“以學生為主體，以教師為主導”的教學原則。

3.1 講授法教學

講授法教學作為一個古老而傳統的教學方法，一直在課堂中普遍采用。我?！盎崃W”共56 學時，其中40 學時以“講授法教學”為主，在講授過程中注意“趣味性”和“啟發性”，例如：從血液中氧分壓和氧含量之間的熱力學關系討論大家都感受過或知道的“高山反應”，啟發學生自己計算“高山反應”與海拔高度的關系。教師的講授能使化工熱力學抽象的概念、繁而復雜的公式變成具體形象、淺顯通俗的知識點，減少學生在認知過程中許多不必要的曲折和困難，大幅度提高課堂教學的效果和效率。

3.2 案例法教學

案例法教學也稱“案例教學法”，起源于1920年，由美國哈佛商學院（Harvard Business School）所倡導，當時是采取一種很獨特的案例形式的教學，這些案例都是來自于商業管理的真實情境或事件，透過此種方式，有助于培養和發展學生主動參與課堂討論，實施之后，頗具績效。1990年以后，我國教育界也開始探究案例教學法?！盎崃W”案例法教學就是將實際工程或者虛擬工程案例引入課堂，結合案例討論化工熱力學原理在化工工程中的應用。我校“化工熱力學”案例法教學安排10 學時，按照案例知識點的內容，在講授法教學過程之中實施。主要案例有：①依據物質的正常沸點、臨界性質和p-T 圖討論液化石油氣的主要成分；②用真實氣體狀態方程計算討論不同地區、不同季節，甚至同一地區、同一季節、同一天、不同時段，天然氣出租車一罐氣所行駛的距離；③用“酒精體積分數- 質量分數- 密度對照表”計算討論酒廠為何喜歡生產低度酒，同時使學生加深對偏摩爾性質及其物理意義的理解；④引入工業氨水（NH3≥25%）制備高濃度氨水（NH3≥35%）工藝計算，加深理解理想溶液和真實溶液混合性質變化；⑤采用“水鹽體系”相平衡原理及相圖分析，討論鉀石鹽制備氯化鉀工藝設計；⑥結合授課教師科研成果，討論“水鹽體系相圖”在各類液體型水溶肥料制備中的應用；⑦結合合成氨六段壓縮工藝分析與計算，討論氣體壓縮工藝設計原理及其節能降耗理論與方法；⑧結合合成氨轉化氣余熱利用工藝分析與計算，討論“能量衡算法”和“有效能衡算法”在化工過程設計與改進中的指導意義。

案例法教學具有實踐性強、趣味性高、綜合性全等特點，其不僅促進教師整體水平的提高，更重要的是增強了學生的工程概念，有效地提高了學生掌握用于解決復雜化學工程問題的“化工熱力學”原理和應用掌握本原理識別和判斷復雜化學工程問題的關鍵環節和參數的能力。

3.3 角色扮演教學

角色扮演教學模式的理論是從美國社會學家范尼·謝夫特和喬治·謝夫特的《關于社會價值的角色扮演》中演繹過來的?！盎崃W”角色扮演教學安排6 學時，在課程教學最后環節進行，是讓學生站在教師的角度來體驗、思考，去提升自己對“化工熱力學”原理的理解和應用能力。

角色扮演教學布置：①用ppt 方式論述熱力學原理及其應用，題目自選；②自由選擇2 人一組，1 人論述，時間不超過5 分鐘；另外1 人向上一組提問1 個問題并回答下一組提問的問題，回答問題時間不超過1 分鐘；③推選5～7 人組成評判小組，對每一組角色扮演教學打分，納入課堂測驗成績，評判小組成員的“物理化學”成績不得低于75 分。

角色扮演教學評分原則：①按小組評分，總分100分；②演講內容（包括選題合理性、內容完整性等）0～40分；③演講水平（包括ppt 質量、語言表達等）0～30 分；④提問水平（包括問題的合理性、提問的簡潔性等）0～10 分；⑤解答水平（包括答案的準確性、回答的簡潔性等）0～10 分；⑥綜合印象（包括儀表、肢體語言等）0～10 分。

角色扮演教學效果：①讓學生體會教師的角色，去討論、選題、組織教學內容，拉近了學生與教師、學生與教材之間的心理距離，提高了學生自主學習意識；②讓學生自己去琢磨教學方法，去探究教學效果，去發現教學樂趣，優化了學生自主學習方法；③讓學生相互質疑，自己評分，有益于學生綜合素質的提升。

4 優化考核方式

課程考核是人才培養過程中的一個重要環節，也是檢測學生課程學習成績及教學效果的一種方式[2]?！盎崃W”實際上是“化學熱力學”和“工程熱力學”組合而成的一門學科，既要解決化學問題，又要解決工程問題[3]。因此，其考核方式必須是課本與實踐結合、知識與能力結合、結果與過程結合；既考核“化工熱力學”的基本知識和原理，又考核實際化工工程問題的熱力學分析能力；既要組織好課程期末考試，又要把握好學習過程考核。我?！盎崃W”課程改革以后的考核方式及其成績占比為：期中考試30%，期末考試40%，課外作業10%，角色扮演教學與課堂測驗10%，出勤率10%。期中考試在學習完“流體的p-V-T 關系”“純流體的熱力學性質”“流體混合物的熱力學性質”之后進行，主要題型與大約分值為：①簡述題，60 分，考核學生對主要概念和基本方程的理解程度；②計算題，40 分，主要考核學生在氣體pVT 關系以及熱力學性質的計算能力。期末考試主要題型與大約分值為：①選擇題，30 分，考核學生對“化工熱力學”基本知識的掌握程度；②論述題，30分，考核學生對“化工熱力學”原理的理解程度；③計算題，40 分，主要涉及期中考試以后學習的內容，考核學生運用“化工熱力學”原理分析、計算化工工程中能量與物質利用情況的能力。課外作業在于加深和加強學生對教材的理解和鞏固，進一步分析掌握相關的技能、技巧。課堂測驗學時包含在講授法教學學時之中，在一章教學工作結束以后安排15～30 分鐘時間考核學生對本章重點內容的掌握程度，不僅能夠促進學生重視學習過程，也有利于教師及時掌握學生整體學習狀況。出勤采用倒扣分計算法，大班上課，100 名左右的學生點名需要6分鐘左右，如果每次課都全部點名的話，累計占用3～4學時，因此，采用倒扣分計算法，即每次課花費1 分鐘隨機抽查15 名左右學生，缺勤1 次扣2 分，累計缺勤扣分最多為10 分。

5 結論

我?！盎瘜W工程與工藝專業”在2011年10月和2017年11月兩次接受國家工程教育專業認證過程中，專家組都考查了“化工熱力學”課堂教學和專業實驗，召開了“化工熱力學”課程教學教師和學生座談會，審閱“化工熱力學”考核方法和試卷內容，專家一致肯定了我校“化工熱力學”教學改革的成績和教學效果，認為“化工熱力學”課程很好地支持了“化學工程與工藝專業”畢業要求。

教育部發布的《“新工科”建設行動路線（“天大行動”）》確定的目標：到2020年,探索形成新工科建設模式，主動適應新技術、新產業、新經濟發展；到2030年，形成中國特色、世界一流工程教育體系，有力支撐國家創新發展；到2050年，形成領跑全球工程教育的中國模式，建成工程教育強國，成為世界工程創新中心和人才高地，為實現中華民族偉大復興的中國夢奠定堅實基礎。“化工熱力學”作為“化學工程與工藝專業”核心課程，承擔著為我國化學工程領域培養高素質的工程技術人才重任，其教學改革工作任重道遠。