《化工熱力學》課程教學改革與實踐

高道偉，姜占坤，陳國柱

(濟南大學化學化工學院，山東 濟南 250022)

《化工熱力學》是一門以熱力學基本定律為基礎的課程，主要涉及多學科知識，例如通過熱力學函數(P、V、T、G、H、S 等)分析某些化工過程達到平衡的條件、狀態和能量利用及其效率問題，以及制訂節能措施以提高反應過程的能量利用率[1,2]。《化工熱力學》作為一級學科化學工程與技術下屬專業(如化學工程與工藝專業、能源工程專業等)的重要專業課程，對培養學生的工程素養起著至關重要的作用[1]。在化工專業課程鏈中，化工熱力學上承物理化學，下啟化學分離工程、化學反應工程，所以該課程處于從基礎課到專業課的過渡環節[2]。

因此，化工熱力學是貫穿整個化工過程的重要專業課程。我們選取濟南大學化學工程與工藝專業學生為培養對象，從培養綜合能力強的應用型化工專業人才的角度出發，我們對本校該課程進行了系統反思與改進，目的在于促進教學過程中相關理論知識與實際工程環節的緊密銜接，夯實學生的基本熱力學理論基礎，提高學生的理論聯系實際的能力、增強化學工程意識及創新能力[3]。

1 《化工熱力學》課程教學目前存在的問題

濟南大學《化工熱力學》課程開設于大三上學期，其理論課時為48學時，3學分。本課程系統講授了化工熱力學基本原理；預測和分析化工系統的性能；根據熱力學問題的屬性，采用不同的流體熱力學性質數學模型；計算和優化化工過程中的熱力學性質變化；計算純流體和溶液的相平衡(主要為氣液平衡)；掌握化工熱力學相關知識在實際化工過程中的應用。本課程的教學目標是學生學習完化工熱力學知識后，能熟練運用熱力學相關原理和數學模型去計算純流體或溶液的熱力學性質；解決化工過程中的相平衡問題或化學反應平衡相關問題；利用熱力學基本知識來綜合分析反應過程和后續分離設備的能量利用效率；熟悉蒸汽動力循環與制冷循環的基本概念、原理和方法，并能利用相關知識進行計算[4,5]。然而在授課過程中，我們發現目前本校的《化工熱力學》課程在實際教學過程中存在以下幾點問題。

1.1 課程內容枯燥、學生學習興趣低

《化工熱力學》課程有許多新的知識點，例如對應態原理、超額性質、剩余性質、偏摩爾性質、逸度和逸度系數、活度和活度系數、化學位、損失功等等，具有概念抽象、模型復雜、公式繁多等特點，這些使得學生在課堂學習過程中感到晦澀、難以理解[6]。學生在學習該課程的時候通常側重抽象的基本概念和繁雜的理論計算，對于熱力學在實際化工生產中的作用認識不到位。如果學生無法做到課前認真預習，課下進行復習，當課程內容講解的深度不斷遞進，學生很容易出現課堂授課內容聽不懂，無法跟上課程節奏，從而導致學生產生厭學情緒。根據我們的調研，全國其它化工類高校的本科生在學習化工熱力學課程時，都認為本門課程如“天書”一般，難以理解。在繼續深造，攻讀研究生期間，大多數學生在選擇科研方向時，都選擇性的避免化工熱力學方向[5]。目前，在課堂上引起學生學習熱力學的興趣，調動學生學習的積極性，綜合評價學生的學習成效，是化工熱力學授課老師亟待解決的困境。

1.2 教學過程中的反饋與評價機制不合理

本校《化工熱力學》課程的學習評價方法一直采取傳統的“日常考勤-課后作業-期末考試”三者結合的方式。然而上述方法的弊端是缺少對學生學習過程的考核，目前判斷學生的掌握知識程度，只能通過期末考試的方式進行評估，但這樣的判斷方式是不合理的，并且滯后于教師的授課進度[7]。通過“課后作業+期末考試”這種模式只能檢驗學生對基本概念的掌握，尤其是對于化工熱力學這種理論復雜、計算繁瑣的應用型課程來說，這種模式存在一定弊端，很多重難點內容無法檢驗，很難考查學生綜合運用所學知識解決實際工程問題的能力[6]。所以該方式無法全面反映學生對化工熱力學課程內容的掌握情況，不利于學生的化工熱力學知識體系的構建，也不利于培養應用型化工人才的培養。因此，以期末考試為主的“日常考勤-課后作業-期末考試”教學反饋與課程評價體系有待改進。

1.3 課程內容與工程實踐缺少緊密聯系

根據我們調研發現，目前大多數本科院校的化工熱力學教學采用以“以教師講授課本概念為主，學生自主探索為輔”的傳統的教學模式。受化工熱力學課程的理論性和邏輯性強的特點的影響，學生在學習過程會產生“這些理論無非就是一些推導公式的組合”的錯覺，所以大多數學生很難將課堂上學到的化工熱力學知識與化工實際生產過程中的熱力學問題有效的結合起來，導致學生無法形成完整的化工熱力學思維。在這種傳統的講授模式下，不利于提高學生的化工素養，從而難以培養出綜合能力強的應用型化工人才。

因此，如何改變傳統化工熱力學課程評價方案、優化課程內容、改進教學方法是目前面臨的重要問題。針對上述問題，我們依托濟南大學化學工程與工藝專業《化工熱力學》課程的實際教學情況，從以下幾個方面對化工熱力學教學內容、教學模式和教學評價體系等方面進行了改進。我們的宗旨是提高化工熱力學課程教學質量，進而培養學生的工程意識與綜合能力。

圖1 不同規格的熱裂解反應器Fig.1 The pyrolysis reactor with different specification

2 《化工熱力學》課程教學探索與改進

2.1 精煉教學內容，優化課程體系

本課程教學內容主要包括流體的 PVT關系、流體的熱力學性質、相平衡、化工過程的能量分析、蒸汽動力循環與制冷循環等方面。由于課時有限，教學信息量大，且基本概念抽象難懂，在多年的教學實踐過程中，我們對課程教學內容不斷進行優化，刪減與物理化學等課程重復的知識點，握好各章節的教學內容與結構層次之間的關系。例如：對教學中的重要基礎概念如偏摩爾性質、逸度系數、活度系數等基礎概念要反復講解，深刻理解，使學生熟記熟用，便于學生進一步學習中等難度的問題；將難于學生目前學習現狀的內容進行簡化，將復雜難點作為介紹內容，以理清思路為目的，使學生有個初步印象，待學生其他知識得到提升時，可以自學。其次，關注化工熱力學發展的前沿動態，將前沿性內容引入課程，提高學生學習興趣. 熱力學的發展不能閉門造車，要與重大技術變革相結合，形成熱力學新理論、新方法；要拓展研究對象，創建新的熱力學應用學科。例如：使用化工熱力學原理準確的描述發生爆炸的原理；還可以利用熱力學PT相圖解釋了冰沙的形成原因。從好奇，到用化工熱力學揭秘；從生活中來，到生活中去。這就是科學的魅力所在，讓更多的人用所學知識創造美好生活，這也是一代代化工熱力學人的使命所在。第三，加入實驗、參觀等實踐環節，使學生將學到的理論知識能通過校正模型與實際生產聯系起來，使本學科不再抽象難懂，加強學生對化工生產實際的直觀認識。例如：與附近企業聯合開展具有時代氣息的化工廠“節能減排”設計課；在生產實習環節中，重新溫習所學的氣體多級壓縮，空氣液化原理(空分)，熱裂解(圖1)等實踐課，在化工熱力學實驗課中，吸收式制冷循環的設計和實現等。充分突出了化工熱力學的時代特色，又強化了學生的動手能力和創新精神。最后，課后作業則難以避免的涉及迭代計算，例如： 狀態方程及流體熱力學性質的課后習題大都需要迭代法求解，手工計算很麻煩，還容易出錯。在使學生明白迭代法基本原理的基礎上，增加部分計算機課程的學習，如MATLAB、Aspen 等，使學生能進行簡單的計算機計算，不用將精力浪費在繁瑣的手工計算中，并將計算機知識應用在化工熱力學中。由于軟件的引入避免了復雜的計算，突出了應用性和實用性，激發了學生的學習興趣。同時還可以為全國大學生化工設計競賽奠定基礎。在化工熱力學教學過程中，每章內容的授課過程都按照先基本概念后復雜模型、先理想流體后真實流體、先基本知識后實際案例的基本原則。另外，課堂上，重視結合生動鮮活的實際案例，用淺顯易懂的語言對化工熱力學課程上的概念、原理與熱力學模型進行詳細剖析，這樣更加調動學生的積極性，并理解和掌握本課程的基本原理。教師在在課堂講授過程中注重加強問題或真實案例的啟發性教學，促使學生主動學習，激發學生對熱力學課程學習的興趣，重點掌握基本知識的具體應用，使學生樹立以基本知識、基本概念、方法及熱力學模型為基礎。以化工熱力學的基本知識作為學生處理化學工程問題的工具。

2.2 完善課程評價方案

傳統的化工熱力學教學模式會注重學生的考試成績，現在的評價體系認為考試成績不能完全反應學生應用熱力學知識處理化學工程問題的能力[7]。因此，我們在實際教學過程中充分考慮了應該如何評價學生解決實際工程問題的能力，而不是僅僅在期末考核時為了取得高分而突擊學習[8]。因此，我們以培養學生的工程實踐能力和工程意識為目標，完善了現有的課程評價體系。首先我們將日常考勤改進為開放式考核，包括課后作業、課堂練習等方面，將從不同角度考查學生學習效果。課后作業的目的是考查學生掌握課堂知識的程度。同時我們增加了課堂練習環節，通過選擇典型例題在課堂上作答講解，以便學生及時查漏補缺。最后，我們將期末考核分為兩個模塊，第一模塊采取以基本題型為主的傳統考試形式，主要考察學生對基礎知識和基本概念的理解。第二模塊選擇布置模擬實際化工生產任務考查學生應用所學知識的能力，允許學生查閱資料、Aspen Plus計算輔助完成，濟南大學2019級《化工熱力學》課程目標達成度分析如表1所示。總之，考核評估應包括平時作業、隨堂測驗、課堂提問、師生互動、生生互動、單元測驗以及實驗上機等，還應該結合大數據、相關軟件等，盡可能客觀公正地評價學生的學習，讓教師成為學生學習過程的輔導者。

表1 濟南大學2019級《化工熱力學》課程目標達成度分析Table 1 Analysis of achieving Chemical Thermodynamics course goal of the 2019 class students in University of Jinan

在《化工熱力學》課程的教學過程中，理論教學是基礎，但單從基本理論講解，收效甚微[9]。從實踐中來，到實踐中去，并將科技的最新發展，最新的研究成果與學生分享，進而加深學生對基本理論知識的興趣和理解。比如，利用化工熱力學相關知識對化工反應過程和分離過程進行能量分析時，選取常減壓精餾車間節能措施的改進為例進行研究[8]。第一，授課學生要知道從能量衡算法和有效能衡算法來研究此問題。第二，要分別利用能量衡算和有效能衡算進行研究：能量衡算法是以熱力學第一定律為基礎的一種計算方法，這種方法僅僅表現為能量在數量上的相互轉換，沒有把能量品位的高低作為評價范疇，這種評價結果不能表明能量利用的完善性與合理性；有效能衡算法是以熱力學第一和熱力學第二定律為基礎，進行相同品位能量的數量衡算和利用情況評價，從有效能的角度對能量利用的整體性進行綜合評價，從而可以給出系統中相應能量的利用效率[8]。最后，能量衡算法和有效能衡算法計算結果明顯不同，其中能量衡算法表明，能量利用效率較低的設備單元為冷凝器，而有效能衡算法表明，要提高節能效果必須改進燃燒和傳熱過程。通過具體實例的分析與討論，培養和提高了學生獨立思考與解決問題的能力，強化了學生對基本概念、原理、方法及模型等方面的實際應用能力。

3 結 語

化工熱力學在化工專業課中處于重要地位，本課程的主要目標是培養學生利用化工熱力學知識來處理實際化學工程問題。在傳統單向灌輸為主的教學模式下，實現這種教學任務是很難的[7]。針對目前化工熱力學教學過程中存在的一些問題，我們化工熱力學教研組在教學內容和教學方法上進行了反思。結合本校的化學工程與工藝專業實際教學情況，提出精煉教學內容、優化課程體系、完善課程評價方案，注重實例分析與討論，強化學生實際應用能力等改進措施。由注重基本理論、公式推導，轉變為解決工程實際問題和樹立工程意識的培養，進而提高教學質量。