《化工熱力學》課程教學改革探索與研究

摘要：《化工熱力學》是化工學科重要的基礎課程，具有理論概念嚴謹抽象、數學公式紛繁復雜的特點，對“教”與“學”提出了較高的要求。基于上海應用技術大學的《化工熱力學》教學實踐經驗，本文指出了課程教學中存在的問題和困難，詳細闡述了從教學目標、教學方法、教學評價機制三方面出發的課程教學改革措施，增強學生的學習興趣，使《化工熱力學》課程教學質量得以有效提升。

關鍵詞：化工熱力學；教學改革；教學效果

《化工熱力學》是將熱力學應用于化學工程領域而形成的一門學科，是化學工程與工藝專業的必修基礎課程，與《化學反應工程》、《分離工程》聯系緊密，也是化工過程研究、開發與設計的理論基礎[1-2]。《化工熱力學》從熱力學第一定律和第二定律出發，研究化工過程中各種能量的相互轉化和有效利用，研究物理和化學變化過程達到平衡的理論極限、條件或狀態[3-4]。以“難學”和“難教”著稱的《化工熱力學》，概念抽象、晦澀難懂，公式復雜、推導過程繁瑣，注重邏輯思維，對演繹推理能力要求高[5-7]。基于此課程特點，以上海應用技術大學化學工程與工藝專業的學生為教學對象，本文指出了《化工熱力學》教學過程中存在的實際問題，從調整教學目標、改進教學方法、優化教學評價機制三方面出發，進行《化工熱力學》課程教學改革探索與研究。

1?《化工熱力學》課程教學現狀

上海應用技術大學的《化工熱力學》課程開設于第五學期，面向化學工程與工藝專業的大三學生，共48學時，3學分。《化工熱力學》以《高等數學》和《物理化學》為前置課程，下連《化學反應工程》、《分離工程》等課程。基于《化工熱力學》的教學實踐，我們發現課程教學中主要存在以下問題。

1.1學生基礎薄弱，缺少學習興趣

《高等數學》中的微分和積分，是推導化工熱力學公式以及進行數值運算的常用工具。《物理化學》中關于化學熱力學的知識又可為《化工熱力學》的學習打好基礎。然而，部分大三學生對于高等數學知識已相當陌生，對于數學運算也缺少細心和耐心；對于化學熱力學的部分本就不能透徹理解，也已快速遺忘。因而，學生基礎薄弱是《化工熱力學》課程教學中面臨的困難之一。另外，《化工熱力學》中全新的概念和理論，比如狀態方程、對應態原理、普遍化關系、剩余性質、逸度和逸度系數、偏摩爾性質、活度和活度系數、有效能等，對于學生來講，抽象且晦澀難懂，容易感覺枯燥乏味。如果想要領悟和掌握，學生需要做到課前有效預習、課上緊跟教師授課節奏、課后及時復習，傾注大量的時間和精力，這對于正處課業繁重的大三學生而言，存有較大難度。而一旦跟不上老師上課的節奏，不懂的知識將越積越多，而知識的難度也在逐漸升級，學生將會逐步喪失信心，喪失學習的興趣，產生畏懼心理，形成“知識越難-越聽不懂-越不想學習”的惡性循環。因此，如何調動學生的學習興趣，提振學生學好《化工熱力學》的信心，是《化工熱力學》課程教學改革中需要重視的問題。

1.2教學過程中理論聯系實際不足

《化工熱力學》理論概念抽象、晦澀難懂的原因在于與實際聯系有限，學生不能通過日常所見所想來領悟理解《化工熱力學》知識，將導致《化工熱力學》形同“天書”。教學中如果單純著眼于理論知識的拆解記憶和背誦、公式推導的流程和方法，盡管可以形成短期記憶，但對學生理解《化工熱力學》的本質和內核、運用化工熱力學知識無濟于事。《化工熱力學》課程的培養目標是希望學生在夯實化工熱力學理論基礎的同時，樹立工程觀念，并能夠運用課程知識解決化工過程的實際問題。因此，如何將《化工熱力學》理論知識與生產生活實際充分融合，使課本內容更為立體、生動，使學生對《化工熱力學》的理解由抽象轉為具象，杜絕死記硬背，注重靈活運用，對提升學生的學習效果有積極意義。

1.3教學評價機制不合理

課程教學普遍采用“考勤-課后作業-期末考試”三元機制進行反饋和評價。這種評價方式存有較大漏洞。學生出勤不能等同于課堂參與度高；按時提交課后作業不能等同于獨立完成，因而不代表真實學習水平；期末考試后教師已無法對先前的教學方式方法進行調整。另外，學生的學習感受以及對課程的意見建議無法得到及時反饋。因此，《化工熱力學》課程教學需要具備更為合理的評價機制。

2?《化工熱力學》課程教學改革探索與研究

基于《化工熱力學》課程教學中遇到的問題，我們將從以下三個方面進行課程教學改革探索與研究，使學生在夯實理論基礎的同時，鍛煉邏輯思維能力和演繹推理能力，樹立工程意識，具有運用《化工熱力學》知識解決生產生活實際問題的潛能，以此獲得教學質量的有效提升。

2.1調整教學目標

我們將教學目標調整為（1）使學生正確理解《化工熱力學》的基本概念、理論和計算方法（2）能夠運用熱力學定律，分析化工過程能量之間相互轉化的規律，優化用能過程；分析蒸汽壓縮動力循環和蒸汽壓縮制冷循環過程的能量轉化特點、深冷循環過程中的能量平衡與質量平衡（3）使學生掌握運用經典熱力學原理來解決化工生產中的工程實際問題的能力，樹立崇尚科技、追求卓越的價值觀，樂于用化工專業知識為生產和社會服務。調整后的教學目標不再將《化工熱力學》教學局限于掌握理論知識和計算方法，而是需要同時培養學生的工程思維，提升學生的“節能減排”意識和創新精神，注重學生運用理論原理分析、解決實際問題的能力，同時將課程教學提升到價值引領的維度，使教授專業課程知識與育人育才相輔相成。

2.2改進教學方法

傳統的“滿堂灌”、“填鴨”式教學模式已暴露出課堂參與度不高、學生學習興趣不足、學習效果差等問題。如何提振學生的學習興趣，使學生樂于參與到課堂中來，提升教學效果，我們需要對教學方式方法進行調整和優化。

2.2.1夯實基礎

我們要根據學情分析，立足學生實際，“對癥下藥”。針對學生高數和物理化學基礎薄弱、計算能力欠缺的問題，教師需要在《化工熱力學》授課前期，對其中用到的高數和物理化學知識進行逐一羅列、分類梳理和講解，使學生充分回顧和復習，“工欲善其事必先利其器”，打倒“紙老虎”。

2.2.2?案例法啟發式教學

通過案例教學法，結合生產生活中的實例，使學生意識到化工熱力學無處不在，明確化工熱力學的重要意義[8]。而后，使學生能夠在教師的帶動下，將化工熱力學知識放在實例中理解和掌握，同時鍛煉學生的邏輯思維能力和演繹推理能力，培養學生的學習興趣。例如，在緒論中，通過“冰箱和空調的工作原理分別是什么？夏天可以把冰箱門打開作為空調使用嗎？”“無水酒精的價格為什么是95%的酒精的兩倍？”“天然植物中香精、色素等有效成分的提取為什么選用超臨界萃取技術？萃取劑為什么常選二氧化碳？”等問題引導學生進行思考，鼓勵學生自主探索其中的原理，激發學生對于化工熱力學的學習興趣。通過“液化氣成分的選擇”這一生活實例，講解“臨界點特性”這一重要知識點，加深學生對于“氣體液化的先決條件是溫度低于臨界溫度，否則無論施加多大的壓力都不能使其液化”等理論知識的理解以及對p-V圖、p-T圖的認知。而在“液化氣成分”的選擇過程中，學生需要綜合考慮家用條件下的溫度范圍、沸點等條件，將化工熱力學知識與生活細節充分聯系起來。通過“高原反應”、“潛水員呼吸介質的選擇”等案例來理解掌握Henry定律，同樣有異曲同工之妙。在案例教學法運用的過程中，我們可以通過啟發式教學，活躍課堂氣氛，提高學生的參與積極性。在課堂中引入案例后，授課教師可通過“拋出問題-小組討論-分析總結-匯報表達-質疑答辯”的模式引導學生展開學習和探究，同時教師從學生的實際出發，在關鍵處進行點撥，調動學生的主動性和積極性。通過上述模式，學生掌握化工熱力學知識的基礎上，有效提升團隊合作能力、溝通表達能力和思辨能力。案例教學法的運用對于《化工熱力學》課程教學質量的提高有積極影響，同時要求教師具備更高的教學水平和更豐富的知識儲備。教師需要能夠根據生產生活實際、結合“節能減排”以及“雙碳”目標篩選出與《化工熱力學》理論知識點充分契合的案例，并且瞄準理論聯系實踐的切入點，實現有機融合，而非生搬硬套。另外，教師也應時刻追蹤科技發展，能夠從科研前沿捕捉《化工熱力學》的教學案例，將《化工熱力學》的教學融入科研發展當中去，科研反哺教學，教學與科研相輔相成。授課教師需將篩選與總結的案例建成《化工熱力學》課程案例庫，伴隨教學過程不斷進行調整更新和優化，保持案例的新穎性和趣味性，精益求精。

2.2.3?引入思維導圖

《化工熱力學》課程的每個章節都涉及眾多的概念和公式，在學習的過程中，如若不能加以梳理，學生極易將知識點搞混。因此，可通過引入課程思維導圖，使學生對各個章節的作用和聯系加以了解，將《化工熱力學》的課程內容根植于心。化工熱力學的根本任務是給出物質有效利用的極限（相平衡）、給出能量有效利用的極限（化工過程能量分析、蒸汽動力循環與制冷循環）。其中，“純物質（流體）的熱力學性質與計算”是“化工過程能量分析”和“蒸汽動力循環與制冷循環”的基礎；“溶液熱力學基礎”是“相平衡”的基礎；而“流體的pVT關系”則是“純物質（流體）的熱力學性質與計算”、“溶液熱力學基礎”以及“相平衡”的基礎。各章內容并非獨立存在，而是彼此相互連通。通過引入章節思維導圖，使學生對本章內容在《化工熱力學》學習中所占地位加以明確，而后向學生呈現需要研究和掌握的主要知識點以及主要研究方法，繼而將知識點中涉及的公式和推導方法逐一羅列，同時將知識點應用于解決的問題加以介紹[7]。例如，在第三章純物質（流體）的熱力學性質與計算的學習過程中，可通過思維導圖將概念、公式串聯起來。從熱力學基本方程式出發，利用Maxwell關系式，將焓（H）、熵（S）等難測的熱力學性質通過可直接測量的熱力學性質壓力（p），體積（V），溫度（T），定壓比熱容（cp）和定容比熱容（cv）的關系式表示出來。求真實氣體的H、S值，以理性氣體狀態作為參考態，通過剩余性質MR搭建橋梁。而逸度與逸度系數的定義，又可通過熱力學基本關系式dG=vdp-SdT在等溫條件下推導而得。由此，引入思維導圖，課程內容趨于清晰，章節本身、章節與章節之間的聯系也得以構建，有助于學生對《化工熱力學》課程學習有更為清楚的認知，便于課堂學習和課后復習。

2.3優化教學評價機制

不合理的教學評價機制不能有效體現學生真實的知識掌握情況，也不能為教師及時改進教學方式方法提供高價值的參考信息。因此，在課程教學改革中，我們需要對教學評價機制進行優化。為此，我們在傳統的“考勤-課后作業-期末考試”三元評價機制中增加“課堂表現”環節和“過程化考核”環節。“課堂表現”環節的增加是對“考勤”環節的優化。針對“出勤”不能等同于認真聽講且充分參與課堂的情況，我們根據學生是否全神貫注聽講、是否積極回答問題、是否主動參與小組討論、是否樂于與教師互動進行記錄，為“課堂表現”打分。“過程化考核”環節則是對“課后作業”的優化。由于部分學生的課后作業非獨立自主完成，雖能按時提交，但對于鞏固運用知識、反應真實學習情況意義甚微。因此，在布置課后作業的同時，在課堂上設置隨堂測驗，要求學生實時作答，可更為公開透明地了解到學生的學習水平。而測驗后的評分和講評，也能使學生及時糾錯、加深印象。在此過程中，教師可通過隨堂測驗的結果，反思教學中的優勢和不足，及時地調整課程教學方式方法。因此，最終學生總評成績的構成為，總評成績（100）=考勤（5）+課堂表現（5）+隨堂測驗（10）+課后作業（10）+期末考試（70）。除此以外，教師可通過發放匿名調查問卷的方式以及一對一或一對多的線上線下溝通交流獲取學生對于課程教學的真實感受，隨后教師可根據獲得的信息優化教學模式，進一步提高教學水平。

3?總結

《化工熱力學》在化學工程與工藝專業中占有舉足輕重的地位。由于《化工熱力學》課程本身難度大，對教師的教學水平和學生的學習能力都有較高的要求。因此，實現“教好”與“學好”并非易事。基于上海應用技術大學《化工熱力學》課程教學實踐和經驗，我們總結了課程教學中遇到的問題和困難，并從調整教學目標、改進教學方法、優化教學評價機制三方面進行了《化工熱力學》課程教學改革的探索與研究，注重理論聯系實際、強調提高學生的學習興趣以及提高課堂參與度、加強教師的教學反思與教學方式方法調節，能夠能以此提高課程教學水平和教學效果，同時為化學工程與工藝專業其他課程的教學改革提供有效參考和有價值經驗。

參考文獻：

[1]?施云海.?化工熱力學[M].?2版.?上海：?華東理工大學出版社，?2013.

[2]?黨力，?呂智慧.?基于“雨課堂”的《化工熱力學》混合式教學應用探索[J].?廣東化工，?2020，?47（5）：?210-211.

[3]?聞振浩，?馬勇，?尹永恒，?等.?化工熱力學教學感受與改革探索[J].?山東化工，?2021，?50（11）：?204-205.

[4]?馮新，?陸小華.以學生為本的化工熱力學課程教學改革[J].化工高等教育，?2006，?87（4）：?30-34.

[5]?高道偉，?姜占坤，?陳國柱.?《化工熱力學》課程教學改革與實踐[J].?廣州化工，??2022，?50（14）：?278-280.

[6]?丁雪，?宋春敏，?劉熠斌，等.?化工熱力學線上線下混合式教學模式探索[J].?化學工程與裝備，?2021，?299（12）：?300-301.

[7]?童羽，?魏順安，?李靜，?等.?思維導圖在《化工熱力學》學習中的應用[J].?廣東化工，?2020，?47（18）：?192-194.

[8]?朱娜，?王潔.《化工熱力學》教學方法的探索和思考[J].?廣州化工，?2020，?48（05）：?185-186.

基金項目：上海應用技術大學引進人才科研啟動項目（YJ2021-27）

作者簡介：姜靜嫻（1992—??），女，漢族，山東濰坊人，博士，上海應用技術大學講師，研究方向：氣凝膠功能復合材料。