類比法在《化工熱力學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

李興揚，唐定興，沈鳳翠，胡章文

（安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

類比法在《化工熱力學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

李興揚，唐定興，沈鳳翠，胡章文

（安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

結(jié)合化工熱力學(xué)課程特點及其現(xiàn)狀，討論了類比法在立方型狀態(tài)方程、偏離函數(shù)、偏摩爾性質(zhì)和活度系數(shù)這些教學(xué)內(nèi)容中的應(yīng)用情況；并介紹了在實驗教學(xué)、考核方式和精品課程建設(shè)方面取得的成果。

化工熱力學(xué)；類比法；教學(xué)改革；實驗教學(xué)

《化工熱力學(xué)》是化學(xué)工程學(xué)的一個重要分支，是化工類專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)主干課程。它是從化學(xué)工程的角度分析并給出化工過程經(jīng)歷的實質(zhì)性的變化，在原理和計算方法上指導(dǎo)各種化工過程的進行和優(yōu)化。［1］它是化工過程研究、開發(fā)與設(shè)計的理論基礎(chǔ)，它是一門理論性與應(yīng)用性均較強的課程。既要解決化學(xué)問題，又要解決工程實踐問題。［2］該課程與化學(xué)工程與工藝專業(yè)的許多其它課程有著十分密切的關(guān)系，［3］在專業(yè)課程體系中發(fā)揮著承上啟下的作用。

《化工熱力學(xué)》課程邏輯性、系統(tǒng)性強，要正確理解化工熱力學(xué)所研究的內(nèi)容之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系的，理清化工熱力學(xué)的內(nèi)容體系與結(jié)構(gòu)層次，才能更好地理解和掌握課程內(nèi)容及其實際應(yīng)用。這就要求任課教師優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整和豐富授課方法，以調(diào)動學(xué)生的積極性，由注重基本理論、基礎(chǔ)知識、基本技能的培養(yǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)人才綜合素質(zhì)的提高、工程設(shè)計的訓(xùn)練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這也是我國化工教育改革的方向［4］。

1 化工熱力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題

普遍認為《化工熱力學(xué)》課程概念抽象、難懂、經(jīng)驗公式多、圖表復(fù)雜、教學(xué)推導(dǎo)繁復(fù)，且課時少，不易用來分析實際問題，例如一個比較簡單、具體的實際問題：對一個兩組分理想溶液體系，已知總壓p和一相組成x（y），求與之平衡的另一相組成y（x）和平衡溫度T，也一般需要進行反復(fù)多次試差計算才能得到近似解，使學(xué)生覺得繁瑣缺乏新鮮感，心里厭煩。教師在有限學(xué)時內(nèi)很難講透所有內(nèi)容，學(xué)生很難在有限學(xué)時內(nèi)理解、掌握其全部內(nèi)容?；谝陨蠁栴}，過去在《化工熱力學(xué)》課程的講授中往往采用“過細備課，精心安排，細心講授”的方法，忽略了教學(xué)是以學(xué)生為主體的教與學(xué)雙向互動的系統(tǒng)過程，更多注意的是以教師為輸出主體的這種單向的流動過程，其結(jié)果是“教師準(zhǔn)備的一桶水學(xué)生也僅僅喝到了一口水，而不是一杯水或是一桶水”，遠沒有達到預(yù)期的教學(xué)效果。［5］這種教學(xué)方式仍然是從理論至理論，熱力學(xué)教師擅長于課堂理論教學(xué)，教授學(xué)生掌握基本概念和繁多的數(shù)學(xué)計算，學(xué)生缺乏感知認識，普遍感到枯燥無味，提不起學(xué)習(xí)興趣。

2 在教學(xué)中應(yīng)用類比法，讓學(xué)生參與課堂教學(xué)

我們根據(jù)化工熱力學(xué)課程特點，分析課程內(nèi)容體系，討論總結(jié)章節(jié)內(nèi)容之間的聯(lián)系，重新組織課堂教學(xué)內(nèi)容，其中類比法教學(xué)是我們?nèi)〉昧己媒虒W(xué)效果的方法之一。

2.1 類比法在立方型狀態(tài)方程教學(xué)中的應(yīng)用

教學(xué)中主要介紹的立方型狀態(tài)方程有vdW方程、RK方程、SRK方程和PR方程，他們均含有兩個模型參數(shù)a和b。利用上述方法詳細介紹vdW方程模型參數(shù)的確定方法和過程，要求學(xué)生類比vdW方程模型參數(shù)的確定方法確定其它立方型狀態(tài)方程模型參數(shù)。一方面讓學(xué)生掌握了模型參數(shù)的確定方法，同時鍛煉了學(xué)生的演算能力。

2.2 類比法在偏離函數(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

偏離函數(shù)是研究系統(tǒng)狀態(tài)變化的重要概念之一，它使物性計算更方便和統(tǒng)一。借助偏離函數(shù)，均相封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)都可以由狀態(tài)方程獲得，這是非常有實際意義的。但首先要解決如何以p－V－T表示偏離函數(shù)的問題，這也是應(yīng)重點講授的教學(xué)內(nèi)容。

在講授以T，p為獨立變量的偏離函數(shù)時，交代清楚為什么首先選擇偏離吉氏函數(shù)呢，這因為熱力學(xué)基本關(guān)系式dG＝－SdT＋Vdp中的變量也是T和P。由偏離函數(shù)的定義，在等溫條件下有［dG＝Vdp］T，然后設(shè)計由參考態(tài)至研究態(tài)的G的變化過程，如圖1。

圖1 偏離吉氏函數(shù)的推導(dǎo)

再對不同途徑進行積分計算，可得到由p－V－T表示的偏離吉氏函數(shù)的關(guān)系式。然后由出發(fā)，利用S＝－［?G／?T］p可求得熵的偏離函數(shù)，再根據(jù)吉氏函數(shù)的定義（G＝H－TS）可求得焓（H）的偏離函數(shù)，由焓和亥氏函數(shù)（A）的定義式可以求得熱力學(xué)能（U）和亥氏函數(shù)的偏離函數(shù)。

對于以T，V為獨立變量的偏離函數(shù)，我們采用類比的方法教學(xué)，讓學(xué)生參照以T，p為獨立變量的偏離函數(shù)的計算方法，自行推算各函數(shù)的偏離函數(shù)?？梢詭椭鷮W(xué)生分析，應(yīng)由A（T，V）→S→其它函數(shù)。

2.3 類比法在偏摩爾性質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用

表1 特殊的摩爾性質(zhì)和偏摩爾性質(zhì)

2.4 類比法在活度系數(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

活度系數(shù)（γi）是計算組分逸度的一種方法，在用狀態(tài)方程＋γi法計算混合物汽－液平衡數(shù)據(jù)時發(fā)揮重要作用?；疃认禂?shù)可分為對稱歸一化的活度系數(shù)（γi）和不對稱歸一化的活度系數(shù)（γi＊），它們的主要區(qū)別在于選擇的參考態(tài)不同，分別是以理想溶液和理想稀溶液為參考態(tài)。理想溶液符合Lewis－Randall規(guī)則——；而理想稀溶液符合Henry規(guī)則——。實際教學(xué)中γi和γi＊的性質(zhì)是可以類比學(xué)習(xí)的。

3 其它方面的實踐和經(jīng)驗

3.1 實施實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，加強學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和探索意識的重要途徑，它能促進學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐動手能力和人格個性的全面發(fā)展。目前，我們開設(shè)了二元汽液平衡數(shù)據(jù)測定實驗，除測定必要的實驗數(shù)據(jù)外，還要求學(xué)生根據(jù)實驗計算各組分活度系數(shù)，再驗證汽液平衡條件，從而達到了理論與實踐的結(jié)合；三元系液—液平衡數(shù)據(jù)測定實驗，讓學(xué)生驗證基本理論，并掌握熱力學(xué)圖表的使用等；還開設(shè)了化學(xué)吸收系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)測定實驗。對實驗中遇到的問題老師及時解決，鍛煉學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析和解決實際問題的能力，強化專業(yè)操作技能，同時培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。

3.2 綜合考核方式

考試是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生如何進行評價，考什么，怎樣考，是教學(xué)過程的指揮棒。以期末一張考卷為準(zhǔn)的考核方式已被認為不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。我們采用綜合考試方式，將期末考試、課堂討論、出勤和作業(yè)結(jié)合起來評判?？荚嚨念}目側(cè)重于理解和應(yīng)用，著重考核學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識提出問題、分析問題和解答問題的能力。如試行少量考試題目由學(xué)生自己提出，學(xué)生感到很新鮮，也很有興趣，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動思考。用加權(quán)平均的方法計算學(xué)生總評成績，其中期末考試，占總成績的70%，平時學(xué)習(xí)占15%，包括出勤和作業(yè)完成情況，課堂討論占15%。

3.3 結(jié)合精品課程建設(shè)平臺，提供多種學(xué)習(xí)途徑

圍繞校級精品課程建設(shè)，實現(xiàn)了電子教案、多媒體課件、各章習(xí)題及解答和熱力學(xué)計算軟件等教學(xué)文件上網(wǎng)，學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，靈活安排學(xué)習(xí)時間。

總之，在化工熱力學(xué)課程的教學(xué)改革中，應(yīng)以學(xué)生為本，寓情于教、多種教學(xué)策略并舉，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，豐富和深化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，同時，我們應(yīng)清醒地認識到，要培養(yǎng)高素質(zhì)的學(xué)生，教師首先要提高自身素質(zhì)，才能承擔(dān)起教書育人的重任。

［1］夏淑倩，馬沛生，陳明鳴，等.化工熱力學(xué)課程改革［J］.化工高等教育，2006，（4）：38－41.

［2］趙云鵬，荊 濤.化工熱力學(xué)教學(xué)實際的研究［J］.長春師范學(xué)院學(xué)報，2006，25（2）：125－126.

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

［4］劉紹春.當(dāng)前我國化工教育改革面臨的若干問題及其出路［J］.化工高等教育，2005，（2）：12－15.

［5］衣守志，張建偉.《化工熱力學(xué)》教學(xué)改革的一點嘗試［J］.中國輕工教育，2000，（3）：25－26.

G642.0

：A

：1673－1794（2010）05－0113－02

李興揚（1980－），男，碩士，講師。

安徽工程大學(xué)教學(xué)研究項目（2007jyy36）；《化工熱力學(xué)》精品課程建設(shè)成果

2010－07－11