化工熱力學(xué)教學(xué)方法的探討

楊 文，馮艷艷，王桂霞

(1.2.3.桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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化工熱力學(xué)教學(xué)方法的探討

楊 文1，馮艷艷2，王桂霞3

(1.2.3.桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

化工熱力學(xué)是化工類專業(yè)的一門必修課程。根據(jù)化工熱力學(xué)特點(diǎn)及其所存在的問題，提出了關(guān)于化工熱力學(xué)教學(xué)方法改革的建議和看法。通過教學(xué)手段的改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化了對理論知識的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識，提高了學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的實(shí)踐能力，進(jìn)而提高化工熱力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和水平。

化工熱力學(xué)；教學(xué)；方法探討

化工熱力學(xué)是一門理論與實(shí)踐應(yīng)用并重，將理論過渡到實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)講究嚴(yán)格邏輯推理的化工類專業(yè)的核心基礎(chǔ)專業(yè)課程。化工熱力學(xué)通過熱力學(xué)相關(guān)的基本原理、定律和數(shù)學(xué)推理、計(jì)算來解決化學(xué)工程中所遇到的實(shí)際問題，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和解決化工過程的實(shí)際問題打下牢固的基礎(chǔ)。其主要任務(wù)是研究化工過程中各種能量的相互轉(zhuǎn)化和利用；研究物質(zhì)狀態(tài)變化與其性質(zhì)的關(guān)系；研究物理或化學(xué)變化過程達(dá)到平衡的理論極限、條件或狀態(tài)[1]。而化工熱力學(xué)邏輯性和理論性強(qiáng)、概念多而抽象、內(nèi)容廣、公式繁多、推導(dǎo)過程復(fù)雜，這使得化工熱力學(xué)課程的教學(xué)非常困難[2]。因此，如何搞好化工熱力學(xué)教學(xué)質(zhì)量對化工專業(yè)的學(xué)生非常重要。根據(jù)化工熱力學(xué)的特點(diǎn)和我們的教學(xué)體會，下文將從化工熱力學(xué)教學(xué)目前存在的問題及其教學(xué)方法兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

1化工熱力學(xué)教學(xué)存在的問題

對于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)過程中遇到的問題主要包括：①大量的數(shù)學(xué)推理和數(shù)學(xué)換算使得化工熱力學(xué)理論知識抽象難懂；②各章節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容多，很難將各章節(jié)的知識點(diǎn)相互貫通；③即使掌握了基本理論也很難將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。這些問題打擊學(xué)生對化工熱力學(xué)的學(xué)習(xí)信心，學(xué)習(xí)感到吃力，興趣不高。同時(shí)，通過教師與教師的交流，我們總結(jié)出在以往化工熱力學(xué)教學(xué)中存在以下問題：①學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高；②過于注重理論公式的推導(dǎo)而輕應(yīng)用；③以課堂教學(xué)為主，教學(xué)手段單一；④重理論而輕實(shí)際應(yīng)用。而搞好化工熱力學(xué)教學(xué)對化工專業(yè)的學(xué)生非常重要，因此對化工熱力學(xué)教學(xué)方法進(jìn)行改革就顯得尤為緊迫。

2化工熱力學(xué)教學(xué)方法探討

根據(jù)以上所存在的問題可以看出如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生理解一些基本原理，應(yīng)用到實(shí)際生活和化工生產(chǎn)中，是本門課程教學(xué)所關(guān)注的重點(diǎn)。針對目前化工熱力學(xué)教學(xué)中存在的問題，同時(shí)結(jié)合化工熱力學(xué)課程自身的特點(diǎn)和在化工熱力學(xué)教學(xué)中的一些心得體會，以天津大學(xué)馬沛生老師編寫的《化工熱力學(xué)》第二版第四章為列，講述對化工熱力學(xué)教學(xué)的方法和改革探討。

2.1設(shè)問教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣

興趣是教學(xué)中最好的老師，如何激起學(xué)生在化工熱力學(xué)學(xué)習(xí)中的興趣尤為重要。在講解主要內(nèi)容之前，通過設(shè)立幾個(gè)可以通過本章節(jié)知識點(diǎn)解決而又貼近生活的實(shí)際案例和疑問，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在天津大學(xué)馬沛生老師編寫的《化工熱力學(xué)》第二版的第四章主要講述了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用。本章的知識點(diǎn)解釋了很多我們生活中相關(guān)的問題，例如，冰箱和空調(diào)是如何實(shí)現(xiàn)制冷，空氣能熱水器是如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能，蒸汽機(jī)車的工作原理是什么等問題，這些案例都可以在課前進(jìn)行設(shè)問。通過講課前設(shè)問，有意制造懸念，能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，將內(nèi)容中抽象的熱力學(xué)第一定律和復(fù)雜的公式與前面的案例聯(lián)系起來，化抽象為形象，深入淺出，層層深入的方式讓學(xué)生領(lǐng)會到化工熱力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用和魅力，真正理解化工熱力學(xué)的原理和精髓之處。在每小節(jié)課的后期，學(xué)生的精神容易松懈，不集中、乏困。教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)用所學(xué)的理論知識對課前所設(shè)的疑問進(jìn)行啟發(fā)、討論和互動交流，能顯著地提高學(xué)生的注意力，幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識去分析和解決實(shí)際問題。同時(shí)，這類設(shè)問教學(xué)，讓學(xué)生帶著問題有目的地學(xué)習(xí)，能有效地提高學(xué)習(xí)的興趣，將抽象問題具體化，使復(fù)雜問題簡單化，加深了學(xué)生對理論的理解。

2.2輕公式推導(dǎo)，重應(yīng)用

化工熱力學(xué)是化工類專業(yè)課中理論公式推導(dǎo)最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊婚T課程。理論公式中運(yùn)用了大量的積分微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，使得化工熱力學(xué)課程的內(nèi)容變得復(fù)雜抽象，從而使得學(xué)生對化工熱力學(xué)的學(xué)習(xí)形成畏懼心理。例如，在第四章中的熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式的推導(dǎo)，即敞開體系的能量平衡方程的推導(dǎo)中運(yùn)用了大量微分式，既要建立質(zhì)量守恒方程又要建立能量守恒方程。將熱力學(xué)第一定律公式化形成一個(gè)微分公式，如果對其進(jìn)行應(yīng)用，需對具體的邊界條件進(jìn)行積分，復(fù)雜抽象。而作為理工院校，我們應(yīng)該更注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，而不在于復(fù)雜公式的理論推導(dǎo)。因此，在講授第四章中熱力學(xué)第一定律內(nèi)容的能量守恒方程時(shí)，我們直接將穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的能量平衡方程給出，再將能量平衡方程經(jīng)過一定的簡化，推導(dǎo)出化工原理中著名的伯努利方程，將化工熱力學(xué)的知識和化工原理相關(guān)知識緊密聯(lián)系起來，加深學(xué)生對化工熱力學(xué)中熱力學(xué)第一定律的理解。

2.3結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深化理論知識理解

要讓學(xué)生深刻地理解理論知識，必須打破灌輸式的教學(xué)模式，應(yīng)該在理論課堂的基礎(chǔ)上引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來鞏固學(xué)生對化工熱力學(xué)知識的理解。為加深學(xué)生對熱力學(xué)第一定律的理解，我們在一個(gè)U型管中加入水，通過搖晃讓水在管內(nèi)上下來回運(yùn)動，當(dāng)水往上運(yùn)動時(shí)，運(yùn)動速度會變慢；當(dāng)運(yùn)動到底部時(shí)運(yùn)動速度最快。通過現(xiàn)場演示動能與勢能相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，學(xué)生對熱力學(xué)第一定律有了更深入的理解。第四章中的應(yīng)用部分包括氣體膨脹性質(zhì)的內(nèi)容，這部分內(nèi)容對制冷技術(shù)來說是非常重要的知識點(diǎn)。當(dāng)氣體在通過孔板和閥門時(shí)，由于受到局部阻力，流體的壓力下降明顯，這種現(xiàn)象在化工熱力學(xué)中被稱之為節(jié)流現(xiàn)象。在節(jié)流過程中會發(fā)生制冷或制熱效應(yīng)，其取決于節(jié)流膨脹系數(shù)。當(dāng)節(jié)流膨脹系數(shù)大于零時(shí)，就會產(chǎn)生冷效應(yīng)，反之則產(chǎn)生熱效應(yīng)。為了讓學(xué)生能深入理解這一現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生演示鋼瓶中二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過總閥流到減壓閥時(shí)，由于二氧化碳通過總閥小孔產(chǎn)生冷效應(yīng)而在總閥和減壓閥之間有水蒸汽凝聚形成水珠的現(xiàn)象。通過此演示實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生普遍對節(jié)流效應(yīng)有了更深刻的理解。

2.4理論與實(shí)際應(yīng)用并重的教學(xué)靶向

化工熱力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論及其實(shí)際應(yīng)用兩部分，將理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)理論到實(shí)踐應(yīng)用的過渡?；谡n程性質(zhì)，化工熱力學(xué)教學(xué)要“原理”與“實(shí)際應(yīng)用”并重，改變以往“重理論輕應(yīng)用”的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力[3-4]。在描述熱力學(xué)第二定律時(shí)，克勞修斯的說法為：熱不可能自動地從低溫物體傳給高溫物體。但借助外力，熱可以從低溫傳遞給高溫物體的，從而對冷物體的熱量進(jìn)行回收。在本節(jié)內(nèi)容中，我們給學(xué)生講述熱泵技術(shù)，這是典型的將熱能不斷地從低溫區(qū)輸送給高溫區(qū)的技術(shù)?；て髽I(yè)中，熱泵裝置用得最多的是熱泵精餾。在熱泵精餾過程中，精餾塔塔頂?shù)牡蛪赫羝ㄟ^加壓形成高壓蒸汽，同時(shí)伴隨著溫度的升高，再通過高壓蒸汽在再沸器中冷凝放出潛熱用于加熱精餾塔的底部溶液。熱泵技術(shù)的講解讓學(xué)生了解低溫氣體熱量的回收利用技術(shù)，同時(shí)進(jìn)一步理解了熱力學(xué)第二定律。再如，目前比較時(shí)尚的空氣能熱水器，其工作原理是化工熱力學(xué)中的熱泵原理，即制冷循環(huán)過程，利用設(shè)備內(nèi)的吸熱介質(zhì)(冷媒)從空氣或自然環(huán)境中采集熱能，并通過熱交換器使冷水迅速提溫，同時(shí)排放出冷氣。此外，在化工熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中要注意理論與應(yīng)用并重。例如，在第四章熱力學(xué)基本定律的應(yīng)用部分，可以投入更多的學(xué)時(shí)，對蒸汽動力循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵的應(yīng)用、深冷循環(huán)等做更細(xì)致的講解。

2.5考試方式改革，增加工程意識導(dǎo)向

化工熱力學(xué)是一門兼具理論性和工程性的課程，不僅要增加學(xué)生的理論知識，而且需要培養(yǎng)學(xué)生利用理論知識解決工程問題，增加學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)踐能力[5-6]。在解決化學(xué)工程問題的過程中需要查閱大量的圖表來獲得基本的物性參數(shù)和熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。例如，在第四章關(guān)于化工過程熱力學(xué)分析中，需要查閱特定溫度下物質(zhì)的焓值和熵值，進(jìn)而求取化工過程的能量有效利用率。因此，培養(yǎng)學(xué)生的圖表查閱能力對解決化學(xué)工程問題很重要。然而傳統(tǒng)的閉卷考試考核評價(jià)方法限制了圖表查閱能力的考察，考試內(nèi)容局限于簡單的理論概念和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而采用開卷考試的考核方式能有效地避免這一局限性。在開卷考試中，試題的內(nèi)容可以向解決化學(xué)工程問題的方向傾斜，引導(dǎo)學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中多分析和研究涉及工程問題的案例，熟悉常用的物質(zhì)參數(shù)和熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的查閱方式，提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和工程優(yōu)化能力。同時(shí)，開卷考試減少了學(xué)生對化工熱力學(xué)中復(fù)雜公式的記憶量。

此外，為培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和應(yīng)用實(shí)踐能力，教師要具備工程意識和實(shí)踐能力，然而大多高校教師缺少在工廠和企業(yè)工作和學(xué)習(xí)的經(jīng)歷。因此，教師要不斷提升自身的教學(xué)能力和教學(xué)水平，積極推進(jìn)和構(gòu)建一流的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，對全國高校的本科教學(xué)水平提高具有重要的意義。

3結(jié)語

作為化工類專業(yè)的必修基礎(chǔ)專業(yè)課，化工熱力學(xué)是一門理論與應(yīng)用并重的課程。在教學(xué)過程中，不僅要扎實(shí)化工類專業(yè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，還要提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程意識。作為化工熱力學(xué)課程的主講教師，要能夠?qū)⒒崃W(xué)中抽象繁瑣的公式和理論形象化地展現(xiàn)給學(xué)生，要注重理論聯(lián)系實(shí)際，做到化繁為簡、深入淺出，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

[1]朱自強(qiáng)，吳有庭．化工熱力學(xué)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010

[2]李香琴，于志家.化工熱力學(xué)課程研究型教學(xué)的幾點(diǎn)體會[J].化工高等教育，2015，32(3)：82-85.

[3]黃燕，吳世逵.化工熱力學(xué)課程教學(xué)改革探索[J].化工高等教育,2014,31(6):44-45.

[4]童張法,陳小鵬.堅(jiān)持特色教學(xué)打造化工熱力學(xué)精品課程[J].化工高等教育，2010，27(6)：19-23.

[5]常賀英，馬沛生.論化工熱力學(xué)在化工類課程體系中的核心作用[J].化工高等教育，2005(4)：28-30.

[6]喬柯，宋春敏.靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法，優(yōu)化化工熱力學(xué)教學(xué)效果[J].化工高等教育，2014(1)：50-53.

(責(zé)任編輯：高 堅(jiān))

Study of Teaching Methods for Chemical Engineering Thermodynamics

Yang Wen1, Feng Yanyan2, Wang Guixia3

(1.2.3. College of Chemistry and Bioengineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Chemical engineering thermodynamics is a required course of chemistry majors. According to the characteristics of chemical engineering thermodynamics and some existing problems, this paper puts forward some suggestions and ideas concerning the reform of teaching methods for chemical engineering thermodynamics. Through the reform of teaching methods, students’ learning interest can be aroused, their understanding of theories can be deepened, their consciousness of engineering can be developed and their ability of analyzing and solving problems occurring in actual projects can be improved, which can result in the improvement of teaching quality and level.

Chemical engineering thermodynamics; Teaching and learning; Study of methods

2016-03-28

2015年廣西自治區(qū)高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(2015JGZ129)

G642

A

1673-8535(2016)03-0083-04

楊文(1984-)，男，廣西桂林人，桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院講師，研究方向：儲能材料。

馮艷艷(1988-)，女，河南鞏義人，桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院講師，研究方向：工業(yè)催化。

王桂霞(1976-)，女，河北滄州人，桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院副教授，研究方向：有機(jī)功能材料和水溶性高分子材料的合成。