計(jì)算機(jī)在化工熱力學(xué)課程中的應(yīng)用

李彩琴，李小花，劉荔貞，張曉龍

（山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 山西 大同 037009）

1 引言

化學(xué)工程經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展細(xì)分出許多子學(xué)科，化工熱力學(xué)即為其中之一。該課程主要對(duì)化學(xué)工程中涉及到的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律及穩(wěn)態(tài)過(guò)程的應(yīng)用限制條件進(jìn)行研究以達(dá)到能量高效利用、生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)安全的目的。此外化工熱力學(xué)課程是許多工科型高校開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，也在工科院校培養(yǎng)計(jì)劃中占有很大比重，是在化學(xué)及其相關(guān)科研研究和實(shí)際化工生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸發(fā)展形成的一門(mén)綜合性和應(yīng)用性的課程[1]。

化工熱力學(xué)課程涉及的范圍較廣，所涵蓋的基礎(chǔ)理論很多：主要體現(xiàn)在其知識(shí)點(diǎn)抽象，表達(dá)式較長(zhǎng)，特殊記號(hào)較多，計(jì)算量大等。綜合近年來(lái)各大高校學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生反饋，學(xué)生對(duì)這門(mén)課程有不少抱怨，多數(shù)學(xué)生反映化工熱力學(xué)是一門(mén)既難理解，不易掌握又缺乏實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的理論課程。因此信息時(shí)代下如何更好地將計(jì)算機(jī)運(yùn)用到教學(xué)中很有必要。本文主要從多媒體教學(xué)和計(jì)算程序兩個(gè)方面討論計(jì)算機(jī)在化工熱力學(xué)課程中的重要性。

2 多媒體輔助課堂教學(xué)

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)往往從鈴聲響起便是教師的獨(dú)舞，一節(jié)課未間斷的板書(shū)，填鴨式的教學(xué)。這種教學(xué)模式固然有其優(yōu)點(diǎn)，但長(zhǎng)此以往會(huì)使學(xué)生對(duì)課堂乏味，而且不能準(zhǔn)確地反映學(xué)生的聽(tīng)課效率和對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況[1]，尤其是化工熱力學(xué)這一門(mén)概念性強(qiáng)公式冗長(zhǎng)的課程。這種教學(xué)模式其課堂效果往往事倍功半。因此尋求新的課堂改進(jìn)方案十分必要。

發(fā)展增添教學(xué)方式方法，將數(shù)字媒體技術(shù)融入課堂教學(xué)是21世紀(jì)人才培養(yǎng)的趨勢(shì)[2]。人類(lèi)社會(huì)文明發(fā)展步入多媒體時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展很迅速，數(shù)字通訊技術(shù)具有全天候、全方位、多媒體的特性，以3G、4G為代表實(shí)現(xiàn)了圖片、視頻、聲音等網(wǎng)絡(luò)媒體文件的傳接，并能夠在電腦、手機(jī)等載體工具上視頻會(huì)議、商務(wù)辦公、網(wǎng)上沖浪、查閱信息、遠(yuǎn)程教學(xué)等多種信息服務(wù)。我們生活的方方面面都受網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)影響著，當(dāng)然作為國(guó)之大計(jì)的教育也不例外。

聲音、圖像、視頻信息傳播技術(shù)的迅猛發(fā)展加快了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的步伐。教學(xué)則必須與時(shí)俱進(jìn)，在教學(xué)中掌握數(shù)字媒體技術(shù)，學(xué)會(huì)如何使用這一工具，讓其成為現(xiàn)代教學(xué)的重要組成部分。一對(duì)一、一對(duì)多在線(xiàn)傳授、遠(yuǎn)程教育、高校網(wǎng)課的建設(shè)對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)的應(yīng)用都有實(shí)質(zhì)性意義。在新的課堂授課中，教師可以采用增強(qiáng)老師與學(xué)生之間的互動(dòng)，提升教學(xué)質(zhì)量，課堂問(wèn)答、電腦自媒體與黑板匹配教學(xué)等一系列教學(xué)革新方法，也就是等同于開(kāi)發(fā)出第二課堂，此舉不但能使學(xué)生打破固定聽(tīng)課思維，極大提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，而且這種利用電子媒體與傳統(tǒng)板書(shū)相結(jié)合的模式可以在很大程度上解放老師，減少教師板書(shū)環(huán)節(jié)，節(jié)約課堂時(shí)間，在課堂中講述更多的知識(shí)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂效率低的缺點(diǎn)。同時(shí)有助于提高教師教授及學(xué)生學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)課程的熱情。

3 計(jì)算機(jī)程序構(gòu)建教學(xué)模型，簡(jiǎn)化計(jì)算

化工熱力學(xué)在研究氣體、液體系統(tǒng)時(shí)往往需要構(gòu)建更精確、更科學(xué)的模型，如理想氣體狀態(tài)方程PV=RT。嚴(yán)格地說(shuō)，在低壓過(guò)程中，真實(shí)氣PVT關(guān)系才接近理想氣體，于是新的模型即為低壓環(huán)境。再如BWR等高次的狀態(tài)方程，真實(shí)流體的敘述則要運(yùn)用Wilson活度系數(shù)模型。這些化工熱力學(xué)精確的模型多數(shù)由數(shù)學(xué)表達(dá)式組成，這些公式冗長(zhǎng)繁瑣，計(jì)算步驟很多，如果人工一步步運(yùn)算又有不小的難度。計(jì)算機(jī)在教育上的應(yīng)用則解決了這一問(wèn)題，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)可以很大程度上提高學(xué)生計(jì)算效率和準(zhǔn)確度。同時(shí)也使學(xué)生解決化學(xué)工程問(wèn)題的本領(lǐng)增強(qiáng)。已經(jīng)比較成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)為教師和學(xué)生提供了編程語(yǔ)言和應(yīng)用軟件語(yǔ)言，既有諸如C++程序和Fortran程序的高級(jí)語(yǔ)言，也有可以進(jìn)行超復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算的商業(yè)應(yīng)用軟件，如Mathematica[3]和Math CAD[4]等語(yǔ)言。此外各類(lèi)圖表和繪圖功能的軟件層出不窮，這些軟件能較高效對(duì)化工熱力學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，甚至連最基礎(chǔ)的Office軟件中的Excel[5]也能對(duì)化工熱力學(xué)中的諸多數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)日常化工熱力學(xué)教學(xué)遇到計(jì)算時(shí)，應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，先從理論分析著手，模擬計(jì)算流程，編輯計(jì)算程序，再利用不同的軟件將結(jié)果計(jì)算出。以此提高計(jì)算效率和精確度。如講授用到PR狀態(tài)方程計(jì)算氣體的摩爾體積時(shí)，使用Excel就能很快地表示出計(jì)算的結(jié)果；涉及用模型預(yù)測(cè)溶液的活度系數(shù)時(shí)，我們采用Math CAD軟件進(jìn)行計(jì)算。在學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)生可以對(duì)同一個(gè)未知題采用多種方法來(lái)解決，他們可以根據(jù)自己對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度和對(duì)計(jì)算機(jī)的熟悉度進(jìn)而設(shè)計(jì)不同方案。在課下，教師留給學(xué)生些許課后作業(yè)，以此來(lái)幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)這種模式運(yùn)用在化工熱力學(xué)教學(xué)中，符合計(jì)算機(jī)技術(shù)快速融入教育的現(xiàn)代教學(xué)的趨勢(shì)，學(xué)生可以了解計(jì)算機(jī)在化工熱力學(xué)中的發(fā)展近況，而且相比手工計(jì)算，計(jì)算機(jī)可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化計(jì)算步驟，幫助學(xué)生戰(zhàn)勝對(duì)繁瑣的公式演算的恐懼。這種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)讓學(xué)生融入知識(shí)本身。學(xué)生也會(huì)漸漸愛(ài)上化工熱力學(xué)這門(mén)課程 。

4 結(jié)語(yǔ)

化工熱力學(xué)的教學(xué)成果將影響化工分離、化工能量分析、化工生產(chǎn)設(shè)計(jì)等課程的教學(xué)質(zhì)量，也會(huì)影響到化學(xué)制藥方面的教育，應(yīng)該引起高?；瘜W(xué)工作者的重視和關(guān)注。盡管化工熱力學(xué)的教學(xué)上存在著諸多困難點(diǎn)，但是高等教師不能經(jīng)常抱怨，隨意馬虎，糊弄了事。應(yīng)該盡到教師應(yīng)盡的職責(zé)，因材施教，不斷革新自己的教學(xué)方式方法、形成良好的教學(xué)氛圍、與時(shí)俱進(jìn)時(shí)刻關(guān)注其最新發(fā)展?fàn)顩r，變更教學(xué)模式，已達(dá)到化工熱力學(xué)課程教學(xué)目的，提高教學(xué)質(zhì)量。本文從多媒體教學(xué)和計(jì)算程序兩個(gè)方面討論了計(jì)算機(jī)在化工熱力學(xué)課程中的重要性。希望能為從事化工熱力學(xué)的教職工提供一些參考。