化工熱力學(xué)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

趙云鵬 荊 濤 胡明剛 鄧慶芳 張 宇 張揮球

(齊齊哈爾大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要分支，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。它是將熱力學(xué)原理應(yīng)用于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，研究化工生產(chǎn)中各種有關(guān)單元操作和過程的問題[1-3]，是化工過程研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，其既要解決化學(xué)問題，又要解決工程實(shí)踐問題，是一門理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程[4-7]。本課程的基本概念和理論比較抽象，公式推導(dǎo)與有關(guān)的計(jì)算過程比較復(fù)雜，學(xué)生系統(tǒng)理解和掌握課程內(nèi)容，特別是在應(yīng)用化工熱力學(xué)的理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問題方面比較困難。為了讓學(xué)生更好地理解和掌握化工熱力學(xué)的基本原理和實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)綜合素質(zhì)強(qiáng)的應(yīng)用型化學(xué)工程與工藝專業(yè)人才，在教學(xué)過程中從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段及考核方式等方面進(jìn)行一些有益的改革研究與實(shí)踐，使學(xué)生樹立工程思想，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立思考與解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。

1 把握教學(xué)內(nèi)容，突出應(yīng)用目的

本課程教學(xué)內(nèi)容主要包括流體的p-V-T關(guān)系、純流體與流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)、相平衡、化工過程的能量分析、蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)等方面。其中流體的p-V-T關(guān)系、純流體與流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)是其它各章節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)，相平衡是熱力學(xué)與傳質(zhì)過程、分離過程之間聯(lián)系的紐帶。課程講授僅32學(xué)時(shí)，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，教學(xué)信息量大，且基本理論抽象難懂，因此必須把握好各章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)層次之間的相互關(guān)聯(lián)、相互作用，才能融會(huì)貫通，做好教學(xué)過程設(shè)計(jì)與課堂內(nèi)容傳授。教學(xué)過程中對(duì)每章的內(nèi)容都按照先簡(jiǎn)單后復(fù)雜、先理想狀態(tài)后實(shí)際狀態(tài)、先基本理論后實(shí)際應(yīng)用的基本原則，漸進(jìn)式地深入展開。教學(xué)內(nèi)容在概念、理論、方法及模型的基礎(chǔ)上突出以應(yīng)用為主要目的，因此課程內(nèi)容的組織和講授緊緊圍繞熱力學(xué)的基本理論、模型與實(shí)際應(yīng)用的主線進(jìn)行。教學(xué)過程中注重結(jié)合具體的應(yīng)用實(shí)例，形象生動(dòng)地對(duì)所運(yùn)用的原理、方法與模型進(jìn)行細(xì)致地講解，有利于學(xué)生理解和掌握化工熱力學(xué)的主要內(nèi)容。注重加強(qiáng)問題啟發(fā)性教學(xué)，積極促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，重在突出基本理論的實(shí)際運(yùn)用，使學(xué)生樹立以概念、理論、方法及模型為基礎(chǔ)，以實(shí)際應(yīng)用為最終目的和落腳點(diǎn)的工程觀點(diǎn)，深刻認(rèn)識(shí)和理解化工熱力學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)與本質(zhì)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

2 運(yùn)用問題啟發(fā)討論教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量

化工熱力學(xué)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師課堂教學(xué)為主，講授基本概念、基本原理和繁瑣枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計(jì)算，不利于開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能與創(chuàng)新思維能力，達(dá)不到良好的教學(xué)效果。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生正確理解和掌握熱力學(xué)的基本知識(shí)和研究處理問題的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，并將熱力學(xué)的基本原理和方法應(yīng)用到化工生產(chǎn)實(shí)踐中，是本課程需要解決的重點(diǎn)問題[8,9]。針對(duì)上述問題，改變傳統(tǒng)的講授方法，課堂運(yùn)用問題啟發(fā)討論教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)以問題為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、以實(shí)際工程應(yīng)用為目的，通過教師引出問題、啟發(fā)指導(dǎo)及師生相互交流討論，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的探索性和主動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，提高了學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。運(yùn)用問題啟發(fā)討論教學(xué)方法，教師能夠及時(shí)跟蹤學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解和掌握的基本情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過程中需要改進(jìn)完善的不足之處。教與學(xué)二者之間相互促進(jìn)、相互提高，收到了較好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

3 注重實(shí)例分析與討論，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力

選取化工過程中典型的實(shí)例在課堂上進(jìn)行分析與討論，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力具有非常重要的作用。例如對(duì)化工過程進(jìn)行能量分析時(shí)，選取典型的蒸汽動(dòng)力廠節(jié)能措施的改進(jìn)為例展開分析與討論[10]。首先，學(xué)生要明確從能量衡算法和有效能衡算法兩個(gè)方面上綜合考慮此問題。其次，分別對(duì)能量衡算法和有效能衡算法進(jìn)行分析與討論：能量衡算法是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，僅反映能量在數(shù)量上的相互轉(zhuǎn)換與利用的情況，沒有考慮能量品位的高低，不能說明能量利用的完善性與合理性；有效能衡算法是結(jié)合熱力學(xué)第一和第二定律，進(jìn)行相同品位能量的數(shù)量衡算，從有效能的利用程度對(duì)能量利用的完善性進(jìn)行評(píng)價(jià)，反映系統(tǒng)中能量的質(zhì)量利用情況。最后，兩種分析方法得出的結(jié)論明顯不同：能量衡算法表明能量利用的薄弱環(huán)節(jié)是冷凝器，而有效能衡算法表明節(jié)能必須改進(jìn)燃燒和傳熱過程，可見有效能衡算法的結(jié)論正確。通過具體實(shí)例的分析與討論，培養(yǎng)和提高了學(xué)生獨(dú)立思考與解決問題的能力，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)基本概念、原理、方法及模型等方面的實(shí)際應(yīng)用能力。

4 豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)效果

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，知識(shí)主要是通過書本、板書和簡(jiǎn)單的圖表等方式向?qū)W生講授，難以收到較好的效果?；崃W(xué)研究的內(nèi)容是化工生產(chǎn)中各種有關(guān)單元操作和過程的問題，并涉及到許多有關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、圖和表等。課堂上合理地采用多媒體教學(xué)手段并結(jié)合板書，運(yùn)用電子圖片、動(dòng)畫對(duì)一些單元操作和過程進(jìn)行演示和講解，向?qū)W生展示一些化工生產(chǎn)過程中的設(shè)備、單元操作過程等，形象生動(dòng)、直觀清楚，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，解決了傳統(tǒng)方法抽象難懂及教師在課堂上描述困難的問題。運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，增加了課堂教學(xué)的信息量，拓寬了學(xué)生的思維空間，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容的理解和掌握，提高了化工熱力學(xué)課堂的教學(xué)效果。

計(jì)算機(jī)在化工熱力學(xué)的計(jì)算問題中具有重要的作用，注重加強(qiáng)計(jì)算機(jī)在解決化工熱力學(xué)問題中的運(yùn)用，例如利用試差迭代方法進(jìn)行立方型狀態(tài)方程體積根的求解時(shí)，直接計(jì)算困難，需要通過計(jì)算機(jī)程序來完成求解過程，計(jì)算速度快且易于實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用還有利于學(xué)生明確計(jì)算過程中公式的適用范圍，參數(shù)設(shè)定等方面的關(guān)鍵問題，加深學(xué)生對(duì)化工熱力學(xué)內(nèi)容的理解與應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要途徑和手段，充分利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，將教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)課件、各章習(xí)題、作業(yè)、問題討論等教學(xué)資源上傳至網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，提供給學(xué)生便于學(xué)習(xí)利用，對(duì)課堂教學(xué)具有很好的輔助作用，更加有益于學(xué)生利用課程平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，培養(yǎng)和提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。通過不斷地豐富各種有效的教學(xué)手段，達(dá)到提高化工熱力學(xué)課程教學(xué)效果的目的。

5 改革考核方式，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)過程

考核方式是化工熱力學(xué)教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)之一，是檢查教學(xué)大綱執(zhí)行情況和評(píng)估教學(xué)質(zhì)量的一種有效方法，是獲取教學(xué)效果反饋信息的主要方式，是持續(xù)改進(jìn)與完善教學(xué)全過程的重要依據(jù)。對(duì)學(xué)生的考核主要包括平時(shí)的過程考核和期末考試考核。本課程原來的考核方式是以期末考試為主，容易導(dǎo)致學(xué)生只重視對(duì)書本知識(shí)的記憶理解，而無法全面考查學(xué)生實(shí)際能力提高的程度。化工熱力學(xué)課程的基本概念和公式多，而且理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，平時(shí)的過程考核能夠充分客觀地反映學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容理解和掌握的程度，主要包括課堂提問與討論、問題練習(xí)、各章作業(yè)、平時(shí)測(cè)驗(yàn)等方面。且平時(shí)的過程考核能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面存在的實(shí)際問題，以便及時(shí)并有針對(duì)性地持續(xù)改進(jìn)教學(xué)中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從而有效地提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。期末考試注重基本知識(shí)、基本理論及其實(shí)際應(yīng)用的考核，既有概念、填空、判斷、選擇、簡(jiǎn)答等考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)、理論和方法等內(nèi)容理解與掌握的題型，又有分析、證明、論述、計(jì)算等考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立分析和解決問題能力的題型。通過對(duì)期末考試答卷質(zhì)量進(jìn)行客觀準(zhǔn)確地分析與評(píng)價(jià)，明晰教學(xué)全過程中各個(gè)環(huán)節(jié)存在的主要問題，及時(shí)進(jìn)行總結(jié)，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)全過程，更好地提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

6 結(jié)語

通過化工熱力學(xué)課程的教學(xué)改革研究與實(shí)踐，把握好教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)與本質(zhì)、突出內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用目的，改革教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方式，激發(fā)學(xué)生對(duì)化工熱力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果和質(zhì)量，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，提高學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。同時(shí)，通過這些有益的教學(xué)改革研究與實(shí)踐，有效地提高授課教師的綜合素質(zhì)與能力，為培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬及創(chuàng)新能力強(qiáng)的應(yīng)用型化工專業(yè)人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。