《化工熱力學(xué)》教學(xué)方法的探索和思考*

朱 娜，王 潔

(1 南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226008；2 南京林業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210037)

化工熱力學(xué)課程是化學(xué)工程專業(yè)最重要的課程之一，是化工類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程?；崃W(xué)以物理化學(xué)為基礎(chǔ)，從熱力學(xué)第一、第二定律出發(fā)，利用高等數(shù)學(xué)建模計算，研究化工過程中各種能量的相互轉(zhuǎn)化和有效利用，研究各種物理和化學(xué)變化過程中達到平衡的理論極限、條件和狀態(tài)[1-2]，為分離工程、化學(xué)工藝學(xué)提供了相平衡的理論計算依據(jù)和工藝參數(shù)，是化工過程開發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的重要理論依據(jù)。

1 化工熱力學(xué)課程特點及目前存在的主要問題

化工熱力學(xué)課程理論性強，概念多且抽象，公式復(fù)雜且存在大量繁瑣的推導(dǎo)過程，側(cè)重邏輯思維，這些使得學(xué)生學(xué)習(xí)過程枯燥無味[3-4]。并且大部分學(xué)生覺得該學(xué)科不像化工原理課程，與實際應(yīng)用緊密相關(guān)。因此，對化工熱力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，不夠重視也提不起興趣。同時，我校化工熱力學(xué)課程設(shè)置僅48課時，而化工熱力學(xué)課程涉及流體的PVT關(guān)系、流體及其過程行為、熱力學(xué)第一第二定律等化工熱力學(xué)基本原理、計算模型與應(yīng)用方法等等。課程內(nèi)容與課時之間存在矛盾，因此要在規(guī)定有限的學(xué)時內(nèi)使學(xué)生具備化工熱力學(xué)課程所要求的理論知識，并能應(yīng)用在后續(xù)化工相關(guān)的科學(xué)研究或?qū)嶋H工作中，是亟待解決的問題。

2 化工熱力學(xué)教學(xué)方法的探索和思考

2.1 精煉教學(xué)內(nèi)容

我校選用的教材是馬沛生、李永紅主編的《化工熱力學(xué)》第二版。該教材內(nèi)容理論性強，內(nèi)容多且邏輯嚴密，在授課過程中如果面面俱到，48課時是完全不夠，因此，在授課內(nèi)容上可以根據(jù)實際情況和授課對象做一些調(diào)整。一方面，該課程涉及到的基本概念和一些公式，之前在物理化學(xué)中學(xué)習(xí)過[5]，因此，在授課時，可以簡單復(fù)習(xí)一下；另一方面，本課程涉及大量復(fù)雜公式的推導(dǎo)，高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)基礎(chǔ)的好壞直接影響該課程的學(xué)習(xí)，而二本學(xué)校的學(xué)生本身基礎(chǔ)比較薄弱、邏輯思維能力相對較弱。因此，在授課過程中，對經(jīng)驗或半經(jīng)驗的公式提出輕推導(dǎo)，重點介紹和對比各種公式的適用條件以及應(yīng)用實例，例如第二章流體的PVT關(guān)系中涉及到很多狀態(tài)方程，如范德華方程、RK方程、SRK方程、PR方程等等，這些方程中的參數(shù)需要用到大量復(fù)雜的推導(dǎo)且這些推導(dǎo)過程有較多相似的地方，那么在教學(xué)過程中我們可以簡單交待一下是通過在臨界點一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)為零得到這些參數(shù)的值，著重介紹后續(xù)的計算過程、這些狀態(tài)方程的區(qū)別以及它們的適用范圍。對于本身高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好且邏輯思維能力強的學(xué)生，可以鼓勵學(xué)生課后思考推導(dǎo)過程，訓(xùn)練邏輯思維能力。

2.2 思維導(dǎo)圖構(gòu)建知識體系

化工熱力學(xué)課程知識量大，每一章節(jié)就有大量的概念、公式以及推導(dǎo)過程，隨著后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的增多，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往容易陷入困境，把知識點搞混。對此，在授課過程中，我們可以引入思維導(dǎo)圖。首先，在緒論部分時，要詳細介紹化工熱力學(xué)的研究對象、研究內(nèi)容以及為什么，在此基礎(chǔ)上，我們引入本課程所涉及到的內(nèi)容及各部分的關(guān)系，從而列出本課程的內(nèi)容框架。同時為了清楚介紹各章節(jié)之間的邏輯關(guān)系，可以用樹狀圖將各章內(nèi)容聯(lián)系起來。隨后在開展每一章內(nèi)容之前，首先介紹本章節(jié)內(nèi)容在化工熱力學(xué)課程框架中的地位與作用，使學(xué)生時刻明白目前章節(jié)的位置，明確學(xué)習(xí)目的與重點，做到有的放矢。在每一章節(jié)結(jié)束時，都要系統(tǒng)的復(fù)習(xí)一下本章節(jié)的內(nèi)容。當化工熱力學(xué)課程全部內(nèi)容結(jié)束后，讓學(xué)生自己練提綱，總結(jié)每一章內(nèi)容的知識點、公式及其適用條件以及解決什么問題，然后羅列各章節(jié)之間的關(guān)系。通過羅列提綱的方法，使學(xué)生對該課程的內(nèi)容有清楚的認識，并明白各章節(jié)之間的關(guān)系，從而提高學(xué)習(xí)效率。

2.3 多元化教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果

通過引導(dǎo)式教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生思考，通過例題教學(xué)和習(xí)題演練提高教學(xué)效果。

2.3.1 引導(dǎo)式教學(xué)

化工熱力學(xué)課程概念多且都很抽象，不像化工原理和化學(xué)反應(yīng)工程等學(xué)科涉及到工程化的實驗條件和工程實際問題。學(xué)生往往覺得化工熱力學(xué)課程既難學(xué)又無用武之地，在學(xué)習(xí)之初往往興趣不大且不夠重視。因此，如何將死板的熱力學(xué)知識生動化、實用化，是教學(xué)中需要解決的首要問題。對此，可以采用引導(dǎo)式教學(xué)。引導(dǎo)式教學(xué)是指通過實例或提出問題，引發(fā)學(xué)生的思考，探究其中的原理和原因[6]。授課時通過將化工熱力學(xué)與生活中的實例以及之前學(xué)習(xí)的相關(guān)課程結(jié)合起來，使學(xué)生意識到化工熱力學(xué)與生活緊密相連，并不那么枯燥無味、晦澀難懂，從而激發(fā)學(xué)生探索新知識的欲望。

在講授緒論部分的時候，可以引出與化工熱力學(xué)知識相關(guān)的生活中的實際問題。比如冰箱的工作原理與空調(diào)是否相同？夏天打開冰箱門能否當空調(diào)使用？空調(diào)和取暖器哪個更省電？假酒為何會喝死人？怎樣去除酒精中的甲醇？為什么無水酒精的價格是95%酒精的兩倍？等等[7]。通過引入這些與生活密切相關(guān)的實際問題，可以引起學(xué)生對《化工熱力學(xué)》課程的學(xué)習(xí)興趣。

在講授具體的知識點之前，可以先拋出與知識點相關(guān)的一些問題，引導(dǎo)學(xué)生思考。例如在介紹第二章流體的PVT關(guān)系中臨界流體的應(yīng)用時，可以舉例為什么我們研究較多的的超臨界流體是CO2和H2O？土壤中的有毒物質(zhì)可以通過哪些方法除去？在介紹PVT相圖應(yīng)用的時候，可以舉例石油液化氣的主要成分有哪些，為何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷、乙烷和正己烷？再比如介紹第五章均相混合物熱力學(xué)性質(zhì)中Henry定律時，我們可以舉例為何會有高山反應(yīng)、潛水的時候又有醉氧反應(yīng)。通過這些實例的提出，讓學(xué)生自己查閱資料，發(fā)散思維，隨后在授課過程中引導(dǎo)學(xué)生思考，將知識點與實例結(jié)合起來，這樣可以加強學(xué)生對知識點的理解和記憶。

奧貝爾說過“影響學(xué)習(xí)的最重要因素，是學(xué)生已經(jīng)知道了什么，根據(jù)學(xué)生的原有狀況進行教學(xué)”。因此，在后續(xù)授課過程中涉及相關(guān)知識點時，可以引入之前其它學(xué)科的實例。比如10 kg/cm2的水蒸氣能否推動汽輪機？精餾塔的設(shè)計主要依據(jù)是什么？石墨能否通過一定反應(yīng)變成金剛石？判斷依據(jù)是什么？滿足哪些條件可以作為制冷劑？通過這些例子的引入，一方面幫助學(xué)生回憶之前學(xué)過的內(nèi)容，另一方面加強知識點之間的相互聯(lián)系，使學(xué)生能融會貫通的運用相關(guān)知識點。同時，化工熱力學(xué)的知識概念都比較抽象，比如超臨界流體，學(xué)生對此沒有一個具體的認識，因此在授課過程中，可以播放一些關(guān)于超臨界流體實驗的視頻，從而讓學(xué)生加強對超臨界流體的認識。

2.3.2 例題教學(xué)

化工熱力學(xué)課程具備嚴密的知識體系，其概念、公式和解題方法具有抽象、形式化和邏輯性強等特點，類似高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)。對于此類學(xué)科，為了保證學(xué)習(xí)效果，可以通過典型的、具體的例題幫助學(xué)生理解。因此采用例題教學(xué)，同時加強習(xí)題演練。

例題教學(xué)是一種闡述解決問題過程的教學(xué)，通過解題過程詳細充分的展開，讓學(xué)生經(jīng)歷化工熱力學(xué)知識形成和發(fā)展的過程，同時將常用題型分析和解題技巧傳授給學(xué)生，從而幫助學(xué)生獲得對知識的深刻理解。學(xué)生通過例題教學(xué)獲取知識后，需要通過進一步的習(xí)題演練鞏固所學(xué)知識，因此，課后習(xí)題的安排就顯得十分重要和必要。演練習(xí)題是學(xué)生學(xué)習(xí)活動中的一種常用基本的形式，其作為一個橋梁，起到銜接理論知識和實際應(yīng)用的作用，是課堂和課本所學(xué)知識的應(yīng)用和實踐。通過練習(xí)，一方面獲取知識、鞏固加深對知識點的理解，另一方面提高了分析問題和解決問題的能力，最重要的，可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力以及獨立思考、克服困難的精神。化工熱力學(xué)概念多、公式多，習(xí)題量大，因此需要組織學(xué)生進行不同層次、不同形式的解題練習(xí)，重點放在熱力學(xué)第一定律和第二定律的應(yīng)用上，幫助學(xué)生及時鞏固所學(xué)知識，進一步加深對所學(xué)知識的理解。

3 結(jié) 語

在化工熱力學(xué)課程的教學(xué)過程中，應(yīng)多從學(xué)生角度出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的實際情況，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。同時采用靈活的教學(xué)形式，注重學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)。從而使學(xué)生具備化工熱力學(xué)課程所要求的理論知識，并能應(yīng)用在后續(xù)化工相關(guān)的科學(xué)研究或?qū)嶋H工作中。

以上是講授化工熱力學(xué)課程中的一些體會和認識。