基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的化工熱力學(xué)課程教學(xué)改革

丁雪 宋春敏 劉熠斌 喬柯 楊軍衛(wèi) 譚雅文

[摘 要] 基于對工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對化工熱力學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了詳細(xì)介紹。課程改革實(shí)踐的具體措施包括：優(yōu)化課程內(nèi)容，設(shè)計綜合案例，輔助工程軟件，建立進(jìn)程式考評體系等，以提升學(xué)生將專業(yè)知識和工程實(shí)踐相結(jié)合的能力。

[關(guān)鍵詞] 化工熱力學(xué);教學(xué)改革;工程實(shí)踐

一、改革背景

高等工程教育的根本任務(wù)在于培養(yǎng)優(yōu)秀工程技術(shù)人才，關(guān)鍵在于工程實(shí)踐教育[1]。2018年教育部發(fā)布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，列出了核心課程體系建議，指出核心課程體系是實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的體現(xiàn)[2，3]?；崃W(xué)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，對培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)起著重要作用[4，5]。在專業(yè)課程鏈中，化工熱力學(xué)處于承上啟下的過渡環(huán)節(jié)，其基本理論指導(dǎo)著化學(xué)反應(yīng)、分離過程中物質(zhì)及能量的合理利用，最終于化工設(shè)計、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)得以體現(xiàn)。然而，化工熱力學(xué)課程概念抽象，理論性強(qiáng)，公式繁多，學(xué)生學(xué)習(xí)通常側(cè)重基本概念和繁雜的數(shù)學(xué)計算，而對于熱力學(xué)的實(shí)踐指導(dǎo)作用缺乏感性認(rèn)識。從培養(yǎng)化工專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力的角度考慮，我們對化工熱力學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，旨在強(qiáng)化教學(xué)中相關(guān)理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)的銜接，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際的能力、增強(qiáng)工程意識及開拓創(chuàng)新能力。

二、改革內(nèi)容

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容

1.理順理論知識點(diǎn)，實(shí)施主線式教學(xué)。化工熱力學(xué)教學(xué)以Gibbs自由能G=H-TS為主線，以“實(shí)際=理想+校正”為主要處理問題的方法，建立熱力學(xué)理論知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，研究對象從簡單的理想體系逐漸過渡到真實(shí)體系，循序漸進(jìn)，理論最終服務(wù)于平衡研究和過程能量分析的實(shí)際。

2.將生活實(shí)例和工程問題引入課堂。選用生活、工程及科研實(shí)例：如配酒溶液體積減小問題、相平衡理論在閃蒸塔設(shè)計中的應(yīng)用問題、熱力學(xué)定律在化工單元設(shè)備如泵、換熱器、透平機(jī)中的應(yīng)用問題以及熱力學(xué)原理在蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)中的應(yīng)用如電廠熱水利用以及空調(diào)、冰箱、熱泵中的應(yīng)用問題，等等。鮮活的案例促使學(xué)生更加深刻地了解各種分離操作的特點(diǎn)和應(yīng)用，并對分離方法的選擇原則和分離技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生更深層次的理解。

3.設(shè)計綜合案例，強(qiáng)化理論和實(shí)際的聯(lián)系。典型的化工過程設(shè)計主要包括判斷化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行、反應(yīng)物預(yù)處理和產(chǎn)物的分離處理、工藝過程的能量合理利用。這些過程都需要在熱力學(xué)基本原理指導(dǎo)下完成。選用涵蓋課程不同章節(jié)的基本知識點(diǎn)的綜合案例，在化工熱力學(xué)課堂教學(xué)中穿插講解，使學(xué)生在知識的接受上實(shí)現(xiàn)連貫與融合，在掌握基礎(chǔ)知識的同時，又能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際生產(chǎn)相聯(lián)系，做到學(xué)以致用。例如石油催化裂化過程包括反應(yīng)—再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)。在該工藝設(shè)計中，需要通過熱力學(xué)反應(yīng)平衡計算分析該工藝反應(yīng)的可行性;分餾系統(tǒng)和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)所用的分離塔設(shè)計可根據(jù)熱力學(xué)平衡計算結(jié)合物料衡算及能量衡算完成，以確定生產(chǎn)過程中所需設(shè)備的尺寸和設(shè)備數(shù)目，以及分離條件等;對工藝過程進(jìn)行能量分析可以指導(dǎo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及能量回收系統(tǒng)的設(shè)備選擇。類似的工藝案例還有合成氨、裂解制乙烯等，我們將這些工藝過程滲透于課程各章節(jié)主要知識點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生在不同環(huán)節(jié)把熱力學(xué)基礎(chǔ)知識應(yīng)用于實(shí)際案例中，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的貫通認(rèn)識，達(dá)到學(xué)與做的統(tǒng)一，工程實(shí)踐能力得以提高。

（二）以工程軟件輔助課程建設(shè)

由于解決化工真實(shí)生產(chǎn)過程問題所涉及系統(tǒng)通常較為復(fù)雜，溫度壓力幅值范圍寬廣，物性變化受多種條件影響等，往往不能用簡單的理想模型來計算，而是需要適用范圍更廣、準(zhǔn)確性更好、復(fù)雜性更高的實(shí)際模型。實(shí)際體系計算模型參數(shù)較多，模型復(fù)雜，計算工作量大，要實(shí)現(xiàn)快速高效的計算，需借助計算機(jī)來完成。Aspen Plus是化工生產(chǎn)裝置設(shè)計、模擬和優(yōu)化的大型通用過程模擬軟件，利用該軟件可以建立化工流程并進(jìn)行過程計算，熱力學(xué)方程是該軟件的主要計算依據(jù)，包含狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法兩類物性方法。在聯(lián)合課程教學(xué)中以“突出實(shí)用功能、加強(qiáng)能力培養(yǎng)”為指導(dǎo)思想，融合Aspen Plus的計算理念，采用Aspen Plus進(jìn)行實(shí)際案例的化工計算，突顯現(xiàn)代大型計算過程模擬軟件的作用，提高學(xué)生知識運(yùn)用能力和利用效率。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，英文軟件應(yīng)用雖然對部分學(xué)生有一定難度，但多數(shù)學(xué)生卻表現(xiàn)出很大興趣。利用軟件解決復(fù)雜真實(shí)體系的計算，能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時得到實(shí)踐鍛煉，開闊眼界，從而為后續(xù)化工設(shè)計、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)打下更為扎實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐中，我們結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計劃，完善了卓越工程師班的教學(xué)。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐驗證：該軟件用于教學(xué)，教實(shí)一體，簡明生動，效果顯著。

（三）建立進(jìn)程式考評體系

根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和工程意識的目標(biāo)，我們課程組對考評方式和考評內(nèi)容進(jìn)行了分析，建立了進(jìn)程式考評體系，總評成績由平時表現(xiàn)、期中測驗和期末測驗綜合給出。平時表現(xiàn)采取開放式考核，考核形式多樣，從多個側(cè)面考查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。日常作業(yè)則考查學(xué)生掌握和跟進(jìn)課堂知識的程度;課堂練兵為開卷形式，選擇典型題目現(xiàn)做現(xiàn)答，讓學(xué)生知道自己的知識體系中遇到的問題在哪，并怎樣找到答案;拓展型題目基于課程網(wǎng)絡(luò)以思考題、討論題的形式發(fā)布，學(xué)生在網(wǎng)上相互討論、解答并提交答案;通過布置大作業(yè)方式考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識的能力，允許學(xué)生查閱資料、應(yīng)用計算機(jī)計算完成。期末和期中考試采取閉卷形式，以對基礎(chǔ)知識的理解性考查為主，同時引入實(shí)踐類題目，考驗學(xué)生靈活綜合應(yīng)用知識的能力。

（四）建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教育資源，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代學(xué)生獲取知識的重要手段。目前課程的教學(xué)大綱、教案、教學(xué)錄像、課件、習(xí)題、參考文獻(xiàn)等資源已上網(wǎng)并免費(fèi)開放，同時具有網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上布置和提交作業(yè)等師生互動功能。課程網(wǎng)站資源豐富，并保持經(jīng)常更新，方便學(xué)生根據(jù)自身的條件而自主學(xué)習(xí)，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣與熱情。使學(xué)生對專業(yè)知識的領(lǐng)會更加深刻。

三、結(jié)語

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程工藝專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要作用。我們課程組通過課程內(nèi)容整合和貫通性綜合案例的引入，優(yōu)化了課程內(nèi)容;通過引入工程軟件輔助課程建設(shè)，提高了學(xué)生的工程計算能力;通過進(jìn)程式考評體系，考核并提高了學(xué)生處理實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)

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