面向工程教育認(rèn)證的《化工熱力學(xué)》教學(xué)探索*

戴亞芬，何祿英，高家俊，熊 蕓，閆志國

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430205)

《化工熱力學(xué)》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)必修的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，其知識(shí)體系在化工過程研究與工藝設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該課程的教學(xué)體系實(shí)現(xiàn)了原理、模型、應(yīng)用三要素的結(jié)合[1]，旨在培養(yǎng)學(xué)生從熱力學(xué)角度闡釋化工過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化及能量有效利用極限的能力，進(jìn)而為其學(xué)習(xí)后續(xù)課程和解決實(shí)際工程問題打下牢固的基礎(chǔ)。

自2016年6月我國加入了《華盛頓協(xié)議》以來，工程教育專業(yè)認(rèn)證已成為國內(nèi)工科專業(yè)的發(fā)展趨勢，其核心是確認(rèn)工科畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)體系[2]?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)是武漢工程大學(xué)辦學(xué)歷史最長、師資力量最強(qiáng)、規(guī)模最大、培養(yǎng)質(zhì)量最高的本科專業(yè)，是湖北省首批“國家級(jí)一流”建設(shè)專業(yè)、國家級(jí)特色專業(yè)、省級(jí)品牌專業(yè)，三次通過國際工程教育專業(yè)認(rèn)證，2016年獲6年認(rèn)證期限，是省級(jí)拔尖創(chuàng)新人才培育試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目、教育部卓越工程師教育培訓(xùn)計(jì)劃項(xiàng)目、湖北省戰(zhàn)略性新興(支柱)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目、教育部首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目和湖北省“一流學(xué)科”重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)。

在面向工程教育認(rèn)證背景下，我校堅(jiān)持加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)課建設(shè)。化工熱力學(xué)在化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程體系中起著承先啟后的作用，旨在培養(yǎng)學(xué)生樹立工程思想，啟發(fā)創(chuàng)新思維。本文面向工程教育認(rèn)證，以我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)《化工熱力學(xué)》課程為研究對象，對此課程的建設(shè)與教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索。

1 以學(xué)科前沿技術(shù)激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

化工熱力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包括物性數(shù)據(jù)和熱力學(xué)定律。物性數(shù)據(jù)在教材中主要顯示為熱力學(xué)圖表，初學(xué)者難以迅速接受大量數(shù)據(jù)信息和規(guī)律；而熱力學(xué)定律則描述抽象，相關(guān)推導(dǎo)又對學(xué)生有一定的邏輯演繹能力的要求。因此，化工熱力學(xué)是一門“焓焓”糊糊“熵”腦筋的課程，教學(xué)過程中學(xué)生會(huì)感覺枯燥，缺乏學(xué)習(xí)熱情。前沿成果具有時(shí)效性，代表了當(dāng)前課程內(nèi)容的直接應(yīng)用。優(yōu)秀科技成果的引入，能拓展學(xué)生知識(shí)廣度，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如，在學(xué)習(xí)“純流體的p-V-T關(guān)系”中相圖的超臨界流體區(qū)時(shí)，可引用相關(guān)前沿應(yīng)用，如超臨界CO2用于新能源領(lǐng)域萃取回收鋰[3]、利用液氨pVT變化的熱棒技術(shù)來解決青藏鐵路路基多年凍土層夏季融沉、冬季凍脹的不穩(wěn)定問題[4]，打破學(xué)生對傳統(tǒng)化工行業(yè)的刻板印象，有助于形成對本專業(yè)發(fā)展和就業(yè)前景積極的影響，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的熱情。

2 強(qiáng)化現(xiàn)代化工軟件工程應(yīng)用的意識(shí)

使用專業(yè)模擬軟件，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)是工程教育專業(yè)認(rèn)證中必不可少的一項(xiàng)畢業(yè)要求，計(jì)算機(jī)輔助模擬已化工類專業(yè)核心課程的重要教學(xué)內(nèi)容。目前，各種現(xiàn)代計(jì)算軟件可用于化工熱力學(xué)輔助教學(xué)，浙江大學(xué)陳新志教授團(tuán)隊(duì)在化工熱力學(xué)教學(xué)中采用ThermalCal軟件進(jìn)行壓縮制冷循環(huán)、同時(shí)涉及反應(yīng)平衡與相平衡系統(tǒng)的計(jì)算，能夠有效減輕計(jì)算壓力，且計(jì)算結(jié)果精確，操作步驟簡單易行，從而提高學(xué)生工程計(jì)算和對知識(shí)的應(yīng)用能力[5-6]。我?；は到萄惺乙苍诨崃W(xué)教學(xué)中應(yīng)用了一些現(xiàn)代軟件進(jìn)行探索。例如，在求解“立方型狀態(tài)方程”時(shí)老師用實(shí)例示范Excel、Matlab、MathCAD求解的過程，在講解“低壓泡露點(diǎn)汽液平衡計(jì)算”時(shí)采用流程模擬軟件AspenPlus物性分析功能對常壓下甲醇-水二元體系對比了Wilson、NRTL、UNIQUAC活度系數(shù)模型求解出的T-x-y數(shù)據(jù)，將化工過程的基礎(chǔ)計(jì)算與流程模擬統(tǒng)一起來。此外，在化工熱力學(xué)課后作業(yè)中，要求學(xué)生至少掌握一種軟件進(jìn)行數(shù)值求解，替代手動(dòng)迭代計(jì)算，提高計(jì)算效率，有助于增強(qiáng)他們應(yīng)用熱力學(xué)知識(shí)結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算軟件解決實(shí)際問題的意識(shí)。

3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)下充分鍛煉綜合應(yīng)用能力

在當(dāng)今信息日益增長的形勢下，學(xué)生在面對“信息爆炸”式的局面需要學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，能夠針對復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)馁Y源、工具，并能通過信息綜合獲得合理有效的結(jié)論。在化工熱力學(xué)平時(shí)成績的考核環(huán)節(jié)中，我們設(shè)置了分組大作業(yè)匯報(bào)環(huán)節(jié)，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下充分鍛煉學(xué)生組織、計(jì)算、搜集、歸納、總結(jié)信息、表達(dá)等綜合能力。具體而言，大作業(yè)匯報(bào)要求學(xué)生組隊(duì)完成“計(jì)算101.325 kPa下乙醇-水體系T-x-y數(shù)據(jù)并判斷是否發(fā)生共沸，查閱總結(jié)出由20wt%酒精精制成99%乙醇汽車燃料的分離方法”，從學(xué)生執(zhí)行意愿來看，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生積極主動(dòng)組隊(duì)、分工，將平時(shí)所學(xué)零散的知識(shí)點(diǎn)和技能串起來完成大作業(yè)任務(wù)，該環(huán)節(jié)要求學(xué)生站在講臺(tái)上掌握主動(dòng)性，是一次難得鍛煉匯報(bào)和表達(dá)能力的機(jī)會(huì)；從學(xué)生完成方式來看，所有小組均采用了計(jì)算機(jī)軟件輔助求解汽液平衡數(shù)據(jù)，50%采用Excel單變量求解，另50%小組采用AspenPlus物性分析功能計(jì)算；從計(jì)算結(jié)果來看，正確率約為70%，經(jīng)分析問題一般出在汽液平衡方程式的錯(cuò)誤使用、活度系數(shù)模型中組分編號(hào)混淆、Antonie方程參數(shù)錯(cuò)誤選用等步驟；從信息搜集歸納結(jié)果來看，學(xué)生相關(guān)經(jīng)驗(yàn)累積不足，文獻(xiàn)調(diào)研多數(shù)為中文文獻(xiàn)，檢索到的信息缺乏歸納整理?？傊M管本次大作業(yè)匯報(bào)教學(xué)方式的探索暴露出學(xué)生綜合運(yùn)用技能的一些不足，但本次實(shí)踐任務(wù)驅(qū)動(dòng)下學(xué)生通過自己梳理工程問題需求解的計(jì)算式并完成計(jì)算，查閱及整理、歸納文獻(xiàn)，可以更好地了解“抽象”熱力學(xué)原理及“復(fù)雜”數(shù)學(xué)模型在化工過程中的重要作用，強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)，充分鍛煉了對所學(xué)知識(shí)和技能的綜合運(yùn)用能力。

4 貫徹培養(yǎng)工程素養(yǎng)和工程思維

工程教育的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，“新工科”背景下高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需要能夠綜合掌握學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)和技能[7]，具有研究開發(fā)、工程設(shè)計(jì)和解決工程技術(shù)問題的能力，并能洞察工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要求學(xué)生理論扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)面廣，具有工程素養(yǎng)和工程思維?！痘崃W(xué)》本身是一門理論與化工實(shí)際緊密相連的課程，我校在課程教學(xué)過程中通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐，不斷強(qiáng)化學(xué)生工程素養(yǎng)和工程思維。目前，我校化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)開設(shè)了 “常壓下乙醇-水二元汽液平衡測定”實(shí)驗(yàn)課程，工程實(shí)踐環(huán)節(jié)安排學(xué)生赴武漢中韓石化、湖北荊門石化、湖北三寧化工等優(yōu)秀企業(yè)進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)，啟發(fā)運(yùn)用工程思維解決問題。例如，分餾塔為什么配備的諸多換熱器，使用的分別是什么熱介質(zhì)，如果更換成其他熱介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？通過查物性數(shù)據(jù)和計(jì)算，綜合比較換熱介質(zhì)的成本、設(shè)備要求及能量利用情況，從而給出最優(yōu)化的換熱方案。教學(xué)過程中這類討論行問題的解決始終堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”，在教師指導(dǎo)下充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，一方面可以對所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)查漏補(bǔ)缺，另一方面還能夠鍛煉學(xué)生的工程素養(yǎng)和工程思維，從而在綜合分析不同換熱介質(zhì)的基礎(chǔ)上更優(yōu)的換熱方案。

綜上，本文面向工程教育認(rèn)證，結(jié)合我校在《化工熱力學(xué)》課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)行了一些教學(xué)改革與探索。通過以學(xué)科前沿技術(shù)激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、強(qiáng)化現(xiàn)代化工軟件工程應(yīng)用的意識(shí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)下充分鍛煉綜合應(yīng)用能力、貫徹培養(yǎng)工程素養(yǎng)和工程思維等改革措施，將學(xué)生知識(shí)掌握、能力提升、素質(zhì)培養(yǎng)這三個(gè)方面有機(jī)融合于教學(xué)實(shí)踐中。今后我校仍將不斷調(diào)研、總結(jié)和創(chuàng)新，立足于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，在《化工熱力學(xué)》教學(xué)中進(jìn)一步豐富教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出助力我國經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)發(fā)展的具備工程思想、創(chuàng)新思維高素質(zhì)應(yīng)用型人才。