化工熱力學(xué)教學(xué)策略改革*

鄧曉婷，尹紹峰，徐竹英

(邵陽學(xué)院食品與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000)

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該課程在物理化學(xué)的理論基礎(chǔ)上結(jié)合化工生產(chǎn)過程中的實(shí)際模型，從熱力學(xué)的角度分析化工過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化及能量有效利用的極限?；崃W(xué)所研究的熱力學(xué)性質(zhì)、相平衡、化學(xué)反應(yīng)平衡、熵平衡等為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化工反應(yīng)工程、化工分離工程、化工設(shè)計(jì)等課程提供理論基礎(chǔ)。所以化工熱力學(xué)在化學(xué)工程專業(yè)的知識(shí)體系中起到了承上啟下的重要作用，化工熱力學(xué)將理論知識(shí)過渡到實(shí)際應(yīng)用中，是理論與實(shí)踐之間的橋梁[2]。

化工熱力學(xué)的特點(diǎn)是理論多且抽象、公式繁多、計(jì)算復(fù)雜，給人的第一感覺就是“焓焓(含含)糊糊熵(傷)腦筋”，讓很多學(xué)生望而生畏。但化工熱力學(xué)中的公式具有很強(qiáng)的相關(guān)性，理解記憶既能將公式牢固記憶，還能掌握其物理意義。譬如第三章所講述的熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算，雖物理化學(xué)中有介紹，但涉及的熱力學(xué)物理量繁多，熱力學(xué)的研究方法就是以熱力學(xué)基本關(guān)系式、Maxwell關(guān)系式、熱力學(xué)偏導(dǎo)關(guān)系式為橋梁，建立關(guān)系式，將難測(cè)的量(如：U、H、A、G、S)用可測(cè)的量(如：P、V、T、X)表示出來。而p-V-T之間的關(guān)系又是通過第二章的狀態(tài)方程聯(lián)系起來。因此將公式之間的邏輯關(guān)系及章節(jié)之間的關(guān)系梳理清楚，理解并推理記憶是解決公式繁雜的有效方式[3]。

化工熱力學(xué)的研究對(duì)象與物理化學(xué)研究對(duì)象最大的區(qū)別就在于物理化學(xué)的研究對(duì)象為單組分在理想狀態(tài)下的熱力物理量，而化工熱力學(xué)的研究對(duì)象為多組分混合物在非理想狀態(tài)下的熱力學(xué)物理量。這打破了學(xué)生一直以來將研究對(duì)象視為理想狀態(tài)的定向思維，使學(xué)生理解和應(yīng)用熱力學(xué)知識(shí)較困難。

1 當(dāng)代大學(xué)生的性格特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方式

當(dāng)代大學(xué)生的主力軍為00后，他們?cè)谖镔|(zhì)豐厚，信息發(fā)達(dá)的環(huán)境中成長，電子產(chǎn)品的普及讓他們從小就能接觸多元文化，因此他們對(duì)新事物的接受能力遠(yuǎn)比80后、90后強(qiáng)，思想和心態(tài)也更加活躍[4]。00后大多在現(xiàn)代小區(qū)中成長，鄰里之間常有“隔墻而居，竟互不相識(shí)”的情況，童年時(shí)期大多被關(guān)在家里玩玩具或電子化產(chǎn)品，很少出去與同齡人打鬧嬉戲，從而導(dǎo)致他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中缺乏人際交往能力。但是，00后在虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界中更加活躍，他們也更擅長通過網(wǎng)絡(luò)途徑查找資料，獲取自己想要的知識(shí)。

1.1 在網(wǎng)絡(luò)世界活潑，現(xiàn)實(shí)世界內(nèi)斂

在足不出戶便可知天下事的今天，當(dāng)代大學(xué)生習(xí)慣以電子設(shè)備為窗口，通過互聯(lián)網(wǎng)獲取自己想獲得的知識(shí)、信息，他們對(duì)于新鮮事物的包容程度也變得更高。但是新生代下的00后仍處于傳統(tǒng)的家庭環(huán)境下，這也意味著他們會(huì)與傳統(tǒng)的思想觀念發(fā)生碰撞，直接的體現(xiàn)就是不被自己的家人理解，遭遇到身邊長輩指責(zé)。

面對(duì)這些容易使自我產(chǎn)生懷疑的困境時(shí)，網(wǎng)絡(luò)世界無疑是給了這群孩子對(duì)抗這些問題的勇氣。在具有包容性網(wǎng)絡(luò)世界里面，他們能夠找到與自己三觀相似的人，對(duì)所遭受的問題積極探討；能夠勇敢表達(dá)自我，并且獲得認(rèn)同感，正因如此，他們?cè)敢庠诰W(wǎng)絡(luò)世界里面活潑，解放自己的天性讓自己獲得成長。相反在現(xiàn)實(shí)世界遭遇的壓抑和不認(rèn)同太多，因而表現(xiàn)的比較內(nèi)向、靦腆，以至于在學(xué)習(xí)中即使遇到不懂的知識(shí)點(diǎn)也不會(huì)向老師、同學(xué)請(qǐng)教，最終跟不上教學(xué)進(jìn)度，對(duì)學(xué)習(xí)失去興趣。

1.2 不明實(shí)用價(jià)值，忽略理論基礎(chǔ)

當(dāng)代00后大學(xué)生處在兩個(gè)時(shí)代的交接點(diǎn)，新時(shí)代的到來給00后帶來了很多科技成果上的“紅利”，他們很早就看到了這個(gè)世界和信息的多元化，對(duì)于事物的自我認(rèn)知和自身需求也在慢慢形成，但在形成清晰全面的認(rèn)知和需求的中途，便被長輩以不讓孩子輸在所謂的“起跑線”上，強(qiáng)行灌輸長輩認(rèn)為對(duì)的知識(shí)，導(dǎo)致他們?cè)趯W(xué)習(xí)的時(shí)候被動(dòng)接受新知識(shí)的灌輸。

而這些被灌輸?shù)闹R(shí)大多數(shù)時(shí)候并未結(jié)合00后們自身的需要，因此他們也不理解這些知識(shí)的實(shí)用價(jià)值。長此以往，他們便會(huì)認(rèn)為相應(yīng)的知識(shí)理論基礎(chǔ)沒有實(shí)用的價(jià)值，從而忽略對(duì)理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)。

1.3 學(xué)生以填鴨式的學(xué)習(xí)方式為主

現(xiàn)在的00后學(xué)生在升入大學(xué)以前都是以這種學(xué)習(xí)方式為主，然而在開放的大學(xué)的學(xué)習(xí)中，大學(xué)的深度知識(shí)學(xué)習(xí)依然要靠學(xué)生自主學(xué)習(xí)。許多00后大學(xué)生依然習(xí)慣以往的方式，不明確自己的學(xué)習(xí)目的，可這對(duì)于大學(xué)的學(xué)習(xí)并不適用，這也是現(xiàn)在00后大學(xué)生在失去了老師和父母的監(jiān)督之后，對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)失去興趣和主動(dòng)性的根因所在。

當(dāng)前的課堂教學(xué)主要是授課教師通過多媒體以PPT的形式講授教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生則只是坐在課堂上聽，幾乎沒有主動(dòng)去查找資料獲取知識(shí)環(huán)節(jié)。這種簡單的填鴨式教學(xué)過程教師起主導(dǎo)作用，而學(xué)生則處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，缺乏主動(dòng)探索過程，因而學(xué)習(xí)的積極性也不高，長此以往會(huì)扼殺學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。

2 化工熱力學(xué)在教學(xué)過程中存在的主要問題

化工熱力學(xué)主要在p-V-T關(guān)系及狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，通過研究均相封閉系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)來研究動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)，進(jìn)而給出能量利用的極限；通過研究均相敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)來研究非均相系統(tǒng)的相平衡，進(jìn)而給出物質(zhì)利用的極限。

筆者在教授化工熱力學(xué)的過程中深有體會(huì)，并發(fā)現(xiàn)了化工熱力學(xué)在教學(xué)過程中存在的一些問題。

2.1 公式多且計(jì)算復(fù)雜

化工熱力學(xué)的公式繁多且復(fù)雜[5]，例如化工熱力學(xué)第二章所講授的狀態(tài)方程是物質(zhì)p-V-T關(guān)系的解析式，而在熱力學(xué)不斷發(fā)展完善的過程中，針對(duì)真實(shí)氣體，狀態(tài)方程又可分為立方型狀態(tài)方程、多常數(shù)狀態(tài)方程。立方型狀態(tài)方程主要以van der Waals方程、Redlich-Kwong方程、Soave方程、Peng-Robinson方程為代表，公式形式復(fù)雜，且在計(jì)算過程需要用到迭代法，需要進(jìn)行多次迭代才能得到結(jié)果，過程復(fù)雜繁瑣[6]。多常數(shù)狀態(tài)方程又包括維里方程、BWR方程、馬丁-侯方程，其中維里方程是常用的多常數(shù)狀態(tài)方程，方程中通過引入多級(jí)維里系數(shù)來對(duì)分子間的作用力進(jìn)行修正，每個(gè)參數(shù)均有其具體的物理意義，常數(shù)越多越精確，但方程形式及計(jì)算過程越復(fù)雜，讓學(xué)生望而卻步。

2.2 概念多且抽象

化工熱力學(xué)是一門理論性極強(qiáng)的課程，概念多且容易混淆，比如剩余性質(zhì)與超額性質(zhì)、活度與逸度、活度系數(shù)與逸度系數(shù)等等，這些概念都是為了方便研究而定義的，并不是直接可測(cè)的量，所以抽象難以理解；加上很多概念名詞接近，概念與概念之間易于混淆，讓學(xué)習(xí)難度又升一級(jí)。學(xué)生如果沒做到課前預(yù)習(xí)課后復(fù)習(xí)，隨著課程的逐漸深入，陌生的概念越積越多，跟不上課程進(jìn)度，使學(xué)生完全喪失學(xué)習(xí)熱力學(xué)的興趣。

2.3 成績?cè)u(píng)價(jià)方式單一

化工熱力學(xué)傳統(tǒng)的成績?cè)u(píng)價(jià)是以期末考試為主，作業(yè)和上課考勤為輔的方式。 這種考核方式雖然結(jié)合了平時(shí)表現(xiàn)和最終的考試成績，但對(duì)于理論性強(qiáng)、計(jì)算量大的化工熱力學(xué)來說仍舊不夠全面，因?yàn)閷W(xué)習(xí)化工熱力學(xué)的最終目的是為了用化工專業(yè)知識(shí)為生產(chǎn)生活服務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)改革措施

針對(duì)本人在化工熱力學(xué)的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的上述問題，一直在思考如何讓枯燥難懂的理論知識(shí)變得生動(dòng)形象，讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)思考，完善學(xué)生的成績?cè)u(píng)價(jià)體系，并提出了以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

3.1 尋找章節(jié)規(guī)律，掌握章節(jié)關(guān)系

化工熱力學(xué)雖然公式、概念繁多，但在教學(xué)過程中如果幫學(xué)生將化工熱力學(xué)的知識(shí)體系梳理清楚，學(xué)生的學(xué)習(xí)思路必將清晰。化工熱力學(xué)的兩大任務(wù)分別是給出物質(zhì)有效利用的極限和能量有效利用的極限。而第二章流體的p-V-T關(guān)系是整本書的基礎(chǔ)，通過狀態(tài)函數(shù)，可以在三個(gè)變量中已知兩個(gè)而求另外一個(gè)，當(dāng)物質(zhì)的P、V、T確定，其在相圖中的位置也可隨之確定，進(jìn)而可以確定化學(xué)反應(yīng)相平衡時(shí)各組分的量，確定物質(zhì)有效利用的極限。除此以外，通過p-V-T關(guān)系可以確定純流體及流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)化工過程中的能量進(jìn)行分析，給出化工過程中能量有效利用的極限。這樣就可將整本書的知識(shí)點(diǎn)梳理成兩條主線，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3.2 引入記憶小技巧鞏固公式

雖說公式的記憶重在理解和推導(dǎo)，但面對(duì)化工熱力學(xué)繁多的公式也可適當(dāng)引入一些記憶的小技巧。譬如在記憶四個(gè)熱力學(xué)基本公式時(shí)，學(xué)生通常混淆微分項(xiàng)及每項(xiàng)前面的正負(fù)號(hào)，通過死記硬背通常難以記憶牢固，所有公式均通過推導(dǎo)又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以適當(dāng)?shù)牟捎靡恍┯洃浶〖记梢部杉訌?qiáng)記憶。以圖1為記憶依據(jù)，四個(gè)紅色的熱力學(xué)物理量是公式等號(hào)左側(cè)的被求的函數(shù)，緊挨著他兩側(cè)的量為公式右側(cè)的微分項(xiàng)，微分項(xiàng)箭頭連線另一端的函數(shù)為與之相乘的量，微分項(xiàng)與箭頭方向一致取正號(hào)，不一致取負(fù)號(hào)。通過這種記憶小技巧就可以輕松的將四個(gè)熱力學(xué)基本公式記憶清楚，以此類推，熱力學(xué)中諸多繁雜的公式均可通過觀察、理解，總結(jié)出一些便于記憶的小技巧。

圖1 熱力學(xué)基本關(guān)系式記憶技巧Fig.1 Memory techniques for basic thermodynamic relationships

3.3 結(jié)合實(shí)例講解概念

化工熱力學(xué)雖是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，但教授這門課程的最終目的是讓學(xué)生能用專業(yè)知識(shí)為生產(chǎn)、生活實(shí)踐服務(wù)。在講解理論知識(shí)前，適當(dāng)引入該理論在實(shí)際生產(chǎn)或生活中應(yīng)用的實(shí)例，并提出疑問，為什么要這么做？勾起學(xué)生的求知欲。帶著所提的疑問進(jìn)入知識(shí)點(diǎn)的講解，可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。例如：在講p-V-T關(guān)系前，提出為什么液化氣的成分是丙烷和正丁烷？為什么選用二氧化碳作為常用的超臨界萃取劑？在講動(dòng)力循環(huán)前，提出空調(diào)和冰箱的制冷原理有什么區(qū)別？空調(diào)為什么既可以制冷又可以制熱？引導(dǎo)學(xué)生從能源的角度考慮，電燒水和煤氣燒水哪個(gè)更節(jié)能？在知識(shí)點(diǎn)講授完后又讓學(xué)生主動(dòng)思考，并留出時(shí)間讓他們搶答這些問題。這種教學(xué)方式將理論知識(shí)與生活實(shí)踐聯(lián)系起來，讓學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)思考。采用提出問題—理論講解—實(shí)例剖析的引導(dǎo)式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效果。

3.4 改進(jìn)成績?cè)u(píng)價(jià)體系

目前化工熱力學(xué)的成績?cè)u(píng)價(jià)方式過于單一，該課程雖為專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性突出，但作為工科課程應(yīng)注重應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在教學(xué)過程中，我們采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。例如：在講“蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)”的內(nèi)容時(shí)讓學(xué)生分組討論，收集查找相關(guān)資料，并制作PPT進(jìn)行課堂講解，然后對(duì)整個(gè)討論過程進(jìn)行打分。最終的結(jié)課成績由20%的作業(yè)成績、30%的討論成績及50%的期末考試成績組成。這種綜合的成績?cè)u(píng)價(jià)方式鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有更深的理解。

4 結(jié) 語

針對(duì)化工熱力學(xué)的課程特點(diǎn)及授課過程中遇到的問題，提出教學(xué)改革策略。根據(jù)授課對(duì)象的性格特征及學(xué)習(xí)方式，以提高學(xué)習(xí)效為目的，適當(dāng)修改授課及考核方式。首先通過課前問題導(dǎo)向提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，然后在課中進(jìn)行知識(shí)梳理、案例剖析，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，鞏固記憶，提高學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)在實(shí)例中逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和意識(shí)，鍛煉他們解決復(fù)雜工程問題的能力。最后通過改進(jìn)成績?cè)u(píng)價(jià)體系，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)思考，全面考察學(xué)生的知識(shí)掌握情況。