计算机在国内化工热力学教学中的应用现状

郭相坤++吴文荣++张惠玫++马名杰++王梯延++王潇

【摘要】本文基于中国知网收录的相关文献，对计算机在国内化工热力学教学中的应用成果进行梳理与总结，以期为后续的教学研究提供参考。

【关键词】化工热力学 教学 计算机应用 现状

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）01-0002-03

一、引言

化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics CET）是伴随着化学工业发展而形成的应用性交叉学科，主要研究化工过程中能量、能量转换以及与能量转换有关物性间相互关系，是基础课与专业课之间的纽带和桥梁[1]，也是化工专业核心课程群的基石[2]。

CET理论性强，概念抽象、模型复杂、逻辑性、系统性强，推导繁壅，虽经近50年发展，教学体系完整且严谨，但仍是难“教”和难“学”的课程。因此，处理好CET的“教”与“学”，是对任课教师的挑战，也是教学实践过程中亟需解决的问题。

随着微电子、计算科学及网络技术发展，计算机性价比不断提高，应用领域不断扩大，给CET教学改革与发展提供了历史机遇，结合计算机应用的教学模式，把更多精力集中于培养学生热力学严密逻辑思维和解决工程问题的能力，是CET教学改革的方向之一[3]，已用于辅助教学及物性计算、过程模拟等。

本文基于截止到2015年8月31日，中国知网收录的与计算机在CET教学应用相关文献，对国内CET教学中计算机应用成果进行梳理与总结，为后续CET教学研究提供参考。

二、多媒体软件的应用

将直观、生动、形象的多媒体技术应用到CET教学中，不仅可刺激、感染和吸引学生，直观演示数据图表，化抽象概念为直观形象，也可简化CET中的复杂计算和公式推导，形象展示化工操作单元[4]，还可增加教学信息量和学生的感知量[5]，是突破CET教学难点、弥补学时有限、实施开放学习的有效手段[6]。

目前，绝大多数CET任课教师，都或多或少采用了计算机辅助教学（Computer Aided Instruction CAI），有些还建设了便于学生交流学习的网络平台。如有在双语教学过程中，创作图、文、声、色并茂CAI课件的[7-8]；有结合CAI、教学网站建设和网络通讯工具，实现资源共享的[9-11]；有将Aspen的计算理念和CAI相融合的[12]，也有将传统教学手段与CAI结合[13-27]，并建设开放式网络教学平台的[21-24， 26-28]。

也有结合多种多媒体软件，制作了交互式CAI课件[5， 29-34]或可完整展现实验过程的CET虚拟实验室[35]。

另外，施云海认为CET教学改革可以CAI为主，任课教师要尽快抓好CAI软件编制和教材编写，形成教学软件包[3]。然而，CAI虽有诸多优势，CET教学却不能被CAI取代，因为CAI本身仅是利用了先进的教学工具和手段，并不等于教学方法也先进，只有与先进的教学方法相结合，CAI才能最大限度地发挥其作用[36]，而且课件内容表现形式也要适当，课件制作应重点突出[4-5]。

三、专业计算软件的应用

随着计算科学和软件技术发展，已推出了功能强大的商业化专业软件，如化学化工专业软件Aspen、Simulis Thermodynamics、Hysys、ChemCAD，数学软件Mathematica、Maple、MathCAD等，已成功应用于CET的教学中。

如有的以Aspen、Simulis Thermodynamics及Excel，组织学生上机实践[37]；或以Aspen为工具[38-41]，以PR状态方程计算定组成天然气的摩尔体积、1-丁烯状态变化后的摩尔体积、焓和熵的变化[38]，计算正丁烷在273.15 K时的气、液饱和热力学性质[39]，计算水/乙醇体系的相平衡曲线的方法[41]。

也有的仅使用Excel的计算功能[42-48]，如重新计算[42， 47]、规划求解[42]和单变量求解功能[42， 47]，计算乙烷的摩尔体积、压缩因子、剩余熵、剩余焓与逸度等性质[43-44]、泡点与露点等[45]，以及高压下丙烯-丙烷混合气体密度及甲醇/乙睛体系相平衡数据的计算等[47]。

也有将数学软件结合CAI，应用于CET的教学过程的，如利用符号计算系统Maple，计算流体PVT性质、剩余性质和相平衡[49]；或利用MathCAD计算气相组分的逸度、液体混合物中组分逸度及活度系数模型参数的拟合、多元相平衡[50]以及计算了剩余自由能、剩余焓和剩余熵[51]等。

四、专用软件的开发

尽管专业软件成熟，功能强大，使用方便，然而需花巨资购买，推广普及难度大，因而，有些学者建议使用程序设计语言，引导学生自行设计程序，开发了CET教学或计算专用软件[52-58]。

如采用Basic编程，进行物性计算[52]；以VB语言为工具，开发拥有自主知识产权的，可用于Windows平台下CET教学与计算的模块化、菜单式、界面友好、视窗化的软件包[53]，以及可采用不同状态方程进行纯流体及二元混合流体热力学性质的计算与教学，并对流体的物性参数实行数据库管理的视窗化的软件包[54]。

也有将Borland C ++与FORTRAN语言相结合，开发了可用于气体的热力学性质、溶液的性质、纯组分以及多组分体系汽液平衡的计算，界面友好、自带汉字系统、操作简单的CET教学软件包[55]。

Matlab使用、编程简单，语法灵活，程序设计自由，程序可移植性、兼容性优良的特点，可很好地解决CET各种复杂、非线性的计算，如流体pVT的计算和相平衡的计算等，同时可用于无约束多元函数参数回归，有效地解决CET的复杂计算，拓展CET的理论教学，如以纯流体热力学性质、露点压力及组成以及活度系数模型参数的回归计算[59]、基于Wilson活度模型的常压二元汽液平衡数据的处理等[60]。

还有人设计了既可用于化工原理课程设计教学，又可进行常见汽液传质设备设计的两栖软件THPRO，将化工原理、CET、计算方法实现有机结合[61]。

五、结论

计算机在CET教学中的应用以CAI较为普遍；专业软件由于受到使用许可及投资的制约，不便于推广；使用程序设计语言可实现编制者的思想，不受版权的限制，但需要有先期学习的基础。

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基金项目： 2013年河南理工大学教改项目：《化工热力学》交互形象化教学改革的探索与实践（编号：2013JG076）