化工热力学教学方法的探讨

杨 文，冯艳艳，王桂霞

(1.2.3.桂林理工大学 化学与生物工程学院，广西 桂林 541004)



化工热力学教学方法的探讨

杨 文1，冯艳艳2，王桂霞3

(1.2.3.桂林理工大学 化学与生物工程学院，广西 桂林 541004)

化工热力学是化工类专业的一门必修课程。根据化工热力学特点及其所存在的问题，提出了关于化工热力学教学方法改革的建议和看法。通过教学手段的改革激发了学生的学习兴趣，深化了对理论知识的理解，培养了学生的工程意识，提高了学生分析和解决实际工程问题的实践能力，进而提高化工热力学课程的教学质量和水平。

化工热力学；教学；方法探讨

化工热力学是一门理论与实践应用并重，将理论过渡到实际应用，同时讲究严格逻辑推理的化工类专业的核心基础专业课程。化工热力学通过热力学相关的基本原理、定律和数学推理、计算来解决化学工程中所遇到的实际问题，为后续课程的学习和解决化工过程的实际问题打下牢固的基础。其主要任务是研究化工过程中各种能量的相互转化和利用；研究物质状态变化与其性质的关系；研究物理或化学变化过程达到平衡的理论极限、条件或状态[1]。而化工热力学逻辑性和理论性强、概念多而抽象、内容广、公式繁多、推导过程复杂，这使得化工热力学课程的教学非常困难[2]。因此，如何搞好化工热力学教学质量对化工专业的学生非常重要。根据化工热力学的特点和我们的教学体会，下文将从化工热力学教学目前存在的问题及其教学方法两个方面进行讨论。

1化工热力学教学存在的问题

对于学生而言，学习过程中遇到的问题主要包括：①大量的数学推理和数学换算使得化工热力学理论知识抽象难懂；②各章节的学习内容多，很难将各章节的知识点相互贯通；③即使掌握了基本理论也很难将所学知识应用到实际当中。这些问题打击学生对化工热力学的学习信心，学习感到吃力，兴趣不高。同时，通过教师与教师的交流，我们总结出在以往化工热力学教学中存在以下问题：①学生学习兴趣不高；②过于注重理论公式的推导而轻应用；③以课堂教学为主，教学手段单一；④重理论而轻实际应用。而搞好化工热力学教学对化工专业的学生非常重要，因此对化工热力学教学方法进行改革就显得尤为紧迫。

2化工热力学教学方法探讨

根据以上所存在的问题可以看出如何提高学生的学习兴趣，培养学生的积极性，让学生理解一些基本原理，应用到实际生活和化工生产中，是本门课程教学所关注的重点。针对目前化工热力学教学中存在的问题，同时结合化工热力学课程自身的特点和在化工热力学教学中的一些心得体会，以天津大学马沛生老师编写的《化工热力学》第二版第四章为列，讲述对化工热力学教学的方法和改革探讨。

2.1设问教学，激发学生兴趣

兴趣是教学中最好的老师，如何激起学生在化工热力学学习中的兴趣尤为重要。在讲解主要内容之前，通过设立几个可以通过本章节知识点解决而又贴近生活的实际案例和疑问，来激发学生的学习兴趣。在天津大学马沛生老师编写的《化工热力学》第二版的第四章主要讲述了热力学第一定律和热力学第二定律及其应用。本章的知识点解释了很多我们生活中相关的问题，例如，冰箱和空调是如何实现制冷，空气能热水器是如何实现节能，蒸汽机车的工作原理是什么等问题，这些案例都可以在课前进行设问。通过讲课前设问，有意制造悬念，能引导学生进行思考，将内容中抽象的热力学第一定律和复杂的公式与前面的案例联系起来，化抽象为形象，深入浅出，层层深入的方式让学生领会到化工热力学的实际应用和魅力，真正理解化工热力学的原理和精髓之处。在每小节课的后期，学生的精神容易松懈，不集中、乏困。教学过程中发现通过应用所学的理论知识对课前所设的疑问进行启发、讨论和互动交流，能显著地提高学生的注意力，帮助学生运用所学理论知识去分析和解决实际问题。同时，这类设问教学，让学生带着问题有目的地学习，能有效地提高学习的兴趣，将抽象问题具体化，使复杂问题简单化，加深了学生对理论的理解。

2.2轻公式推导，重应用

化工热力学是化工类专业课中理论公式推导最严谨的一门课程。理论公式中运用了大量的积分微分等数学运算，使得化工热力学课程的内容变得复杂抽象，从而使得学生对化工热力学的学习形成畏惧心理。例如，在第四章中的热力学第一定律的数学表达式的推导，即敞开体系的能量平衡方程的推导中运用了大量微分式，既要建立质量守恒方程又要建立能量守恒方程。将热力学第一定律公式化形成一个微分公式，如果对其进行应用，需对具体的边界条件进行积分，复杂抽象。而作为理工院校，我们应该更注重培养学生的应用实践能力，而不在于复杂公式的理论推导。因此，在讲授第四章中热力学第一定律内容的能量守恒方程时，我们直接将稳态系统的能量平衡方程给出，再将能量平衡方程经过一定的简化，推导出化工原理中著名的伯努利方程，将化工热力学的知识和化工原理相关知识紧密联系起来，加深学生对化工热力学中热力学第一定律的理解。

2.3结合实验现象，深化理论知识理解

要让学生深刻地理解理论知识，必须打破灌输式的教学模式，应该在理论课堂的基础上引入实践教学环节，通过实验现象来巩固学生对化工热力学知识的理解。为加深学生对热力学第一定律的理解，我们在一个U型管中加入水，通过摇晃让水在管内上下来回运动，当水往上运动时，运动速度会变慢；当运动到底部时运动速度最快。通过现场演示动能与势能相互转化的现象，学生对热力学第一定律有了更深入的理解。第四章中的应用部分包括气体膨胀性质的内容，这部分内容对制冷技术来说是非常重要的知识点。当气体在通过孔板和阀门时，由于受到局部阻力，流体的压力下降明显，这种现象在化工热力学中被称之为节流现象。在节流过程中会发生制冷或制热效应，其取决于节流膨胀系数。当节流膨胀系数大于零时，就会产生冷效应，反之则产生热效应。为了让学生能深入理解这一现象，在实验室给学生演示钢瓶中二氧化碳气体经过总阀流到减压阀时，由于二氧化碳通过总阀小孔产生冷效应而在总阀和减压阀之间有水蒸汽凝聚形成水珠的现象。通过此演示实验后，学生普遍对节流效应有了更深刻的理解。

2.4理论与实际应用并重的教学靶向

化工热力学作为一门专业基础课，其内容包括基础理论及其实际应用两部分，将理论与实践紧密联系在一起，实现理论到实践应用的过渡。基于课程性质，化工热力学教学要“原理”与“实际应用”并重，改变以往“重理论轻应用”的教学理念，培养学生应用理论知识解决实际问题的能力[3-4]。在描述热力学第二定律时，克劳修斯的说法为：热不可能自动地从低温物体传给高温物体。但借助外力，热可以从低温传递给高温物体的，从而对冷物体的热量进行回收。在本节内容中，我们给学生讲述热泵技术，这是典型的将热能不断地从低温区输送给高温区的技术。化工企业中，热泵装置用得最多的是热泵精馏。在热泵精馏过程中，精馏塔塔顶的低压蒸汽通过加压形成高压蒸汽，同时伴随着温度的升高，再通过高压蒸汽在再沸器中冷凝放出潜热用于加热精馏塔的底部溶液。热泵技术的讲解让学生了解低温气体热量的回收利用技术，同时进一步理解了热力学第二定律。再如，目前比较时尚的空气能热水器，其工作原理是化工热力学中的热泵原理，即制冷循环过程，利用设备内的吸热介质(冷媒)从空气或自然环境中采集热能，并通过热交换器使冷水迅速提温，同时排放出冷气。此外，在化工热力学教学内容中要注意理论与应用并重。例如，在第四章热力学基本定律的应用部分，可以投入更多的学时，对蒸汽动力循环、制冷循环、热泵的应用、深冷循环等做更细致的讲解。

2.5考试方式改革，增加工程意识导向

化工热力学是一门兼具理论性和工程性的课程，不仅要增加学生的理论知识，而且需要培养学生利用理论知识解决工程问题，增加学生分析问题和解决问题的实践能力[5-6]。在解决化学工程问题的过程中需要查阅大量的图表来获得基本的物性参数和热力学性质参数。例如，在第四章关于化工过程热力学分析中，需要查阅特定温度下物质的焓值和熵值，进而求取化工过程的能量有效利用率。因此，培养学生的图表查阅能力对解决化学工程问题很重要。然而传统的闭卷考试考核评价方法限制了图表查阅能力的考察，考试内容局限于简单的理论概念和数学推导，而采用开卷考试的考核方式能有效地避免这一局限性。在开卷考试中，试题的内容可以向解决化学工程问题的方向倾斜，引导学生在平时的学习中多分析和研究涉及工程问题的案例，熟悉常用的物质参数和热力学性质参数的查阅方式，提高学生的工程设计和工程优化能力。同时，开卷考试减少了学生对化工热力学中复杂公式的记忆量。

此外，为培养学生的工程意识和应用实践能力，教师要具备工程意识和实践能力，然而大多高校教师缺少在工厂和企业工作和学习的经历。因此，教师要不断提升自身的教学能力和教学水平，积极推进和构建一流的教学团队，对全国高校的本科教学水平提高具有重要的意义。

3结语

作为化工类专业的必修基础专业课，化工热力学是一门理论与应用并重的课程。在教学过程中，不仅要扎实化工类专业学生的理论基础，还要提高学生的实践能力和工程意识。作为化工热力学课程的主讲教师，要能够将化工热力学中抽象繁琐的公式和理论形象化地展现给学生，要注重理论联系实际，做到化繁为简、深入浅出，激发学生的兴趣，提高学生对该课程学习的积极性和主动性。

[1]朱自强，吴有庭．化工热力学[M].3版.北京:化学工业出版社，2010

[2]李香琴，于志家.化工热力学课程研究型教学的几点体会[J].化工高等教育，2015，32(3)：82-85.

[3]黄燕，吴世逵.化工热力学课程教学改革探索[J].化工高等教育,2014,31(6):44-45.

[4]童张法,陈小鹏.坚持特色教学打造化工热力学精品课程[J].化工高等教育，2010，27(6)：19-23.

[5]常贺英，马沛生.论化工热力学在化工类课程体系中的核心作用[J].化工高等教育，2005(4)：28-30.

[6]乔柯，宋春敏.灵活运用多种教学方法，优化化工热力学教学效果[J].化工高等教育，2014(1)：50-53.

(责任编辑：高 坚)

Study of Teaching Methods for Chemical Engineering Thermodynamics

Yang Wen1, Feng Yanyan2, Wang Guixia3

(1.2.3. College of Chemistry and Bioengineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Chemical engineering thermodynamics is a required course of chemistry majors. According to the characteristics of chemical engineering thermodynamics and some existing problems, this paper puts forward some suggestions and ideas concerning the reform of teaching methods for chemical engineering thermodynamics. Through the reform of teaching methods, students’ learning interest can be aroused, their understanding of theories can be deepened, their consciousness of engineering can be developed and their ability of analyzing and solving problems occurring in actual projects can be improved, which can result in the improvement of teaching quality and level.

Chemical engineering thermodynamics; Teaching and learning; Study of methods

2016-03-28

2015年广西自治区高等教育教学改革重点项目(2015JGZ129)

G642

A

1673-8535(2016)03-0083-04

杨文(1984-)，男，广西桂林人，桂林理工大学化学与生物工程学院讲师，研究方向：储能材料。

冯艳艳(1988-)，女，河南巩义人，桂林理工大学化学与生物工程学院讲师，研究方向：工业催化。

王桂霞(1976-)，女，河北沧州人，桂林理工大学化学与生物工程学院副教授，研究方向：有机功能材料和水溶性高分子材料的合成。