高校应用型转型下化工热力学课程的教学实践

吴方棣，范荣玉

(武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300）

为适应当前经济和社会发展的要求，地方本科高校需要大力培养高级应用型技术人才；因此，转型发展是大多数地方新建本科院校适应地方经济和社会发展的需要[1，2]。武夷学院于2007年升本以来，根据应用型办学定位，结合地方区域特色，积极培育并初步形成“传朱子理学，做武夷文章，育新型工科”的办学特色。对于应用技术型大学，人才培养是目标，课程体系建设则是根本。因此推动课程体系改革将是新建本科院校内涵建设与应用型转型的核心内容[2]。

化工热力学是化学工程的重要分支和基础学科，是化学工程与工艺专业及相关专业的专业基础课。化工热力学的原理和知识应用是从事化工过程的研究、开发以及设计等方面工作必不可少的重要理论基础，是一门理论性与工程应用性均较强的课程。本课程要求学生能掌握流体热力学性质（如：P、V、T、H 、S 等）意义及计算方法；掌握热力学定律在化工过程能量计算和过程热力学分析中的应用；熟悉各种溶液热力学性质定义、物理意义、计算方法及其相互关系；掌握平衡条件、平衡判据及流体相平衡数据和化学平衡数据计算方法。

然而，化工热力学逻辑性和理论性强，公式、模型方程多且复杂；导致学生在该课程的学习过程中，多有畏惧心理[3-5]。结合近年的教学经验，根据化工热力学的特点，为了提高教学效果，增强学生学习的主动性和积极性，笔者进行了以下的探索和实践。

1 案例讲解促进教学

化工热力学的理论性较强，单纯的讲解理论学生往往觉得枯燥且难于接受。因此在教学过程中，通过引入大家日常学习、生活中熟悉的具体事例，来激发学生的学习兴趣和加深对概念和理论知识的理解。例如，在讲解流体的p、V、T相图时，以恒压容器内过冷水的加热过程来进行说明，在加热过程中，水的状态变化依次为：过冷状态-饱和液体状态-汽液混合物-饱和蒸汽状态-过热蒸汽状态；再把这个过程描绘在T-V相图上，学生对该相图的基本组成，物质状态的变化规律就能够更好的理解；进一步可推广到P-V、P-T相图的过程。再如在制冷原理的分析讲解中，通过以大家熟悉的冰箱、空调为例，来对制冷循环过程进行分析，让大家对抽象的概念有更形象直观的理解。在如何理解溶液偏摩尔性质的概念中，以偏摩尔体积为例：在一个无限大的、颈部有刻度的容量瓶中，盛入大量的乙醇水溶液，在乙醇水溶液的T、P和浓度都保持不变下，加入1mol乙醇，充分混合后，量取瓶上的溶液体积的变化，这个变化值即为乙醇在这T、P和浓度下的偏摩尔体积；把这个抽象的概念以大家熟悉的乙醇水溶液来进行讲解，让同学能够更好的理解这些基本的概念。

2 加强计算机的辅助教学

上文已提及，化工热力学的公式、模型方程多且复杂；单纯的依靠人为的计算工作量大且效率低下。而借助计算机和相应的软件，可以大大方便我们的计算过程，也有助于把更多的时间和精力投入到具体的过程应用中，提高学生的学习兴趣，加强应用能力的培养；这与应用型人才的培养目标是一致的。依托我校的省级虚拟仿真实验中心，对于化工热力学计算常用的辅助计算软件如Aspen Plus、Visual Basic、Matlab等都进行了配备，并开设了相应的课程。在热力学的各个章节中，都可以借助这些软件来进行辅助计算。如流体饱和性质的计算、估算，流体P、V、T性质计算等都可以通过Aspen Plus来完成[6,7]；对于活度系数模型（NRTL、Wilson、UNIQUAC 等）参数的计算，可以借助Visual Basic、Matlab等软件编程来实现。

3 加强思维能力的培养

化工热力学教学，除了传授课本知识以外，更重要的任务是培养学生的思维能力，而不是简单使用公式进行计算的能力[8]。化工热力学中有很多的公式推导、计算，这要求学生应该要有良好的逻辑推理能力。因此，在课堂的讲解过程中，应该注意培养学生的演绎推理能力及数学逻辑；当遇到新的问题时，学生能够自行的解决，而不是局限于课堂讲解的内容。例如在流体热力学性质的计算中，maxwell关系式（包括第一、第二关系式）是焓、熵等热力学性质计算关系式推导的基础，而maxwell关系式是由物理化学中学过的四个热力学基本关系式（内能、焓、自由能和亥姆霍兹函数）结合数学中的倒易关系得到的；因此，在课堂的讲解中，把这些逻辑关系讲解清楚，学生在解题和分析问题时，就更能够理清思路，找准问题的切入点。

归纳总结的能力有助于让学生把学过的内容进行整理、比较，找出异同点，帮助其记忆和理解，起到事半功倍的效果。在热力学很多章节的教学过程中，都可以引导学生进行归纳总结。例如，在第四、五、六章中，涉及到很多的效率，系数，在教学过程中，引导学生进行总结，放在一起来比较，如表1所示。机械效率主要体现做功过程的效率，热效率主要是热功转化过程的效率，等熵和热力学效率主要反映过程的理想性与非理想性的差异程度。通过比较，让学生加强对做功过程、耗功过程和热功转化过程的理解，同时也有助于对不同效率、系数的比较和记忆。

表1 热力学效率、系数Table 1 Thermodynamic efficiency and coefficients

4 培养学生自主学习能力

课堂学习的时间、学习的内容是有限的，因此应改变传统灌输式的学习模式，让学生学会独立思考，发挥创造、创新能力，培养学生的自主学习能力[9]。比如在化工过程热力学分析中，可以让学生自己选择一个具体的化工过程，结合课本第四、五、六章节的内容，对过程进行能量分析、熵分析和有效能的分析。在纯流体、溶液热力学性质和汽液平衡的计算中，可以让学生以小组的形式，针对化工生产过程的实例，对该体系物质进行热力学性质的计算和相平衡数据的计算，并对该反应过程、分离过程进行设计，设计结果可与实际的生产过程进行比较，以验证过程的准确性；从而激发学生的求知欲与探索精神；同时也做到学以致用，符合当下我校培养应用型人才的办学定位。

5 在科研实践中学习

化工热力学，除了有较强的理论性外，其对工程应用性的要求也较高。仅仅通过课本理论知识的学习是不够的，还应通过科研实践，学以致用，把所学知识应用到具体过程中。例如在毕业设计中，大多涉及到对反应器的选型，反应器的选择依据参数包括：物质的物性（物质状态、密度、粘度等）、反应的动力学、热力学、相平衡数据等，这些数据的获得就要求同学运用热力学的知识去估算或测定相应的数据。同时，同学在参与老师的科研项目，如本人的柑青醛和新铃兰醛汽液平衡研究中，就要求学生能够应用活度系数模型去拟合、估算相平衡数据。此外，同学在课外实践，如：大学生创新性实验等环节中，经常也需要应用热力学和动力学的方法来对数据进行分析计算。通过这些实践环节，来强化对所学知识的掌握，也提高了学生对学习的兴趣。

6 结语

化工热力学是化工专业开设的一门专业基础课，虽有较强的理论性，但理论学习的最终目的还在于应用。因此，在教学过程中，通过案例教学、计算机辅助教学和科研实践等环节，在掌握好理论知识的情况下，加强对所学内容的应用，为培养应用型技术人才服务。同时，在教学过程中，加强对学生思维能力和自主学习能力的培养，不仅能为本课程服务，同时也能为其他课程的学习及学生未来的发展产生积极的影响。

[1]刘芳,李全良,王筠,等.高校转型期化工热力学课程的教学实践[J].周口师范学院学报,2016,33(5):102-105.

[2]李宝银.地方新建本科院校转型发展的背景与路径[J].武夷学院学报,2014,33(1):1-4.

[3]童张法,陈小鹏,王琳琳,等.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(6):19-23.

[4]蔡江涛,周安宁,杨志远,等.《化工热力学》教学实践与方法交流[J].广州化工,2015,43(17):205-207.

[5]杨文,冯艳艳,王桂霞.化工热力学教学方法的探讨[J].梧州学院学报，2016,26(3):83-85.

[6]陈新志,赵倩,钱超.基于Aspen Plus的化工热力学教学(II)纯物质饱和性质计算[J].化工高等教育,2011(6):58-60.

[7]陈新志,张哲明,钱超.用Aspen软件辅助化工热力学教学(一)状态方程计算流体的p-V-T性质[J].教育教学论坛,2016(21):214-216.

[8]王毅.浅论化工热力学教学中学生思维能力的培养[J].化工高等教育，2015(5):95-99.

[9]徐飞,曹顺安.《化工热力学》课程的教学改革探讨[J]．广州化工,2015,43(23):269-270.