面向工程应用五位一体打造“化工热力学”课程

2017-09-25童张法陈小鹏梁杰珍王琳琳邹昀韦小杰

中国大学教学 2017年10期

童张法?陈小鹏?梁杰珍?王琳琳?邹昀?韦小杰

摘要：提出以“化学工程与工艺专业实验+工程实习+科研与大学生创新创业训练计划+工程学科竞赛+毕业设计与论文”为“五位一体”的“化工热力学”课程工程教学新理念；精心选择教学与科研相结合的课题，创新“化工热力学”课程教学内容；采用“以应用为中心”和“合作探究式”的特色教学模式，注重培养学生化工热力学的工程实践创新能力；完善“化工热力学”课程工程创新教育措施，形成系统性、先进性和科学性的新课程体系。“化工热力学”课程经过面向工程应用的“五位一体”的教学改革，实现了“教学出题目、科研做文章、成果进课堂”的目标。

关键词：化工热力学；化工专业；课程建设；工程应用；五位一体

“化工热力学”是化工类专业主干专业基础必修课，是将热力学原理运用于化学工程领域，既解决化学问题又解决工程问题，是化学工程领域重要专业理论基础课程。而且化工熱力学与化学反应工程、化工分离工程以及化工设计紧密相关联，是化工过程研究与开发的理论基础，对于培养学生分析问题和解决问题的工程素养是必不可少的课程[1]。化工热力学课程设置的初衷是通过该课程的学习，使学生逐步树立工程观点，并能应用化工热力学的理论解决化学工程中的实际工程问题。但是多年以来，该课程向来是以抽象的理论、烦琐的计算为特点，学生形容该课程是“一大堆的数学符号，没完没了的数据，无穷无尽的计算”，是一门既难学又难教而又非常重要的专业基础理论课程[2]。因此，如何回归“化工热力学”课程“面向工程应用”的初心，培养学生理论联系实际的能力[3，4]，是本课程建设必须解决的核心问题和实施教学改革的背景。为此，本教学团队精心设计了以“化学工程与工艺专业实验+工程实习+科研与大学生创新创业训练计划+工程学科竞赛+毕业设计与论文”为“五位一体”的“化工热力学”课程创新建设方案，在“化工热力学”教学与研究发展方面取得了显著的成果。

一、改革目标与思路

1.改革目标

由于“化工热力学”课程教学难度大、作业多，又和科研与技术开发关联少[5]，是一门吃力不讨好的课程，所以许多高校“化工热力学”课程的主讲教师都不愿意承担该课程的讲授，致使主讲“化工热力学”课程的教师极少甚至青黄不接，连正常开课都有困难。

针对“化工热力学”课程理论性强、概念多、公式多、内容抽象、教学内容枯燥无味，学生不愿学，教师不愿教的现状，回归“化工热力学”课程“面向工程应用”的初心，打破“化工热力学”课程教学“从书本到书本、从课堂到课堂”的传统教学模式，采用理论联系实践方式将“化工热力学”建设成为具有新体系、厚基础、新手段、重工程、促自学、引思考的化学工程与工艺专业工程素养培育的理论基础课程，把化工热力学领域的科学研究与大学生创新创业训练相结合，提升学生和任课教师“学”与“教”的主动性和积极性，培养学生创新思维方法和工程创新研究与产品研发的工程应用能力。正如2016年9月21日教育部陈宝生部长在广西大学调研时指出的那样，实现“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”的目标，并采用“合作探究式”的双语教学模式，培养学生既有前瞻性的学术观点，又有前沿化工热力学知识的交流能力。

2.改革思路

根据上述背景和现状，本教学团队针对“化工热力学”课程的教学理念、模式和内容进行改革与实践，面向工程应用和卓越工程师人才培养，把“化工热力学”课程贯穿于“化学工程与工艺专业实验+工程实习+科研与大学生创新创业训练计划+工程学科竞赛+毕业设计与论文”等五项工程教学环节中，创立“五位一体”打造“化工热力学”课程的工程素养培育教学体系。其中核心的改革思路是“化工热力学课程内容+科研+大学生创新创业训练计划”模块。著名教育专家潘懋元提出，高等学校科研选题的特殊原则是——选题必须考虑到有利于人才培养和学科的发展[6]。因此需要根据“化工热力学”课程内容选择适合的科研课题，将研究成果引入“化工热力学”课程教学中[7]，并指导学生开展“大学生创新创业训练计划”活动。而且，依据化学工程与工艺专业本科生的专业外语学习不断线的思路，编写了Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics（《化工热力学导论》）双语课教材和开设双语课程[8]，为学生掌握最新的化学工程发展动态和提高国际交流能力打下坚实基础。

二、“化工热力学”课程改革探索与实践

1.理论研究成果

（1）运用整体性与相互联系性的哲学原

理，建立“五位一体”的“化工热力学”课程工程教学新理念化工过程的整体模式（如图1所示）。

由图1可见，化工过程是一个紧密关联的有机整体，而“化工热力学”课程则是各个关键节点的基础理论知识，因此“化工热力学”课程教学必须贯穿化工过程的各节点以及各节点的关联中，实现“化工热力学”课程的工程创新教学与化工过程工程实践的整体融合。为此本教学团队建立了以“化学工程与工艺专业实验+工程实习+科研与大学生创新创业训练计划+工程学科竞赛+毕业论文与设计”为“五位一体”面向工程应用的“化工热力学”课程教学改革新理念。“五位一体”教学方案如图2所示。

（2）精心选择教学与科研相结合的课题，创新“化工热力学”课程教学内容。根据“化工热力学”课程的教学内容：超临界流体现象与特性、流体热力学性质、多组分流体的气液及固液相平衡以及界面吸附热力学等内容[9]，精心选择教学内容与科研相结合的课题。自2009年以来，本教学团队成功申报化工热力学学科的国家自然科学基金项目8项，并指导学生成功申报有关化工热力学研究内容的国家级“大学生创新创业训练计划”项目6项。通过参与科研项目训练，启迪了学生化工热力学的工程创新智慧。

（3）采用“以应用为中心”的特色教学模

式，注重培养学生化工热力学的工程实践创新能力。采用“以应用为中心”的教学模式，立足区域资源特色与优势，培养学生开发本地资源的化工热力学工程思维方法与实践能力。“化工热力学”课程历来是化工学科教学的难点，许多学生感叹这是一门既难学又没有实际用途的理论课程。为此本课程紧密结合亚热带生物质资源开发利用和保护的相平衡、化学平衡和节能减排等问题，开展教学改革和科学研究，利用“以应用为中心”的教学模式，把课程的难点放到“解决问题”中去讨论，变枯燥乏味的教学内容成为培养学生开发利用广西资源的思维方法和实践能力，从而增强学生为家乡经济建设服务的信心，激发学生努力掌握化工热力学知识和方法的热情。

（4）完善“化工热力学”课程工程创新教育措施，形成系统性、先进性和科学性的新课程体系。化工热力学课程内容的重点是阐明基本原理，向学生介绍化工热力学中的最基本概念、原理和研究方法，难点是掌握化工热力学的抽象理论和工程思维方法，培养学生分析和解决工程问题的实际能力。在学时数被压缩的情况下，对教学内容进行优化和整合，关注本学科最新发展动向的前沿知识；引进工程实践环节如课程实验、教师科研、工程实习、工程学科竞赛和大学生创新创业训练计划的相关内容，形成系统性、先进性和科学性的工程应用课程内容体系。妥善处理更新内容和基础内容之间的关系，体现教学改革内容的优化整合，结合本地资源开发中的化工热力学问题，将教师科研项目的相关研究成果与心得引入课堂，改革以往理论课“从理论到理论”的讲授模式，在使用实例分析講解课程原理和方法的同时，培养学生学以致用的实际工程应用能力。

2.改革实践成果

（1）回归“化工热力学”课程面向工程应用的“初心”，实施“五位一体”的教学改革。“化工热力学”课程设置的“初心”是通过该课程的学习，使学生逐步树立工程观，并能应用化工热力学的理论解决化学工程中的实际工程问题。本教学团队打破“化工热力学”课程教学“从书本到书本、从课堂到课堂”的传统教学模式，采用“从书本知识到工程实践应用、从课堂到企业工程实习”的课内课外相结合教学模式，回归“化工热力学”课程面向工程应用的“初心”，实施由“化学工程与工艺专业实验+工程实习+大学生创新创业训练计划+工程学科竞赛+毕业论文与设计”组成“五位一体”的“化工热力学”课程教学改革方案。在“五位一体”理论研究成果的指导下，“化工热力学”课程取得了一系列改革实践成果。

（2）科研与“化工热力学”课程内容相结合，创建大学生创新创业训练平台。2004年广西大学为了培养学生的创新实践能力，启动了“大学生创新性实验训练计划”项目，一般是由大二、大三的学生申报，该时间节点的学生正处于“化工热力学”课程的开课时段。为此结合“化工热力学”课程的教学内容，指导学生参加“大学生创新性实验训练计划”，共获批化工热力学方面的国家级、自治区级和校级“大学生创新性实验训练计划”项目28项，学生与导师共同署名在学术刊物Industrial Crops and Products、Chinese Journal of Chemical Engineering和《高校化学工程学报》等杂志发表有关化工热力学方面学术论文58篇，其中SCI和EI收录31篇。科研与“化工热力学”课程教学内容相结合的研究与实践效果如图3所示。所取得的改革成果正如教育部陈宝生部长在广西大学调研时指出的那样：教学出题目，科研做文章，成果进课堂。

（3）工程实验与“化工热力学”课程内容相结合，精细设计工程实验教学内容。紧紧围绕着产品工程的模式（产品功能结构设计+原料 →化学反应 → 化工分离 → 产品+过程设计+商业计划）来重组、优化化学工程与工艺专业实验项目，使实验教学内容环环相扣，形成一个整体，全部实验项目组合在一起则是一个完整的产品开发过程[10，11]。在整个化工产品开发过程中，涉及“化工热力学”课程的教学内容有：流体P-V-T关系和超临界现象、流体热力学性质、流体相平衡和界面吸附热力学等。为此，以广西特色优势资源为原料，开设了如下“化工热力学”课程专业实验[12]：CO2超临界现象观测及P-V-T关系测定实验，松节油体系的气液相平衡数据测定，松香树脂酸固-液相平衡实验测定[13]，超临界流体反应合成生物柴油实验[14]，石蜡产品固液溶解度的测定实验，等等。通过上述有关化工热力学方面的实验教学，从而巩固了学生“化工热力学”课程的知识，启迪了学生应用“化工热力学”课程内容进行产品工程开发的智慧，并把上述有关化工热力学的实验教学内容编入教材《新编化学工程与工艺专业实验》。

（4）工程实习与“化工热力学”课程内容相结合，采用“学生+师傅+工程技术人员+指导教师”的工程创新实习模式。在工程实习中，应用“化工热力学”课程的知识，共同探讨典型生产案例的工程问题解决方法[15，16]。比如本科生到松脂蒸馏制造松香和松节油生产车间实习，该车间采用过热水蒸气作为活气以降低蒸馏过程的相平衡分压，从而降低蒸馏过程的温度，避免松香在高温下发生脱羧副反应。这就是典型的应用化工热力学原理解决松香和松节油的生产问题，即流体P-V-T关系中的道尔顿分压定律以及流体相平衡中泡露点与压力的关系。由于松脂蒸馏采用温度为350 ℃的过热水蒸气作为蒸馏活气，水在蒸馏过程中发生了蒸发与冷凝两次相变化，导致松脂蒸馏过程浪费了75%的相变潜热，而且松香树脂酸的羧基是亲水基团，导致松香夹带微量水分而引起结晶现象成为不合格产品；同时排放过热水蒸气活气冷凝水又夹带微量油分，既造成松节油的损失又污染了环境。如何解决上述生产难题呢？在实习过程中，组织“学生+师傅+工程技术人员+指导教师”进行合作研究性学习讨论，应用学过的化工热力学知识探讨如何降低松脂蒸馏过程的能量消耗问题。从化工热力学的知识可知，物质的相变热（潜热）远远大于比热（显热），因而松脂蒸馏过程选择不发生相变的气体——N2或CO2作为蒸馏活气，松脂蒸馏的节能降耗和松香产品夹带水分问题则迎刃而解。有关“N2或CO2循环活气法蒸馏松脂的节能减排生产过程开发”正是广西大学与松脂厂合作承担的一项“广西科技攻关项目”，是一项紧密结合“化工热力学”课程内容的工程创新项目。因此，工程实习与“化工热力学”课程内容相结合，促进学生书本知识向实践能力的转化，培养了学生分析和解决生产实际问题的工程创新能力。

（5）工程学科竞赛与“化工热力学”课程内容相结合，创建丰富多彩的课外工程实践教育平台。通过工程学科竞赛与“化工热力学”课程内容相结合，把化工设计竞赛中的热量平衡、相平衡和化学平衡转换应用Aspen软件计算，在化工设计实践教学中，对学生进行专业设计思路、设计方法、设计能力、分析能力、绘图能力、表达能力和团队精神等的全面训练。

（6）毕业环节教学与“化工热力学”课程内容相结合，培育高水平的毕业论文、设计作品。

（7）以“工程创新创业训练+工程学科竞赛+工程实验+工程实习”为主题，举办化工热力学本科生学术研讨会。

参考文献：

[1] 闫新龙，孟献梁，武建军，等. 基于卓越工程师培养的化工热力学教学改革研究与探讨[J]. 化工高等教育，2015，135（6）：16-19.

[2] 江振西，任保增，汤健伟，等. 化工热力学双语教学探讨和实践[J]. 化工高等教育，2015，135（4）：29-33.

[3] 鲍崇高，张健，赵欣，等. 改革课堂教学模式提升基础课程教学质量[J]. 中国大学教学，2017（3）：59-62.

[4] 孙康宁，李爱民，张景德，等. 大学生实践、创新、创业一体化训练模式与能力叠加效应探究[J]. 中国大学教学，2017（3）：74-79.

[5] 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，2010，130（6）：19-23.

[6] 潘懋元，吴丽卿，黄锦汉. 新编高等教育[M]. 北京：北京师范大学出版社. 1996：537，548.

[7] 陈小鹏，王琳琳，韦小杰，等. 把科研引入实验教学培养学生开发能力[J]. 实验室研究与探索，2008，27（6）：108-111.

[8] 邹昀，童张法，潘远凤，等. 化工热力学课程的双语教学改革探索[J]. 化工高等教育，2013，133（5）：25-29.

[9] 苏铁健，王琳. 有关热力学特性函数与判据的教学探讨[J]. 化工高等教育，2016，135（3）：100-102.