“课程思政”理念下的《化工热力学》教学

韩效钊 王百年 张旭 刘亚华 秦广龙 李正星

【摘要】分析了《化工热力学》课程的教学目标与“思政”目标，介绍了“偏摩尔性质及其计算”的“课程思政”教学设计，自然融入了“中西口罩观”“防冻液配制”“白酒中的热力学”“乙醇与汽油”4个教学案例来开展“知识讲解、案例分析、价值引领”教育教学工作，实施“立德树人”根本任务。

【关键词】课程思政  专业课  化工热力学

【基金项目】2019年度合肥工业大学“课程思政”教学示范课程，2021年度合肥工业大学“课程思政”教学改革示范精品课程，2020年度安徽省课程思政建设研究项目（2020kcszyjxm1），2020年度合肥工业大学（研）教学改革重点项目。

【中图分类号】TQ021.2-4;G641      【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）40-0147-04

青少年阶段是人生的“拔节孕穗期”，这一时期心智逐渐健全，思维进入最活跃状态，最需要精心引导和栽培[1]。“课程思政”作为一种新的教育理念，是新时期加强高校人才培养和思想政治教育的新要求、新举措、新方向，从根本上回应了“为谁培养人、培养什么样的人、怎样培养人”等重大理论与实践问题[2]。中国是世界上最大的化工产品消费国和生产国，也是化工产品需求增量最大的国家[3]。结合化工类专业课程教学内容，充分挖掘化工行业和日常生活中的思政元素，把做人做事的基本道理、科学技术探索的基本素质要求、实现中华民族伟大复兴的理想和责任融入化工类专业课堂教学之中，激励学生自觉把个人的理想追求融入国家和民族的事业之中，为我国化工行业培养高质量的建设者，为中国特色社会主义事业培养可靠的接班人[3-4]。《化工热力学》课程在化工类人才培养中起着重要的承前启后、由基础到专业的桥梁作用，是化工类人才持续深造和研究开发必须打好的知识功底[5]。本文以“偏摩尔性质及其计算”为例介绍《化工热力学》“课程思政”教学设计。

一、《化工热力学》“课程思政”教学简介

课程介绍：《化工热力学》主要讨论热力学第一、第二定律在化工过程中的应用以及相关基础数据的确定方法，是化工过程研究、开发和设计的理论基础。《化工热力学》是化学工程与技术学科的一个重要分支，是化工类专业的主干课程;《化工热力学》既要解决化学问题，又要解决工程问题，其最根本的任务就是给出物质和能量的最大利用極限。

课程教学设计：以“掌握知识、发展能力、培养品德”为目标、以“知识讲解、案例分析、价值引领”为方法，以“育人有温度、润物细无声”为理念，开展教学工作。

课程教学目标：①知识目标。掌握纯物质和混合物的p-V-T关系，H、S、G等热力学函数的计算方法，化工过程能量分析理论，相平衡原理等;②能力目标。运用热力学原理对化工过程中各设备所消耗的能量进行分析和计算，以确定能量消耗的数量、分布及原因，为改进生产工艺、确保能量的合理利用提供理论依据;掌握测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质，确定相平衡条件，计算平衡各相的组成，为蒸馏、吸收、萃取、无机盐分离、海湖井矿盐的开发等化工过程提供必要的平衡数据;③素质目标。能够综合运用“化工热力学”基本原理，识别、表达并通过文献研究分析化工工程问题，以获得有效结论。

“课程思政”目标：以立德树人为目标。引导大学生热爱祖国、热爱社会、热爱科学、热爱化工、热爱生活;培养大学生节能减排理念、创新创业能力;为国家培养合格的社会主义建设者和接班人;为社会培养具有强烈责任感、良好职业道德、扎实专业能力的工程技术人才;为家庭培养孝敬父母、身心健康的孩子。

二、“偏摩尔性质及其计算”“课程思政”教学设计

（一）“课程思政”教学目标

将“偏摩尔性质及其计算”的知识传授与工程能力培养、政治认同与家国情怀精神培育有机结合;将政治认同、家国情怀的培育融化在知识传授与工程能力培养之中。预期实现的教学与思政目标是掌握偏摩尔性质概念及其计算方法，培养学生运用偏摩尔性质解决实际问题的能力，培育学生制度自信与家国情怀精神。

（二）“课程思政”教学过程的组织与实施方案

1.承上启下（大约30秒）

前一节课介绍的是纯物质的性质，然而在实际生活和生产中存在大量的混合物，其中一类为流体混合物，也称为溶液;那么流体混合物的性质该怎么计算呢？这就是本节课将要学习的内容。

2.问题互动引出教学内容（大约90秒）

运用雨课堂推出3道选择题：（1）50 mL水和50 mL水混合后的体积是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL];（2）50 mL乙醇和50 mL乙醇混合后的体积是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL];（3）50 mL水和50 mL乙醇混合后的体积是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL]。

给出水和乙醇混合前后的体积的实验数据见表1。

用实例表明不同分子混合后的体积不能是混合前各组分体积简单的相加，混合物的性质需要考虑不同分子对混合物性质的贡献值，这就是本节课要详细讨论的“偏摩尔性质”，为了更好地理解偏摩尔性质，我们先来讨论一个社会案例。

3.“中西口罩观”案例促进偏摩尔性质理解和制度自信（大约120秒）

社会好比混合物，社会制度就是混合物状态的条件，人就是混合物中的分子，不同分子构成的混合物在不同条件下表现出不同的热力学性质;同样，不同价值观的人在不同的社会制度下表现出不同的社会现象。

中国与美国的文化差异导致中国人与美国人对口罩的态度迥异。美国人认为生病的人才需要戴口罩，未生病的人戴口罩不仅无用、而且观感不好，排斥戴口罩。中国人虽然平时也不经常带口罩，但在观念上，把戴口罩视为正常的健康和卫生习惯，对自己起到保护作用、对别人起到安慰作用。在新冠疫情发生后，中国政府坚持“生命至上”，从官方到民间，都把带口罩作为最主要的防疫手段;美国政客选择“政治至上”，共和党和民主党把戴不戴口罩变成一种政治或意识形态的表达[6]。中华民族优秀传统文化和以人民为中心的中国特色社会主义政治制度使得中国在短短几个月时间内就完全控制住了疫情，并有序恢复了经济发展。美国疫情没有得到有效地控制，导致了疫情防控与经济发展两失败。

自然科学与社会科学一样，不同的分子在不同的条件下对混合物的性质有不同的影响，因此，需要掌握偏摩尔性质。

4.偏摩尔性质（大约10分钟）

均相流体混合物的热力学性质不仅与温度、压力有关，而且随着体系内各种物质的相对含量即体系的组成而变化，若均相混合物含有n种物质，则体系的容量性质nM是体系的温度、压力和各组分物质量的函数：

nM=M（T，p，n1，n2，…，ni，…）

对该式两边求偏导，可得式（1）：

d（nM）=

dT+

dp+

dn （1）

式（1）中的偏微分

可以理解为在给定的温度、压力和组成下，向含有i组分的无限多量的溶液中加入1 mol i组分所引起的一系列热力学性质的变化，称为溶液中i组分的偏摩尔性质，用符号Mi表示，即：Mi=

（2）

在等温、等压和组成恒定下，偏摩尔性质保持不变，所以M1、M2、…、Mi、…在等于常数的情况下，式（1）变成：

d（nM）=

dn=M1dn1+M2dn2+…+Mdn+…                                              （3）

式（3）积分得：nM=n1M1+n2M2+…+niMi+…=nii或M=x1M1+x2M2+…+xiMi+…=xii                （4）

式（4）表明了流体混合物的性质与各组分的偏摩尔性质之间呈线性加和关系，是计算流体混合物摩尔性质的关系式之一[7]。

5.“防冻液的配制”案例培养M=xiMi应用能力（大约4分钟）

城鎮天然气输送到末端室外明设的管道设备后，虽然压力降低，但是由于冬季环境气温较低，天然气水露点高于环境气温，就会形成液体水;另外在管道施工过程中，管沟开挖、水压试验、空气试压等都可能将水带入管道内。当管道运行中温度降低到一定值时，天然气管道内的这些水就会结冰发生冻堵。天然气管道防冻堵常用的防冻剂是甲醇溶液，即甲醇与水的混合物，随着甲醇浓度升高，甲醇溶液冰点会下降，如20%（体积分数）的甲醇溶液冰点是-14.5℃[8]。

例题：已知20%甲醇溶液中甲醇与水的偏摩尔体积及甲醇与水纯组分的摩尔体积分别为V=37.8cm3·mol，V=18.0cm3·mol-1，V=40.46cm3·mol-1，VHO=18.04cm3·mol-1[9];利用公式M=xiMi计算配制3L20%（体积分数）甲醇溶液所需水的体积。

解：设配制3L 20%（体积分数）甲醇溶液所需水的体积为Vcm3。

（1）配制3L 20%（体积分数）甲醇溶液所需甲醇的摩尔数：

n==14.8295mol

（2）配制3L 20%（体积分数）甲醇溶液所需水的摩尔数：

由nM=nii可得：n==135.5247mol

（3）配制3L 20%（体积分数）甲醇溶液所需水的体积：

V=135.5247×18.04=2444.9cm3

该案例表明偏摩尔性质数值对流体混合物性质研究的重要性，因此，需要掌握偏摩尔性质的计算方法。

6.偏摩尔性质计算（大约20分钟）

（1）解析法

由式（2）i=

展开得：

Mi=M

+n

=M+n

（5）

对于有N个组分的混合物，在等温、等压的条件下，摩尔性质M是N-1个摩尔分数的函数，即：

M=f（x1，x2，…，xi-1，xi+1，…，xk，…xN）

式中xi选作因变量而被扣除。等温、等压时，对上式全微分可得：

dM=

dxk

以dni除上式并限定nj为常数，则得：

=

（6）

由于：xk==

所以：

==-=-，代入式（6）得下式：

=-

x

（7）

将式（7）代入（5）得：

Mi=M-xk

（8）

式（8）中，i是讨论的组分，k不包括i、j，j不包括i、k。对于二组分混合物，则有：

M1=M-x2

=M+x2

（9）

M2=M-x1

=M+x1

（10）

（2）作图法

以偏摩尔体积为例的作图法计算偏摩尔性质的步骤如下：

第一步：获取乙醇（1）与水（2）混合体积实验数据（表2），绘制混合物V-x1图（图1A→B曲线）。

第二步：在曲线上找到拟计算的混合物组成点，如图中C点（x1=0.4）。

第三步：过C点作曲线A→B的切线，交纵坐标轴于D点和E点。

第四步：则DF=V，EH=V

证明：

（1）过C点做横坐标轴的平行线，交纵坐标轴于J、K点;直线JK与切线DE夹角为α。

（2）DJ=CJ×tgα=x1

（3）FD=FJ-DJ=V-x1

对比式（10），则有

FD=FJ-DJ=V-x

=V

（4）同理可证明HE=V

7.“白酒中的热力学”案例培养分析复杂工程中问题的能力（大约9分钟）

白酒是乙醇与水的混合物。酒的度数用酒精度表示，即酒中乙醇的体积百分比，通常是以20℃时的体积比表示的，如39度的酒，表示在100mL的酒中，含有乙醇39mL（20℃）。某酒厂39度酒每瓶500 mL售价89元，52度酒每瓶500 mL售价108元;以1000 kg乙醇为基准，计算不同度数酒的营销额。已知20℃纯水的密度为0.998891g·cm3，酒精的体积分数、质量分数与密度关系见表3，相对密度指20℃时酒精水溶液密度与纯水密度之比值。计算结果见表4。

表4  计算结果显示39度酒比52度酒多卖52032元。这是因为乙醇与水混合后体积减少，且减小值随着组分浓度的变化而变化，这也是大多数酒厂更乐意销售低度酒的缘故。该案例也揭示了偏摩尔性质在实际生产与生活中的应用以及对经济效益的指导意义。

甲醇与水混合、乙醇与水混合都表现出混合后体积减小的特性，那么有没有混合后体积增大的体系呢？

8.“乙醇汽油”案例培养科学严谨性和社会责任感（大约3分钟）

化学工业出版社出版、冯新主编的《化工热力学》教材第92页描述“如果用等体积的酒精和汽油混合，总体积也会变大。”[9]《计量与测试技术》期刊2015年第42卷第12期第48页“偏摩尔体积对乙醇汽油计量的影响”一文总结中显示：“经过实验证明：偏摩尔体积所引起的体积变化使得汽油与乙醇相溶后体积下降。”[11]混合物的性质与混合物的状态有关，那么乙醇与汽油混合后体积到底是增大还是减小？在不同状态条件下乙醇与汽油的混合体积如何变化？这个问题留给学生课后研讨，并在下节课组织讨论。

三、讨论与结论

（1）融入“课程思政”教学后，价值引领就纳入了教学内容，隐性教育也进入了教学方法，教学过程中较好地将传授知识、培养学生工程与创新能力、培育学生家国情怀精神有机地融合于一体，学生的能力与素质培养得到了良好的推进，更好地达成了课程教学目标。

（2）实施“课程思政”教学后，更加突出了“以学生为主体、教师为主导”的教学理念;更加践行了“立德树人”的根本任务;更加落实了培养德、智、体、美、劳全面发展的社会主义建设者和接班人。

（3）深化“课程思政”教学后，较好地发挥了学生的主动性，有助于学生形成积极的情感态度、正确的价值观、良好的竞争意识、较强的社会责任感和国际视野。

参考文献：

[1]习近平.思政课是落实立德树人根本任务的关键课程[J].求是，2020（17）：4-16.

[2]张大良.课程思政：新时期立德树人的根本遵循[J].中国高教研究，2021（1）：5-8.

[3]蒙红平，罗艳，卿周君等.化工类专业课程“课程思政”策略的研究与实践[J].广州化工，2021，49（1）：144-145.

[4]王禾玲.“課程思政”融入专业课教学的探索[J].现代企业，2018（9）：112-113.

[5]夏淑倩，马沛生，陈明鸣等.化工热力学课程改革[J].化工高等教育，2006（4）：38-41.

[6]黄小鹏.中西口罩观[N].证券时报，2020-03-20（A03）.

[7]陈钟秀，顾飞燕，胡望明编.《化工热力学》（第三版），化学工业出版社（面向21世纪课程教材），2011.7.

[8]刘德青，许朝霞，刘金坤等.城镇天然气管道注入甲醇防冻技术[J].燃气与热力，2015，35（9）：44-46

[9]冯新，宣爱国，周彩荣等.化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2014：97-98.

[10]贾树彪，李盛贤，吴国峰.新编酒精工艺学[M].北京：化学工业出版社，2009.8

[11]李杨，谢远伟.偏摩尔体积对乙醇汽油计量的影响[J].计量与测试技术，2015，42（12）：48-49.