以生为本——“化工热力学”“3+3”教学模式创新

及方华 陆振欢

[摘 要] 结合“化工热力学”课程“三多三难”的课程特点，即概念多理解难、公式多记忆难、计算多掌握难，根据学生的基本学情，开展“三引入+三结合”的“3+3”教学模式，即引入趣味知识、引入生活案例、引入科研成果，结合实验现象、结合计算软件、结合专业课程。通过“3+3”教学模式的开展达到激发学习兴趣、提升课程魅力、反映学科前沿的目的，同时实现变抽象为具体、解决复杂问题、强化学科沟通的目标，有针对性地提高了学生的学习兴趣，明显提高了教学效果。

[关键词] 化工热力学;难教难学;3+3教学模式

[基金项目] 2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“化学工程与工艺‘专业思政三体系构建与实践”（2020JGB200）

[作者简介] 及方华（1987—），女，河北任丘人，博士，桂林理工大学化学与生物工程学院副教授，主要从事化学理论及教学研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）22-0149-04   [收稿日期] 2021-01-20

“化工热力学”是化学工程与工艺专业的专业基础课、核心专业课之一，以培养学生的工程观念为主要目的，在20世纪初成为各类理工科大学的重要课程[1]。“以高等数学”“物理化学”“化工原

理”等为先修课程，同时为“化工分离工程”“化工过程分析与合成”“化工设计”等后续课程服务，是从化学过渡到化工的桥梁。“化工热力学”课程建设初衷的是为了使大学生能够掌握其基本概念、理论和计算方法，能利用化工热力学的原理和模型对化工中涉及的化学反应平衡原理、相平衡原理等进行分析和研究，能利用化工热力学的方法对化工中涉及的物系的热力学性质和其他化工物性进行关联和推算，并学会利用化工热力学的基本理论对化工中能量进行分析等[2]。课程教学与学习对化工类学生学习后续课程是非常重要的，甚至影响到学生就业后从事化工设计和计算的能力[3]。针对“化工热力学”课程难教难学的现实问题，教学工作者不断探索，对“化工热力学”课程在教学模式、教学内容、教学方法以及考核方式等方面进行了一系列的改革并取得了一系列的成绩[4]，但是对照工程教育专业认证的基本要求，地方院校化工专业学生在“化工热力学”课程的学习过程中仍存在以下不足与挑战：一是，“化工热力学”课程“三多三难”的课程特点使学生望而生畏，难以提高学生的学习积极性与主动性;二是，学生对生产缺乏感性认识，难以将热力学的基本原理应用于实际的生产案例;三是，课程内容无法反映科学前沿，无法体现“化工热力学”课程的实际应用价值，难以培养学生的科研精神。针对以上现实问题，采用科学手段与方法精细组织，对教学模式进行优化，开展“三引入+三结合”的“3+3”教学模式，明显提高了学生的学习主动性，改善了教学效果，夯实了专业基础，增强了学生理论联系实践的能力。

一、引入趣味知识，激发学习兴趣

“化工热力学”课程的授课对象是化学工程与工艺专业的大三学生，学生到了大三阶段开始出现学习倦怠期，难以提高学习兴趣。加之“化工热力学”的学习需要前修课程“高等数学”和“物理化学”作为基础，然而很多学生基础薄弱，特别是高等数学[5]。以上基本学情为“化工热力学”的课程教学增加了难度。为了提高学生的学习兴趣，在授课过程中，结合课程内容引入相关的趣味知识，可以明显提高学生的学习积极性，例如在学习流体的p-V-T关系时，引入玻璃瓶的制作工艺：玻璃瓶以石英砂为主要原料，加上其他辅料在高温下融化成液态，然后精油瓶注入模具，冷却、切口、回火，就形成玻璃瓶。聪明的古代玻璃匠人利用了吹管，他们将长长的吹管插入炙热的原料，在旋转原料的过程中进行吹气，从而制作出玻璃瓶等器物。这一过程也被形象地称为吹玻璃。直到现在，很多精美的玻璃制品仍是由手艺精湛的工匠吹制而成。这一趣味知识通过玻璃的制作过程，说明了高温下玻璃经过加热熔化成为液态，即温度变化引起了物质形态的变化，从而引出流体p-V-T关系的学习内容。除此之外，玻璃瓶制作的趣味知识也反映了传统工艺的博大精深，加深了学生对传统文化的敬畏感;玻璃匠人精益求精的精神也会对学生产生积极正面的影响。通过这样的趣味知识引入环节，不仅仅提高了学生的学习兴趣，同时挖掘了课程知识蕴含的思政元素。

再比如，在高温高压下石墨可以转化为金刚石，这一趣味知识学生在早期的学习过程中已经有所涉及，那么如何用“化工热力学”原理进行解释，将这一趣味知识与流体的p-V-T关系进行关联也将明显提高学生的学习兴趣。玻璃瓶的形成过程和石墨转化为金刚石这两个趣味知识都反映了这样一个客观事实：物质状态、性质的变化多数是由温度、压力变化引起的。由此可见，研究物质的温度T、压力P、体积V之间的关系有着极其重要的意义。通过趣味知识的引入，自然而然引入课程内容，起到了提高兴趣和导入新课的双重作用。

二、引入生活案例，提升課程魅力

在教学过程中适时引入生活案例，用生活案例设疑，然后再用化工热力学原理解疑，通过这样的过程说明化工热力学知识的实际应用价值，同时提高学生学习的主动性，使学生感受到热力学知识的魅力[6]。例如液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷、乙烷和正己烷？液化石油气是学生熟悉的概念，与我们的生活息息相关，然而很多学生并不清楚液化石油气的主要成分，因此通过这一生活案例的引入，可以调动学生学习的主动性，点燃学习欲望。在案例讲解过程中，注重知识的引领，拒绝“填鸭式”教学，回归以学生为中心的教学模式。在师生互动和生生互动中循序渐进，构建师生学习共同体，消除学生对热力学课程枯燥乏味的刻板印象，将晦涩难懂的热力学知识与生活实际相结合，抽象问题具体化，提升兴趣，促进理解。

再比如，想象一个人在睡觉时被蚊子困扰，当蚊子落在腿上时，一巴掌打下去，瞬间使腿部被打部位的温度升高了1.0 ℃，设手掌的质量为1.0千克，腿部皮肤组织的质量为0.15千克，求该手掌打在腿上的速度。这样一个生活案例，以最常见的生活现象设疑，生动有趣，可以明显提高学生学习的积极性，唤起学生学习的热情。在解答过程中结合专业知识，真正实现理论联系实际，同时培养学生善于观察、善于发现、善于质疑的思考习惯。