提高地方院校学生掌握化工热力学能力的探索与实践*

陈 茎，孙 平，李学坤，薛 敏，李蓓蓓

(西安文理学院，化学工程学院，陕西 西安 710045)

化工热力学是化学工程与工艺专业的一门专业基础课，也是一门核心课。利用化工热力学的理论基础可进行化工过程的研究、开发和设计[1]。该课程是物理化学的升级，同时又是化工设计、化学反应工程、化工原理和化工分离等课程的基础和应用指导[2]。由于部分学生是从食品等其他专业完成专科学习后，跨专业专升本到化工专业，相关的知识和专业背景不足。另外，化工热力学课程理论性强，计算繁杂、公式推导多、概念抽象等使该课程学习显得枯燥，容易使学生产生畏难和抵触心理[3]。为了激发学生专业学习兴趣，培养学生的逻辑和工程思维能力使学生更好掌握这门课程，我们在化工热力学课程教学上进行以下几方面的改革尝试，以便于学生提高对本课程的学习兴趣和学习能力。

主要工作包括两方面，一是思想方面引导学生从身边的生活现象联系到化工热力学的本质，用通俗易懂的生活常识解释清楚复杂的机理；从局部的实验数据加半经验模型推算系统完整的信息，以理想状态为参考态加上校正，求取物质真实状态的热力学性质。其次通过课堂和课后练习、测试以及课后小结等手段提高学生的学习效果。

1 改变以教师为中心转为以学生为中心，引导学生建立学习化工热力学学习热情

1.1 做到与学生良好的交流和对话，争取做到通俗易懂，将复杂的知识简单化

老师需要明确的一点是，不是老师在课堂上讲过了，也讲得很清楚了，学生就能学会了。在学生的心中可能还有一万个“这究竟是什么鬼”。因此，需要老师尽可能通过学生能够听得懂或有实际感受的生活实例让学生减轻畏难抵触情绪，甚至于让学生能够喜欢上这门“特别有用的基础课”；比如“老太太都知道揭锅盖的时候要小心点，别让蒸汽给烫了，汽烫了比水烫了还要疼”。这个生活实例可以非常生动地解释“水蒸汽的潜热问题”，因为水蒸汽在遇到皮肤时会液化并放出大量的热，同时温度不变，而“开水”碰到皮肤后会直接降低温度并没有液化这一过程，因此，蒸汽“烫得更疼”。再比如去海拔高的地方需要高压锅才能煮熟面条，揭露了泡点温度与压力之间的关系，即压力越低，水的沸点越低。从简单的生活常识入手，让学生通过对生活现象的解释与表达而产生学习兴趣，认识到学习知识是为了在现实生活中应用的，逐渐过渡理解和掌握气体的p-V-T相图的意义及其状态方程的在化工工业中的应用。当然做到这一点对老师的要求也随之提高，除了对知识的融会贯通外，还要化繁为简，需要老师自身素质高本领过硬，因此，需要老师时时刻刻学习，不断更新对知识的理解和应用。

1.2 建立模型思想，将其与容易计算的数据建立联系，方便解决问题

通过本课程学习，让学生掌握化工热力学“实际过程=理想模型+校正”的处理问题方法，运用模型能正确求解，并理解其局限性。计算热力学函数变化时，常常要用到偏离函数这个概念，通过偏离函数可以简便计算热力学性质，更方便获取H、U、S、G等函数值。单纯让学生从定义式求解比较莫涩难懂，通过画框图建立模型，再引入一个理想状态的中间变量，学生就能够完全理解互相之间的对应关系。表1中是700 K下不同压力的异丁烷的焓和熵的值。试估算700 K和不用压力下的偏离焓和偏离熵(取参考态的压力P0等于研究态P)[4]。

表1 异丁烷在700 K和不同压力下的焓和熵

为了有助于让学生理解偏离函数的运用，绘制了一个框图，如图1所示。

图1 偏离焓的推导框图

偏离函数指研究态相对于某一参考态的热力学函数的差值，并规定参考态是与研究态同温，压力为P0的理想气体状态，根据定义得出偏离焓就等于H-Hig0，假设表1(0.01 MPa，700 K)状态下气体为P0的理想气体，理想气体的焓与压力无关[5]，即Hig0(0.01 MPa，700 K)=52933，按照偏离焓定义得出700 K下不同压力的偏离焓，即H- Hig0=H-52933，学生理解起来比较困难。因此，为了便于学生理解引入一个中间态，将(0.01 MPa，700 K)状态假定为理想气体状态，并将此状态定为中间态，参考态是与研究态同温，压力为P0的理想气体状态，如上图所示，偏离焓的计算就分解为两部分，一部分是真实状态H(700，P/MPa)变化到理想态的Hig(700，0.01/MPa)焓差，另一部分是理想状态之间的变化，即从Hig(700，0.01/MPa)变化到Hig0(700，P0/MPa)，焓是状态函数，它只与体系的始态和终态有关，与变化的具体途径无关。计算过程如下：

=H-52399+0=H-52399

通过引入一个中间态，建立模型框图这种方式让学生一目了然，对进一步学习后面的理论知识奠定了扎实的基础。由于篇幅原因偏离熵的计算在这不做赘述。

2 提高课堂教学效果，需要切实可行的举措

具体主要包括以下几个方面：

2.1 讲练结合精练

课堂教学中，首先要对重点内容进行详细讲解，之后，马上进行随堂训练，想要保证课堂效果，必须让学生在课堂上掌握基础计算。作为一所地方院校，由于办学需求，除了本科生以外还有一部分专升本的学生，并且有部分学生是从食品等专业升学而来，未修物理化学课程，几乎没有储备专业基础知识，马上进入化工热力学课程的学习势必困难重重。也有部分学生学习主动性差和自学能力弱，还有部分学生不愿吃苦受累，因此，必须要在课堂上下功夫。要提高课堂教学效果，需要在课堂教学中多引入讨论、思考和当堂训练环节，帮助基础欠缺的学生当堂消化课程内容。例如，p-V-T状态方程理论学习完之后，选择典型例题在课堂上讲解和训练，尤其是状态方程的迭代是重中之重，涉及到后续章节的学习，例如计算纯流体偏离焓和偏离熵涉及到p-V-T状态方程的迭代，同样计算纯物质和混合物的逸度仍然要用p-V-T状态方程的迭代，因此练好基础才能为第三章和第四章铺垫好理解联系之路。讲授完RK方程的计算方法后，选择一道典型例题，找学生代表在黑板上计算，老师在下面检查其他学生计算情况，再由学生讲解过程，台上台下学生互相学习，老师最后归纳总结，从而让学生掌握重点计算内容。每学完一节重点难点计算内容，选择典型例题进行当堂练习，在课堂上消化吸收，课下再配备一定的作业强化所学内容。通过几年的授课发现这一方法还是有效果的，大部分学生能掌握重点难点计算内容，作业抄袭现象大大减少，及格率也逐年提高

2.2 课堂测试和学生自测

培养学生的学习能力，让学生学会学习方法，方法之一就是增加课堂测试，只需在一堂课上加入一次测验(检索练习)，就能极大地改善学生期末考试的分数。而且，课堂测验进行得越频繁，收效就越大。学完一章内容在课堂或课后进行测试，加深学生的印象。测验不是非要由教师发起，让学生课下可以随时随地练习检索。引导学生怎样把检索练习当成学习方法使用：比如在读课本或是研究课堂笔记的时候，要不时地停下来，合上书本问自己这样一些问题：核心概念是什么？哪些术语或概念是我没接触过的？我会如何定义它们？这些概念和我已知的东西有什么联系？学生在学习的时候就会更为留意：“我会停下来想一想，刚才我读了些什么？是关于什么内容的？然后我会再看一遍，检查自己是想对了还是想偏了”。复习的时候，不能只是重读，提醒学生要看自己是否能回忆所学的知识，是否记住了具体内容。学生要先自测，确实不记得了就复习后再自测。”化工热力学公式多概念多且不容易理解，必须要让学生下硬功夫，才能真正做到理解和掌握。

2.3 课后小结

用思维导图的小结方法将每章进行总结，再将整本书的内容用思维导图的方式进行总结，建立章节内容的系统性和关联性，使学生明白各章节在课程中所处的位置和建立各章节关系，以便于更好的理解和记忆所学知识。许多教师相信，只要让学生学起来更快、更轻松，学习效果就更好，而大量研究却证明事实恰恰相反：正是感觉到学习更吃力时，记忆才更为长久、牢固。通过学生自己总结思考，将课本的知识用自己的想法整理归纳出来，才能对所学内容做到真正的掌握和理解。同时课后小结也锻炼了学生的科学写作能力，即简明扼要地写一段文字。只有努力用自己的话解释学习资料，联系事实，让学习内容形象起来，把它和已知的东西相关联，才能真正做到专注。与难题搏斗才会刺激学生的创造力，让学生有意识去借鉴已有的经验、知识，并应用它们获得急需的解决方案。当学生真正获得答案时，它会和先验知识以及能力深深地结合起来，远超过幻灯片在学生的头脑中留下的肤浅印象。

3 结 语

通过以上两方面的举措，能较好地提高学生学习化工热力学的效果。化工热力学包含众多的抽象概念、原理和模型公式，除了从思想上减轻学生的畏难情结，由浅入深的引导学生对课程的兴趣，建立模型思想，巧妙利用数学方法由易得的数据计算复杂的难测的数据。从学习方法上尝试引导学生，除了课堂教学充分阐述清楚外，让学生通过典型例题的深入分析和强化练习掌握重点难点计算知识。课堂测试和课后总结让学生主动发现问题，并能够联系所学的热力学知识，激发学生主动学习能力和运用热力学知识，锻炼学生的分析问题能力和表达能力，教学质量得以提升。