《化工热力学》课程教学改革与实践

高道伟，姜占坤，陈国柱

(济南大学化学化工学院，山东 济南 250022)

《化工热力学》是一门以热力学基本定律为基础的课程，主要涉及多学科知识，例如通过热力学函数(P、V、T、G、H、S 等)分析某些化工过程达到平衡的条件、状态和能量利用及其效率问题，以及制订节能措施以提高反应过程的能量利用率[1,2]。《化工热力学》作为一级学科化学工程与技术下属专业(如化学工程与工艺专业、能源工程专业等)的重要专业课程，对培养学生的工程素养起着至关重要的作用[1]。在化工专业课程链中，化工热力学上承物理化学，下启化学分离工程、化学反应工程，所以该课程处于从基础课到专业课的过渡环节[2]。

因此，化工热力学是贯穿整个化工过程的重要专业课程。我们选取济南大学化学工程与工艺专业学生为培养对象，从培养综合能力强的应用型化工专业人才的角度出发，我们对本校该课程进行了系统反思与改进，目的在于促进教学过程中相关理论知识与实际工程环节的紧密衔接，夯实学生的基本热力学理论基础，提高学生的理论联系实际的能力、增强化学工程意识及创新能力[3]。

1 《化工热力学》课程教学目前存在的问题

济南大学《化工热力学》课程开设于大三上学期，其理论课时为48学时，3学分。本课程系统讲授了化工热力学基本原理；预测和分析化工系统的性能；根据热力学问题的属性，采用不同的流体热力学性质数学模型；计算和优化化工过程中的热力学性质变化；计算纯流体和溶液的相平衡(主要为气液平衡)；掌握化工热力学相关知识在实际化工过程中的应用。本课程的教学目标是学生学习完化工热力学知识后，能熟练运用热力学相关原理和数学模型去计算纯流体或溶液的热力学性质；解决化工过程中的相平衡问题或化学反应平衡相关问题；利用热力学基本知识来综合分析反应过程和后续分离设备的能量利用效率；熟悉蒸汽动力循环与制冷循环的基本概念、原理和方法，并能利用相关知识进行计算[4,5]。然而在授课过程中，我们发现目前本校的《化工热力学》课程在实际教学过程中存在以下几点问题。

1.1 课程内容枯燥、学生学习兴趣低

《化工热力学》课程有许多新的知识点，例如对应态原理、超额性质、剩余性质、偏摩尔性质、逸度和逸度系数、活度和活度系数、化学位、损失功等等，具有概念抽象、模型复杂、公式繁多等特点，这些使得学生在课堂学习过程中感到晦涩、难以理解[6]。学生在学习该课程的时候通常侧重抽象的基本概念和繁杂的理论计算，对于热力学在实际化工生产中的作用认识不到位。如果学生无法做到课前认真预习，课下进行复习，当课程内容讲解的深度不断递进，学生很容易出现课堂授课内容听不懂，无法跟上课程节奏，从而导致学生产生厌学情绪。根据我们的调研，全国其它化工类高校的本科生在学习化工热力学课程时，都认为本门课程如“天书”一般，难以理解。在继续深造，攻读研究生期间，大多数学生在选择科研方向时，都选择性的避免化工热力学方向[5]。目前，在课堂上引起学生学习热力学的兴趣，调动学生学习的积极性，综合评价学生的学习成效，是化工热力学授课老师亟待解决的困境。

1.2 教学过程中的反馈与评价机制不合理

本校《化工热力学》课程的学习评价方法一直采取传统的“日常考勤-课后作业-期末考试”三者结合的方式。然而上述方法的弊端是缺少对学生学习过程的考核，目前判断学生的掌握知识程度，只能通过期末考试的方式进行评估，但这样的判断方式是不合理的，并且滞后于教师的授课进度[7]。通过“课后作业+期末考试”这种模式只能检验学生对基本概念的掌握，尤其是对于化工热力学这种理论复杂、计算繁琐的应用型课程来说，这种模式存在一定弊端，很多重难点内容无法检验，很难考查学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力[6]。所以该方式无法全面反映学生对化工热力学课程内容的掌握情况，不利于学生的化工热力学知识体系的构建，也不利于培养应用型化工人才的培养。因此，以期末考试为主的“日常考勤-课后作业-期末考试”教学反馈与课程评价体系有待改进。

1.3 课程内容与工程实践缺少紧密联系

根据我们调研发现，目前大多数本科院校的化工热力学教学采用以“以教师讲授课本概念为主，学生自主探索为辅”的传统的教学模式。受化工热力学课程的理论性和逻辑性强的特点的影响，学生在学习过程会产生“这些理论无非就是一些推导公式的组合”的错觉，所以大多数学生很难将课堂上学到的化工热力学知识与化工实际生产过程中的热力学问题有效的结合起来，导致学生无法形成完整的化工热力学思维。在这种传统的讲授模式下，不利于提高学生的化工素养，从而难以培养出综合能力强的应用型化工人才。

因此，如何改变传统化工热力学课程评价方案、优化课程内容、改进教学方法是目前面临的重要问题。针对上述问题，我们依托济南大学化学工程与工艺专业《化工热力学》课程的实际教学情况，从以下几个方面对化工热力学教学内容、教学模式和教学评价体系等方面进行了改进。我们的宗旨是提高化工热力学课程教学质量，进而培养学生的工程意识与综合能力。

图1 不同规格的热裂解反应器Fig.1 The pyrolysis reactor with different specification

2 《化工热力学》课程教学探索与改进

2.1 精炼教学内容，优化课程体系

本课程教学内容主要包括流体的 PVT关系、流体的热力学性质、相平衡、化工过程的能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环等方面。由于课时有限，教学信息量大，且基本概念抽象难懂，在多年的教学实践过程中，我们对课程教学内容不断进行优化，删减与物理化学等课程重复的知识点，握好各章节的教学内容与结构层次之间的关系。例如：对教学中的重要基础概念如偏摩尔性质、逸度系数、活度系数等基础概念要反复讲解，深刻理解，使学生熟记熟用，便于学生进一步学习中等难度的问题；将难于学生目前学习现状的内容进行简化，将复杂难点作为介绍内容，以理清思路为目的，使学生有个初步印象，待学生其他知识得到提升时，可以自学。其次，关注化工热力学发展的前沿动态，将前沿性内容引入课程，提高学生学习兴趣. 热力学的发展不能闭门造车，要与重大技术变革相结合，形成热力学新理论、新方法；要拓展研究对象，创建新的热力学应用学科。例如：使用化工热力学原理准确的描述发生爆炸的原理；还可以利用热力学PT相图解释了冰沙的形成原因。从好奇，到用化工热力学揭秘；从生活中来，到生活中去。这就是科学的魅力所在，让更多的人用所学知识创造美好生活，这也是一代代化工热力学人的使命所在。第三，加入实验、参观等实践环节，使学生将学到的理论知识能通过校正模型与实际生产联系起来，使本学科不再抽象难懂，加强学生对化工生产实际的直观认识。例如：与附近企业联合开展具有时代气息的化工厂“节能减排”设计课；在生产实习环节中，重新温习所学的气体多级压缩，空气液化原理(空分)，热裂解(图1)等实践课，在化工热力学实验课中，吸收式制冷循环的设计和实现等。充分突出了化工热力学的时代特色，又强化了学生的动手能力和创新精神。最后，课后作业则难以避免的涉及迭代计算，例如： 状态方程及流体热力学性质的课后习题大都需要迭代法求解，手工计算很麻烦，还容易出错。在使学生明白迭代法基本原理的基础上，增加部分计算机课程的学习，如MATLAB、Aspen 等，使学生能进行简单的计算机计算，不用将精力浪费在繁琐的手工计算中，并将计算机知识应用在化工热力学中。由于软件的引入避免了复杂的计算，突出了应用性和实用性，激发了学生的学习兴趣。同时还可以为全国大学生化工设计竞赛奠定基础。在化工热力学教学过程中，每章内容的授课过程都按照先基本概念后复杂模型、先理想流体后真实流体、先基本知识后实际案例的基本原则。另外，课堂上，重视结合生动鲜活的实际案例，用浅显易懂的语言对化工热力学课程上的概念、原理与热力学模型进行详细剖析，这样更加调动学生的积极性，并理解和掌握本课程的基本原理。教师在在课堂讲授过程中注重加强问题或真实案例的启发性教学，促使学生主动学习，激发学生对热力学课程学习的兴趣，重点掌握基本知识的具体应用，使学生树立以基本知识、基本概念、方法及热力学模型为基础。以化工热力学的基本知识作为学生处理化学工程问题的工具。

2.2 完善课程评价方案

传统的化工热力学教学模式会注重学生的考试成绩，现在的评价体系认为考试成绩不能完全反应学生应用热力学知识处理化学工程问题的能力[7]。因此，我们在实际教学过程中充分考虑了应该如何评价学生解决实际工程问题的能力，而不是仅仅在期末考核时为了取得高分而突击学习[8]。因此，我们以培养学生的工程实践能力和工程意识为目标，完善了现有的课程评价体系。首先我们将日常考勤改进为开放式考核，包括课后作业、课堂练习等方面，将从不同角度考查学生学习效果。课后作业的目的是考查学生掌握课堂知识的程度。同时我们增加了课堂练习环节，通过选择典型例题在课堂上作答讲解，以便学生及时查漏补缺。最后，我们将期末考核分为两个模块，第一模块采取以基本题型为主的传统考试形式，主要考察学生对基础知识和基本概念的理解。第二模块选择布置模拟实际化工生产任务考查学生应用所学知识的能力，允许学生查阅资料、Aspen Plus计算辅助完成，济南大学2019级《化工热力学》课程目标达成度分析如表1所示。总之，考核评估应包括平时作业、随堂测验、课堂提问、师生互动、生生互动、单元测验以及实验上机等，还应该结合大数据、相关软件等，尽可能客观公正地评价学生的学习，让教师成为学生学习过程的辅导者。

表1 济南大学2019级《化工热力学》课程目标达成度分析Table 1 Analysis of achieving Chemical Thermodynamics course goal of the 2019 class students in University of Jinan

在《化工热力学》课程的教学过程中，理论教学是基础，但单从基本理论讲解，收效甚微[9]。从实践中来，到实践中去，并将科技的最新发展，最新的研究成果与学生分享，进而加深学生对基本理论知识的兴趣和理解。比如，利用化工热力学相关知识对化工反应过程和分离过程进行能量分析时，选取常减压精馏车间节能措施的改进为例进行研究[8]。第一，授课学生要知道从能量衡算法和有效能衡算法来研究此问题。第二，要分别利用能量衡算和有效能衡算进行研究：能量衡算法是以热力学第一定律为基础的一种计算方法，这种方法仅仅表现为能量在数量上的相互转换，没有把能量品位的高低作为评价范畴，这种评价结果不能表明能量利用的完善性与合理性；有效能衡算法是以热力学第一和热力学第二定律为基础，进行相同品位能量的数量衡算和利用情况评价，从有效能的角度对能量利用的整体性进行综合评价，从而可以给出系统中相应能量的利用效率[8]。最后，能量衡算法和有效能衡算法计算结果明显不同，其中能量衡算法表明，能量利用效率较低的设备单元为冷凝器，而有效能衡算法表明，要提高节能效果必须改进燃烧和传热过程。通过具体实例的分析与讨论，培养和提高了学生独立思考与解决问题的能力，强化了学生对基本概念、原理、方法及模型等方面的实际应用能力。

3 结 语

化工热力学在化工专业课中处于重要地位，本课程的主要目标是培养学生利用化工热力学知识来处理实际化学工程问题。在传统单向灌输为主的教学模式下，实现这种教学任务是很难的[7]。针对目前化工热力学教学过程中存在的一些问题，我们化工热力学教研组在教学内容和教学方法上进行了反思。结合本校的化学工程与工艺专业实际教学情况，提出精炼教学内容、优化课程体系、完善课程评价方案，注重实例分析与讨论，强化学生实际应用能力等改进措施。由注重基本理论、公式推导，转变为解决工程实际问题和树立工程意识的培养，进而提高教学质量。