《化工热力学》课程教学改革探索与研究

摘要：《化工热力学》是化工学科重要的基础课程，具有理论概念严谨抽象、数学公式纷繁复杂的特点，对“教”与“学”提出了较高的要求。基于上海应用技术大学的《化工热力学》教学实践经验，本文指出了课程教学中存在的问题和困难，详细阐述了从教学目标、教学方法、教学评价机制三方面出发的课程教学改革措施，增强学生的学习兴趣，使《化工热力学》课程教学质量得以有效提升。

关键词：化工热力学；教学改革；教学效果

《化工热力学》是将热力学应用于化学工程领域而形成的一门学科，是化学工程与工艺专业的必修基础课程，与《化学反应工程》、《分离工程》联系紧密，也是化工过程研究、开发与设计的理论基础[1-2]。《化工热力学》从热力学第一定律和第二定律出发，研究化工过程中各种能量的相互转化和有效利用，研究物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件或状态[3-4]。以“难学”和“难教”著称的《化工热力学》，概念抽象、晦涩难懂，公式复杂、推导过程繁琐，注重逻辑思维，对演绎推理能力要求高[5-7]。基于此课程特点，以上海应用技术大学化学工程与工艺专业的学生为教学对象，本文指出了《化工热力学》教学过程中存在的实际问题，从调整教学目标、改进教学方法、优化教学评价机制三方面出发，进行《化工热力学》课程教学改革探索与研究。

1 《化工热力学》课程教学现状

上海应用技术大学的《化工热力学》课程开设于第五学期，面向化学工程与工艺专业的大三学生，共48学时，3学分。《化工热力学》以《高等数学》和《物理化学》为前置课程，下连《化学反应工程》、《分离工程》等课程。基于《化工热力学》的教学实践，我们发现课程教学中主要存在以下问题。

1.1学生基础薄弱，缺少学习兴趣

《高等数学》中的微分和积分，是推导化工热力学公式以及进行数值运算的常用工具。《物理化学》中关于化学热力学的知识又可为《化工热力学》的学习打好基础。然而，部分大三学生对于高等数学知识已相当陌生，对于数学运算也缺少细心和耐心；对于化学热力学的部分本就不能透彻理解，也已快速遗忘。因而，学生基础薄弱是《化工热力学》课程教学中面临的困难之一。另外，《化工热力学》中全新的概念和理论，比如状态方程、对应态原理、普遍化关系、剩余性质、逸度和逸度系数、偏摩尔性质、活度和活度系数、有效能等，对于学生来讲，抽象且晦涩难懂，容易感觉枯燥乏味。如果想要领悟和掌握，学生需要做到课前有效预习、课上紧跟教师授课节奏、课后及时复习，倾注大量的时间和精力，这对于正处课业繁重的大三学生而言，存有较大难度。而一旦跟不上老师上课的节奏，不懂的知识将越积越多，而知识的难度也在逐渐升级，学生将会逐步丧失信心，丧失学习的兴趣，产生畏惧心理，形成“知識越难-越听不懂-越不想学习”的恶性循环。因此，如何调动学生的学习兴趣，提振学生学好《化工热力学》的信心，是《化工热力学》课程教学改革中需要重视的问题。

1.2教学过程中理论联系实际不足

《化工热力学》理论概念抽象、晦涩难懂的原因在于与实际联系有限，学生不能通过日常所见所想来领悟理解《化工热力学》知识，将导致《化工热力学》形同“天书”。教学中如果单纯着眼于理论知识的拆解记忆和背诵、公式推导的流程和方法，尽管可以形成短期记忆，但对学生理解《化工热力学》的本质和内核、运用化工热力学知识无济于事。《化工热力学》课程的培养目标是希望学生在夯实化工热力学理论基础的同时，树立工程观念，并能够运用课程知识解决化工过程的实际问题。因此，如何将《化工热力学》理论知识与生产生活实际充分融合，使课本内容更为立体、生动，使学生对《化工热力学》的理解由抽象转为具象，杜绝死记硬背，注重灵活运用，对提升学生的学习效果有积极意义。

1.3教学评价机制不合理

课程教学普遍采用“考勤-课后作业-期末考试”三元机制进行反馈和评价。这种评价方式存有较大漏洞。学生出勤不能等同于课堂参与度高；按时提交课后作业不能等同于独立完成，因而不代表真实学习水平；期末考试后教师已无法对先前的教学方式方法进行调整。另外，学生的学习感受以及对课程的意见建议无法得到及时反馈。因此，《化工热力学》课程教学需要具备更为合理的评价机制。

2 《化工热力学》课程教学改革探索与研究

基于《化工热力学》课程教学中遇到的问题，我们将从以下三个方面进行课程教学改革探索与研究，使学生在夯实理论基础的同时，锻炼逻辑思维能力和演绎推理能力，树立工程意识，具有运用《化工热力学》知识解决生产生活实际问题的潜能，以此获得教学质量的有效提升。

2.1调整教学目标

我们将教学目标调整为（1）使学生正确理解《化工热力学》的基本概念、理论和计算方法（2）能够运用热力学定律，分析化工过程能量之间相互转化的规律，优化用能过程；分析蒸汽压缩动力循环和蒸汽压缩制冷循环过程的能量转化特点、深冷循环过程中的能量平衡与质量平衡（3）使学生掌握运用经典热力学原理来解决化工生产中的工程实际问题的能力，树立崇尚科技、追求卓越的价值观，乐于用化工专业知识为生产和社会服务。调整后的教学目标不再将《化工热力学》教学局限于掌握理论知识和计算方法，而是需要同时培养学生的工程思维，提升学生的“节能减排”意识和创新精神，注重学生运用理论原理分析、解决实际问题的能力，同时将课程教学提升到价值引领的维度，使教授专业课程知识与育人育才相辅相成。

2.2改进教学方法

传统的“满堂灌”、“填鸭”式教学模式已暴露出课堂参与度不高、学生学习兴趣不足、学习效果差等问题。如何提振学生的学习兴趣，使学生乐于参与到课堂中来，提升教学效果，我们需要对教学方式方法进行调整和优化。

2.2.1夯实基础

我们要根据学情分析，立足学生实际，“对症下药”。针对学生高数和物理化学基础薄弱、计算能力欠缺的问题，教师需要在《化工热力学》授课前期，对其中用到的高数和物理化学知识进行逐一罗列、分类梳理和讲解，使学生充分回顾和复习，“工欲善其事必先利其器”，打倒“纸老虎”。

2.2.2 案例法启发式教学

通过案例教学法，结合生产生活中的实例，使学生意识到化工热力学无处不在，明确化工热力学的重要意义[8]。而后，使学生能够在教师的带动下，将化工热力学知识放在实例中理解和掌握，同时锻炼学生的逻辑思维能力和演绎推理能力，培养学生的学习兴趣。例如，在绪论中，通过“冰箱和空调的工作原理分别是什么？夏天可以把冰箱门打开作为空调使用吗？”“无水酒精的价格为什么是95%的酒精的两倍？”“天然植物中香精、色素等有效成分的提取为什么选用超临界萃取技術？萃取剂为什么常选二氧化碳？”等问题引导学生进行思考，鼓励学生自主探索其中的原理，激发学生对于化工热力学的学习兴趣。通过“液化气成分的选择”这一生活实例，讲解“临界点特性”这一重要知识点，加深学生对于“气体液化的先决条件是温度低于临界温度，否则无论施加多大的压力都不能使其液化”等理论知识的理解以及对p-V图、p-T图的认知。而在“液化气成分”的选择过程中，学生需要综合考虑家用条件下的温度范围、沸点等条件，将化工热力学知识与生活细节充分联系起来。通过“高原反应”、“潜水员呼吸介质的选择”等案例来理解掌握Henry定律，同样有异曲同工之妙。在案例教学法运用的过程中，我们可以通过启发式教学，活跃课堂气氛，提高学生的参与积极性。在课堂中引入案例后，授课教师可通过“抛出问题-小组讨论-分析总结-汇报表达-质疑答辩”的模式引导学生展开学习和探究，同时教师从学生的实际出发，在关键处进行点拨，调动学生的主动性和积极性。通过上述模式，学生掌握化工热力学知识的基础上，有效提升团队合作能力、沟通表达能力和思辨能力。案例教学法的运用对于《化工热力学》课程教学质量的提高有积极影响，同时要求教师具备更高的教学水平和更丰富的知识储备。教师需要能够根据生产生活实际、结合“节能减排”以及“双碳”目标筛选出与《化工热力学》理论知识点充分契合的案例，并且瞄准理论联系实践的切入点，实现有机融合，而非生搬硬套。另外，教师也应时刻追踪科技发展，能够从科研前沿捕捉《化工热力学》的教学案例，将《化工热力学》的教学融入科研发展当中去，科研反哺教学，教学与科研相辅相成。授课教师需将筛选与总结的案例建成《化工热力学》课程案例库，伴随教学过程不断进行调整更新和优化，保持案例的新颖性和趣味性，精益求精。

2.2.3 引入思维导图

《化工热力学》课程的每个章节都涉及众多的概念和公式，在学习的过程中，如若不能加以梳理，学生极易将知识点搞混。因此，可通过引入课程思维导图，使学生对各个章节的作用和联系加以了解，将《化工热力学》的课程内容根植于心。化工热力学的根本任务是给出物质有效利用的极限（相平衡）、给出能量有效利用的极限（化工过程能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环）。其中，“纯物质（流体）的热力学性质与计算”是“化工过程能量分析”和“蒸汽动力循环与制冷循环”的基础；“溶液热力学基础”是“相平衡”的基础；而“流体的pVT关系”则是“纯物质（流体）的热力学性质与计算”、“溶液热力学基础”以及“相平衡”的基础。各章内容并非独立存在，而是彼此相互连通。通过引入章节思维导图，使学生对本章内容在《化工热力学》学习中所占地位加以明确，而后向学生呈现需要研究和掌握的主要知识点以及主要研究方法，继而将知识点中涉及的公式和推导方法逐一罗列，同时将知识点应用于解决的问题加以介绍[7]。例如，在第三章纯物质（流体）的热力学性质与计算的学习过程中，可通过思维导图将概念、公式串联起来。从热力学基本方程式出发，利用Maxwell关系式，将焓（H）、熵（S）等难测的热力学性质通过可直接测量的热力学性质压力（p），体积（V），温度（T），定压比热容（cp）和定容比热容（cv）的关系式表示出来。求真实气体的H、S值，以理性气体状态作为参考态，通过剩余性质MR搭建桥梁。而逸度与逸度系数的定义，又可通过热力学基本关系式dG=vdp-SdT在等温条件下推导而得。由此，引入思维导图，课程内容趋于清晰，章节本身、章节与章节之间的联系也得以构建，有助于学生对《化工热力学》课程学习有更为清楚的认知，便于课堂学习和课后复习。

2.3优化教学评价机制

不合理的教学评价机制不能有效体现学生真实的知识掌握情况，也不能为教师及时改进教学方式方法提供高价值的参考信息。因此，在课程教学改革中，我们需要对教学评价机制进行优化。为此，我们在传统的“考勤-课后作业-期末考试”三元评价机制中增加“课堂表现”环节和“过程化考核”环节。“课堂表现”环节的增加是对“考勤”环节的优化。针对“出勤”不能等同于认真听讲且充分参与课堂的情况，我们根据学生是否全神贯注听讲、是否积极回答问题、是否主动参与小组讨论、是否乐于与教师互动进行记录，为“课堂表现”打分。“过程化考核”环节则是对“课后作业”的优化。由于部分学生的课后作业非独立自主完成，虽能按时提交，但对于巩固运用知识、反应真实学习情况意义甚微。因此，在布置课后作业的同时，在课堂上设置随堂测验，要求学生实时作答，可更为公开透明地了解到学生的学习水平。而测验后的评分和讲评，也能使学生及时纠错、加深印象。在此过程中，教师可通过随堂测验的结果，反思教学中的优势和不足，及时地调整课程教学方式方法。因此，最终学生总评成绩的构成为，总评成绩（100）=考勤（5）+课堂表现（5）+随堂测验（10）+课后作业（10）+期末考试（70）。除此以外，教师可通过发放匿名调查问卷的方式以及一对一或一对多的线上线下沟通交流获取学生对于课程教学的真实感受，随后教师可根据获得的信息优化教学模式，进一步提高教学水平。

3 总结

《化工热力学》在化学工程与工艺专业中占有举足轻重的地位。由于《化工热力学》课程本身难度大，对教师的教学水平和学生的学习能力都有较高的要求。因此，实现“教好”与“学好”并非易事。基于上海应用技术大学《化工热力学》课程教学实践和经验，我们总结了课程教学中遇到的问题和困难，并从调整教学目标、改进教学方法、优化教学评价机制三方面进行了《化工热力学》课程教学改革的探索与研究，注重理论联系实际、强调提高学生的学习兴趣以及提高课堂参与度、加强教师的教学反思与教学方式方法调节，能够能以此提高课程教学水平和教学效果，同时为化学工程与工艺专业其他课程的教学改革提供有效参考和有价值经验。

参考文献：

[1] 施云海. 化工热力学[M]. 2版. 上海： 华东理工大学出版社， 2013.

[2] 黨力， 吕智慧. 基于“雨课堂”的《化工热力学》混合式教学应用探索[J]. 广东化工， 2020， 47（5）： 210-211.

[3] 闻振浩， 马勇， 尹永恒， 等. 化工热力学教学感受与改革探索[J]. 山东化工， 2021， 50（11）： 204-205.

[4] 冯新， 陆小华.以学生为本的化工热力学课程教学改革[J].化工高等教育， 2006， 87（4）： 30-34.

[5] 高道伟， 姜占坤， 陈国柱. 《化工热力学》课程教学改革与实践[J]. 广州化工，  2022， 50（14）： 278-280.

[6] 丁雪， 宋春敏， 刘熠斌，等. 化工热力学线上线下混合式教学模式探索[J]. 化学工程与装备， 2021， 299（12）： 300-301.

[7] 童羽， 魏顺安， 李静， 等. 思维导图在《化工热力学》学习中的应用[J]. 广东化工， 2020， 47（18）： 192-194.

[8] 朱娜， 王洁.《化工热力学》教学方法的探索和思考[J]. 广州化工， 2020， 48（05）： 185-186.

基金项目：上海应用技术大学引进人才科研启动项目（YJ2021-27）

作者简介：姜静娴（1992—  ），女，汉族，山东潍坊人，博士，上海应用技术大学讲师，研究方向：气凝胶功能复合材料。