基于互联网+的化工热力学课程教学改革与实践

何文静，赵一博，赵跃强

(江苏海洋大学 环境与化学工程学院，江苏 连云港 222005)

0 引言

化工热力学课程是化学工程与工艺专业人才培养的基础与核心课程，是从事化工过程的研究、开发以及设计工作必不可少的重要理论基础，为后续课程的学习和解决化工过程的实际问题打下牢固的基础。该课程相对于其他课程而言理论性强、内容广、涉及到化学工程的方方面面，而且公式多且推导复杂、概念多而抽象，因此在传统的化工热力学授课过程中存在诸多问题[1-3]，比如：(1)学生畏难情绪较重，全国高校的大部分本科生初次接触本门课程，都反映本门课程如“天书”一般，晦涩难懂；(2)学生缺乏学习的积极性和主动性，而且不能做到课前预习，课后复习，往往是学着后面的，忘了前面的；(3)学生对生产缺乏感性认识，难以将热力学的基本原理与实际的生产案例相结合；(4)缺乏有效的学习反馈机制和方法，导致在教学工作结束后教师并不能全面掌握学生学习程度及情况。

随着信息技术的快速发展，“互联网+教育”应运而生，让广大学生除了直接参加面对面互动课堂享受学习的乐趣外，还可以充分利用线上丰富的教学资源，学习环境更加个性化，教学内容和手段更加丰富，将“互联网+教育”融入化工热力学的课程教学中，采用线上线下相结合的教学方式，能有效解决传统授课过程中存在的大部分问题[4]，本课程组通过对教学资源进行重新梳理重构，搭建合理的线上线下教学模式(图1)，并制定有效的教学反馈和考核机制。

图1 线上线下混合教学模式研究思路及方法

1 教学资源的收集、整理、制作及教学内容的重建

目前教学内容难度大，比较抽象，学生不容易理解。如果将这些知识点以动画视频的形式向学生传授，将大大加深学生学习的兴趣和对知识点的掌握。另外目前的教学内容主要以理论为主，缺乏与工厂实际或者与实际生活的联系，在教学内容中引入工厂及生活的实际案例，并对案例分析可以增强学生分析问题解决问题的能力，强化理论与实践的结合，增加学生学习兴趣[5]。同时在教学内容中引入科研成果，比如在第二章流体P-V-T关系中可以引入超临界萃取技术在中药提取、污染土壤修复等的应用[6-7]，一方面加深学生对相关知识点的理解、掌握和应用，另一方面鼓励学生要有科创精神。要实现以上，需要对教学内容进行梳理，根据知识点通过网络对教学资源进行收集，整理，对缺乏的教学资源进行制作，然后以合适的方式传授给学生。

首先根据教学大纲分类整理出需了解知识点，一般掌握的知识，重点知识点及难点。然后从中国大学MOOC(慕课)，Bilibili网站等收集相应知识点的视频资料，其中大学MOOC有天津大学，南京工业大学和郑州大学等推出的国家精品开放课程，限时开放，Bilibili网站也有清华大学、中国石油大学和天津大学的课程视频，免费不限时开放，这些课程视频将每一个章节按知识点划分成若干个短视频，每一个短视频时间在15分钟以内，几乎涵盖所要求的掌握的所有知识点，这些视频可作为课前预习的重要资料。同时可以在网上寻找一些直观的动画视频帮助学生理解掌握相应知识点，比如蒸气动力循环和制冷循环，在网上都可以找到相应的动画视频，直观且有趣，这个可以作为课堂讲解的资料。如果网络没有相应的视频资料，可以制作相应知识点的PPT进行课堂讲解。另外对重、难点要收集相应知识点的实际案例及最新的研究成果，并在课堂与学生对实际案例进行展开讨论，以蒸气动力循环的改进这一知识点为例，发电厂就是蒸气动力循环的一个实际应用，通过问题“如何提高发电厂能量利用的总效率？”来启发学生对实际问题的思考及相应知识点的理解和掌握，通过对用超临界二氧化碳代替或部分代替水蒸气进行动力循环研究的介绍，进一步加深对知识点的掌握，并激发学生学习兴趣。同时还要收集一些习题作为课前预习和课后复习的资料。以上资料收集全后，结合线上线下混合教学模式，对教学内容进行重构，了解和一般掌握的知识点作为学生线上学习的主要内容，重、难点作为线下教学的主要内容，对于了解和一般性掌握的内容，课堂讲解一带而过，重点讲解重、难点，这样可以节省出更多的教学时间用来与学生探讨工程实际问题。

2 线上线下相结合的教学模式的搭建

该部分是教学活动实施的重要环节，主要分三大块：课前预习，课堂教学和课后复习。课前预习和课后复习主要是以线上为主，通过教学管理平台实现，课堂教学以线下为主。

2.1 课前预习

课前预习通过线上教学管理平台来实施和监控，目前线上教学平台比较多，比如超星、雨课堂及腾讯课堂等，近两年，由于疫情原因，线上教学平台的功能越来越完善，线上教学资源也越来越多，这为教学提供了很大的便利。上课前教师将预习资料(线上教学视频、课件、习题、思考题)通过教学平台发送至学生，教师可在手机端实时查看学生课前预习完成的情况，其中习题主要关注基本概念、理论的掌握情况，思考题大多与本章知识点在生产或生活中应用有关，比如为什么高原上煮鸡蛋需要很长时间才能熟，可乐冷藏后为什么能形成可乐沙冰，等等[8]。学生在手机端可随时查看预习资料，并根据自己的情况在规定时间内自主选择学习的时间和学习内容，这样能大大激发学生学习的主动性。教师根据学生预习反馈的情况，进一步安排课堂教学内容。

2.2 课堂教学

课堂教学是整个教学活动实施的重要的环节，在课堂上老师和学生可以面对面的沟通交流，可以就预习过程中存在的问题进行解答，对预习和将要讲授的知识点进行梳理，着重对重点、难点进行讲解，并结合实际的案例进行分析、讨论等等，同时可以引入最新的科研成果与同学分享交流。

以蒸气制冷循环这一知识点为例。课堂讲解中，首先将蒸气制冷循环的原理和过程通过动画视频的方式传授给学生，然后通过课件讲解制冷的原理、制冷剂选择及蒸气制冷循环的应用，由于该部分内容学生已提前预习，所以讲解的时候以重点、难点为主，基本概念一带而过。再结合蒸气制冷循环的应用加深对相关知识点的掌握，蒸气制冷循环最常见的应用是冰箱，空调，要求学生能够根据所学知识描述出冰箱、空调制冷的原理及过程，并就以下问题展开讨论：夏天打开冰箱门能否当空调使而使房屋内温度下降?冰箱的制冷系数是夏天高还是冬天高，为什么？同时引入最新科学研究，比如氨制冷技术在轻烃回收工艺及在国内远洋渔船上应用研究等[9-10]。最后通过本节课的学习，使大家认识到科技创新使得高科技产品进入日常生活，提供了很大的便利，作为当代大学生要明白学习科学知识和科技创新的重要性，要有创新精神、敢于突破，同时要做好知识储备。

化工热力学教学过程中还涉及到大量的计算，比如流体P-V-T性质的计算，混合物热力学性质计算，泡点、露点的计算等等，这些计算往往涉及高次方程，有时还需迭代和试差求解，计算过程比较繁杂，工作量大，必须借助计算机完成，学生在学习过程中也是望而生畏，因此课堂教学中应注意该部分内容讲解的同时，应将应用计算机求解的方法同时传授给学生。Excel作为一种常见的办公软件，无需编程，没有特殊的语言，几乎所有的学生都会使用，而且通过Excel来进行热力学数据的计算可以清楚的看到计算的过程，一些研究者已经将其应用到热力学数据的计算中[11-13]。本课程同样采用Excel软件来进行相应的计算，在相应的知识点处通过课堂演示的方法传授给学生，并布置相应的习题供学生巩固练习。具体计算的方法可参见于志家[11]用R-K方程求算323 K与1.5 MPa下乙烷的摩尔体积、压缩因子、剩余熵、剩余焓与逸度。

2.3 课后复习

课后复习同样重要，否则即使已经学会的知识隔一段时间也会忘记。课后复习主要通过习题练习完成，传统的做法是在相关知识点讲授完之后会布置相应知识点的作业以加深认识。在本课程教学过程中，为了能使学生温故而知新，在布置作业的时候除了布置本堂课相关的知识点以外，还可以增加少量的已学过的知识点的习题。为了考察学习效果，在每一章节结束做一个线上小测验。

3 建立好学生的教学反馈机制

学生对教学的反馈是教师调控和改进教学的重要依据，传统的教学反馈比较少，主要以面对面沟通、电话、邮件沟通等方式进行，方式单一枯燥效率低、覆盖面窄、有效性真实性难以保证。除了日常的沟通交流以外，目前的教学平台大都有一定的统计功能，教师在课前预习环节可以增加一些习题，软件可自动统计学生习题作答情况，教师通过统计结果可直观的了解学生对知识点的掌握情况，从而调整线下授课内容。通过对线下案例分析讨论和课后复习及作业情况了解学生对重难点知识的掌握情况，教师根据学生掌握的情况制定下一步的教学计划和内容，确保重难点知识点全部掌握。同时在期中和期末的时候通过问卷星各制定一份问卷调查表，匿名作答，教师可通过问卷调查情况进一步改进教学方式。

4 改变考核机制

以往的考核机制中，期末成绩占比70%，平时成绩(包括课堂参与情况，作业)占比30%。在新的教学模式中，为激发学生自主学习的动力，将线上学习参与及习题作答情况纳入期末考试成绩中，调整期末考试的成绩占比，平时成绩(包括课前线上预习、习题，课堂参与情况，课后线上复习、作业，每章节测验)占比50%，试卷占比50%。同时期末考试的考核内容应进行相应的调整，既要包括对基础知识的考核，又包括对理论知识的综合运用能力和系统分析实际问题能力的考核，加强学生对知识和技能的掌握。

本文通过对化工热力学课程授课过程存在问题总结与分析，提出基于“互联网+”线上线下混合的教学模式，借助于信息技术来实现教师知识传授和学生知识内化在时间和空间上的调控，学生线上自主选择学习内容及进度以提升其主观能动性，教师线下知识梳理，重难点分析，案例讨论加深对知识点的理解与掌握，通过有效反馈机制在一定程度上实现分层次教学和因材施教，改进现有考核机制，激发学生学习内在动力，提高学习效果。