化工热力学教学策略改革*

邓晓婷，尹绍峰，徐竹英

(邵阳学院食品与化学工程学院，湖南 邵阳 422000)

化工热力学是化学工程与工艺专业的核心专业基础课[1]。该课程在物理化学的理论基础上结合化工生产过程中的实际模型，从热力学的角度分析化工过程中物质转化及能量有效利用的极限。化工热力学所研究的热力学性质、相平衡、化学反应平衡、熵平衡等为学生进一步学习化工反应工程、化工分离工程、化工设计等课程提供理论基础。所以化工热力学在化学工程专业的知识体系中起到了承上启下的重要作用，化工热力学将理论知识过渡到实际应用中，是理论与实践之间的桥梁[2]。

化工热力学的特点是理论多且抽象、公式繁多、计算复杂，给人的第一感觉就是“焓焓(含含)糊糊熵(伤)脑筋”，让很多学生望而生畏。但化工热力学中的公式具有很强的相关性，理解记忆既能将公式牢固记忆，还能掌握其物理意义。譬如第三章所讲述的热力学性质的计算，虽物理化学中有介绍，但涉及的热力学物理量繁多，热力学的研究方法就是以热力学基本关系式、Maxwell关系式、热力学偏导关系式为桥梁，建立关系式，将难测的量(如：U、H、A、G、S)用可测的量(如：P、V、T、X)表示出来。而p-V-T之间的关系又是通过第二章的状态方程联系起来。因此将公式之间的逻辑关系及章节之间的关系梳理清楚，理解并推理记忆是解决公式繁杂的有效方式[3]。

化工热力学的研究对象与物理化学研究对象最大的区别就在于物理化学的研究对象为单组分在理想状态下的热力物理量，而化工热力学的研究对象为多组分混合物在非理想状态下的热力学物理量。这打破了学生一直以来将研究对象视为理想状态的定向思维，使学生理解和应用热力学知识较困难。

1 当代大学生的性格特点及学习方式

当代大学生的主力军为00后，他们在物质丰厚，信息发达的环境中成长，电子产品的普及让他们从小就能接触多元文化，因此他们对新事物的接受能力远比80后、90后强，思想和心态也更加活跃[4]。00后大多在现代小区中成长，邻里之间常有“隔墙而居，竟互不相识”的情况，童年时期大多被关在家里玩玩具或电子化产品，很少出去与同龄人打闹嬉戏，从而导致他们在现实中缺乏人际交往能力。但是，00后在虚拟的网络世界中更加活跃，他们也更擅长通过网络途径查找资料，获取自己想要的知识。

1.1 在网络世界活泼，现实世界内敛

在足不出户便可知天下事的今天，当代大学生习惯以电子设备为窗口，通过互联网获取自己想获得的知识、信息，他们对于新鲜事物的包容程度也变得更高。但是新生代下的00后仍处于传统的家庭环境下，这也意味着他们会与传统的思想观念发生碰撞，直接的体现就是不被自己的家人理解，遭遇到身边长辈指责。

面对这些容易使自我产生怀疑的困境时，网络世界无疑是给了这群孩子对抗这些问题的勇气。在具有包容性网络世界里面，他们能够找到与自己三观相似的人，对所遭受的问题积极探讨；能够勇敢表达自我，并且获得认同感，正因如此，他们愿意在网络世界里面活泼，解放自己的天性让自己获得成长。相反在现实世界遭遇的压抑和不认同太多，因而表现的比较内向、腼腆，以至于在学习中即使遇到不懂的知识点也不会向老师、同学请教，最终跟不上教学进度，对学习失去兴趣。

1.2 不明实用价值，忽略理论基础

当代00后大学生处在两个时代的交接点，新时代的到来给00后带来了很多科技成果上的“红利”，他们很早就看到了这个世界和信息的多元化，对于事物的自我认知和自身需求也在慢慢形成，但在形成清晰全面的认知和需求的中途，便被长辈以不让孩子输在所谓的“起跑线”上，强行灌输长辈认为对的知识，导致他们在学习的时候被动接受新知识的灌输。

而这些被灌输的知识大多数时候并未结合00后们自身的需要，因此他们也不理解这些知识的实用价值。长此以往，他们便会认为相应的知识理论基础没有实用的价值，从而忽略对理论基础的学习。

1.3 学生以填鸭式的学习方式为主

现在的00后学生在升入大学以前都是以这种学习方式为主，然而在开放的大学的学习中，大学的深度知识学习依然要靠学生自主学习。许多00后大学生依然习惯以往的方式，不明确自己的学习目的，可这对于大学的学习并不适用，这也是现在00后大学生在失去了老师和父母的监督之后，对学习知识失去兴趣和主动性的根因所在。

当前的课堂教学主要是授课教师通过多媒体以PPT的形式讲授教学内容，学生则只是坐在课堂上听，几乎没有主动去查找资料获取知识环节。这种简单的填鸭式教学过程教师起主导作用，而学生则处于被动的学习状态，缺乏主动探索过程，因而学习的积极性也不高，长此以往会扼杀学生的创造力和想象力。

2 化工热力学在教学过程中存在的主要问题

化工热力学主要在p-V-T关系及状态方程的基础上，通过研究均相封闭系统热力学性质来研究动力循环和制冷循环，进而给出能量利用的极限；通过研究均相敞开系统的热力学性质来研究非均相系统的相平衡，进而给出物质利用的极限。

笔者在教授化工热力学的过程中深有体会，并发现了化工热力学在教学过程中存在的一些问题。

2.1 公式多且计算复杂

化工热力学的公式繁多且复杂[5]，例如化工热力学第二章所讲授的状态方程是物质p-V-T关系的解析式，而在热力学不断发展完善的过程中，针对真实气体，状态方程又可分为立方型状态方程、多常数状态方程。立方型状态方程主要以van der Waals方程、Redlich-Kwong方程、Soave方程、Peng-Robinson方程为代表，公式形式复杂，且在计算过程需要用到迭代法，需要进行多次迭代才能得到结果，过程复杂繁琐[6]。多常数状态方程又包括维里方程、BWR方程、马丁-侯方程，其中维里方程是常用的多常数状态方程，方程中通过引入多级维里系数来对分子间的作用力进行修正，每个参数均有其具体的物理意义，常数越多越精确，但方程形式及计算过程越复杂，让学生望而却步。

2.2 概念多且抽象

化工热力学是一门理论性极强的课程，概念多且容易混淆，比如剩余性质与超额性质、活度与逸度、活度系数与逸度系数等等，这些概念都是为了方便研究而定义的，并不是直接可测的量，所以抽象难以理解；加上很多概念名词接近，概念与概念之间易于混淆，让学习难度又升一级。学生如果没做到课前预习课后复习，随着课程的逐渐深入，陌生的概念越积越多，跟不上课程进度，使学生完全丧失学习热力学的兴趣。

2.3 成绩评价方式单一

化工热力学传统的成绩评价是以期末考试为主，作业和上课考勤为辅的方式。 这种考核方式虽然结合了平时表现和最终的考试成绩，但对于理论性强、计算量大的化工热力学来说仍旧不够全面，因为学习化工热力学的最终目的是为了用化工专业知识为生产生活服务，培养学生的创新意识和创新能力。

3 教学改革措施

针对本人在化工热力学的教学过程中发现的上述问题，一直在思考如何让枯燥难懂的理论知识变得生动形象，让学生从被动学习变为主动思考，完善学生的成绩评价体系，并提出了以下几点改进措施。

3.1 寻找章节规律，掌握章节关系

化工热力学虽然公式、概念繁多，但在教学过程中如果帮学生将化工热力学的知识体系梳理清楚，学生的学习思路必将清晰。化工热力学的两大任务分别是给出物质有效利用的极限和能量有效利用的极限。而第二章流体的p-V-T关系是整本书的基础，通过状态函数，可以在三个变量中已知两个而求另外一个，当物质的P、V、T确定，其在相图中的位置也可随之确定，进而可以确定化学反应相平衡时各组分的量，确定物质有效利用的极限。除此以外，通过p-V-T关系可以确定纯流体及流体混合物的热力学性质，进而对化工过程中的能量进行分析，给出化工过程中能量有效利用的极限。这样就可将整本书的知识点梳理成两条主线，有效提高学生的学习效率。

3.2 引入记忆小技巧巩固公式

虽说公式的记忆重在理解和推导，但面对化工热力学繁多的公式也可适当引入一些记忆的小技巧。譬如在记忆四个热力学基本公式时，学生通常混淆微分项及每项前面的正负号，通过死记硬背通常难以记忆牢固，所有公式均通过推导又费时费力，所以适当的采用一些记忆小技巧也可加强记忆。以图1为记忆依据，四个红色的热力学物理量是公式等号左侧的被求的函数，紧挨着他两侧的量为公式右侧的微分项，微分项箭头连线另一端的函数为与之相乘的量，微分项与箭头方向一致取正号，不一致取负号。通过这种记忆小技巧就可以轻松的将四个热力学基本公式记忆清楚，以此类推，热力学中诸多繁杂的公式均可通过观察、理解，总结出一些便于记忆的小技巧。

图1 热力学基本关系式记忆技巧Fig.1 Memory techniques for basic thermodynamic relationships

3.3 结合实例讲解概念

化工热力学虽是一门专业基础课，但教授这门课程的最终目的是让学生能用专业知识为生产、生活实践服务。在讲解理论知识前，适当引入该理论在实际生产或生活中应用的实例，并提出疑问，为什么要这么做？勾起学生的求知欲。带着所提的疑问进入知识点的讲解，可有效调动学生的学习主动性，进而提高学生的学习效率。例如：在讲p-V-T关系前，提出为什么液化气的成分是丙烷和正丁烷？为什么选用二氧化碳作为常用的超临界萃取剂？在讲动力循环前，提出空调和冰箱的制冷原理有什么区别？空调为什么既可以制冷又可以制热？引导学生从能源的角度考虑，电烧水和煤气烧水哪个更节能？在知识点讲授完后又让学生主动思考，并留出时间让他们抢答这些问题。这种教学方式将理论知识与生活实践联系起来，让学生变被动学习为主动思考。采用提出问题—理论讲解—实例剖析的引导式教学模式，激发学生学习热情，提高学习效果。

3.4 改进成绩评价体系

目前化工热力学的成绩评价方式过于单一，该课程虽为专业基础课，理论性突出，但作为工科课程应注重应用，培养学生的创新能力。在教学过程中，我们采用翻转课堂的教学模式，以学生为中心，提高学生的学习积极性和学习效率。例如：在讲“蒸汽动力循环和制冷循环”的内容时让学生分组讨论，收集查找相关资料，并制作PPT进行课堂讲解，然后对整个讨论过程进行打分。最终的结课成绩由20%的作业成绩、30%的讨论成绩及50%的期末考试成绩组成。这种综合的成绩评价方式锻炼学生自主学习和团队协作的能力，让学生对所学知识有更深的理解。

4 结 语

针对化工热力学的课程特点及授课过程中遇到的问题，提出教学改革策略。根据授课对象的性格特征及学习方式，以提高学习效为目的，适当修改授课及考核方式。首先通过课前问题导向提高学生的学习热情，然后在课中进行知识梳理、案例剖析，加深学生对相关知识点的理解，巩固记忆，提高学生的专业学习兴趣，同时在实例中逐步培养学生的工程观念和意识，锻炼他们解决复杂工程问题的能力。最后通过改进成绩评价体系，变被动学习为主动思考，全面考察学生的知识掌握情况。