基于工程实践能力培养的化工热力学课程教学改革
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作者:丁雪 宋春敏 刘熠斌 乔柯 杨军卫 谭雅文
[摘 要] 基于对工程实践能力的培养，对化工热力学课程的教学改革进行了详细介绍。课程改革实践的具体措施包括：优化课程内容，设计综合案例，辅助工程软件，建立进程式考评体系等，以提升学生将专业知识和工程实践相结合的能力。
[关键词] 化工热力学;教学改革;工程实践
一、改革背景
高等工程教育的根本任务在于培养优秀工程技术人才，关键在于工程实践教育[1]。2018年教育部发布了《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》，列出了核心课程体系建议，指出核心课程体系是实现专业人才培养目标的体现[2，3]。化工热力学是化学工程与工艺专业的重要基础课，对培养学生的工程素养起着重要作用[4，5]。在专业课程链中，化工热力学处于承上启下的过渡环节，其基本理论指导着化学反应、分离过程中物质及能量的合理利用，最终于化工设计、生产实习等实践教学环节得以体现。然而，化工热力学课程概念抽象，理论性强，公式繁多，学生学习通常侧重基本概念和繁杂的数学计算，而对于热力学的实践指导作用缺乏感性认识。从培养化工专业学生工程实践能力的角度考虑，我们对化工热力学课程进行了教学改革，旨在强化教学中相关理论知识与实践环节的衔接，夯实学生的理论基础，培养其理论联系实际的能力、增强工程意识及开拓创新能力。
二、改革内容
（一）优化课程内容
1.理顺理论知识点，实施主线式教学。化工热力学教学以Gibbs自由能G=H-TS为主线，以“实际=理想+校正”为主要处理问题的方法，建立热力学理论知识点之间的联系，研究对象从简单的理想体系逐渐过渡到真实体系，循序渐进，理论最终服务于平衡研究和过程能量分析的实际。
2.将生活实例和工程问题引入课堂。选用生活、工程及科研實例：如配酒溶液体积减小问题、相平衡理论在闪蒸塔设计中的应用问题、热力学定律在化工单元设备如泵、换热器、透平机中的应用问题以及热力学原理在蒸汽动力循环和制冷循环中的应用如电厂热水利用以及空调、冰箱、热泵中的应用问题，等等。鲜活的案例促使学生更加深刻地了解各种分离操作的特点和应用，并对分离方法的选择原则和分离技术的应用产生更深层次的理解。
3.设计综合案例，强化理论和实际的联系。典型的化工过程设计主要包括判断化学反应能否进行、反应物预处理和产物的分离处理、工艺过程的能量合理利用。这些过程都需要在热力学基本原理指导下完成。选用涵盖课程不同章节的基本知识点的综合案例，在化工热力学课堂教学中穿插讲解，使学生在知识的接受上实现连贯与融合，在掌握基础知识的同时，又能够将理论与实际生产相联系，做到学以致用。例如石油催化裂化过程包括反应—再生系统、分馏系统、吸收稳定系统和能量回收系统。在该工艺设计中，需要通过热力学反应平衡计算分析该工艺反应的可行性;分馏系统和吸收稳定系统所用的分离塔设计可根据热力学平衡计算结合物料衡算及能量衡算完成，以确定生产过程中所需设备的尺寸和设备数目，以及分离条件等;对工艺过程进行能量分析可以指导换热网络优化以及能量回收系统的设备选择。类似的工艺案例还有合成氨、裂解制乙烯等，我们将这些工艺过程渗透于课程各章节主要知识点，指导学生在不同环节把热力学基础知识应用于实际案例中，使学生实现知识点的贯通认识，达到学与做的统一，工程实践能力得以提高。
（二）以工程软件辅助课程建设
由于解决化工真实生产过程问题所涉及系统通常较为复杂，温度压力幅值范围宽广，物性变化受多种条件影响等，往往不能用简单的理想模型来计算，而是需要适用范围更广、准确性更好、复杂性更高的实际模型。实际体系计算模型参数较多，模型复杂，计算工作量大，要实现快速高效的计算，需借助计算机来完成。Aspen Plus是化工生产装置设计、模拟和优化的大型通用过程模拟软件，利用该软件可以建立化工流程并进行过程计算，热力学方程是该软件的主要计算依据，包含状态方程法和活度系数法两类物性方法。在联合课程教学中以“突出实用功能、加强能力培养”为指导思想，融合Aspen Plus的计算理念，采用Aspen Plus进行实际案例的化工计算，突显现代大型计算过程模拟软件的作用，提高学生知识运用能力和利用效率。实践发现，英文软件应用虽然对部分学生有一定难度，但多数学生却表现出很大兴趣。利用软件解决复杂真实体系的计算，能够使学生在学习知识的同时得到实践锻炼，开阔眼界，从而为后续化工设计、生产实习等实践课程的学习打下更为扎实的基础。教学实践中，我们结合卓越工程师培养计划，完善了卓越工程师班的教学。经教学实践验证：该软件用于教学，教实一体，简明生动，效果显著。
（三）建立进程式考评体系
根据培养学生实践能力和工程意识的目标，我们课程组对考评方式和考评内容进行了分析，建立了进程式考评体系，总评成绩由平时表现、期中测验和期末测验综合给出。平时表现采取开放式考核，考核形式多样，从多个侧面考查学生学习效果。日常作业则考查学生掌握和跟进课堂知识的程度;课堂练兵为开卷形式，选择典型题目现做现答，让学生知道自己的知识体系中遇到的问题在哪，并怎样找到答案;拓展型题目基于课程网络以思考题、讨论题的形式发布，学生在网上相互讨论、解答并提交答案;通过布置大作业方式考查学生应用所学知识的能力，允许学生查阅资料、应用计算机计算完成。期末和期中考试采取闭卷形式，以对基础知识的理解性考查为主，同时引入实践类题目，考验学生灵活综合应用知识的能力。
（四）建设优质网络教育资源，促进学生自主学习
网络是现代学生获取知识的重要手段。目前课程的教学大纲、教案、教学录像、课件、习题、参考文献等资源已上网并免费开放，同时具有网上答疑、网上布置和提交作业等师生互动功能。课程网站资源丰富，并保持经常更新，方便学生根据自身的条件而自主学习，激发了他们的学习兴趣与热情。使学生对专业知识的领会更加深刻。
三、结语
化工热力学是化学工程工艺专业的核心基础课程，对培养学生的工程实践能力具有重要作用。我们课程组通过课程内容整合和贯通性综合案例的引入，优化了课程内容;通过引入工程软件辅助课程建设，提高了学生的工程计算能力;通过进程式考评体系，考核并提高了学生处理实际问题的能力。
参考文献
[1]张来斌.加强工程实践教育，培养卓越工程技术人才[J].大学，2012（7）：30-37.
[2]夏淑倩.新时代化工类专业课程建设与改革[J].中国大学教学，2019（6）：16-19.
[3]姚薇.高校化工类专业课程体系的现状与对策[J].化学教育，2015（22）：5-8.
[4]胡琳娜，康彦芳，王淑芳，等.从化工热力学教学谈“节能减排”意识的培养[J].教育教学论坛，2017（50）：148-149.
[5]龙威，谢颖，黄燕.高水平理工科大学建设背景下化工热力学的课程改革[J].化工时刊，2019，33（7）：46-49.
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