提高《化工热力学》课程教学效果的几项措施

2018-07-26 09:29魏超
科教导刊·电子版 2018年12期
关键词:措施改革教学

摘 要 化工热力学结合化工过程阐述热力学定律及其运用,是化工过程研究、设计和开发的理论基础。通过几项改革措施激发了学生的学习兴趣,深化了对理论知识的理解,培养了学生的工程意识,提高了学生分析和解决实际工程问题的实践能力,进而提高化工热力学课程的教学质量和水平。

关键词 化工热力学 改革 教学 措施

中图分类号:G642 文献标识码:A

化工热力学是化学工程的重要分支和基础学科,是化学工程与工艺专业的必修专业基础课程,是在化学及与其相关的科学实验和工业生产实践中发展起来的一门理论性和应用性较强的课程。该课程是将热力学基本定律应用于化学工程领域而形成的一门学科,主要研究化工过程中各种形式能量之间相互转化的规律及过程趋近平衡的极限条件,为有效利用能量和改进实际过程提供理论依据。化工热力学在化工类学生的培养过程中起到由基础知识到专业知识的衔接作用,它是物理化学,化工原理的后继课程,同时它又是化学反应工程,化工分离工程,化工设计的基础和指导课程,对于学生专业知识结构的建立和走上工作岗位后专业水平的提高起着极其重要的作用。它既论述化学问题,又讨论工程问题;既有严谨的理论性和逻辑性,又有较强的应用性和简化性。

1目前学生学习化工热力学的现状

化工热力学是一门理论性较强的课程,是学生完成基础课后的专业基础课。知识特点是循序渐进,由简单到复杂,各部分互相衔接,理论和实际联系紧密,对实际化工生产和工艺设计具有不可或缺的重要性。反应在课程上是概念多且概念抽象难懂,理论推导多,公式繁杂难记、计算方法多而繁琐,对高等数学和物理概念要求熟练掌握并运用。和其它专业基础课程相比,会使化工专业学生感到难度大增,化工热力学往往被学生定义为“最难”的课程之一。而化工热力学逻辑性这使得化工热力学课程的教学非常困难。因此,如何搞好化工热力学教学质量对化工专业的学生非常重要。在借鉴同行教学经验的基础上,结合自己的教学体验,我们对教学方法教学改革以提高化工热力学教学效果。

2化工热力学教学改革措施

2.1重视绪论部分的学习,把握课程学习的主线

绪论既是全书的序幕,又是课本的纲领,绪论的讲授对课程后续内容的学习起着至关重要的作用。绪论主要讲述热力学的发展、化工热力学的定义和用途、化工热力学研究内容和特点、化工热力学的局限性、如何学好化工热力学。热力学的发展主要介绍化工热力学是以化学热力学和工程热力学为基础,结合化工实际过程逐步形成的学科。化工热力学的的用途例举了化工热力学在诸多实际工程中的应用。原理-模型-应用构成化工热力学研究内容的三要素。运用经典热力学的原理,结合反映体系特征的模型,应用于解决工程中的实际问题。化工热力学的研究特点为局部的实验数据推算系统完整的信息;从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质 ;从容易获得的物性数据(P、V、T、X)来推算较难测定的数据(H,S,G);从纯物质的信息求取混合物的信息。研究体系为实际状态,处理方法为以理想态为标准态加上校正。获取数据的方法为少量实验数据加半经验模型。如何学好化工热力学部分主要强调三点,一是掌握化工热力学处理问题方法之特点,二是注意准确理解热力学概念,三是注意单位换算。通过绪论学习,从而使学生认识到化工热力学的重要性,激发对课程学习的兴趣;使学生对该课程有一个系统的认识和总体把握,清楚各章节之间的逻辑关系和学习化工热力学的三要素,即:原理一模型一应用,帮助学生抓住课程的主线和重点,建立热力学的学习方法,明白化工热力学的最终用途,从而让学生自我解决为什么要学、学什么以及怎么学等疑问。

2.2优化课程内容,突出自身要求使前后课程相协调

化工熱力学是在学生学习了化工原理、高等数学和物理化学等基础课程之后开设的,又是后续的分离工程、化工设计、化学反应工程等课程的基础,例如分离工程需要相平衡的知识,化工设计需要相平衡和过程能量分析的知识,化学反应工程需要化学平衡的知识等。因此,化工热力学在化工类人才培养中起着重要的承前启后、由基础到专业的桥梁作用是化学工程与工艺专业的核心课程。

对化工热力学而言,它是物理化学热力学部分的延伸,又是物理化学在真实过程中的拓展,其中部分内容与物理化学重复。在化工热力学的教学过程中,在要求课前复习的前提下,只需在课堂上花少量的时间对这些重复的基本理论进行提问即可,引导学生回忆和巩固,并将相关课程有效地将衔接起来,从而节省宝贵学时。同时,化工热力学是以应用为主要目的的,因而在化工热力学的教学中重点应放在这些原理在化学工程中的应用。随着课程内容的不断深入,化工热力学与分离工程、化工设计等的联系逐渐多起来,但是由于这些课程还没有开设,学生很难认识到化工热力学对其他课程的作用,因此在课堂教学的过程中只能通过相关的实例进行引导,比如分馏塔的逐板计算用到的气液平衡、化工设计用到的能量衡算等。

2.3精炼教学内容,注重理论联系实际

“原理—模型—应用”构成了化工热力学内容的“三要素”。原理是基础,应用是目的,模型是实现目的工具。只有真正理解、掌握了热力学的基本原理才能根据这些原理去建立或正确选用模型并应用到解决具体的工程实际问题之中去,才能够比较顺利地、系统地学好整个课程。我们将不同体系的热力学原理与实际过程计算对应起来,以便让学生全面把握课程的整体构架,正确理解热力学概念,灵活应用热力学原理,做到原理和应用前后呼应,使学生对学习“原理”不觉得枯燥,在“应用”时又有据可依。注重打实基础,突出应用,内容上尽量精炼,避免重复。根据学生的学习特点,遵循先基础理论后实际应用,先简单后复杂的原则让学生循序渐进地入门。

其次要理论联系实际,将授课内容与实际生活中遇到的问题结合起来。比如说,空调与冰箱已成为人们日常生活都离不开的普通家用电器,那么夏天打开冰箱门能否当空调使用使室内温度下降?冰箱的工作原理与空调是否相同?使用空调、冰箱时如何节电?注意在绪论以及各章的开始都通过实例引出问题让学生们思考,而不是直接就讲授理论公式。上课过程中注意适时引出问题,留有悬念,促使学生带着疑问听,在听课过程中去主动思考,在学习过程中去寻求答案。从一开始就吸引学生的注意力,激发他们的求知欲望,使学生感觉到原来化工热力学并不是那么抽象空洞,而是如此实实在在与生活密切相关。而且通过实例的引入使原本枯燥的文本内容变得生动活泼起来,活跃了课堂气氛。

从这两方面改进教学,可以使学生有目的且感兴趣地学习,提高学习的主动性从而提高学习效率。

2.4多媒体教学与板书教学有机结合

化工热力学有大量的经验公式,复杂的公式推导过程,抽象的基础理论概念,复杂难懂的相图,这些内容比较相近且相互杂乱。为了提高课堂教学效果,采用多媒体教学手段,利用图、文、声等形式讲授抽象枯燥的教学内容,有利于学生对知识的理解和记忆。但由于化工热力学课程的特点,传统的板书教学在控制上课节奏,把握课堂重点上仍具有无法替代的优势。比如某些公式的推导更需要一种师生之间的同步过程,思路的延续在互动配合中更容易交流。教师在教学过程中,将多媒体教学与板书教学有机结合起来,有效地拓宽了教学空间,使教师有更多的时间进行重点、难点的讲解,能效有地增加教学信息量,提高教学效率。

2.5鼓励学生采用软件计算

化工热力学计算往往要涉及到较多较复杂的公式,公式中通常包含有多个不同的参量,并且参量之间又往往是复杂的函数关系,因而热力学的计算异常复杂,计算量大,传统手算方式很难能够完成工作。这也就使得计算机软件的使用和编程能力的培养在热力学的教学中占有着重要的地位。

在化工热力学课程教学的过程中,我们加强了现代化软件的应用,将专业知识和计算机软件应用相结合,让学生能运用已学的现代化化工软件来解决课本和生活中的实际问题,模拟和分析简单的化工过程。对于流体 P-V-T 的教学时,可以引入 Math-ematica 软件求解立方型状态方程的根,也可以采用 Newton-Raphson 迭代法数值求解。讲解相平衡时,将工程上常用的 Aspen Plus 软件引入到气液相平衡计算中,模拟精馏分离甲醇-水混合物的过程。对于数据计算类,包括实验数据处理、物料衡算、能量衡算、精馏塔设计计算和经济评价等,可以运用 Matlab,VisualBasic 等常用软件。Aspen plu软件是近些年应用非常广泛的化工计算软件,该软件集合了化工热力学的理论基础,对求解化工生产过程的物性参数、状态方程求根、物料衡算和热量衡算等问题都游刃有余,是进行化工过程模拟和化工计算的强有利的工具,尤其在近年来全国大学生化工设计竞赛中更凸显其重要性。化工软件的学习不仅可以培养学生的学习兴趣提升综合实力,而且为学生后续课程化工分离、化工系统工程、化工设计等的学习以及将来从事相关行业的工作打下了良好的基础。

2.6改变考核方式,注重对学生学习过程和应用能力考察的考查

课程考核是检查教师教学质量和学生学习效果的重要手段,是反馈教与学信息的有效途径。考核方式的选择对教师和学生都有着极大的影响,不同的考核形式对于学生知识掌握和能力培养有重要的引导作用。传统的课程考核方式以期末考试为主,这种考核方法要求学生在考试之前要花大量的精力去記忆公式、理论的内容,从而忽视了对于课程内容的理解、总结和应用。学生普遍感觉考试完了以后,学过的内容几乎都忘记了。经过长期的课程考核实践,我们认为传统的考核方式并不十分适用。

我们对于学生的考核分两个方面进行。第一部分是对平时学习过程表现的考核,另一部分为期末考试,各占50%。平时学习过程表现的考核包括出勤、提问、课堂讨论及加强阶段测试,鼓励学生使用软件求解习题,并鼓励学生提交电子练习。对于提交电子练习的学生在平时成绩方面给予适当加分。期末考试侧重学生应用能力的考察。期末考试的考试范围覆盖面尽量广泛、题量适中,题目侧重学生对所学内容的理解和应用。

3结语

作为化工类专业的必修基础专业课,化工热力学是一门理论与应用并重的课程。在教学过程中,不仅要扎实化工类专业学生的理论基础,还要提高学生的实践能力和工程意识。通过采取上述一些措施,提高了学生对于化工热力学学习的积极性,培养了应用化工热力学的理论和观点解决化工过程实际问题的初步能力。今后,我们将不断更新教学方法、尊重教学规律、采用符合时代特征的教学手段等措施 ,积极提高化工热力学教育教学质量。

作者简介:魏超(1967-),女,湖南湘潭人,博士,副教授,主要从事化学工程相关研究和教学。

参考文献

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