2015 化工热力学问卷调查及课程教学改革

第 43 卷第 21 期 2015 年 11 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 43 No. 21 Nov. 2015
化工热力学问卷调查及课程教学改革*
余丽萍，张吉林，荣春英，许华岚，李承志，廉世勋
（ 湖南师范大学化学化工学院，湖南 长沙 410081）
摘 要： 针对 《化工热力学》 原理繁杂、重点和难点多的问题，通过对化工热力学课程教学过程的问卷收集、分析，提出
Abstract： Based on the questionnaire survey about the teaching process of Chemical Engineering Thermodynamics， teaching reform measures were put forward aiming at multifarious chemical thermodynamics principle，more emphases and difficulties. These teaching reform measures included preview before class，review after class，focus on the emphases and difficulties during the class，introducing the case teaching about practical applications，strengthening the students' calculation ability and penetrating teaching of Aspen Plus process simulation software during the course teaching. The implementation of these teaching reform measures could reach the training objectives of ‘knowledge+ability’type talent cultivation.
针对课后对所学内容复习情况的调查结果表明， “偶尔复 习” 的占 42. 9%，“有时间就复习” 的占 36. 7%， “通常都复 习” 的有 12. 2% ，而 “从 不 复 习” 的 有 8. 2% 。从 调 查 结 果 看，虽然学生也知道复习课堂所学内容可以更好地掌握课程内 容，但是在无督促的情况下，仅有少部分具有良好学习习惯的 同学会对课 程 进 行 主 动 复 习，而 大 部 分 学 生 的 复 习 都 是 随 机 的，不能形成一个良性循环，因此必须对学生的课后复习加以 督促。通常情况下是通过作业来促进学生复习所学内容，但是
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从作业完成情况的问卷调查发现，能够 “自己独立完成作业” 的占 20. 4%， “不会的与同学讨论” 的占 65. 3%， “抄同学作 业” 的有 12. 2%， “不做作业” 的占 2. 1% ，从问卷调查以及 作业批改的情况反馈看，这两个结果基本吻合，也就是说只有 1 /5 的同学能够独立完成作业，其余的同学需要寻求帮助才能 完成作业。从完成作业所花费的时间看，仅有 20. 5% 的学生能 在 1 h 内完成作业，2 h 以内完成的占 31. 8% ，3 h 以内完成的 占 25. 0% ，还有 22. 7% 的学生需要花费更多时间才能完成。由 于大部分同学在课后复习至少都需要花费 1 h，因此合理设计、 安排课后作业，让学生在每节课之后都能够有目的的通过作业 来巩固课堂内容，充分发挥学生的主观能动性，通过每次课后 练习加深对知识点的理解与掌握，其效果会比每章结束后统一 布置作业更有针对性。
了在化工热力学教学中应加强课前预习、课后复习环节，课堂进行重点、难点教学，引入更多有关生产实际的案例教学、加强学 生计算能力的培养以及 Aspen Plus 流程模拟软件的渗透教学等课程教学改革手段，以达到 “知识+能力” 型人才培养目标。
关键词： 化工热力学； 问卷调查； 教学改革
中图分类号： G420
1. 2 教学内容分级、分层及教学模式的改革
由于化工 热 力 学 内 容 较 多， 而 受 教 学 大 纲 中 学 时 数 的 限 制，教学中应将教学重点放在关键知识点的教学上。如第二章 流体的 p－V－T 性质的教学中，对于立方型状态方程的来历， 只做简要介绍，而对于工程实际中应用较多的 ＲK 方程、SＲK 方程、PＲ 方程以及 Virial 方程的使用对象、使用范围以及相应 的气体、气体混合物的计算则应重点讲解； 而对于相图、理想 气体状态方程等内容则主要以学生课前预习为主，课堂简要回 顾为辅。第三章均相封闭系统热力学原理及其应用则应将重点 落在应用上，而不是一味地强调原理，因为原理部分涉及的内 容大都已在物理化学课程中详细介绍，因此这部分内容通过课 前预习，课堂上提纲挈领地引导学生来加深对知识的理解。第 四章均相敞开系统热力学中敞开体系与封闭体系的热力学关系 式有相似 之 处，主 要 强 调 学 生 的 课 前 预 习， 而 对 于 偏 摩 尔 性 质、摩尔性质与偏摩尔性质的关系则需要在课堂中反复强调， 突破了这一部分内容，则该章内容便能够自如地进行应用。在 流动系统热力学部分，则应将重点放在分析热力学过程上，突 出稳定流动过 程 的 能 量、 熵、 理 想 功、 有 效 能 和 损 失 功 的 衡 算，并利用这些衡算原理对化工过程和单元的能量利用情况进 行分析，找出生产中能量利用的薄弱环节，提出合理的节能方 案。
认为自己的 “理论水平有提高，对于简单的化工过程可以进行 分析”，36. 7% 的同学认为 “虽然理论水平有提高，但是具体 的过程还是不会分析”，还有 14. 3% 的同学认为 “学习完该课 程后对自己没什么影 响 ”。 从 数 据 中 发 现， 仍 然 有 近 半 数 的 同 学在学习完该课程后不能够灵活运用，因此应进一步加强教学 与化工生产实例相结合的教学模式，让学生真正能够将所学理 论知识应用到实际中去。
信息技术的发展使得数字化或网络化学习 （ E －learning） 、 混合式学习 （ Blending Learning） 、翻转课堂、慕课等新型教学 模式不断涌现［1］。针对不同的教学内容可以采取不同的教学手 段。如将学生需课下掌握的知识点录制成 10 分钟左右的视频， 放在网络上让学生自主学习，一部分课堂时间可以留出来进行 答疑、师生交流或是学生之间交流，以检验线下学习的效果， 即采取翻转 课 堂 的 模 式 来 调 动 学 生 的 学 习 积 极 性。而 对 于 难 点、重点内容则以教师的传统教学为主。虽然翻转课堂模式自 2011 年出现以来，在多个学科引发了教学改革，但是该教学模 式对学生的规模是有要求的，即学生数量越少，获得教师面对 面指导的机会就越多，教学效果就会越好，而且对学生的自主 学习能力也有很高要求，因此不能生硬照搬，全盘模仿。目前 《化工热力学》 已获得 2013 年校级精品课程的立项，以精品课 程为依托，将课程教学模式改革不断深化。
* 基金项目： 湖南省普通高等学校教学改革研究项目 “改革研究项目 “高校创新 试点班教务管理新模式的研究与实践”。
第一作者： 余丽萍 （ 1971－） ，女，副教授，主要从事化工热力学及无机化学的教学。
第 43 卷第 21 期
余丽萍，等： 化工热力学问卷调查及课程教学改革
Key words： Chemical Engineering Thermodynamics； questionnaire survey； teaching reform
《化工热力学》 课程一直是我校化学工程与工艺专业及应用 化学专业的必修课，讲 授 对 象 为 三 年 级 学 生，是 在 学 生 已 有 《高等数学》、《物理化学》 基础上而开设的专业基础课，同时又 是化工原理、化工设计、分离工程和化学反应工程等课程的基 础与指导。化工热力学从化学工程的角度分析并给出化工过程 经历的实质性变化，从原理和计算上指导化工的设计与优化。
1. 3 注重实践，教学与化工生产相结合
化工热力学是一门严谨、抽象的学科，如何让学生将所学 知识与化工生产相结合呢？ 在教学过程中应注重案例教学，激 发学生的学习兴趣。在问卷中 “学习完本课程，你对化工过程 的认识”，有 20. 4% 的同学认为 “理论水平有了很大提高，对 于以前学习的很多内容有了更深层次的了解”，28. 6% 的同学
在该课程教学过程中通过与学生交流、作业反馈、期末考 核、问卷调查等了解到，学生普遍反映该课程概念多、公式繁 杂、理论性强，而学生实际应用较差，容易使学生产生惧怕和 厌学的想法。如 何 在 有 限 的 课 时 内 让 学 生 更 好 地 掌 握 该 门 课 程，这是摆在我们面前的严峻问题。为此，我们于 2014 年底 对 2012 级两个专业的 52 名学生进行了该课程的问卷调查，共 收回有效问卷 49 份。通过对该问卷学生反馈的情况进行总结 分析，提出相应的课程教学改革手段。
1 问卷调查内容及相应改革措施
1. 1 加强课前预习、课后复习环节，充分利用课堂的 45 分钟
调查中发现，有 46. 9% 的学生 “从不做预习”，20. 4% 的 “偶尔做预习”，还有 32. 7% 的学生 “有时间就会做预习”； 而 对于有预习习惯的学生来说，预习时间在 0. 5 h 之内的占到了 87. 5% 。因此我们在今后的教学中可以加强学生的课前预习环 节，布置适当的作业要求学生在预习过程中解决。而预习内容 主要针对一些名词、基本概念，以及涉及到的物理化学知识， 如在第二章流体的 p－V－T 性质中要求学生通过预习掌握立方 型状态方程的名称及相图的相关知识； 第三章均相封闭系统热 力学原理及其应用中有关四大微分方程、Maxwell 关系式等内 容进行预习，这样就可以更好地利用课堂时间开展重点、难点 内容的教学。
“p－V－T 行为与液化气成分的选择”、“p－V－T 行为与汽车 新燃料———压缩天然气之间的关系” 两个例题的引入将状态方 程的求解具体化，使得学生觉得热力学知识也能够解释生活中 的现象［2］。在聚乙烯醇的生产中，分离工 段 的 能 耗 占 全 厂 的 65% ，应用热力学相平衡理论，将进料中乙醛含量由 0. 7% 降 至 0. 4% 后，操作费用则节省 50%［3］。在课堂上提出 “电冰箱 能当空调器使用吗？” 通过分析空调器的工作原理、机械结构 和运行机制，发现其与冰箱的工作原理很相似，但是电冰箱放 出的热是 在 室 内，而 空 调 器 则 将 热 量 排 出 室 外， 正 是 这 点 差 异，使得空调器能够使室内降温，而冰箱则不行［4］。加油站为 什么偏好乙醇汽油？ 原因除乙醇的价格低于汽油外，还有一个 重要的原因在于乙醇与汽油混合后偏摩尔体积增大，总体积增 加，加油站的汽 油 是 按 升 销 售， 这 样 无 论 是 从 成 本， 还 是 体 积，加油站都更愿意销售乙醇汽油［5］。液化天然气（ LNG） 在使 用过程中须耗费大量的热能将其转化为常温天然气，通常的做 法是以 海 水 作 为 热 源，按 返 回 的 海 水 降 低 5 ℃ 计 算，气 化 300 万吨 LNG 一年约需 1. 2×108 m3 的海水来吸收冷能。若是利 用冷能建设一套 3 ×104 m3 / h 的空气分离装置，则可年产氧气 28. 6 万吨，实现产值 2 亿元，且与传统生产液态产品的空气分 离装置相比，可节电 50% ～ 60% ，节水 70% ～ 90% ，同时减轻 海域环境冷污染［1］。在朗肯循环的教学中可以引入日本福岛第 一核电站发生泄漏的事件，让同学们分析为什么会发生这么严 重的安全事故。经过讨论，学生得出由于核反应堆反应产生的 大量热能，必须通过循环水 （ 或其他物质） 来避免反应堆因过 热而烧毁，而导出的热量可以使水变成水蒸汽，推动气轮机发 电。事故的起因正是由于地震导致核电站外围的供电设备无法 正常运转，循环水系统出现故障，导致热量无法排出，因而引 起爆炸导致核泄漏［6］。当然生产实际中与化工热力学相关的例 子还很多，选择并有效运用可以有效激发学生的学习兴趣，使 学生真正将基础知识与实际应用结合起来，成为具有扎实理论 功底的应用型人才。