提高化工热力学教学质量的几点思考

提高化工热力学教学质量的几点思考

摘要:本文在教学过程中探讨了如何提高化工热力学质量。着重从以下几个方面进行论述:理论联系实际,激发学生学习兴趣;通过化工热力学软件的操作,锻炼和培养学生的创新能力和动手能力;通过改进教学方法的改进,提高课程教学质量。

关键词:化工热力学教学课程质量

化工热力学是是化学工程一个重要的基础学科,是工程与工艺等各类化工专业的必修课程。该课程把热力学的基本原理应用于化工技术领域,结合表征实际体系特性的状态方程、活动系数模型进行各种热力学性质的计算。由于该课程相对于其他课程而言理论性强,概念多、公式多,学生往往觉得抽象不易掌握。大篇幅的公式推导也让学生望而生畏[1-2]。

如何引导学生掌握本课程的基本原理、应用及实验技能,了解学科发展动态,培养学习的严谨作风,也是本课程教学必须回答的问题。本文试从以下几个方面进行改进,以期提高化工热力学的教学质量。

1 理论联系实际,激发学生学习兴趣

对日常生活中一些常见的现象用专业的化工热力学知识给予科学的解释。这样可以使学生感受到该课程对生活实践的指导意义,从而激发学生的学习热情和兴趣,达到既掌握了化工热力学的知识又培

养了学生分析问题和解决问题能力的目的。

例如:冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？空调与取暖器哪个更省电？将冰箱和空调的工作原理与第六章的制冷循环相联系。为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？在第二章PVT关系的应用当中着重介绍了超临界萃取技术以及萃取剂的选择[3-4]。在讲到相关的理论知识时,适时的把这些学生感兴趣的问题穿插进来,使理论知识不再那么枯燥。

比如说在讲第六章熵增原理的时候,可以做适度的延伸,将熵增原理与宇宙的变化过程联系起来。霍金[5]在《时间的方向》这一报告中,提出了热力学时间箭头、时间箭头和宇宙学时间箭头的一致性。根据热力学第二定律,事物总是向无序状态变化,称为“熵”的不断增大。因此,我们只能看见杯子打碎成碎片的过程,从来不会看见杯子的碎片复原成为杯子,相对来说,杯子是有序的状态,碎片是无序的状态。阿姆斯特丹大学理论物理学院埃里克.弗林德教授(Erik Verlinde)认为引力从本质上是一种熵力,如果一个物体在其它物体周围发生微小移动会改变周围的无序度,就会感受到引力。

通过这样一些理论的提出,让学生通过讨论,首先能培养学生勤于思考、开拓创新的精神;其次将热力学的理论与哲学、物理学等其他学科相联系,能让学生了解自然科学其实没有学科的边界,科学是相通的思想;三是介绍一些化工热力学在实际生活中的应用。例如在讲授

范德华方程时,讲述了莱顿低温实验室的创始人著名低温物理学家卡末林－昂内斯如何利用范德华方程成功地把一种又一种“永久气体”(氧气、氢气、氦气等)液化,乃至作出对人类社会产生巨大影响的贡献——超导电性的发现。最后如何利用超导电性实现磁悬浮列车,让学生感受到化工热力学在实际生活中的重大指导意义。

2 与时俱进,借助计算机软件来辅助教学

在化工热力学教学过程中,公式多,计算复杂成为严重影响教学效果的主要因素。为了使学生在今后的工作实际当中能更好的运用化工热力学知识解决实际问题,我们在教学过程中,专门作了一个专题,介绍了目前应用较多的几种软件,包括Aspen Plus,Simulis Thermodynamics, HSC chemistry等。其中着重介绍了目前应用最广的Aspen Plus (Advanced System for P

rocess Engineering)。该软件美国AspenTech公司研制,由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发。是基于序贯模块法的稳态过程模拟软件,并附带有庞大的数据库,包含了丰富的状态方程和活度系数模型。在各章节的计算过程中,分别对这几种软件相关的热力学计算部分进行了演示。

3 尊重传统,培养学生严谨的学习作风

化工热力学是一门严谨的课程,有人称之为完美的学科,就是因为它的理论和公式都有严密的理论基础,都是通过层层推导得到的。而本课程中最主要的内容就是热力学性质的计算。尽管有相应的软件工具可以进行辅助计算,但在教学过程中还是不能忽视学生的计算和推理能力的培养。通过日常的作业和课堂上的习题演练,让学生在做题过程中领会化工热力学的精髓,培养其严谨的学习态度和作风。

4 把握主线,纵观全局,理清脉络

化工热力学课程主要由原理、模型和应用三部分所组成。原理是基础,应用是目的,模型是应用中不可缺少的工具[7]。如果把化工热力学比作一个大树,那么原理就是它庞大的根系,模型是它的主干和枝丫,而应用这是化工热力学所开出的花朵和果实。

因此在每一章学习之前,我们都会给学生提供两副结构图。一是本门课程所研究体系的框架图。二是每章之间的关系及联系图。使学生能全面把握化工热力学的整体框架,正确理解热力学概念,灵活运用热力学原理。在学习时能做到,“提起是一串,放下是一堆”的学习方式。

参考文献

[1] 刘守军,何秀丽.《化工热力学》教学中应把握的几个问题[J].太原理工大学学报:社会科学版,2001,19(1):80-86.

[2] 王琳琳,陈小鹏,童张法.理论联系实际提高化工热力学教学质量[J].化工高等教育,2003,3.

[3] 冯新,陆小华,吉远辉,等.化工热力学中从生活中来到生产中去的实例[J].化工高等教育,2009(1).

[4] 陆小华,冯新,吉远辉,等.迎接化工热力学的第二个春天[J].化工高等教育,2008(3):19-21.

[5] 包科达.热物理学基础[M].高等教育出版社,2004.

[6] 霍金.宇宙的起源与归宿:听霍金讲万物之理[M].译林出版社,2009.

[7] 陈新志.《化工热力学》教材的改革[J].化工高等教育,2000(3):25-29.