工程教育专业认证背景下的“化工热力学”教学改革

韩效钊，张 旭，王百年，刘昆，杨保俊，陈敏

（合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

工程教育认证是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。教育部高等教育教学评估中心主任吴岩认为：2016年6月2日，在吉隆坡召开的国际工程联盟大会上，中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员。这是我国高等教育发展的一个里程碑，意味着英美等发达国家认可了我国工程教育质量，我们开始从国际高等教育发展趋势的跟随者向领跑者转变。我国于2005年开始建设工程教育认证体系，并逐步在各工程专业开展认证工作，自此，各工科院校都非常重视工程教育工作，并积极推行教育教学改革，申请工程教育认证。合肥工业大学化学工程与工艺专业2012年1月首次通过国家工程教育专业认证，有效期6年；2017年11月第2 次接受了国家工程教育专业认证。在专业建设过程中，为了更好地支持“化学工程与工艺专业”毕业要求达成度，作为必修的专业基础课程的“化工热力学”进行了相应的教学改革和实践。

1 明确对应的毕业要求和课程目标

中国工程教育专业认证协会工程教育认证标准（2015 版）指出：毕业要求是对学生毕业时应该掌握的知识和能力的具体描述，包括学生通过本专业学习所掌握的知识、技能和素养；同时明确规定普通高等学校本科专业必须有明确、公开的毕业要求,而且毕业要求应完全覆盖工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理和终身学习12 条素质要求；此外，还明确指出，课程设置要能支持毕业要求的达成。“化工热力学”课程所对应的工程认证毕业要求主要有两点：①工程知识，即对化工生产过程或设备进行设计计算，能运用专业知识，对典型化工工程问题进行分析；②问题分析，即能识别典型化工生产过程中存在的问题，能运用化学工程与工艺基本原理，寻求多种解决问题的方案[1]。为了保证课程教学能够支持这两点要求，我们在“化工热力学”课程教学过程中设置了3个课程目标：①知识目标：掌握纯物质和混合物的p—V—T 关系，H、S、G 等热力学函数的计算方法，化工过程能量分析理论，相平衡原理等；②能力目标：运用热力学原理对化工过程中各设备所消耗的能量进行分析和计算，以确定能量消耗的数量、分布及原因，为改进生产工艺、确保能量的合理利用提供理论依据；掌握测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质，确定相平衡条件，计算平衡各相的组成，为蒸馏、吸收、萃取、无机盐分离、海湖井矿盐的开发等化工过程提供必要的平衡数据[1]；③素质目标：能够综合运用“化工热力学”基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析化工工程问题，以获得有效结论。

2 完善课程内容

我国石化和化学工业发展规划（2016-2020年）明确坚持绿色发展原则，加大节能减排力度，提高资源能源利用效率。“化工热力学”的根本任务就是利用热力学第一、第二定律给出物质和能量的最大利用极限，降低能耗和物耗，减少废弃物产生量，提高资源和能源利用效率。2014年10月教育部化工类专业教学指导委员会起草了“化工类专业本科教学质量国家标准”，把“化工热力学”定位为“化学工程与工艺专业”学科基础知识中化学工程与技术类知识的核心课程，并明确规定其内容包括：流体的p-V-T 关系、纯流体的热力学性质、流体混合物的热力学性质、相平衡、化工过程的能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环。1992年，我校选用了全国高校化工工艺类专业教学指导委员会教材工作会议确定编写的教材——陈忠秀、顾飞燕编著的“化工热力学”。目前，我校采用的教材是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材——陈钟秀、顾飞燕、胡望明编著的“化工热力学”（第三版），并针对我校学生主要就业领域需求，在第五章“相平衡”中补充了“水盐体系相图及其应用”，介绍“三元体系表示法”“三元水盐体系相图”知识点和“NaCl-KCl-H2O、KCl-MgCl2-H2O 三元体系相图”案例；在第六章“化工过程的能量分析”中补充了“气体的压缩功”,介绍“等温压缩”“绝热压缩”“多变压缩”“多级多变压缩”知识点和“合成氨工艺气体压缩过程”案例，以满足石油化工和煤化工等行业对气体压缩知识的需求和无机盐、化肥、海湖井矿盐的开发、非金属矿深加工等领域对水盐体系相图知识的需求。

本课程实验教学过去开设有“二氧化碳临界状态观测及p-V-T 关系测定”“汽- 液平衡数据测定”和“三元水盐体系相平衡测定”；现增设了“蒸汽压缩制冷”实验，通过实际测定和操作制冷压缩机的运行，分析压缩机性能及制冷效果的影响因素，使学生在实践中加深对热力学基础理论p-V-T 关系的理解，同时也能通过“相平衡”和“制冷循环”的实验操作和数据分析，培养化工过程节能减排、提供资源和能源利用效率的意识和能力。

3 教学方法改进

“化工热力学”教学是“教师的教”和“学生的学”所组成的培养学生以热力学基本定律为基础，研究化工过程中各种能量的相互转换及其有效利用的规律，研究物质状态变化与物质性质之间的关系以及达到平衡的理论极限与条件的人才培养活动。“化工热力学”的教学方法自然包括教师教的方法（讲授法）和学生学的方法（学习方法）两个方面。要想更好地实现“化工热力学”三个课程目标和支持“化学工程与工艺专业”两点毕业要求的达成，化工热力学教学方法必须遵守“以学生为主体，以教师为主导”的教学原则。

3.1 讲授法教学

讲授法教学作为一个古老而传统的教学方法，一直在课堂中普遍采用。我校“化工热力学”共56 学时，其中40 学时以“讲授法教学”为主，在讲授过程中注意“趣味性”和“启发性”，例如：从血液中氧分压和氧含量之间的热力学关系讨论大家都感受过或知道的“高山反应”，启发学生自己计算“高山反应”与海拔高度的关系。教师的讲授能使化工热力学抽象的概念、繁而复杂的公式变成具体形象、浅显通俗的知识点，减少学生在认知过程中许多不必要的曲折和困难，大幅度提高课堂教学的效果和效率。

3.2 案例法教学

案例法教学也称“案例教学法”，起源于1920年，由美国哈佛商学院（Harvard Business School）所倡导，当时是采取一种很独特的案例形式的教学，这些案例都是来自于商业管理的真实情境或事件，透过此种方式，有助于培养和发展学生主动参与课堂讨论，实施之后，颇具绩效。1990年以后，我国教育界也开始探究案例教学法。“化工热力学”案例法教学就是将实际工程或者虚拟工程案例引入课堂，结合案例讨论化工热力学原理在化工工程中的应用。我校“化工热力学”案例法教学安排10 学时，按照案例知识点的内容，在讲授法教学过程之中实施。主要案例有：①依据物质的正常沸点、临界性质和p-T 图讨论液化石油气的主要成分；②用真实气体状态方程计算讨论不同地区、不同季节，甚至同一地区、同一季节、同一天、不同时段，天然气出租车一罐气所行驶的距离；③用“酒精体积分数- 质量分数- 密度对照表”计算讨论酒厂为何喜欢生产低度酒，同时使学生加深对偏摩尔性质及其物理意义的理解；④引入工业氨水（NH3≥25%）制备高浓度氨水（NH3≥35%）工艺计算，加深理解理想溶液和真实溶液混合性质变化；⑤采用“水盐体系”相平衡原理及相图分析，讨论钾石盐制备氯化钾工艺设计；⑥结合授课教师科研成果，讨论“水盐体系相图”在各类液体型水溶肥料制备中的应用；⑦结合合成氨六段压缩工艺分析与计算，讨论气体压缩工艺设计原理及其节能降耗理论与方法；⑧结合合成氨转化气余热利用工艺分析与计算，讨论“能量衡算法”和“有效能衡算法”在化工过程设计与改进中的指导意义。

案例法教学具有实践性强、趣味性高、综合性全等特点，其不仅促进教师整体水平的提高，更重要的是增强了学生的工程概念，有效地提高了学生掌握用于解决复杂化学工程问题的“化工热力学”原理和应用掌握本原理识别和判断复杂化学工程问题的关键环节和参数的能力。

3.3 角色扮演教学

角色扮演教学模式的理论是从美国社会学家范尼·谢夫特和乔治·谢夫特的《关于社会价值的角色扮演》中演绎过来的。“化工热力学”角色扮演教学安排6 学时，在课程教学最后环节进行，是让学生站在教师的角度来体验、思考，去提升自己对“化工热力学”原理的理解和应用能力。

角色扮演教学布置：①用ppt 方式论述热力学原理及其应用，题目自选；②自由选择2 人一组，1 人论述，时间不超过5 分钟；另外1 人向上一组提问1 个问题并回答下一组提问的问题，回答问题时间不超过1 分钟；③推选5～7 人组成评判小组，对每一组角色扮演教学打分，纳入课堂测验成绩，评判小组成员的“物理化学”成绩不得低于75 分。

角色扮演教学评分原则：①按小组评分，总分100分；②演讲内容（包括选题合理性、内容完整性等）0～40分；③演讲水平（包括ppt 质量、语言表达等）0～30 分；④提问水平（包括问题的合理性、提问的简洁性等）0～10 分；⑤解答水平（包括答案的准确性、回答的简洁性等）0～10 分；⑥综合印象（包括仪表、肢体语言等）0～10 分。

角色扮演教学效果：①让学生体会教师的角色，去讨论、选题、组织教学内容，拉近了学生与教师、学生与教材之间的心理距离，提高了学生自主学习意识；②让学生自己去琢磨教学方法，去探究教学效果，去发现教学乐趣，优化了学生自主学习方法；③让学生相互质疑，自己评分，有益于学生综合素质的提升。

4 优化考核方式

课程考核是人才培养过程中的一个重要环节，也是检测学生课程学习成绩及教学效果的一种方式[2]。“化工热力学”实际上是“化学热力学”和“工程热力学”组合而成的一门学科，既要解决化学问题，又要解决工程问题[3]。因此，其考核方式必须是课本与实践结合、知识与能力结合、结果与过程结合；既考核“化工热力学”的基本知识和原理，又考核实际化工工程问题的热力学分析能力；既要组织好课程期末考试，又要把握好学习过程考核。我校“化工热力学”课程改革以后的考核方式及其成绩占比为：期中考试30%，期末考试40%，课外作业10%，角色扮演教学与课堂测验10%，出勤率10%。期中考试在学习完“流体的p-V-T 关系”“纯流体的热力学性质”“流体混合物的热力学性质”之后进行，主要题型与大约分值为：①简述题，60 分，考核学生对主要概念和基本方程的理解程度；②计算题，40 分，主要考核学生在气体pVT 关系以及热力学性质的计算能力。期末考试主要题型与大约分值为：①选择题，30 分，考核学生对“化工热力学”基本知识的掌握程度；②论述题，30分，考核学生对“化工热力学”原理的理解程度；③计算题，40 分，主要涉及期中考试以后学习的内容，考核学生运用“化工热力学”原理分析、计算化工工程中能量与物质利用情况的能力。课外作业在于加深和加强学生对教材的理解和巩固，进一步分析掌握相关的技能、技巧。课堂测验学时包含在讲授法教学学时之中，在一章教学工作结束以后安排15～30 分钟时间考核学生对本章重点内容的掌握程度，不仅能够促进学生重视学习过程，也有利于教师及时掌握学生整体学习状况。出勤采用倒扣分计算法，大班上课，100 名左右的学生点名需要6分钟左右，如果每次课都全部点名的话，累计占用3～4学时，因此，采用倒扣分计算法，即每次课花费1 分钟随机抽查15 名左右学生，缺勤1 次扣2 分，累计缺勤扣分最多为10 分。

5 结论

我校“化学工程与工艺专业”在2011年10月和2017年11月两次接受国家工程教育专业认证过程中，专家组都考查了“化工热力学”课堂教学和专业实验，召开了“化工热力学”课程教学教师和学生座谈会，审阅“化工热力学”考核方法和试卷内容，专家一致肯定了我校“化工热力学”教学改革的成绩和教学效果，认为“化工热力学”课程很好地支持了“化学工程与工艺专业”毕业要求。

教育部发布的《“新工科”建设行动路线（“天大行动”）》确定的目标：到2020年,探索形成新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、新经济发展；到2030年，形成中国特色、世界一流工程教育体系，有力支撑国家创新发展；到2050年，形成领跑全球工程教育的中国模式，建成工程教育强国，成为世界工程创新中心和人才高地，为实现中华民族伟大复兴的中国梦奠定坚实基础。“化工热力学”作为“化学工程与工艺专业”核心课程，承担着为我国化学工程领域培养高素质的工程技术人才重任，其教学改革工作任重道远。