面向工程教育认证的《化工热力学》教学探索*

戴亚芬，何禄英，高家俊，熊 芸，闫志国

(武汉工程大学化工与制药学院，湖北 武汉 430205)

《化工热力学》是化学工程与工艺专业必修的专业核心基础课程，其知识体系在化工过程研究与工艺设计中发挥着至关重要的作用。该课程的教学体系实现了原理、模型、应用三要素的结合[1]，旨在培养学生从热力学角度阐释化工过程中的物质转化及能量有效利用极限的能力，进而为其学习后续课程和解决实际工程问题打下牢固的基础。

自2016年6月我国加入了《华盛顿协议》以来，工程教育专业认证已成为国内工科专业的发展趋势，其核心是确认工科毕业生达到行业认可的质量标准要求，是一种以人才培养目标和毕业要求为导向的评价体系[2]。化学工程与工艺专业是武汉工程大学办学历史最长、师资力量最强、规模最大、培养质量最高的本科专业，是湖北省首批“国家级一流”建设专业、国家级特色专业、省级品牌专业，三次通过国际工程教育专业认证，2016年获6年认证期限，是省级拔尖创新人才培育试验计划项目、教育部卓越工程师教育培训计划项目、湖北省战略性新兴(支柱)产业培养计划项目、教育部首批“新工科”研究与实践项目和湖北省“一流学科”重点建设专业。

在面向工程教育认证背景下，我校坚持加强专业基础课建设。化工热力学在化学工程与工艺专业课程体系中起着承先启后的作用，旨在培养学生树立工程思想，启发创新思维。本文面向工程教育认证，以我校化学工程与工艺专业《化工热力学》课程为研究对象，对此课程的建设与教学改革进行了初步探索。

1 以学科前沿技术激发学习热情

化工热力学的教学内容主要包括物性数据和热力学定律。物性数据在教材中主要显示为热力学图表，初学者难以迅速接受大量数据信息和规律；而热力学定律则描述抽象，相关推导又对学生有一定的逻辑演绎能力的要求。因此，化工热力学是一门“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程，教学过程中学生会感觉枯燥，缺乏学习热情。前沿成果具有时效性，代表了当前课程内容的直接应用。优秀科技成果的引入，能拓展学生知识广度，增强理论联系实际，提高学生学习兴趣。例如，在学习“纯流体的p-V-T关系”中相图的超临界流体区时，可引用相关前沿应用，如超临界CO2用于新能源领域萃取回收锂[3]、利用液氨pVT变化的热棒技术来解决青藏铁路路基多年冻土层夏季融沉、冬季冻胀的不稳定问题[4]，打破学生对传统化工行业的刻板印象，有助于形成对本专业发展和就业前景积极的影响，提高学生对课程学习的热情。

2 强化现代化工软件工程应用的意识

使用专业模拟软件，对复杂工程问题进行分析、计算与设计是工程教育专业认证中必不可少的一项毕业要求，计算机辅助模拟已化工类专业核心课程的重要教学内容。目前，各种现代计算软件可用于化工热力学辅助教学，浙江大学陈新志教授团队在化工热力学教学中采用ThermalCal软件进行压缩制冷循环、同时涉及反应平衡与相平衡系统的计算，能够有效减轻计算压力，且计算结果精确，操作步骤简单易行，从而提高学生工程计算和对知识的应用能力[5-6]。我校化工系教研室也在化工热力学教学中应用了一些现代软件进行探索。例如，在求解“立方型状态方程”时老师用实例示范Excel、Matlab、MathCAD求解的过程，在讲解“低压泡露点汽液平衡计算”时采用流程模拟软件AspenPlus物性分析功能对常压下甲醇-水二元体系对比了Wilson、NRTL、UNIQUAC活度系数模型求解出的T-x-y数据，将化工过程的基础计算与流程模拟统一起来。此外，在化工热力学课后作业中，要求学生至少掌握一种软件进行数值求解，替代手动迭代计算，提高计算效率，有助于增强他们应用热力学知识结合现代计算软件解决实际问题的意识。

3 任务驱动下充分锻炼综合应用能力

在当今信息日益增长的形势下，学生在面对“信息爆炸”式的局面需要学会独立思考，能够针对复杂工程问题，选择与使用恰当的资源、工具，并能通过信息综合获得合理有效的结论。在化工热力学平时成绩的考核环节中，我们设置了分组大作业汇报环节，在任务驱动下充分锻炼学生组织、计算、搜集、归纳、总结信息、表达等综合能力。具体而言，大作业汇报要求学生组队完成“计算101.325 kPa下乙醇-水体系T-x-y数据并判断是否发生共沸，查阅总结出由20wt%酒精精制成99%乙醇汽车燃料的分离方法”，从学生执行意愿来看，在任务驱动下，学生积极主动组队、分工，将平时所学零散的知识点和技能串起来完成大作业任务，该环节要求学生站在讲台上掌握主动性，是一次难得锻炼汇报和表达能力的机会；从学生完成方式来看，所有小组均采用了计算机软件辅助求解汽液平衡数据，50%采用Excel单变量求解，另50%小组采用AspenPlus物性分析功能计算；从计算结果来看，正确率约为70%，经分析问题一般出在汽液平衡方程式的错误使用、活度系数模型中组分编号混淆、Antonie方程参数错误选用等步骤；从信息搜集归纳结果来看，学生相关经验累积不足，文献调研多数为中文文献，检索到的信息缺乏归纳整理。总之，尽管本次大作业汇报教学方式的探索暴露出学生综合运用技能的一些不足，但本次实践任务驱动下学生通过自己梳理工程问题需求解的计算式并完成计算，查阅及整理、归纳文献，可以更好地了解“抽象”热力学原理及“复杂”数学模型在化工过程中的重要作用，强化学生工程意识，充分锻炼了对所学知识和技能的综合运用能力。

4 贯彻培养工程素养和工程思维

工程教育的目标是实现学生实际应用能力的培养，“新工科”背景下高素质应用型人才的需要能够综合掌握学科领域知识和技能[7]，具有研究开发、工程设计和解决工程技术问题的能力，并能洞察工业技术和经济发展的趋势。要实现这一目标，就要求学生理论扎实、专业知识面广，具有工程素养和工程思维。《化工热力学》本身是一门理论与化工实际紧密相连的课程，我校在课程教学过程中通过专业实验和工程实践，不断强化学生工程素养和工程思维。目前，我校化工专业实验开设了 “常压下乙醇-水二元汽液平衡测定”实验课程，工程实践环节安排学生赴武汉中韩石化、湖北荆门石化、湖北三宁化工等优秀企业进行认识实习、生产实习、毕业实习，启发运用工程思维解决问题。例如，分馏塔为什么配备的诸多换热器，使用的分别是什么热介质，如果更换成其他热介质会产生什么结果？通过查物性数据和计算，综合比较换热介质的成本、设备要求及能量利用情况，从而给出最优化的换热方案。教学过程中这类讨论行问题的解决始终坚持“以学生为中心”，在教师指导下充分发挥学生的主体作用，一方面可以对所学基础知识查漏补缺，另一方面还能够锻炼学生的工程素养和工程思维，从而在综合分析不同换热介质的基础上更优的换热方案。

综上，本文面向工程教育认证，结合我校在《化工热力学》课程建设和教学实践，进行了一些教学改革与探索。通过以学科前沿技术激发学习热情、强化现代化工软件工程应用的意识、任务驱动下充分锻炼综合应用能力、贯彻培养工程素养和工程思维等改革措施，将学生知识掌握、能力提升、素质培养这三个方面有机融合于教学实践中。今后我校仍将不断调研、总结和创新，立足于工程教育专业认证理念，在《化工热力学》教学中进一步丰富教学内容、改革教学方法，不断提高教学质量，培养出助力我国经济高速持续发展的具备工程思想、创新思维高素质应用型人才。