工程教育专业认证背景下化工热力学课程教学改革研究*

张丽丽，李 立

(荆楚理工学院化工与药学院，湖北 荆门 448000)

工程教育专业认证对推进工程教育改革，提高教育质量，培养学生工程观念和能力具有重要意义[1-3]。2006年，各大高校开始从教学建设和实践过程两个方面为专业认证做准备工作[4-5]。结合中国的实际情况，根据国际工程专业教育互认体系要求，各大高校对工程教育专业的教学内容、教学目标进行引导和规范，强调技术创新意识和工程实践能力的培养[6]。2010年全国有11所高校先后通过化学工程与工艺的专业认证，学生的素质能力和职业能力得到了很大的提升[7]。荆楚理工学院是一所服务地方经济的本科院校，为了更好的服务社会，培养学生能够在化学工业及其它相关过程工业具备有良好的创新意识、创业精神和职业道德[8]。学校非常重视工程教育工作，以化学工程与工艺专业为试点积极开展工程教育认证工作。《化工热力学》是化学工程与工艺专业重要的核心课之一，同时也是全国工程专业认证标准中确定的四门学科专业基础课程之一[9]。为了能让学生具备化工专业知识技能和终身学习的能力，同时更好的支撑化学工程与工艺专业毕业要求达成度，本文在工程教育专业认证背景下从教学内容、教学方法和考核方式三个方面对化工热力学课程进行相应改革和实践。

1 以工程教育专业认证为导向，设置课程目标

课程目标的设置是课程教学改革和工程教育专业认证的重要部分。通过设置与毕业要求相对应的课程目标，使学生掌握化工热力学的基本知识和科学原理，能够推演和分析解决工程问题，为后续专业课程和专业设计提供必要的基础。以工程教育认证为导向，根据学生的实际情况和专业的培养目标设置课程目标，因此在课程大纲中建立明确的课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系，如表1所示。

表1 课程目标与毕业要求及指标点关联矩阵Table 1 Correlation matrix between course objectives，graduation requirements，and indicator points

根据毕业要求指标点的要求，设置了四个课程目标：(1)课程目标1：掌握真实流体P、V、T、S、H、U的计算方法，以及相平衡原理，热力学第一、第二定律，熵平衡方程基本理论和宏观经典热力学的研究方法。(2)课程目标2：能够运用热力学的性质和热力学原理，对化工过程中的相平衡和化工过程能量的分析与计算，达到生产过程中的物质最大化和能量的最大化利用。(3)课程目标3：能够利用热力学原理针对均相封闭体系、均相敞开体系、流动系统特征的模型，表达化工过程中实际、复杂的化学工程问题。(4)课程目标4：能运用热力学第一定律、第二定律计算稳流系统的热力学效率、进行能量分析，并和经济因素相结合考虑相关实际化工过程的可行性。基于认证设置的课程目标能准确表达出学生通过这门课的学习所获得的知识、能力和素质，并对教学过程和考核内容有明确的导向，能有效支撑相应毕业要求指标点的达成。

2 优化精简教学内容

现有的化工热力学课程教学内容中抽象概念多、公式推导复杂、理论难理解，导致学生在该课程中产生畏难情绪，很难达到该课程的毕业要求。以工程教育专业认证为契机，需求导向为理念，教学内容要充分支撑毕业要求指标点及课程目标的达成，因此教学内容要根据课程目标要求进行设计与优化。根据课程目标1和3，在保证化工热力学基本理论知识和系统模型掌握的情况下弱化公式的繁琐推导过程，强调公式模型的适用范围及如何利用公式解决实际工程问题。例如第二章中流体的状态方程是化工过程开发和设计、安全操作、科学研究中不可缺少的工具。状态方程形式达上百种，复杂各异，适用的范围不同，没有任何一个方程具有普适性。对于工科的学生来说，在课堂中侧重几种状态方程的适用条件及应用，这些状态方程及参数的推导过程参考学习通拓展知识部分。选择适合的状态方程之后接着计算流体的PVT关系，假设利用PR方程来计算流体的体积或温度，需要采用迭代的方法进行计算，工作量大，学生产生畏难情趣。这部分内容通过现代软件(Aspen)技术以及Excel单变量求解的方法进行计算，既节省时间又提高学生对该课程的热情。由此，利用现代技术选用正确的数学模型解决复杂的工程问题，达成毕业要求1和2。针对课程目标2，能运用热力学的性质和热力学原理，对化工过程中的相平衡和化工过程能量的分析与计算。例如相平衡大部分问题需要通过内循环、外循环不断迭代求解，计算过程也是一项非常巨大的工程，这部分教学内容引导学生掌握计算的思路，具体的求解用Aspen软件辅助计算，因此增加了热力学模型选择与Aspen Plus内容。学生利用现代化软件工具将繁琐复杂计算演绎的清晰明了，快速高效的解决复杂的工程问题，从而也让学生认识到计算机、网络与化工的联系和应用，走在时代的前沿。针对课程目标4和毕业要求7的达成，教学内容上侧重热力学第一定律和第二定律的应用，培养学生合理利用能源与资源，促进全球可持续发展。优化后的教学内容较好的培养学生利用化工热力学的基本知识和理论应用到解决工程问题中，提高学生的思维能力和创新技能。

3 教学方法改进

3.1 主线式教学方法

针对化工热力学课程理论强和工程系统化强的特点，在教学过程中采用与课程目标相适应的主线式教学法，以学生为中心，专业认证为背景，培养学生工程系统化能力。为了引导学生更好把化工热力学的基本理论和公式应用于解决工程问题中，以物质利用和能量利用为两条主线，“实际=理想+校正”模型为研究工程问题的方法，把各章知识点联系起来，研究体系从理想过渡到真实体，解决实际工程中的相平衡和能量利用问题。例如物质利用这条主线，以中压条件下汽液平衡的计算为例，某个组分气相逸度系数的计算串到第四章逸度系数的求取，具体的求解又以状态方程为基础，串起第二章的内容；液体活度系数的计算又把第四章的内容串联起来，和学生一起回顾已学过的知识点，将它们串起完整的链子。能量利用这条主线以实际的Rankin循环为例，整个过程包括吸热、膨胀、压缩、放热四个过程。重点关注的是这个循环系统的效率，哪些因素影响循环效率，最后如何提高效率。由于考虑工质在汽轮机中的不可逆过程，Rankin循环的效率为不可逆膨胀过程的焓变和吸热过程的焓变之比，真实气体焓变的计算串连到第三章纯流体热力学性质。进一步，针对如何提高Rankin循环效率以及Rankin循环的改进，又串到第六章的化工过程中能量分析及合理用能。各章的知识点通过两条主线关联起来，层层递进，条理清晰，让学生在心中有个清晰的思维框架，同时也加深了对知识的理解及应用。

3.2 案例驱动法

针对工程专业认证毕业要求指标点2，要求有正确表达和解决复杂化学工程问题的能力。在教学过程中选用生活、工程及科研案例进行驱动教学，通过案例向学生抛出问题，引出概念、原理，然后总结规律再应用到相似的工程问题中。例如，最近汽油不断涨价，经济环保的天然气成为汽车的新能源，那么如何估算一罐天然气能行驶多远的距离，是否可以通过再提高压力使压缩天然气液化，引出SRK状态方程在生活中的应用。在实验过程中，乙醇和水混合之后溶液总体积减小的案例引出重要的偏摩尔性质概念，它代表了组分在真实溶液中贡献。通过案例中具体的体积与组成的变化关系的分析，让学生通俗的理解比较抽象的概念-偏摩尔性质，进而以偏摩尔性质为基础推导许多重要的热力学关系式。血液中氧与水，雪碧中二氧化碳与水分别采用什么标准态？这些生活案例加深了理想溶液的模型与标准态的理解。通过案例驱动法教学，学生用相应的原理和知识点对案例进行讨论与分析，引导学生识别和判断复杂化学工程问题的关键环节，培养学生综合应用性和工程实践能力。

4 引入思政元素

围绕课程教学目标与毕业要求指标点，每次课堂设置一明一暗两条教学线索，让思政教育润物无声地贯穿在知识点的教学中。课程的基本知识点以及知识点在实际工程中的应用作为主线，与知识点相关联的科学思维和课程思政元素作为暗线贯穿课程。在课堂讲授过程中，可以将人物故事、科研动态、应用实例引入课堂中。例如，范德华状态方程的建立对低温技术发展有着举足轻重的作用，而低温极限→氦气液化又发现超导现象，目前高温超导材料已成功应用在磁悬浮列车、超导磁铁、超导发电机等设备。这个案例体现创新的轨迹与科学技术的继承性，引导学生具有一定的思维创新能力和不断探索的精神。北京石油学院郭天民教授也将状态方程扩展应用于强极性非理想溶液，获得极大的成功，引起了国际热力学学界的注意，并引发了后继研究热潮。以科学思维为融入点，学习科学家们系统思维，创新思维、辩证思维的精神。贯穿课堂的思政元素不仅能够培养学生的科学精神、创新精神、爱国情怀，还能启发学生。为什么一杯凉水和一杯热水混合变成一杯温水，而一杯温水不能自动的变成凉水和热水。这个貌似“很傻”的问题是伟大的物理学家吉布斯提出来的，大家比较熟悉的吉布斯自由能、热力学基本关系式、相律都是他提出的，对化工热力学的发展做了很大的贡献，整个过程也很艰辛。最开始的时候他9年没有薪水，仍然坚持他的研究工作，并把自己的论文发给147个物理学家、数学科学家，一切不畏艰难、为科学献身的精神得到认可。在生产和生活中离不开冷冻，制冷的方式很多，在吸收式制冷循环中可以利用太阳的辐射热作为解析器的热源，把夏天火热的太阳这种可再生能源进行利用，为人们造就凉爽的环境，这种润物无声的方式培养学生的节能思想和专业责任感。

5 课程评价体系的多样化

课程考核是工程教育专业认证中一项重要的工作，也是人才培养的关键环节。传统的课程主要以单一的期末考试作为考核形式，学生会在期末时不断刷题复习知识点，而知识不是简单的死记硬背概念和公式，是要学生学会融会贯通，具有不断独立思考、敢于思考、终身学习的能力。适当的考核评价方式是教育的指挥棒，通过必要的考核评价也能够方便教师了解课程目标的达成度。因此在教学过程中，建立多指标的综合评价和考核体系，采用线上学习、课程参与、作业与案例分析、期末考试四个环节评价学生的学习成果。详细的成绩比例及评定方式如表2所示。教学内容按周组织，每周发布学习内容、测验和作业。在课前，教师给出教学内容相关知识点和要求，学生通过观看线上的视频掌握基本概念和分析方法等部分内容，这部分占比10%，完成记得分。为了能更好地消化课上知识，进行线上测试和讨论，软件及时打分，调动学生的积极性，这部分占比15%，按得分点给分。在课堂上随机分组进行短暂讨论，加强学生之间的互动交流，有效利用课堂，占比5%，每次参与0.5分。为了加强学生的工程实践应用能力，布置案例分析或大作业，占比10%，有教师及学生共同评价给分，最后平时课后作业10%和考试50%。上述课程分数构成中过程50%，期末考试50%，达到过程与卷面并重。多样化的考核评价方式以课程目标达成度的结果反馈给学生和教师，用于教学的持续改进。

表2 课程分数的构成与评价方式Table 2 The composition and evaluation methods of course scores

6 结 语

基于工程教育专业认证背景下，化工热力学的教学改革过程中以学生为中心，根据学生的实际情况，利用线上辅助平台对教学内容的精简与优化；以提高学生主动学习能力和学习兴趣为目标，采用主线式和案例驱动教学方法，暗线引入思政元素、同时注重过程考核，使学生扎实的地掌握了化工热力学基本知识和原理，培养了学生的解决实际工程问题与创新实践能力。经过三个学期应用，化学工程与工艺专业的学生参加的全国化工设计大赛，并取得全国一等奖和二等奖的好成绩。从就业方面，化工专业毕业生的就业率一直保持在95%以上，同时用人单位也给予很高的评价，说明学生能较好地把学到的知识应用到后续的化工研究和相关工作中。总之，学生的专业素养和职业能力以及教学质量得到了切实的提高。