及方华 陆振欢

[摘 要] 结合“化工热力学”课程“三多三难”的课程特点，即概念多理解难、公式多记忆难、计算多掌握难，根据学生的基本学情，开展“三引入+三结合”的“3+3”教学模式，即引入趣味知识、引入生活案例、引入科研成果，结合实验现象、结合计算软件、结合专业课程。通过“3+3”教学模式的开展达到激发学习兴趣、提升课程魅力、反映学科前沿的目的，同时实现变抽象为具体、解决复杂问题、强化学科沟通的目标，有针对性地提高了学生的学习兴趣，明显提高了教学效果。

[关键词] 化工热力学;难教难学;3+3教学模式

[基金项目] 2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“化学工程与工艺‘专业思政三体系构建与实践”（2020JGB200）

[作者简介] 及方华（1987—），女，河北任丘人，博士，桂林理工大学化学与生物工程学院副教授，主要从事化学理论及教学研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）22-0149-04   [收稿日期] 2021-01-20

“化工热力学”是化学工程与工艺专业的专业基础课、核心专业课之一，以培养学生的工程观念为主要目的，在20世纪初成为各类理工科大学的重要课程[1]。“以高等数学”“物理化学”“化工原

理”等为先修课程，同时为“化工分离工程”“化工过程分析与合成”“化工设计”等后续课程服务，是从化学过渡到化工的桥梁。“化工热力学”课程建设初衷的是为了使大学生能够掌握其基本概念、理论和计算方法，能利用化工热力学的原理和模型对化工中涉及的化学反应平衡原理、相平衡原理等进行分析和研究，能利用化工热力学的方法对化工中涉及的物系的热力学性质和其他化工物性进行关联和推算，并学会利用化工热力学的基本理论对化工中能量进行分析等[2]。课程教学与学习对化工类学生学习后续课程是非常重要的，甚至影响到学生就业后从事化工设计和计算的能力[3]。针对“化工热力学”课程难教难学的现实问题，教学工作者不断探索，对“化工热力学”课程在教学模式、教学内容、教学方法以及考核方式等方面进行了一系列的改革并取得了一系列的成绩[4]，但是对照工程教育专业认证的基本要求，地方院校化工专业学生在“化工热力学”课程的学习过程中仍存在以下不足与挑战：一是，“化工热力学”课程“三多三难”的课程特点使学生望而生畏，难以提高学生的学习积极性与主动性;二是，学生对生产缺乏感性认识，难以将热力学的基本原理应用于实际的生产案例;三是，课程内容无法反映科学前沿，无法体现“化工热力学”课程的实际应用价值，难以培养学生的科研精神。针对以上现实问题，采用科学手段与方法精细组织，对教学模式进行优化，开展“三引入+三结合”的“3+3”教学模式，明显提高了学生的学习主动性，改善了教学效果，夯实了专业基础，增强了学生理论联系实践的能力。

一、引入趣味知识，激发学习兴趣

“化工热力学”课程的授课对象是化学工程与工艺专业的大三学生，学生到了大三阶段开始出现学习倦怠期，难以提高学习兴趣。加之“化工热力学”的学习需要前修课程“高等数学”和“物理化学”作为基础，然而很多学生基础薄弱，特别是高等数学[5]。以上基本学情为“化工热力学”的课程教学增加了难度。为了提高学生的学习兴趣，在授课过程中，结合课程内容引入相关的趣味知识，可以明显提高学生的学习积极性，例如在学习流体的p-V-T关系时，引入玻璃瓶的制作工艺：玻璃瓶以石英砂为主要原料，加上其他辅料在高温下融化成液态，然后精油瓶注入模具，冷却、切口、回火，就形成玻璃瓶。聪明的古代玻璃匠人利用了吹管，他们将长长的吹管插入炙热的原料，在旋转原料的过程中进行吹气，从而制作出玻璃瓶等器物。这一过程也被形象地称为吹玻璃。直到现在，很多精美的玻璃制品仍是由手艺精湛的工匠吹制而成。这一趣味知识通过玻璃的制作过程，说明了高温下玻璃经过加热熔化成为液态，即温度变化引起了物质形态的变化，从而引出流体p-V-T关系的学习内容。除此之外，玻璃瓶制作的趣味知识也反映了传统工艺的博大精深，加深了学生对传统文化的敬畏感;玻璃匠人精益求精的精神也会对学生产生积极正面的影响。通过这样的趣味知识引入环节，不仅仅提高了学生的学习兴趣，同时挖掘了课程知识蕴含的思政元素。

再比如，在高温高压下石墨可以转化为金刚石，这一趣味知识学生在早期的学习过程中已经有所涉及，那么如何用“化工热力学”原理进行解释，将这一趣味知识与流体的p-V-T关系进行关联也将明显提高学生的学习兴趣。玻璃瓶的形成过程和石墨转化为金刚石这两个趣味知识都反映了这样一个客观事实：物质状态、性质的变化多数是由温度、压力变化引起的。由此可见，研究物质的温度T、压力P、体积V之间的关系有着极其重要的意义。通过趣味知识的引入，自然而然引入课程内容，起到了提高兴趣和导入新课的双重作用。

二、引入生活案例，提升課程魅力

在教学过程中适时引入生活案例，用生活案例设疑，然后再用化工热力学原理解疑，通过这样的过程说明化工热力学知识的实际应用价值，同时提高学生学习的主动性，使学生感受到热力学知识的魅力[6]。例如液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷、乙烷和正己烷？液化石油气是学生熟悉的概念，与我们的生活息息相关，然而很多学生并不清楚液化石油气的主要成分，因此通过这一生活案例的引入，可以调动学生学习的主动性，点燃学习欲望。在案例讲解过程中，注重知识的引领，拒绝“填鸭式”教学，回归以学生为中心的教学模式。在师生互动和生生互动中循序渐进，构建师生学习共同体，消除学生对热力学课程枯燥乏味的刻板印象，将晦涩难懂的热力学知识与生活实际相结合，抽象问题具体化，提升兴趣，促进理解。

再比如，想象一个人在睡觉时被蚊子困扰，当蚊子落在腿上时，一巴掌打下去，瞬间使腿部被打部位的温度升高了1.0 ℃，设手掌的质量为1.0千克，腿部皮肤组织的质量为0.15千克，求该手掌打在腿上的速度。这样一个生活案例，以最常见的生活现象设疑，生动有趣，可以明显提高学生学习的积极性，唤起学生学习的热情。在解答过程中结合专业知识，真正实现理论联系实际，同时培养学生善于观察、善于发现、善于质疑的思考习惯。

三、引入科研成果，反映学科前沿

融入与课程内容相关的科研成果，特别是与地方特色资源相结合的研究课题，使学生感受化工热力学知识对实际生活的指导意义，夯实专业基础的同时，培养学生的科研探索精神，为后续的

深入学习做好铺垫[7-9]。例如在相图的学习过程中，

有一个特别的相区，叫超临界流體区。在该区域内，气体和液体变得不可区分，多种物理化学性质介于气体和液体之间，并兼具两者的优点。除此之外，该区域物质的溶解度对温度和压力的变化很敏感，特别是在临界状态附近，温度和压力的微小变化都会导致溶质的溶解度发生几个数量级的突变。超临界流体可以利用这一特性，通过对温度和压力的调控来进行物质的分离。也就是超临界萃取技术，该技术领域是科研人员的研究热点。2020年9月15日，由中科院工程热物理所储能研发中心陈林研究员主持编辑的超临界流体能源系统方面的英文专著Handbook of Research on Advancements in Supercritical Fluids Applications for Sustainable Energy Systems 顺利在美国IGI Global出版社出版。该书的出版显示了以中科院工程热物理所为代表的中国科研机构在该领域的重要研究实力和国际影响力。超临界流体技术凭借其在能源动力领域的重大潜力，被称作是下一代“战略技术”。这一科研知识的引入，既体现了知识的重要性，同时彰显了我国在超临界流体领域的重要地位，培养了学生的民族自豪感。

再比如，基于相平衡原理的碳捕获、利用与封存技术是应对全球气候变化的关键技术之一，受到世界各国的高度重视，纷纷加大研发力度。以相平衡原理为依托，结合CCUS技术，在二氧化碳驱油等方面取得重大进展。引用该领域的最新研究成果说明相平衡知识的重要性。同时，结合全球气候变暖给人类生产生活带来的不利影响，培养学生的环保意识，呼吁学生保护环境、节能减排，实现思政教育与专业课教育的同向同行。

四、结合实验现象，变抽象为直观

“化工热力学”课程作为一门古老又严谨的学科，很多概念抽象复杂、晦涩难懂，很多知识难以理解，更难以应用[ 10 ]。以偏摩尔性质为例，偏摩尔性质的物理意义是：在温度、压力和其他组分量均不变的情况下，向无限多的溶液中加入一毫摩尔的组分i所引起的一系列热力学性质的变化。单纯从字面意思进行理解是非常困难的，特别是很多学生停留在对摩尔性质的固有认识里，对偏摩尔性质难以触类旁通。促进学生理解最直观最有效的方式就是眼见为实，因此如果可以在课堂上开展简单的演示实验，对学生的理解和掌握偏摩尔性质的概念具有明显的促进作用。将50ml乙醇和50ml水等体积混合，充分震荡、静置，让学生观察总的体积变化，通过观察可知，总体积小于一百毫升。也就是说，纯物质的摩尔性质不能代表该物质在溶液中的真正贡献，因此有必要引入一个新的性质进行代替，它能代表该物质对溶液的真正贡献，这个新的性质就是偏摩尔性质。与此同时，引入美国总统奖获得者John M.Prausnitz教授著作《流体相平衡的分子热力学》中提出的社会型实验案例进行补充说明：设想一个在俄罗斯的社会学家，仔细研究俄罗斯人的行为，观察了若干年之后知道了他们的一切。然后他到中国对中国人进行了相似的透彻研究。那么凭借这些知识他能否预言由俄罗斯人和中国人任意混合所形成社会的行为呢？大概是不能的。结合以上两种类型的实验现象，将抽象的偏摩尔性质具体化，帮助学生进一步理解其内涵。在实验的开展过程中，可以明显调动学生的学习积极性和学习兴趣，提高教学效果的同时增强学习主动性。

除此之外，将专业实验的相关内容与热力学课程相结合，用热力学原理对实验现象进行解释，帮助学生正确理解热力学理论知识，达到理论联系实践的目的。例如在加氢实验中，氢气通过节流过程温度升高，那么这一实验现象涉及的热力学原理就是节流膨胀。不同条件、不同流体通过节流膨胀可以产生冷效应、热效应和零效应。那么氢气的节流过程应如何解释。通过与专业实验的结合促进学生对知识的理解吸收，提高学习兴趣，达到融会贯通的效果。

五、结合计算软件，解决复杂问题

“化工热力学”课程概念多理解难、公式多记忆难、计算多掌握难，面对复杂烦琐的计算问题，如何结合计算软件，摆脱手动计算的束缚，提高计算效率，是目前培养综合型人才的必然要求[ 11 ]。例如，最简单地使用迭代法计算流体的摩尔体积，学生可以通过手算进行计算，但是耗费时间且容易出错，如果结合计算软件则可以快速获得准确的结果。再比如，相平衡中低压下泡点和露点的计算，如何计算泡点压力和组成、泡点温度和组成、露点压力和组成、露点温度和组成，如果还是依赖手算进行计算，计算难度将大大增加。因此需要使用计算机建立相关模型，然后再进行计算，缩短计算时间，提高计算精度。通过与计算机软件的结合，增大了学科跨度，培养了学生的综合能力，同时提高了学生解决复杂工程问题的能力。

六、结合专业课程，强化学科沟通

热力学的规律和原理具有普遍性，它虽然起源于热功和物理学科，但是又与化学、化学工程、反应工程、生物学、系统工程、环境工程等学科有着千丝万缕的联系。因此，在教学内容上与其他专业课程进行关联教学，既有助于强化学科间的沟通，又能帮助学生温故知新，融会贯通。“化工热力学”课程的主要任务是以热力学第一、第二定律为基础，研究化工过程中各种能量的相互转化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物理或化学变化达到平衡的理论极限、条件和状态。由此可见，学习热力学第一定律和第二定律对课程的学习至关重要。然而，这两个定律在前修课程“物理化学”中均已学习，具有一定的知识基础，又具有明显的区别和差异。通过对比教学将两门课程相互关联又相互区分，从而帮助学生进一步理解热一和热二的内涵。例如，物理化学的研究对象是封闭体系、理想状态，而化工热力学的研究对象是敞开/稳流体系、真实状态。在前修课程“化工热力学”的基础之上，进一步探讨敞开体系和稳流体系的热力学第一定律和热力学第二定律，梳理两门课程之间的差异，找到共性、明晰个性，促进学生对知识的理解吸收。

七、创新成效与推广应用价值

为了切实提高学生对“化工热力学”课程的学习兴趣，采用“3+3”教学模式，提高学生学习兴趣的同时，夯实学生的专业基础。在备课时广泛阅读文献和跟踪了解本专业技术领域的最新技术和发展动态，保证课程内容具有前沿性和时代性，及时引入对课程内容理解有帮助的“趣味性”科研成果和参考书上的好例子，实现教学形式的先进性和互动性，使课程达到创新性的要求。使“3+3”教学模式融入“化工热力学”教学的各个章节之中。

“化工热力学”课程自推行“3+3”教学模式创新以来，学生的学习积极性和主动性普遍提高。教学创新期间，考试通过率由77%提高到100%，学生评教分数由92.84上升至97.43，课程认可度明显提高。同行评教分数由91.15上升至95.05。2020年“化工热力学”课程建设收获满满，先后获得校级教学创新比赛一等奖、课程思政说课比赛一等奖、课程思政优秀教案奖，同时获课程思政优秀教师和课程思政示范课程等荣誉称号，具有一定的推广和应用价值。

参考文献

[1]靳皓，杨仁杰，董桂梅，等.浅谈以学生为中心的教育理念在工程教育专业认证中的体现[J].教育现代化，2019，6（A1）：194-195.

[2]王晶晶，王俊，李锋.混合式教学在化工热力学课程中的应用[J].山东化工，2019，48（20）：193-194+196.

[3]陳丽军，唐安江，唐石云，等.化工热力学教学过程中的案

例教学法应用问题研究[J].山东化工，2019，48（8）：196-197

+199.

[4]梁喜珍，周跃明，杨婥.化工热力学教学体会[J].教育教学论坛，2020（1）：311-312.

[5]侯翠红，关红玲，任保增，等.郑州大学《化工热力学》课程教学改革研究与实践[J].教育现代化，2019，6（86）：67-68.

[6]张弦，吴珍，郭乐，等.应用技术型本科生化工热力学教学改革实践[J].当代教育实践与教学研究，2019（23）：168-169.

[7]窦树梅.“新工科”背景下《化工热力学》课程的教学思考[J].科学咨询（教育科研），2019（11）：42.

[8]卞希慧，赵世怀，郭玉高，等.化解化工热力学难教难学的教学心得[J].教育现代化，2019，6（11）：99-101.

[9]周晨亮，赫文秀，兰大为.工程教育专业认证对化工专业《化工热力学》课程教学优化的研究[J].广东化工，2019，46（18）：157-158.

[10]韩效钊，张旭，王百年，等.工程教育专业认证背景下的“化工热力学”教学改革[J].安徽化工，2019，45（2）：129-132.

[11]龙威，谢颖，黄燕.高水平理工科大学建设背景下化工热力学的课程改革[J].化工时刊，2019，33（7）：46-48+52.

Student-based “3+3” Teaching Model Innovation of Chemical Engineering Thermodynamics

JI Fang-hua， LU Zhen-huan

（College of Chemistry and Bioengineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004， China）

Abstract： Based on the characteristics of “3 many and 3 difficult” （many concepts， difficult to understand; many formulae， difficult to memorize; many calculation， difficult to master） of Chemical Engineering Thermodynamics course and the basic learning situation of the students， “3+3” （“3 introductions” and “3 combinations”） teaching model were developed. With the introduction of interesting knowledge， life cases and scientific research achievements， and the combination with experiment phenomena， computing software and professional courses， the “3+3” teaching model can stimulate students learning interest， enhance the charm of the course， reflect the frontier of the discipline， and realize the goal of transforming the abstract problems into the concrete problems， solving complex problems and strengthening discipline communication， which has pertinently improved students interest in learning and significantly improved the teaching effect.

Key words： Chemical Engineering Thermodynamics; difficult to teach and hard to learn; “3+3” teaching model