“化工热力学”有效课堂教学的探索

武卫荣 宋先雨 路 峰 姜骉麟 黄美英 李廷真

(重庆三峡学院 环境与化学工程学院,重庆 万州 404199)

“化工热力学”是化工及相关专业,如化学工程与工艺专业、分子科学与工程专业、过程装备与控制工程专业的重要基础核心课程,是一门理论性和应用性较强的课程[1-4]。该课程是将化学热力学和工程热力学原理应用到化学工程领域,用以评价化学工程领域能量的合理利用,探讨物质变化的方向和限度,指导混合物的有效分离,解决化工过程热力学性质的计算、能量的有效利用、物质的高效转化、以及相平衡和化学反应平衡的计算等工程实际问题。本课程教学是通过科学思维方法的训练和工程伦理的教育,培养学生具备解决化工生产、工程设计、科学研究中实际问题的能力,利用热力学原理分析和优化化工生产中物质和能量的有效利用极限问题。同时,也是帮助学生理解所学专业、树立正确的价值观,培养节约资源、合理利用能源意识的重要手段。

1 有效课堂教学的必要性

“化工热力学”课程的基本概念和理论比较抽象,公式繁多且相关的推导过程复杂,学生在理解和掌握课程内容时具有较大难度[5],尤其是在应用化工热力学理论和知识分析解决实际问题时,导致学生有较大的畏难情绪,学习热情不高。因此,如何在有限的授课学时内,将化工热力学基本理论和知识,尤其是解决问题的思想和方法传授给学生,让学生更好地理解和掌握热力学原理和实际应用,树立正确的工程观念,提升独立思考和解决工程实践问题的能力,是一个极大的挑战。

教学实践证明,只有实现教与学的高度统一,才能取得理想的教学效果,达到让学生掌握知识并能解决问题的目的[6,7]。有效的课堂教学能够激发学生学习兴趣,有助于学生克服畏难情绪,更好地投入学习中。因此,教学过程的科学组织和有效整合是实现课堂高效利用的前提条件,而高效利用课堂则是教学的重中之重。为了提高课堂教与学的效果,依据“以工程案例为主线、以学生为主体”的原则,优化课堂教学内容,同时注重与学生的情感交流。

2 课堂教与学统一的探索

2.1 课堂教学注重情感交流,提升课堂教学效果

课堂教学过程是由相互依存的教和学两方面构成,也是课堂上师生间面对面传递信息、相互交流的过程。老师的态度决定学生学习的态度,而学生学习的态度又会反过来影响教师的教学过程。当今大学生处于电子产品、互联网的世界中,缺少了人与人之间面对面的交流和沟通,更需要关爱。因此,教师在课堂上需要有意识地与学生进行交流和沟通,在传授知识的同时传递尊重、平等与关爱。同时密切关注学生的听课状态,及时调整课堂教学进度,利用小问题或生活的实例,与学生讨论活跃课堂气氛,在交流互动中传授知识。当学生感受到来自老师的关注后,便会更加重视课堂学习。另外,充分利用好课间和课后时间,教师及时为学生答疑解惑,有助于提升课堂教学效果,实现教与学统一。

2.2 突出应用性,优化课程教学内容

“化工热力学”课程共有48学时,主要介绍流体的p-V-T关系及状态方程式、纯流体热力学性质计算、溶液热力学性质计算、蒸汽动力循环和制冷循环、流体相平衡、化工过程热力学分析等,要求掌握20多个重要知识点。要在有限课时内,把信息量较大的概念、公式,以及抽象难懂的基本理论有效地传递给学生,必须对课堂教学进行有效组织才能实现高效利用课堂的效果。

课程内容抽象、公式复杂、概念严谨,常令学生望而生畏,教学难度很大。要在有限的学时内达到教学目标,应以突出应用为目的,分清主次,优化教学内容、合理设计课程结构和知识点。“化工热力学”主要内容中流体的p-V-T关系和状态方程式、纯流体与溶液热力学性质计算是其他章节内容的基础,流体相平衡是热力学与传质过程、分离过程之间联系的桥梁。在教学过程中,具体做法是:对于后续课程学习极为重要的概念、公式、理论要讲清来源、内涵以及意义,重点突出用途,精简理论推导,增加联系生产生活的实例和趣味知识,用通俗易懂、生动形象的语言讲解热力学知识,让学生学习起来轻松,克服畏难情绪,更好地掌握热力学核心内容,懂得如何学以致用。对于经验或半理论、半经验的公式只讲基本内容,理论推导略讲或不讲,避免学生混淆。在课堂教学过程中,按“理想模型→修正→建立实际体系模型→应用”的思路进行课程内容的优化和讲授,从而传递给学生热力学中理想模型可加“校正”用于处理实际体系的思维方式。

2.3 利用生产生活实例让课程“落地”,有助于提升课堂教学效果

化工热力学课程内容抽象难懂,如果只注重公式、概念以及基本理论的讲授,只会让学生认为热力学知识离生活很遥远,从而缺乏学习积极性。为了取得理想的教学效果,应树立“以应用为目的”的教学理念,在课堂上选取实际生产生活中典型的实例进行分析讨论,让学生懂得如何灵活运用相关热力学知识解释实际生产生活中存在的现象。例如在学习第二章流体p-V-T关系和状态方程式的应用时,教师让学生讨论实际生活中的例子“以压缩天然气为能源的汽车为什么在冬天的里程比夏天长?”,并提示学生利用合适的状态方程计算一定体积的储气罐在不同温度和一定压力下压缩天然气能行驶的里程数。或者布置一个关于清洁能源可燃冰的材料题。材料中重点介绍了我国在全球海域天然气水合物(可燃冰)开采取得的成绩,然后将所学知识与可燃冰进行结合提出问题:“假设可燃冰(CH4·nH2O)组成是纯净的二水合甲烷晶体,多少克的可燃冰可释放1标准立方米的天然气(利用Peng-Robinson状态方程计算)?”这类实际生产生活中的例子能够很好地调动学生的学习积极性和主动性,通过学以致用加深对概念、原理、方法及模型的理解,切实让学生感受到热力学知识的价值和魅力。将课程内容与生产生活实例相结合,不仅能促进学生提升学习效率和实际应用能力,促进学生有意识地形成工科思维模式,还能增强学生对专业的认同感,从而达到课程的教学目标。

2.4 考核形式多样化,调动学习积极性

对学生的考核主要包括平时的过程性考核和期末考核,二者考核的侧重点不同。平时的过程性考核反映学生对所学内容的理解和掌握程度,主要涉及课堂提问与讨论、课堂练习、各章节作业、平时测验等方面。为了调动学生参与课堂讨论的积极性,可以适当提高平时的过程性考核,如课堂提问与讨论在学生考核中的占比。对积极参与课堂讨论的和讨论内容正确的同学,应根据不同情况当堂分别给予奖励,奖励分数在最后考试成绩中占有一定比例。例如引出逸度前,给出理想气体的关系式dGi=RTdlnp,再提问如果该式用于真实气体,公式中压力p变化了吗?引导学生讨论压力在理想气体和真实气体中的不同概念,在真实气体中,采用逸度fi代替压力p,看作是校正压力或有效压力,二者单位相同。通过讨论,学生理解了真实压力要采用逸度的原因,从而很自然地接受有关逸度的学习。通过课堂提问与讨论,不仅可以调动学生学习积极性,而且有助于学生加深对化工热力学基本知识的综合运用,培养学生自主解决问题的能力,同时还有助于轻松应对期末考试。

2.5 注重课堂教学几个环节,提高课堂教学效果

由于学生缺乏对已学知识点进行及时复习的主动性,会导致知识点的遗忘,而知识点遗忘又会影响下次课的教学效果。为了巩固学生已学的旧知识,同时有助于新知识的学习,在课堂教学中,教师需要注重几个细节的引导:每次新课前需要利用2～3分钟对前一次课的内容和知识点进行课前回顾,承上启下为引出新的内容做好铺垫;在讲解每个知识点过程中或精讲每个知识点之后,穿插几个精心设计的对应练习,让学生进行课堂随练,时间控制在5～8分钟,根据解答情况对易错知识点进行讲解,让学生在课堂上及时消化知识;边学习边总结——每次新课结束后会对本节课内容以及知识点进行梳理,同时,每章节内容结束后再次进行章节小结,同时进行大约20～30分钟课堂测试,进一步巩固所学知识;每两周课程完成之后,教师要求学生以不记名的方式反馈对课堂教学的想法、感受、意见和建议,并针对学生提出的意见和建议及时调整和改进授课方式和方法。只有教师重视学生的学习体验,才能取得好的课堂教学效果。

2.6 丰富教学手段,提高课堂教学效果

适宜的教学方法和手段的选择也是课堂高效利用的保证。在课堂教学过程中,应针对不同教学内容合理采取相应的教学方法和手段进行讲授。例如针对大量重要的公式推导需要充分发挥黑板板书的优势。在公式推导过程中,黑板板书非常灵活,教师可以按照需要补充相应的知识点帮助学生理解,同时通过板书可与学生进行较好的互动,达到多媒体没有的效果。例如在利用热力学第二定律判断过程进行的方向时,学生遗忘了孤立系统熵增原理的推导公式,为了不影响本次课学生对课堂内容的学习,发挥黑板优势,可以直接在其上面进行公式的推导,补充这部分相应内容。

对于课堂上一些抽象、难以用图或板书形式表现出来的内容,合理地采用多媒体教学手段,以电动图片和动画的形式表现许多热力学数据、图和表、著名人物、实验过程和工艺流程、设备等并结合板书,向学生直观、生动、形象展示,有利于学生对所学内容的记忆理解。同时,运用多媒体教学手段,增加了课堂教学的信息量,减少了板书的工作量,拓宽了学生的思维空间,对调动学生的学习兴趣起了积极的作用,提高了化工热力学课堂的教学效果。对于需要利用试差迭代方法进行公式求解,直接计算困难时,通过采用计算机程序完成求解过程,有利于学生明确公式的适用范围、参数设定等关键问题。为了弥补课堂教学时长的不足,同时增强学生自主学习能力,建设线上资源,为学生学习提供便利。总之,通过采取多种不同的教学手段,来提升化工热力学课堂教学效果。

3 结语

课堂是学生学习的主渠道,是获取信息最直接的场所。课堂高效利用离不开课堂教学有效地组织。只有充分利用好这个主渠道才能实现教与学的统一,取得理想教学效果,达成化工热力学教学目标。