童張法?陳小鵬?梁杰珍?王琳琳?鄒昀?韋小杰

摘 要：提出以“化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗+工程實(shí)習(xí)+科研與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃+工程學(xué)科競賽+畢業(yè)設(shè)計與論文”為“五位一體”的“化工熱力學(xué)”課程工程教學(xué)新理念；精心選擇教學(xué)與科研相結(jié)合的課題，創(chuàng)新“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容；采用“以應(yīng)用為中心”和“合作探究式”的特色教學(xué)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生化工熱力學(xué)的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力；完善“化工熱力學(xué)”課程工程創(chuàng)新教育措施，形成系統(tǒng)性、先進(jìn)性和科學(xué)性的新課程體系。“化工熱力學(xué)”課程經(jīng)過面向工程應(yīng)用的“五位一體”的教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)了“教學(xué)出題目、科研做文章、成果進(jìn)課堂”的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：化工熱力學(xué)；化工專業(yè)；課程建設(shè)；工程應(yīng)用；五位一體

“化工熱力學(xué)”是化工類專業(yè)主干專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是將熱力學(xué)原理運(yùn)用于化學(xué)工程領(lǐng)域，既解決化學(xué)問題又解決工程問題，是化學(xué)工程領(lǐng)域重要專業(yè)理論基礎(chǔ)課程。而且化工熱力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離工程以及化工設(shè)計緊密相關(guān)聯(lián)，是化工過程研究與開發(fā)的理論基礎(chǔ)，對于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的工程素養(yǎng)是必不可少的課程[1]?；崃W(xué)課程設(shè)置的初衷是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生逐步樹立工程觀點(diǎn)，并能應(yīng)用化工熱力學(xué)的理論解決化學(xué)工程中的實(shí)際工程問題。但是多年以來，該課程向來是以抽象的理論、煩瑣的計算為特點(diǎn)，學(xué)生形容該課程是“一大堆的數(shù)學(xué)符號，沒完沒了的數(shù)據(jù)，無窮無盡的計算”，是一門既難學(xué)又難教而又非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程[2]。因此，如何回歸“化工熱力學(xué)”課程“面向工程應(yīng)用”的初心，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力[3，4]，是本課程建設(shè)必須解決的核心問題和實(shí)施教學(xué)改革的背景。為此，本教學(xué)團(tuán)隊精心設(shè)計了以“化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗+工程實(shí)習(xí)+科研與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃+工程學(xué)科競賽+畢業(yè)設(shè)計與論文”為“五位一體”的“化工熱力學(xué)”課程創(chuàng)新建設(shè)方案，在“化工熱力學(xué)”教學(xué)與研究發(fā)展方面取得了顯著的成果。

一、改革目標(biāo)與思路

1.改革目標(biāo)

由于“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)難度大、作業(yè)多，又和科研與技術(shù)開發(fā)關(guān)聯(lián)少[5]，是一門吃力不討好的課程，所以許多高校“化工熱力學(xué)”課程的主講教師都不愿意承擔(dān)該課程的講授，致使主講“化工熱力學(xué)”課程的教師極少甚至青黃不接，連正常開課都有困難。

針對“化工熱力學(xué)”課程理論性強(qiáng)、概念多、公式多、內(nèi)容抽象、教學(xué)內(nèi)容枯燥無味，學(xué)生不愿學(xué)，教師不愿教的現(xiàn)狀，回歸“化工熱力學(xué)”課程“面向工程應(yīng)用”的初心，打破“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)“從書本到書本、從課堂到課堂”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用理論聯(lián)系實(shí)踐方式將“化工熱力學(xué)”建設(shè)成為具有新體系、厚基礎(chǔ)、新手段、重工程、促自學(xué)、引思考的化學(xué)工程與工藝專業(yè)工程素養(yǎng)培育的理論基礎(chǔ)課程，把化工熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練相結(jié)合，提升學(xué)生和任課教師“學(xué)”與“教”的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法和工程創(chuàng)新研究與產(chǎn)品研發(fā)的工程應(yīng)用能力。正如2016年9月21日教育部陳寶生部長在廣西大學(xué)調(diào)研時指出的那樣，實(shí)現(xiàn)“教學(xué)出題目，科研做文章，成果進(jìn)課堂”的目標(biāo)，并采用“合作探究式”的雙語教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生既有前瞻性的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，又有前沿化工熱力學(xué)知識的交流能力。

2.改革思路

根據(jù)上述背景和現(xiàn)狀，本教學(xué)團(tuán)隊針對“化工熱力學(xué)”課程的教學(xué)理念、模式和內(nèi)容進(jìn)行改革與實(shí)踐，面向工程應(yīng)用和卓越工程師人才培養(yǎng)，把“化工熱力學(xué)”課程貫穿于“化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗+工程實(shí)習(xí)+科研與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃+工程學(xué)科競賽+畢業(yè)設(shè)計與論文”等五項工程教學(xué)環(huán)節(jié)中，創(chuàng)立“五位一體”打造“化工熱力學(xué)”課程的工程素養(yǎng)培育教學(xué)體系。其中核心的改革思路是“化工熱力學(xué)課程內(nèi)容+科研+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”模塊。著名教育專家潘懋元提出，高等學(xué)校科研選題的特殊原則是——選題必須考慮到有利于人才培養(yǎng)和學(xué)科的發(fā)展[6]。因此需要根據(jù)“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容選擇適合的科研課題，將研究成果引入“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)中[7]，并指導(dǎo)學(xué)生開展“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”活動。而且，依據(jù)化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生的專業(yè)外語學(xué)習(xí)不斷線的思路，編寫了Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics（《化工熱力學(xué)導(dǎo)論》）雙語課教材和開設(shè)雙語課程[8]，為學(xué)生掌握最新的化學(xué)工程發(fā)展動態(tài)和提高國際交流能力打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

二、“化工熱力學(xué)”課程改革探索與實(shí)踐

1.理論研究成果

（1）運(yùn)用整體性與相互聯(lián)系性的哲學(xué)原

理，建立“五位一體”的“化工熱力學(xué)”課程工程教學(xué)新理念化工過程的整體模式（如圖1所示）。

由圖1可見，化工過程是一個緊密關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，而“化工熱力學(xué)”課程則是各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)理論知識，因此“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)必須貫穿化工過程的各節(jié)點(diǎn)以及各節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)中，實(shí)現(xiàn)“化工熱力學(xué)”課程的工程創(chuàng)新教學(xué)與化工過程工程實(shí)踐的整體融合。為此本教學(xué)團(tuán)隊建立了以“化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗+工程實(shí)習(xí)+科研與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃+工程學(xué)科競賽+畢業(yè)論文與設(shè)計”為“五位一體”面向工程應(yīng)用的“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)改革新理念?！拔逦灰惑w”教學(xué)方案如圖2所示。

（2）精心選擇教學(xué)與科研相結(jié)合的課題，創(chuàng)新“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)“化工熱力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容：超臨界流體現(xiàn)象與特性、流體熱力學(xué)性質(zhì)、多組分流體的氣液及固液相平衡以及界面吸附熱力學(xué)等內(nèi)容[9]，精心選擇教學(xué)內(nèi)容與科研相結(jié)合的課題。自2009年以來，本教學(xué)團(tuán)隊成功申報化工熱力學(xué)學(xué)科的國家自然科學(xué)基金項目8項，并指導(dǎo)學(xué)生成功申報有關(guān)化工熱力學(xué)研究內(nèi)容的國家級“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目6項。通過參與科研項目訓(xùn)練，啟迪了學(xué)生化工熱力學(xué)的工程創(chuàng)新智慧。

（3）采用“以應(yīng)用為中心”的特色教學(xué)模

式，注重培養(yǎng)學(xué)生化工熱力學(xué)的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。采用“以應(yīng)用為中心”的教學(xué)模式，立足區(qū)域資源特色與優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)本地資源的化工熱力學(xué)工程思維方法與實(shí)踐能力?！盎崃W(xué)”課程歷來是化工學(xué)科教學(xué)的難點(diǎn)，許多學(xué)生感嘆這是一門既難學(xué)又沒有實(shí)際用途的理論課程。為此本課程緊密結(jié)合亞熱帶生物質(zhì)資源開發(fā)利用和保護(hù)的相平衡、化學(xué)平衡和節(jié)能減排等問題，開展教學(xué)改革和科學(xué)研究，利用“以應(yīng)用為中心”的教學(xué)模式，把課程的難點(diǎn)放到“解決問題”中去討論，變枯燥乏味的教學(xué)內(nèi)容成為培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)利用廣西資源的思維方法和實(shí)踐能力，從而增強(qiáng)學(xué)生為家鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的信心，激發(fā)學(xué)生努力掌握化工熱力學(xué)知識和方法的熱情。

（4）完善“化工熱力學(xué)”課程工程創(chuàng)新教育措施，形成系統(tǒng)性、先進(jìn)性和科學(xué)性的新課程體系。化工熱力學(xué)課程內(nèi)容的重點(diǎn)是闡明基本原理，向?qū)W生介紹化工熱力學(xué)中的最基本概念、原理和研究方法，難點(diǎn)是掌握化工熱力學(xué)的抽象理論和工程思維方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程問題的實(shí)際能力。在學(xué)時數(shù)被壓縮的情況下，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和整合，關(guān)注本學(xué)科最新發(fā)展動向的前沿知識；引進(jìn)工程實(shí)踐環(huán)節(jié)如課程實(shí)驗、教師科研、工程實(shí)習(xí)、工程學(xué)科競賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃的相關(guān)內(nèi)容，形成系統(tǒng)性、先進(jìn)性和科學(xué)性的工程應(yīng)用課程內(nèi)容體系。妥善處理更新內(nèi)容和基礎(chǔ)內(nèi)容之間的關(guān)系，體現(xiàn)教學(xué)改革內(nèi)容的優(yōu)化整合，結(jié)合本地資源開發(fā)中的化工熱力學(xué)問題，將教師科研項目的相關(guān)研究成果與心得引入課堂，改革以往理論課“從理論到理論”的講授模式，在使用實(shí)例分析講解課程原理和方法的同時，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的實(shí)際工程應(yīng)用能力。

2.改革實(shí)踐成果

（1）回歸“化工熱力學(xué)”課程面向工程應(yīng)用的“初心”，實(shí)施“五位一體”的教學(xué)改革?！盎崃W(xué)”課程設(shè)置的“初心”是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生逐步樹立工程觀，并能應(yīng)用化工熱力學(xué)的理論解決化學(xué)工程中的實(shí)際工程問題。本教學(xué)團(tuán)隊打破“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)“從書本到書本、從課堂到課堂”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用“從書本知識到工程實(shí)踐應(yīng)用、從課堂到企業(yè)工程實(shí)習(xí)”的課內(nèi)課外相結(jié)合教學(xué)模式，回歸“化工熱力學(xué)”課程面向工程應(yīng)用的“初心”，實(shí)施由“化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗+工程實(shí)習(xí)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃+工程學(xué)科競賽+畢業(yè)論文與設(shè)計”組成“五位一體”的“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)改革方案。在“五位一體”理論研究成果的指導(dǎo)下，“化工熱力學(xué)”課程取得了一系列改革實(shí)踐成果。

（2）科研與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，創(chuàng)建大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練平臺。2004年廣西大學(xué)為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，啟動了“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗訓(xùn)練計劃”項目，一般是由大二、大三的學(xué)生申報，該時間節(jié)點(diǎn)的學(xué)生正處于“化工熱力學(xué)”課程的開課時段。為此結(jié)合“化工熱力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生參加“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗訓(xùn)練計劃”，共獲批化工熱力學(xué)方面的國家級、自治區(qū)級和校級“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗訓(xùn)練計劃”項目28項，學(xué)生與導(dǎo)師共同署名在學(xué)術(shù)刊物Industrial Crops and Products、Chinese Journal of Chemical Engineering和《高?；瘜W(xué)工程學(xué)報》等雜志發(fā)表有關(guān)化工熱力學(xué)方面學(xué)術(shù)論文58篇，其中SCI和EI收錄31篇?？蒲信c“化工熱力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合的研究與實(shí)踐效果如圖3所示。所取得的改革成果正如教育部陳寶生部長在廣西大學(xué)調(diào)研時指出的那樣：教學(xué)出題目，科研做文章，成果進(jìn)課堂。

（3）工程實(shí)驗與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，精細(xì)設(shè)計工程實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容。緊緊圍繞著產(chǎn)品工程的模式（產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計+原料 →化學(xué)反應(yīng) → 化工分離 → 產(chǎn)品+過程設(shè)計+商業(yè)計劃）來重組、優(yōu)化化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗項目，使實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，形成一個整體，全部實(shí)驗項目組合在一起則是一個完整的產(chǎn)品開發(fā)過程[10，11]。在整個化工產(chǎn)品開發(fā)過程中，涉及“化工熱力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容有：流體P-V-T關(guān)系和超臨界現(xiàn)象、流體熱力學(xué)性質(zhì)、流體相平衡和界面吸附熱力學(xué)等。為此，以廣西特色優(yōu)勢資源為原料，開設(shè)了如下“化工熱力學(xué)”課程專業(yè)實(shí)驗[12]：CO2超臨界現(xiàn)象觀測及P-V-T關(guān)系測定實(shí)驗，松節(jié)油體系的氣液相平衡數(shù)據(jù)測定，松香樹脂酸固-液相平衡實(shí)驗測定[13]，超臨界流體反應(yīng)合成生物柴油實(shí)驗[14]，石蠟產(chǎn)品固液溶解度的測定實(shí)驗，等等。通過上述有關(guān)化工熱力學(xué)方面的實(shí)驗教學(xué)，從而鞏固了學(xué)生“化工熱力學(xué)”課程的知識，啟迪了學(xué)生應(yīng)用“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容進(jìn)行產(chǎn)品工程開發(fā)的智慧，并把上述有關(guān)化工熱力學(xué)的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容編入教材《新編化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗》。

（4）工程實(shí)習(xí)與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，采用“學(xué)生+師傅+工程技術(shù)人員+指導(dǎo)教師”的工程創(chuàng)新實(shí)習(xí)模式。在工程實(shí)習(xí)中，應(yīng)用“化工熱力學(xué)”課程的知識，共同探討典型生產(chǎn)案例的工程問題解決方法[15，16]。比如本科生到松脂蒸餾制造松香和松節(jié)油生產(chǎn)車間實(shí)習(xí)，該車間采用過熱水蒸氣作為活氣以降低蒸餾過程的相平衡分壓，從而降低蒸餾過程的溫度，避免松香在高溫下發(fā)生脫羧副反應(yīng)。這就是典型的應(yīng)用化工熱力學(xué)原理解決松香和松節(jié)油的生產(chǎn)問題，即流體P-V-T關(guān)系中的道爾頓分壓定律以及流體相平衡中泡露點(diǎn)與壓力的關(guān)系。由于松脂蒸餾采用溫度為350 ℃的過熱水蒸氣作為蒸餾活氣，水在蒸餾過程中發(fā)生了蒸發(fā)與冷凝兩次相變化，導(dǎo)致松脂蒸餾過程浪費(fèi)了75%的相變潛熱，而且松香樹脂酸的羧基是親水基團(tuán)，導(dǎo)致松香夾帶微量水分而引起結(jié)晶現(xiàn)象成為不合格產(chǎn)品；同時排放過熱水蒸氣活氣冷凝水又夾帶微量油分，既造成松節(jié)油的損失又污染了環(huán)境。如何解決上述生產(chǎn)難題呢？在實(shí)習(xí)過程中，組織“學(xué)生+師傅+工程技術(shù)人員+指導(dǎo)教師”進(jìn)行合作研究性學(xué)習(xí)討論，應(yīng)用學(xué)過的 化工熱力學(xué)知識探討如何降低松脂蒸餾過程的能量消耗問題。從化工熱力學(xué)的知識可知，物質(zhì)的相變熱（潛熱）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于比熱（顯熱），因而松脂蒸餾過程選擇不發(fā)生相變的氣體——N2或CO2作為蒸餾活氣，松脂蒸餾的節(jié)能降耗和松香產(chǎn)品夾帶水分問題則迎刃而解。有關(guān)“N2或CO2循環(huán)活氣法蒸餾松脂的節(jié)能減排生產(chǎn)過程開發(fā)”正是廣西大學(xué)與松脂廠合作承擔(dān)的一項“廣西科技攻關(guān)項目”，是一項緊密結(jié)合“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容的工程創(chuàng)新項目。因此，工程實(shí)習(xí)與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生書本知識向?qū)嵺`能力的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決生產(chǎn)實(shí)際問題的工程創(chuàng)新能力。

（5）工程學(xué)科競賽與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，創(chuàng)建豐富多彩的課外工程實(shí)踐教育平臺。通過工程學(xué)科競賽與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，把化工設(shè)計競賽中的熱量平衡、相平衡和化學(xué)平衡轉(zhuǎn)換應(yīng)用Aspen軟件計算，在化工設(shè)計實(shí)踐教學(xué)中，對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)設(shè)計思路、設(shè)計方法、設(shè)計能力、分析能力、繪圖能力、表達(dá)能力和團(tuán)隊精神等的全面訓(xùn)練。

（6）畢業(yè)環(huán)節(jié)教學(xué)與“化工熱力學(xué)”課程內(nèi)容相結(jié)合，培育高水平的畢業(yè)論文、設(shè)計作品。

（7）以“工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練+工程學(xué)科競賽+工程實(shí)驗+工程實(shí)習(xí)”為主題，舉辦化工熱力學(xué)本科生學(xué)術(shù)研討會。

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[責(zé)任編輯：余大品]