張麗麗，李 立

(荊楚理工學(xué)院化工與藥學(xué)院，湖北 荊門(mén) 448000)

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證對(duì)推進(jìn)工程教育改革，提高教育質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生工程觀念和能力具有重要意義[1-3]。2006年，各大高校開(kāi)始從教學(xué)建設(shè)和實(shí)踐過(guò)程兩個(gè)方面為專(zhuān)業(yè)認(rèn)證做準(zhǔn)備工作[4-5]。結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，根據(jù)國(guó)際工程專(zhuān)業(yè)教育互認(rèn)體系要求，各大高校對(duì)工程教育專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行引導(dǎo)和規(guī)范，強(qiáng)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[6]。2010年全國(guó)有11所高校先后通過(guò)化學(xué)工程與工藝的專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，學(xué)生的素質(zhì)能力和職業(yè)能力得到了很大的提升[7]。荊楚理工學(xué)院是一所服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的本科院校，為了更好的服務(wù)社會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生能夠在化學(xué)工業(yè)及其它相關(guān)過(guò)程工業(yè)具備有良好的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)業(yè)精神和職業(yè)道德[8]。學(xué)校非常重視工程教育工作，以化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)為試點(diǎn)積極開(kāi)展工程教育認(rèn)證工作?！痘崃W(xué)》是化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)重要的核心課之一，同時(shí)也是全國(guó)工程專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中確定的四門(mén)學(xué)科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一[9]。為了能讓學(xué)生具備化工專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能和終身學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)更好的支撐化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求達(dá)成度，本文在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個(gè)方面對(duì)化工熱力學(xué)課程進(jìn)行相應(yīng)改革和實(shí)踐。

1 以工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向，設(shè)置課程目標(biāo)

課程目標(biāo)的設(shè)置是課程教學(xué)改革和工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的重要部分。通過(guò)設(shè)置與畢業(yè)要求相對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)，使學(xué)生掌握化工熱力學(xué)的基本知識(shí)和科學(xué)原理，能夠推演和分析解決工程問(wèn)題，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程和專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)提供必要的基礎(chǔ)。以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)置課程目標(biāo)，因此在課程大綱中建立明確的課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求及指標(biāo)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣Table 1 Correlation matrix between course objectives，graduation requirements，and indicator points

根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的要求，設(shè)置了四個(gè)課程目標(biāo)：(1)課程目標(biāo)1：掌握真實(shí)流體P、V、T、S、H、U的計(jì)算方法，以及相平衡原理，熱力學(xué)第一、第二定律，熵平衡方程基本理論和宏觀經(jīng)典熱力學(xué)的研究方法。(2)課程目標(biāo)2：能夠運(yùn)用熱力學(xué)的性質(zhì)和熱力學(xué)原理，對(duì)化工過(guò)程中的相平衡和化工過(guò)程能量的分析與計(jì)算，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程中的物質(zhì)最大化和能量的最大化利用。(3)課程目標(biāo)3：能夠利用熱力學(xué)原理針對(duì)均相封閉體系、均相敞開(kāi)體系、流動(dòng)系統(tǒng)特征的模型，表達(dá)化工過(guò)程中實(shí)際、復(fù)雜的化學(xué)工程問(wèn)題。(4)課程目標(biāo)4：能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律、第二定律計(jì)算穩(wěn)流系統(tǒng)的熱力學(xué)效率、進(jìn)行能量分析，并和經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合考慮相關(guān)實(shí)際化工過(guò)程的可行性?；谡J(rèn)證設(shè)置的課程目標(biāo)能準(zhǔn)確表達(dá)出學(xué)生通過(guò)這門(mén)課的學(xué)習(xí)所獲得的知識(shí)、能力和素質(zhì)，并對(duì)教學(xué)過(guò)程和考核內(nèi)容有明確的導(dǎo)向，能有效支撐相應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成。

2 優(yōu)化精簡(jiǎn)教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)有的化工熱力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容中抽象概念多、公式推導(dǎo)復(fù)雜、理論難理解，導(dǎo)致學(xué)生在該課程中產(chǎn)生畏難情緒，很難達(dá)到該課程的畢業(yè)要求。以工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，需求導(dǎo)向?yàn)槔砟?，教學(xué)內(nèi)容要充分支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)及課程目標(biāo)的達(dá)成，因此教學(xué)內(nèi)容要根據(jù)課程目標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。根據(jù)課程目標(biāo)1和3，在保證化工熱力學(xué)基本理論知識(shí)和系統(tǒng)模型掌握的情況下弱化公式的繁瑣推導(dǎo)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)公式模型的適用范圍及如何利用公式解決實(shí)際工程問(wèn)題。例如第二章中流體的狀態(tài)方程是化工過(guò)程開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)、安全操作、科學(xué)研究中不可缺少的工具。狀態(tài)方程形式達(dá)上百種，復(fù)雜各異，適用的范圍不同，沒(méi)有任何一個(gè)方程具有普適性。對(duì)于工科的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在課堂中側(cè)重幾種狀態(tài)方程的適用條件及應(yīng)用，這些狀態(tài)方程及參數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程參考學(xué)習(xí)通拓展知識(shí)部分。選擇適合的狀態(tài)方程之后接著計(jì)算流體的PVT關(guān)系，假設(shè)利用PR方程來(lái)計(jì)算流體的體積或溫度，需要采用迭代的方法進(jìn)行計(jì)算，工作量大，學(xué)生產(chǎn)生畏難情趣。這部分內(nèi)容通過(guò)現(xiàn)代軟件(Aspen)技術(shù)以及Excel單變量求解的方法進(jìn)行計(jì)算，既節(jié)省時(shí)間又提高學(xué)生對(duì)該課程的熱情。由此，利用現(xiàn)代技術(shù)選用正確的數(shù)學(xué)模型解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，達(dá)成畢業(yè)要求1和2。針對(duì)課程目標(biāo)2，能運(yùn)用熱力學(xué)的性質(zhì)和熱力學(xué)原理，對(duì)化工過(guò)程中的相平衡和化工過(guò)程能量的分析與計(jì)算。例如相平衡大部分問(wèn)題需要通過(guò)內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)不斷迭代求解，計(jì)算過(guò)程也是一項(xiàng)非常巨大的工程，這部分教學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生掌握計(jì)算的思路，具體的求解用Aspen軟件輔助計(jì)算，因此增加了熱力學(xué)模型選擇與Aspen Plus內(nèi)容。學(xué)生利用現(xiàn)代化軟件工具將繁瑣復(fù)雜計(jì)算演繹的清晰明了，快速高效的解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，從而也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與化工的聯(lián)系和應(yīng)用，走在時(shí)代的前沿。針對(duì)課程目標(biāo)4和畢業(yè)要求7的達(dá)成，教學(xué)內(nèi)容上側(cè)重?zé)崃W(xué)第一定律和第二定律的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生合理利用能源與資源，促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展。優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容較好的培養(yǎng)學(xué)生利用化工熱力學(xué)的基本知識(shí)和理論應(yīng)用到解決工程問(wèn)題中，提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新技能。

3 教學(xué)方法改進(jìn)

3.1 主線式教學(xué)方法

針對(duì)化工熱力學(xué)課程理論強(qiáng)和工程系統(tǒng)化強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中采用與課程目標(biāo)相適應(yīng)的主線式教學(xué)法，以學(xué)生為中心，專(zhuān)業(yè)認(rèn)證為背景，培養(yǎng)學(xué)生工程系統(tǒng)化能力。為了引導(dǎo)學(xué)生更好把化工熱力學(xué)的基本理論和公式應(yīng)用于解決工程問(wèn)題中，以物質(zhì)利用和能量利用為兩條主線，“實(shí)際=理想+校正”模型為研究工程問(wèn)題的方法，把各章知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，研究體系從理想過(guò)渡到真實(shí)體，解決實(shí)際工程中的相平衡和能量利用問(wèn)題。例如物質(zhì)利用這條主線，以中壓條件下汽液平衡的計(jì)算為例，某個(gè)組分氣相逸度系數(shù)的計(jì)算串到第四章逸度系數(shù)的求取，具體的求解又以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，串起第二章的內(nèi)容；液體活度系數(shù)的計(jì)算又把第四章的內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)，和學(xué)生一起回顧已學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，將它們串起完整的鏈子。能量利用這條主線以實(shí)際的Rankin循環(huán)為例，整個(gè)過(guò)程包括吸熱、膨脹、壓縮、放熱四個(gè)過(guò)程。重點(diǎn)關(guān)注的是這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的效率，哪些因素影響循環(huán)效率，最后如何提高效率。由于考慮工質(zhì)在汽輪機(jī)中的不可逆過(guò)程，Rankin循環(huán)的效率為不可逆膨脹過(guò)程的焓變和吸熱過(guò)程的焓變之比，真實(shí)氣體焓變的計(jì)算串連到第三章純流體熱力學(xué)性質(zhì)。進(jìn)一步，針對(duì)如何提高Rankin循環(huán)效率以及Rankin循環(huán)的改進(jìn)，又串到第六章的化工過(guò)程中能量分析及合理用能。各章的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)兩條主線關(guān)聯(lián)起來(lái)，層層遞進(jìn)，條理清晰，讓學(xué)生在心中有個(gè)清晰的思維框架，同時(shí)也加深了對(duì)知識(shí)的理解及應(yīng)用。

3.2 案例驅(qū)動(dòng)法

針對(duì)工程專(zhuān)業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)2，要求有正確表達(dá)和解決復(fù)雜化學(xué)工程問(wèn)題的能力。在教學(xué)過(guò)程中選用生活、工程及科研案例進(jìn)行驅(qū)動(dòng)教學(xué)，通過(guò)案例向?qū)W生拋出問(wèn)題，引出概念、原理，然后總結(jié)規(guī)律再應(yīng)用到相似的工程問(wèn)題中。例如，最近汽油不斷漲價(jià)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的天然氣成為汽車(chē)的新能源，那么如何估算一罐天然氣能行駛多遠(yuǎn)的距離，是否可以通過(guò)再提高壓力使壓縮天然氣液化，引出SRK狀態(tài)方程在生活中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，乙醇和水混合之后溶液總體積減小的案例引出重要的偏摩爾性質(zhì)概念，它代表了組分在真實(shí)溶液中貢獻(xiàn)。通過(guò)案例中具體的體積與組成的變化關(guān)系的分析，讓學(xué)生通俗的理解比較抽象的概念-偏摩爾性質(zhì)，進(jìn)而以偏摩爾性質(zhì)為基礎(chǔ)推導(dǎo)許多重要的熱力學(xué)關(guān)系式。血液中氧與水，雪碧中二氧化碳與水分別采用什么標(biāo)準(zhǔn)態(tài)？這些生活案例加深了理想溶液的模型與標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的理解。通過(guò)案例驅(qū)動(dòng)法教學(xué)，學(xué)生用相應(yīng)的原理和知識(shí)點(diǎn)對(duì)案例進(jìn)行討論與分析，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別和判斷復(fù)雜化學(xué)工程問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用性和工程實(shí)踐能力。

4 引入思政元素

圍繞課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，每次課堂設(shè)置一明一暗兩條教學(xué)線索，讓思政教育潤(rùn)物無(wú)聲地貫穿在知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中。課程的基本知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用作為主線，與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的科學(xué)思維和課程思政元素作為暗線貫穿課程。在課堂講授過(guò)程中，可以將人物故事、科研動(dòng)態(tài)、應(yīng)用實(shí)例引入課堂中。例如，范德華狀態(tài)方程的建立對(duì)低溫技術(shù)發(fā)展有著舉足輕重的作用，而低溫極限→氦氣液化又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，目前高溫超導(dǎo)材料已成功應(yīng)用在磁懸浮列車(chē)、超導(dǎo)磁鐵、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等設(shè)備。這個(gè)案例體現(xiàn)創(chuàng)新的軌跡與科學(xué)技術(shù)的繼承性，引導(dǎo)學(xué)生具有一定的思維創(chuàng)新能力和不斷探索的精神。北京石油學(xué)院郭天民教授也將狀態(tài)方程擴(kuò)展應(yīng)用于強(qiáng)極性非理想溶液，獲得極大的成功，引起了國(guó)際熱力學(xué)學(xué)界的注意，并引發(fā)了后繼研究熱潮。以科學(xué)思維為融入點(diǎn)，學(xué)習(xí)科學(xué)家們系統(tǒng)思維，創(chuàng)新思維、辯證思維的精神。貫穿課堂的思政元素不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)新精神、愛(ài)國(guó)情懷，還能啟發(fā)學(xué)生。為什么一杯涼水和一杯熱水混合變成一杯溫水，而一杯溫水不能自動(dòng)的變成涼水和熱水。這個(gè)貌似“很傻”的問(wèn)題是偉大的物理學(xué)家吉布斯提出來(lái)的，大家比較熟悉的吉布斯自由能、熱力學(xué)基本關(guān)系式、相律都是他提出的，對(duì)化工熱力學(xué)的發(fā)展做了很大的貢獻(xiàn)，整個(gè)過(guò)程也很艱辛。最開(kāi)始的時(shí)候他9年沒(méi)有薪水，仍然堅(jiān)持他的研究工作，并把自己的論文發(fā)給147個(gè)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)科學(xué)家，一切不畏艱難、為科學(xué)獻(xiàn)身的精神得到認(rèn)可。在生產(chǎn)和生活中離不開(kāi)冷凍，制冷的方式很多，在吸收式制冷循環(huán)中可以利用太陽(yáng)的輻射熱作為解析器的熱源，把夏天火熱的太陽(yáng)這種可再生能源進(jìn)行利用，為人們?cè)炀蜎鏊沫h(huán)境，這種潤(rùn)物無(wú)聲的方式培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能思想和專(zhuān)業(yè)責(zé)任感。

5 課程評(píng)價(jià)體系的多樣化

課程考核是工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中一項(xiàng)重要的工作，也是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的課程主要以單一的期末考試作為考核形式，學(xué)生會(huì)在期末時(shí)不斷刷題復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，而知識(shí)不是簡(jiǎn)單的死記硬背概念和公式，是要學(xué)生學(xué)會(huì)融會(huì)貫通，具有不斷獨(dú)立思考、敢于思考、終身學(xué)習(xí)的能力。適當(dāng)?shù)目己嗽u(píng)價(jià)方式是教育的指揮棒，通過(guò)必要的考核評(píng)價(jià)也能夠方便教師了解課程目標(biāo)的達(dá)成度。因此在教學(xué)過(guò)程中，建立多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)和考核體系，采用線上學(xué)習(xí)、課程參與、作業(yè)與案例分析、期末考試四個(gè)環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。詳細(xì)的成績(jī)比例及評(píng)定方式如表2所示。教學(xué)內(nèi)容按周組織，每周發(fā)布學(xué)習(xí)內(nèi)容、測(cè)驗(yàn)和作業(yè)。在課前，教師給出教學(xué)內(nèi)容相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和要求，學(xué)生通過(guò)觀看線上的視頻掌握基本概念和分析方法等部分內(nèi)容，這部分占比10%，完成記得分。為了能更好地消化課上知識(shí)，進(jìn)行線上測(cè)試和討論，軟件及時(shí)打分，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，這部分占比15%，按得分點(diǎn)給分。在課堂上隨機(jī)分組進(jìn)行短暫討論，加強(qiáng)學(xué)生之間的互動(dòng)交流，有效利用課堂，占比5%，每次參與0.5分。為了加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力，布置案例分析或大作業(yè)，占比10%，有教師及學(xué)生共同評(píng)價(jià)給分，最后平時(shí)課后作業(yè)10%和考試50%。上述課程分?jǐn)?shù)構(gòu)成中過(guò)程50%，期末考試50%，達(dá)到過(guò)程與卷面并重。多樣化的考核評(píng)價(jià)方式以課程目標(biāo)達(dá)成度的結(jié)果反饋給學(xué)生和教師，用于教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。

表2 課程分?jǐn)?shù)的構(gòu)成與評(píng)價(jià)方式Table 2 The composition and evaluation methods of course scores

6 結(jié) 語(yǔ)

基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下，化工熱力學(xué)的教學(xué)改革過(guò)程中以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，利用線上輔助平臺(tái)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的精簡(jiǎn)與優(yōu)化；以提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，采用主線式和案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，暗線引入思政元素、同時(shí)注重過(guò)程考核，使學(xué)生扎實(shí)的地掌握了化工熱力學(xué)基本知識(shí)和原理，培養(yǎng)了學(xué)生的解決實(shí)際工程問(wèn)題與創(chuàng)新實(shí)踐能力。經(jīng)過(guò)三個(gè)學(xué)期應(yīng)用，化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的學(xué)生參加的全國(guó)化工設(shè)計(jì)大賽，并取得全國(guó)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)的好成績(jī)。從就業(yè)方面，化工專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率一直保持在95%以上，同時(shí)用人單位也給予很高的評(píng)價(jià)，說(shuō)明學(xué)生能較好地把學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到后續(xù)的化工研究和相關(guān)工作中?？傊瑢W(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)能力以及教學(xué)質(zhì)量得到了切實(shí)的提高。