新工科背景下“化工热力学”教学改革创新与实践

［摘 要］ “化工热力学”是化学工程领域中最重要的学科分支之一。作为化学工程与工艺专业的基础核心课程，“化工热力学”兼具工程性和理论性，在实施工程化教育和培养新化工人才的过程中担负着举足轻重的作用。在新工科背景下，立足一流化工及相关领域技术专业复合型人才培养，讲述教学内容及相关基础理论知识如何适应当今社会迅速发展和产业新需求、教学质量如何有效评定和提高、思政理念如何有机融入“化工热力学”教学等几方面内容，形成基于新工科背景下的教学方法改革、创新与实践，促进该课程在化工专业领域课程体系中的发展。

［关键词］ 新工科；化工热力学；教学改革；教学实践

［基金项目］ 2022年度哈尔滨工程大学校级本科教学改革项目“新工科背景下‘化工热力学’专业课程教学改革研究”（JG2022B1002）

［作者简介］ 冯莉莉（1992—），女，黑龙江哈尔滨人，博士，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院副教授，硕士生导师，主要从事纳米材料生物学效应研究；贺 飞（1985—），男（蒙古族），内蒙古兴安人，博士，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院教授，博士生导师，主要从事稀土发光材料的制备及合成研究；杨飘萍（1972—），男，吉林榆树人，博士，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事多功能纳米材料生物应用研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0057-04 ［收稿日期］ 2022-09-21

新工科自2017年提出，标志着以新工科建设为主题的高等工程教育改革进入一个新阶段［1］。新工科是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择。为达到服务国家战略发展新需求、构筑国际竞争新形势、落实立德树人新要求等多种目的，而提出的中国方案。其内涵是，以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新性卓越工程人才［2］。新工科，“工科”是本质，“新”是取向，要把握好这个“新”字，但又不能脱离“工科”，就要开展新工科背景下的“化工热力学”专业核心课程，需要从理念、要求和途径三个层面进行理解和创新［3］。

“化工热力学”是化学工程与工艺专业的核心知识领域，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［4］。“化工热力学”课程涉及范围极广：上接高等数学、物理化学和计算机软件，下联分离工程、化工原理、反应工程和化工设计等课程，是化工过程研究、开发和设计的理论基础，在实施工程化教育中担负着重要任务与责任。这门课程旨在帮助学生熟悉热力学基本定律应用于化学工程和工艺，培养学生运用这些基本原理来分析和解决相关问题的能力。这不仅有助于培养学生化工与制药类学生的工程观念和工程意识，还可以为其锻炼其解决复杂工程问题的能力打下重要前期基础［5-7］。在新工科背景下，如何使教学内容和基础理论知识与社会发展和产业需求相适应、如何有效评定和保证教学质量、思政理念如何有机融入“化工热力学”教学，这些都成为新时期“化工热力学”课程面临的严峻问题。因此，“化工热力学”专业课程的教学改革势在必行。本文从新工科的内涵要求出发，并从课程的教学内容、教学方法和手段、考核方式等进行梳理改善，助力课程思政元素融入以提升教学质量，形成一套基于新工科背景下的教学改革创新和实践。

一、“化工热力学”课程介绍及教学方案梳理

（一）化学工程与工艺专业特色

化学工程与工艺专业的目标是，培养卓越的化工及相关领域工程技术专业人才，将传授知识、提高能力与增强素质并举。本专业实行分类型培养模式，旨在全面发展学生的德、智、体等方面，以适应国家化学工业及其相关领域经济建设的需求。同时培养学生具备扎实的自然科学基础和优秀的人文素养，掌握化工专业基础知识和工程实践能力，对社会责任有强烈的意识，并具有良好的道德修养和心理素质。此外，我们还注重培养学生的创新精神、团队合作能力、国际视野及管理技能，使其发展为能在化工及相关行业从事科学研究、技术开发、设计、工程开发、生产管理和经济管理相关工作的综合型专业人才。一方面，要求毕业生具备在工业界和学术界成功鉴定、分析和解决与专业职位相关的工程问题的能力，并能适应独立和团队工作环境。一方面，要求毕业生具备广泛的系统视角，并能够管理多学科的项目，涉及重要的法律、伦理、监管、社会、环境、工业安全和经济等方面。毕业生需要表现出担当精神，不断进行终身学习和专业发展，同时具备领导能力。这样，毕业生才能在化工领域具备职场竞争力。

（二）“化工热力学”课程培养目标

化工热力学是化学工程学的主要分支之一，是化学工程和化学工艺专业的必修课程。化工过程的分析研究、生产设备的设计等都需要流体的热力学性能和平衡数据。热力学原理在解决化工实际问题中所起的作用是毋庸置疑的。本课程的目标要求学生会应用经典热力学原理来解决化工生产中的工程实际问题。通过本课程的学习，学生可以了解化工热力学学科的发展历程、前沿理论和发展趋势，掌握化工热力学的基本概念、理论和基础知识，培养和提高从事化工生产、设计和科学研究工作的理论分析能力，能够运用热力学方法解决化工过程研究、开发与工程设计中所涉及的物性、相平衡以及能量利用等问题，为化工过程研究、开发和设计等打下牢固的基础。

（三）教学方法与策略

（1）案例教学法：以案例为基础，教师扮演设计者和激励者，鼓励学生讨论。（2）支架式教学：构建一种对知识理解的概念框架，用于促进学习者对问题的进一步理解。（3）参与式教学：以激发学生的学习兴趣为前提，以学生的主动参与为过程和环节。（4）情境教学法：引入或创设具体场景，以引起学生一定的态度体验。（5）任务驱动法：围绕一个任务中心，通过资助探索和互动写作完成对学习资源的主动应用。（6）启发引发法：引导学生进入学习的主体，开动思维，使学生积极主动地掌握知识技能。

（四）“化工热力学”教学内容及教学要求

具体教学内容及教学要求主要为以下几个部分：（1）真实流体的P-V-T关系，阐明这种关系对研究流体热力学性质的重要意义。要求学生了解流体PVT关系，它是热力学性质的基础。（2）热力学函数计算的原理和方法，介绍了最常用的热力学性质的计算以及常用的热力学数据和热力学图表，让学生掌握组成体系热力学性质间基本关系式，清楚理解剩余性质概念及计算，学会由单相、纯物质性质计算两相区纯物质性质的方法，掌握工程上常用热力学图表的使用方法。（3）化工过程的能量分析，包括热力学第一定律与能量平衡方程、稳定流动体系能量平衡方程及其应用、热功转换的不等价性和热力学第二定律，对能量的有效利用进行分析和评述。为了让学生理解热力学两个定律及其在工程上如何应用，要求学生不仅对过程的方向和限度有明确概念，还对过程的不可逆性导致能的降级也要有明确的认识。（4）蒸汽动力循环与制冷循环，具体介绍制冷循环的种类及工作原理。要求学生能够利用热力学第一、二定律进行此两种循环热效应、制冷量、功耗和循环效率的计算。通过对热效率、直接加热和利用制冷原理的供热效率等计算，学生理解合理利用能源的意义和途径。（5）溶液的热力学性质：化学位、偏摩尔性质、G-D方程、逸度和逸度系数、纯气体的逸度计算、混合物的逸度与其组分逸度之间关系、压力和温度对逸度的影响；理想溶液及其二种标准状态、Lewis-Ransall和Henry定律；混合性质变化、理想溶液的混合性质变化；活度和活度系数；超额性质、超额自由焓和活度系数。要求学生对偏摩尔性质、化学位、逸度、混合性质变化、超额性质和标准态等概念正确理解；掌握均相流体混合物热力学性质关系式，超额性质与活度系数关系式，学会逸度和逸度系数计算方法。（6）相平衡与化学平衡：运用热力学解决化工领域的相平衡与化学反应平衡问题，这部分知识是热力学和传质、分离、反应工程间联系的纽带。要求学生能够掌握相平衡条件和判据、相律及其应用；掌握完全互溶体系在中低压下汽液平衡的计算方法；应用活度系数与液相组成关系式。此外，教学过程中精选研究、开发和工程设计的实践案例，有助于学生加深对课程的理解。

（五）新工科背景下的教学考核和反馈

“化工热力学”是化工专业理论性较强的专业核心课程，在教学过程中要求学生对专业有明确的认知，如应具备的专业技能、专业知识，对专业课程设置、专业职业要求、专业就业和发展有一定的了解，掌握课程的教学大纲、考核方法，以及在专业课程体系中占据的位置，并通过问卷调查、过程考核和形成性评价来掌握学生的知识容量和专业认知情况。课程考核的主要目的是考查学生课程目标的达成度，充分了解学生对课程内容的掌握情况。创建合理的考核方式和具体指标，可以有效地衡量教学效果。本课程的考核方式主要由随堂测试、期中考试、课后作业和期末考试四个部分组成。随堂测试能够掌握学生上课时注意力的集中程度和对新知识的接受能力；期中考试作为相对重要的组成环节，也能够调动学生平时学习的积极性，发现问题并对教学内容和方法及时做出改正。为了提升学生自主学习的能力，也为以后撰写毕业论文做铺垫，在课后作业中，要求学生从热工角度分析生活中遇到的热现象或热力学领域的新技术，以小论文的形式呈现。撰写小论文过程中涉及文献检索、对化工模型的分析，以培养学生发现、分析、归纳和总结化工实际生产应用中的问题，将课程所学的理论知识与实践融会贯通。通过期末考试来评判学生对化工热力学课程的整体掌握情况，以分析课程目标度完成情况，创建有效的教学评价和反馈机制，从而提升教学质量。

二、课程思政元素融入

课程思政是立德树人的根本任务，是新时期贯彻党的教育方针的重要途径。新工科背景下，课程思政的主要目的是以专业知识为主体，使课程思政案例和课程教学内容科学性地融合，培养“一专多能”型人才，全面落实立德树人根本任务，必须深入挖掘各类课程中思政教育内容和元素，强化课程思政德育功能，把政治教育贯穿人才培养全过程，促进各类课程与思想政治理论课程、主题教育、经常性思想教育同向而行、同频共振，构建起全员全程全方位育人新格局。结合课程教学内容和课程思政案例设计的科学性，课程在实验研讨教学中引入化工过程模拟器、热泵精馏等目标的特征提取及识别案例，使专业知识与思政教育自然融合，传承家国情怀、拓宽视野，提升科学素养。“化工热力学”课程教学章节对应思政内容建设要点如表1所示。

结语

结合本科生专业核心课“化工热力学”的课程特点和新工科背景下的能力要求，对课程的教学内容、要求和考核方式等进行了改革。课堂教学强调以学生为中心，采取了自主学习能力的培养、加强能力锻炼和重视习题课的融合、深入浅出的分析重点难点问题、开展课堂研讨教学、构建虚拟实验平台创新工程训练等教学改革举措。这些教学改革措施逐渐培养学生精益求精、认真负责、严谨细致的科学态度；提升学生的科学思维素养，树立辩证唯物主义世界观；培养学生热爱科学、严谨、实事求是的学风和创新精神。通过“化工热力学”课程的改革，学生对该课程的学习兴趣更浓厚并主动学习，注重传统教学方法与新兴教学方法的结合，以及理论讲解与实际应用的融会贯通，注重课程全方位的质量评价与监督，提升教学质量与效果，使得充分发挥“化工热力学”在化工专业领域的整体课程体系中的桥梁作用，使学生在学习工作中真正的受益。

参考文献

［1］李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向［J］.高等工程教育研究，2017（4）：16-19+57.

［2］夏淑倩，王曼玲，程金萍，等.践行OBE理念，开展化工类专业新工科建设［J］.化工高等教育，2018，35（1）：9-12+61.

［3］钟登华.新工科建设的内涵与行动［J］.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

［4］冯新，宣爱国，周彩荣，等.化工热力学［M］.北京：化学工业出版社，2018：1-3.