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關鍵詞：工程熱力學；教學改革；教材；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0199-02

《工程熱力學》是高等院校機械工程類、能源與動力類等專業的一門必修專業基礎課程。該課程主要研究熱能與機械能相互轉換的規律，以及合理有效利用熱能的基本理論，對培養學員科學素養、創新性思維和實踐能力，以及專業課程學習都將起到奠基的作用。通過《工程熱力學》課程的學習，使學員掌握熱力學的基本概念和基本規律，并能正確運用這些規律進行熱力過程、熱力循環分析和計算；培養學員科學分析和邏輯思維能力。養成實事求是的科學態度和勇于探索、刻苦鉆研的科學作風。經過數十年的持續建設，《工程熱力學》課程在教學內容、教學方法和手段、實驗保障設施、師資隊伍建設等方面進行了大量的建設和改革，取得了顯著的效果。

一、教材和教學內容改革

在教材和教學內容方面，課程組近年來開展了《工程熱力學》“立體教材”體系的建設工作。以課程教學為基本形式，以綜合能力的培養和提高為基本目標，利用多種教育化教育手段，構建新穎教材、網絡課程、多媒體課件、教學輔導書等組成的內容豐富、功能齊全的《工程熱力學》綜合性立體化教學資源。從而使教學質量和教學效率大為提高。在人才培養方面，取得了豐碩的教學成果。多年來不斷更新選取適合本科人才培養和專業需求的高水平教材，以滿足課程標準的要求。《工程熱力學》目前采用華自強等主編的《工程熱力學》第四版，由高等教育出版社2009年11月出版。該教材是國家“普通高等教育十一五國家級規劃教材”，被眾多院校廣泛采用。該教材還有配套習題，方便學員進行課后復習和自測。此外，課程還指定了多部教材和教學輔導書，供學員學習和研究使用，包括清華大學出版社2011年6月出版，朱明善主編的《工程熱力學（第2版）》；高等教育出版社2007年6月出版，童鈞耕主編的《工程熱力學學習輔導與習題解答》；McGraw-Hill2005年出版的由Yunus A.Cengel主編的《Thermodynamics An Engineering Approach the 4th edition》等。針對授課專業增多，內容增加，學時減少及面向裝備擴大和發展的實際，在對后續專業課程需求和部隊需求深入調研的基礎上，著眼當前需要和未來發展，從以下三個方面入手進行了課程內容體系的優化重組。

1.突出重點內容，貼近裝備實際，針對裝備特點突出與動力系統工作原理密切相關的熱力學知識。弱化蒸汽的熱力性質及其動力循環方面的內容。

2.以計算機網絡為平臺，結合《工程熱力學》理論在武器裝備上的具體應用和實驗室發展，引入了計算機編程求解和虛擬實驗等現代教學實踐內容。

3.利用自主研制的和虛擬實驗軟件，以及課程組成員科研項目多的優勢，引入了創新實驗等研究性教學內容。優化重組后的新課程內容體系，以經典《工程熱力學》內容為主體，科學處理了經典與現代的關系，引入了新知識和新技術，強調了知識的綜合運用和實踐訓練，保持了課程教學內容的系統性、科學性和前沿性。

二、教學設施建設

《工程熱力學》課程在教學設施方面取得了明顯的進步。特別是近年來，本校充分利用各種科研項目成果，進一步完善本課程實驗設備，更新了多套空氣定壓比熱測試設備。對噴管流動演示實驗的硬件平臺進行改造，設計編制了具有虛擬實驗和在線分析的分布式噴管流動演示實驗網絡平臺。保障實踐環節均能以實物操作為教學的主要手段，實驗教學水平達到國內先進水平。為使學員在課堂以外能夠及時的復習和總結，補充課堂教學內容的不足，針對課程的特點設計并完成了《工程熱力學》的網絡課程。該網絡課程集教學指導、教學實施、自主學習、測試考試等功能于一體。目前已經完成本課程的網絡課程建設，學員可以在校園網上觀看課程授課的視頻錄像，課程內容的在線學習和測試，該網絡課程的建設豐富了學員的學習途徑，對于促進學員的學習積極性，提高教學效果發揮了積極的作用。通過多年來的建設，課程網絡教學環境建設成效顯著，形成了以教材、多媒體為主和網絡教學環境為輔，集理論教學和實踐教學于一體的課程網絡教學特色。從畢業學員反饋的情況來看，利用網絡教學環境，不僅顯著地增加了課堂的信息量，而且有效改善了教學效果。利用新技術更新了實驗平臺，培養學員實踐、創新能力的新做法。通過自主設計、研制的噴管流動演示虛擬實驗軟件平臺，該虛擬實驗平臺具有良好的開放性、自主性、綜合性，而且突破了實驗受設備、場所、環境、時間的限制，有效提高了學員的實踐創新能力和綜合素質。

三、教學方法改革

教學改革是提高教學水平和教學質量的根本保障，多年來課程組一直十分注重加強和深化教學改革，并取得了一定的成果，具體做法如下。

1.課堂教學采用啟發交流式，實現單向知識傳輸模式向師生交互模式的轉變。利用自主研制的功能完備，界面友好，集授課、自學、測試、管理等功能于一體的《工程熱力學網絡課程》，依托校園網和多媒體教室等，構建了教學互動，適合自主學習、協作學習、相對寬松的雙語多媒體網絡教學環境，實現了教員主導作用和學員主體作用的和諧統一，在提高教學效果的同時，培養了學員主動、有效地獲取知識的意識和能力。

2.在教學方法上，改進課堂講授方式，采用“研究型”的教學模式。針對課程特點，強調培養學員掌握理論、應用和試驗三個方面的知識與能力：《工程熱力學》的理論，《工程熱力學》基本理論和概念的掌握，培養理性思維和分析能力；《工程熱力學》的應用，面向裝備和工程實踐，熟悉了解實際《工程熱力學》問題，培養應用原理解決問題的能力；《工程熱力學》的實驗，通過綜合性試驗培養學員的動手能力和科研工作素質。

3.注重學生創新能力培養。結合課堂教學，開展科技創新活動，使學生綜合素質能力獲得提高。

4.根據學員的反饋不斷完善教學文件。對已有的教學計劃、教學大綱、優秀的教材進行及時的更新和完善，并作為素材之一放在教學網站上，作為學習的參考資料供學員下載學習使用。總結：筆者經過多年的教學實踐，對《工程熱力學》進行綜合的教學改革，收效明顯。教學質量和教學效率得到很大提高，在培養新型專業人才方面，取得了豐碩的教學成果。

參考文獻：

[1]譚羽非，趙金輝.工程熱力學立體化教材建設與實踐[J].吉林建筑工程學院學報，2010，（2）.

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關鍵詞 工程熱力學 教學方法 教學質量 實踐

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Research and Practice of Teaching Method on "Engineering Thermodynamics"

ZHANG Yong, LIU Yiwen, FU Lijuan

(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)

Abstract Engineering thermodynamics the basic course is to train engineering students' scientific quality in the 21st century, but also important technology-based course of heat and power engineering and related fields. Articles with "thick foundation, wide caliber" of education reform ideas, the teaching practice, from the curriculum, teaching content, teaching methods and means of performance evaluation, etc., made a number of reform ideas and methods. Teaching should be a clear learning objective, integration of knowledge structure, and update course content to highlight and to grasp the dynamic interdisciplinary research, focusing on integrating theory with practice, to strengthen the practice of teaching, in order to facilitate a comprehensive evaluation of teaching quality.

Key words engineering thermodynamics; teaching methods; teaching quality; practice

工程熱力學是一門以熱力學普遍原理為基礎，講述熱能與其他形式能量（主要是機械能）之間的轉換規律及其工程應用的基礎學科，是動力、能源、機械、材料、航空航天、生物（醫學）、化學以及環境工程等專業的重要技術基礎課，也是培養21世紀工科學生科學素質的公共基礎課。

然而長期以來，由于工程熱力學的概念抽象、理論深奧，對知識的理解和掌握有一定的難度，造成教師不易教，學生也不易學。學生對很多概念似懂非懂，缺乏學習興趣，教學效果欠佳。顯然，如何教好“工程熱力學”，使學生掌握熱力學基本原理及其工程應用，已成為該課程教學的關鍵。

1 課程特點及學習中存在的問題

工程熱力學是以熱力學普遍原理為基礎，針對具體問題采用抽象、概括、簡化和理想化的方法，建立分析模型，推導出一系列有用的公式，得到若干重要結論，并用這些公式和結論指導和解決工程實際問題。其顯著特點如下：

1.1 概念多且抽象難懂

工程熱力學不但概念多，并且概念的物理意義在不同使用條件下又有不同的引申，學習中很容易混淆。例如，功的概念，有體積變化功、有用功、排斥大氣功、推動功、流動功和技術功等等。熱容的概念，既可從定義出發分為質量熱容、摩爾熱容、體積熱容；又可按熱力過程的不同分為比定壓熱容和比定容熱容；還可以根據熱量計算方法的不同分為真實比熱容、平均比熱容和定值比熱容等。熱力系統的概念、熱力過程的概念和循環的概念等也是如此。

工程熱力學的概念、定律和分析過程較為抽象，都不涉及物質的具體結構，初學者很難深入領會。而且工程熱力學的很多概念和結論都是用數學公式來表達的，且推導過程并沒有結合具體的物理過程，而僅僅是通過數學關系式間的變換得出其物理結論。例如，從熵的定義式來看，熵應該與換熱量和系統溫度有關，但定義式又是怎樣反映熱過程進行的方向、限度和條件呢？由于學生以前很少接觸用數學語言描述物理概念的方法，普遍感覺熱力學的概念抽象難懂。

1.2 內容相互交叉且難理解

工程熱力學的研究內容也很多，主要包括熱力系統、狀態參數等基本概念，熱力學第一、第二定律等基本定律，常用工質的性質，過程和循環的分析及計算方法，化學熱力學等等。有些章節的內容還可以單獨成為一門學科方向，如研究燃氣動力循環的內燃機學，研究氣體流動的空氣動力學等。

可見，這些具體的研究內容，即與熱力學的基本原理相關聯，又引伸出許多復雜的公式和結論，還有自己相對獨立的結構體系。在學習過程中，學生普遍感覺課程的內容繁多，應付不暇，難于理解，顧此失彼。

1.3 公式應用條件復雜且難記憶

工程熱力學與工程實際問題聯系密切，涉及面廣，公式很多。即使同一個公式，在不同的應用條件下，也有很多不同的表達形式。例如，熱力學第一定律對于閉口系和開口系有兩種不同的表達式；對于可逆過程也有不同的表達形式；對于理想氣體的可逆過程還有不同的表達形式。這么多不同形式的公式，許多學生很難吃透公式的物理意義和具體的應用條件，在遇到熱工實際問題時，往往無法確定選用哪一個公式，靈活應用就更不用說了。

2 明確學習目的，激發學習興趣

興趣是學習的動力源泉之一，教學成功的關鍵是培養學生的學習興趣。教師可以從多個方面激發學生學習的興趣，但最重要的就是在第一堂課上讓學生明確學習的目的。教師除了要對工程熱力學的發展歷史，主要研究對象、內容和方法作一個常規的介紹外，還應對課程的開設情況、課程的實用價值和重要作用進行深入細致的闡述。首先，熱現象幾乎是每一個工程領域中都會碰到的物理現象，能量的有效與合理的利用幾乎是每一個工程師都需要解決的問題。在一些領域中，熱現象的規律還是制約技術發展的瓶頸問題。所以，在境內外的高等工程教育中，傳熱學、熱力學與流體力學課程的開設相當普遍。其次，無論從工業生產過程來看，還是從節約能源消耗來看，理工科學生都應該具備合理節能、用能的意識，并懂得其基本的應用技術。而熱工類課程的內容就是合理用能及節能理論中的最基礎與最核心的部分。最后，還應結合生產和生活中的實例，讓學生明白學到的熱力學知識可以解決和解釋很多實際問題，特別要強調專業與課程的聯系，和實際問題在課程中的理論基礎。這樣，才能使學生明確學習《工程熱力學》的專業目的性，對學習該門課程充滿期待。

3 教學方法的改革與實踐

實踐證明，提高課程教學質量的關鍵是改進教學方法。針對工程熱力學課程的特點，經過探索發現，實行啟發式教育，在課堂上加強互動，就一兩個中心問題展開討論，讓學生在思考中吸收新知識。先進的教學方法既可活躍學生的學術思想，激發學生的創新精神，又可顯著提高本課程的教學質量。

3.1 整合知識結構，優化課程體系

調整后的新專業所牽涉的知識結構比以前廣泛的多，要求學生掌握的知識面也比以前更寬。從培養復合型人才考慮，在不增加學時數的基礎上，應對課程體系進行優化和整合。

教學內容應提高起點、后移重點，簡化大學物理熱學中已涉及的部分內容，并略去繁瑣的公式推導。強調課程體系中理論與應用的有機結合和相互滲透，注意培養學生工程應用的觀念。同時，適當地介紹新型制冷循環、新型節能材料的工質熱物性等，本學科的最新研究成果及其應用，以擴大學生的知識面，啟發學生的創造性思維。另外，注意與其它課程之間的協調，上掛高等數學、理論和材料力學等基礎課程，下掛內燃機原理、鍋爐原理、供熱工程、制冷工程等專業課程，保證其作為技術基礎課程能為后續課程的學習、今后的工作和進一步的研究奠定扎實的理論基礎。

3.2 突出重點，精講多練

在課堂教學中，根據工程熱力學的特點和教學改革的要求，應采用精講多練的教學方法。這是因為，課程的內容多而課時少，教學中也不可能做到面面俱到，而某些原理在后續專業課程的學習中還會應用，授課時應有所側重，實行“精講”；課程有諸多應用條件復雜的公式，只有通過多做練習，才能深入理解公式的物理意義、變換規律及具體應用條件，做到融會貫通，靈活的應用它們來分析解決工程實際問題。

3.3 正確應用圖表，化抽象為形象

圖表具有直觀、形象、方便的特點，在工程熱力學中有其特殊的作用，應用也是經常性的。因為有些熱力過程或循環十分復雜，一般的分析計算根本不可能，只能憑借各類繪制的圖表進行計算；借助圖表還可利用計算機進行數值計算和模擬。所以，引導學生正確使用圖表是工程熱力學教學中應該特別重視的。

在剛開始接觸簡單的P-V圖、T-S圖時，為了給理解水蒸氣和濕空氣的圖表奠定基礎，就應提醒學生注意圖表的作用和細節，如怎樣在圖上區分吸熱、放熱，對內、對外作功；怎樣在圖上表示熱過程的方向等等。在介紹水蒸氣的h-s圖和濕空氣的h-d圖時，應重點說明它們的構圖原理，并通過各種等值線簇的繪制，講解各參數的變化規律。另外，為了讓學生掌握各種圖表的使用方法，還應安排一定數量的、通過圖表進行熱力計算的習題。

3.4 利用計算機輔助教學，促進師生互動

工程熱力學課程內容含有許多抽象的工作原理圖、系統循環圖。常規的板書教學浪費時間效果也不太理想。如果把這部分內容制作成集聲、光、色、圖、文于一體的多媒體課件，既直觀形象，又新穎生動。不但可加強授課的生動性，激發學生的學習興趣，還可加大教學信息量，增加單位時間內授課內容的深度和廣度，有利于學生理解和記憶課程內容。例如，我們可以用多媒體課件演示各種熱過程曲線的生成，還可以利用計算機繪制水蒸氣的各種圖線，免除查圖、查表的麻煩。

總之，在課堂上進行形象直觀的教學，充分利用計算機輔助教學，發揮多媒體的作用，可以幫助教師有效地提高教學效果和教學效率，也可以改變學生死記硬背和被動接受知識的學習方式。

3.5 加強實踐教學，理論聯系實際

工程熱力學有較強的工程應用背景，在加強基礎理論教學時，還要注意緊密聯系工程實際，吸收當今熱工科技的新成果，培養學生的創新能力。

實驗教學具有直觀性強的特點，可以很好地配合課堂教學。除了開設“空氣絕熱指數的測定”、“飽和蒸汽P-T曲線關系的測定”等驗證性試驗外，還開設了綜合設計性試驗，要求學生根據試驗目的，自己設計試驗方案，寫出詳細的試驗，并選擇試驗設備和用具，經教師審查合格后，方可開始試驗，最后還要進行實驗誤差分析。通過試驗，一方面加深了學生對熱力學基本原理的理解和認識，另一方面也鍛煉了學生的動手能力和獨立分析問題、解決問題的能力。

在課堂教學中，還應注重理論聯系實際，把抽象的理論知識與生動的工程實際問題相結合，用熱力學理論剖析自然現象，做到學以致用。一方面，可以采用案例教學法。例如，用相對濕度的概念來解釋為什么陰雨天晾衣服不易干，而晴天易干；用熱效率的概念來解釋為什么用電爐取暖比用電驅動熱泵取暖浪費等等。另一方面，結合具體教學內容適時地向學生介紹學科的最新研究成果及其應用。例如，在講解動力循環時，可以選擇介紹目前內燃機利用蘭金循環回收廢熱能量，提高整機效率的方法。實踐證明，把教學內容與工程實際問題密切聯系的教學方法，可以加強課堂教學的前瞻性和趣味性，能有效調動學生的求知欲，使其由“被動接受學習”轉變為“主動研究學習”，對提高教學效果大有幫助。

4 強化考試對教學的推動作用

考試作為檢驗學生對課程內容掌握程度的標尺，關系到教學質量和效果。為了使考試成績能科學、客觀、公平地反映學生對工程熱力學知識的掌握和應用能力，同時調動學生學習的主動性和積極性，可采用學生普遍認可的綜合評定成績的方式，即平時成績占10%、考勤占10%、實驗占10%、期末考試占70%。

為了有效避免學生死記硬背概念、定律和公式，教師應綜合運用選擇題、判斷改錯題、計算題和綜合分析題編制試卷，靈活考察熱力學的基本原理及應用。這是因為實際問題往往非常復雜，需要學生靈活應用多方面的理論知識才能做出正確解答。對于那些基礎知識不扎實的學生，只是簡單記住了書本上概念、定律和公式，面對各種似是而非的敘述也會舉棋不定，做出錯誤判斷也不足為奇。

5 結束語

工程熱力學是一門充滿生機的經典學科，大量的經典內容仍是現代學子為培養創新能力必須掌握的重要基礎。由于課程具有概念多且抽象、知識點多且相互交叉、公式多且應用條件復雜的特點，教師要把這門課講得精彩很不容易。因此，如何有效的提高“工程熱力學”的教學質量、解決學生難學、教師難講的問題，是值得長期研究的課題。

針對我校熱能與動力工程專業課程體系的教學改革，并結合自己的教學實踐，通過以上的嘗試，有重點、有目的的講解，取得了一定的效果，希望能對提高本課程的教學質量有所貢獻。

參考文獻

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[3] 何雅玲.工程熱力學精要分析及典型題精解[M].西安:西安交通大學出版社,2000.

[4] 何宏舟,鄒崢等.提高“工程熱力學”課程教學質量的方法研究[J].集美大學學報,2002(3):3.

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論文摘要 結合多年從事化工熱力學教學的經驗，根據化學工程與工藝專業培養方案要求，探討提高化工熱力學教學質量的方法。精選教學內容，使之具有合理性、實用性，達到理論與實踐相結合。加強學科間的溝通與銜接，科學組織教學；引導學生對熱力學性質計算的編程求解，采用雙語教學，加強綜合知識的能力培養；強化實踐環節的訓練，注重學生科研能力的培養；適度引入多媒體教學，提高教學水平和教學質量；改革考核方式，注重學生靈活應用知識的能力。

化工熱力學作為化學工程專業的專業基礎課和必修主干課，是一門理論性和應用性較強的課程，它既要解決化學問題，又要解決工程實踐問題[1]。通過化工熱力學課程的學習，學生能夠掌握化工熱力學的基本概念和理論，利用化工熱力學的原理和模型進行化工過程能量、相平衡及化學反應平衡分析和研究，利用化工熱力學的方法對化工中物系的熱力學性質和其它化工物性進行關聯及推算，解決化工生產和設計中的有關實際問題[2-3]。本課程的基本概念和公式多，理論抽象，計算與公式推導較難，學生系統掌握該課程的內容比較困難， 本文從教材建設和教學實施方法上進行探討，使學生更好地掌握其基本原理和實際應用，培養高素質的化學工程與工藝專業人才。

1 根據化學工程與工藝專業培養方案要求，精選教學內容，使之具有合理性、實用性，達到理論與實踐相結合

化工熱力學的主要任務是使學生熟悉熱力學基本定律在化學工程中的應用，掌握根據熱力學原理求取化工基礎數據和化工過程中熱量與功的計算方法，培養學生應用熱力學基本原理分析解決化工領域中有關問題的初步能力。因此，在制定教學大綱和選擇教學內容時， 將熱力學知識體系分成兩部分：一是流體的P-V-T性質及計算、流體熱力學性質及應用；二是溶液理論、相平衡及應用。對于第一部分，主要介紹氣體和液體的P-V-T性質及計算、流體的熱力學性質計算。要求熟練掌握常用的流體狀態方程及應用計算，學會計算的思路、步驟和方法；掌握利用狀態方程和熱容數據計算流體的熱力學性質的方法，繪制熱力學圖表。第二部分介紹溶液活度系數模型方程以及相平衡理論及其在化工分離中的應用。要求能根據超額吉布氏自由能與活度系數的關系，結合模型方程計算混合溶液的活度系數；掌握相平衡理論在不同條件下的方程表達式及其應用，尤其是超臨界流體在分離中的應用。采用循序漸進、先易后難的方法逐步講解和學習，最后達到融會貫通。使教學內容既要具有合理性、實用性，又能夠充分反映本學科領域的最新科技成果，并與化工生產發展需要相結合。

2 加強學科間的溝通與銜接，科學組織教學

化工熱力學作為一門專業基礎課程， 是在物理化學學習的基礎上，進一步深化熱力學基本概念和理論，將重點轉移到解決工程實際問題上來的課程。因此化工熱力學具有知識的過渡性和很強的理論性、應用性。化工熱力學中涉及到的熱力學基本定律，熱力學函數如焓、熵、內能、自由焓、自由能，流體P-V-T關系的狀態方程等知識，均是物理化學中所學習過的，需要在化工熱力學中進一步深化與應用。

加強與高等數學學科的溝通，解決公式推導計算難的問題。化工熱力學中涉及到很多計算，如流體的P-V-T關系計算、熱力學性質的計算、化工過程能量分析計算、相平衡計算、化學反應平衡計算等，對高等數學知識的運用要求多且較高。應加強與相關的專業基礎課程及專業課程的橫向聯系，做到理論聯系實際。在教學過程中引導學生放開思路，加強理論知識與實踐知識的聯系，將熱力學的有關理論與這些課程的實際應用聯系起來，避免學生認為化工熱力學理論太深、不好學的現象發生。

3 引導學生對熱力學性質計算的編程求解；采用雙語教學，加強綜合知識的能力培養

化工熱力學的計算常涉及較多的公式及參數，計算量大且較復雜，通常需要進行試差、迭代來處理，因而電算在化工熱力學計算中起著不可替代的作用。在講授熱力學性質時，引入陳新志教材中的偏離函數的內容。焓、熵、吉布氏自由能的偏離函數均可以通過狀態方程推導出復雜的表達式，編寫程序，即可以得到結果。相平衡中的計算更為復雜，編程計算大有裨益。實踐發現，編程計算雖然對部分學生有一定難度，但多數學生卻表現出很大的積極性，隨著上機題的完成，計算機應用能力也得到提高。

此外，在教學中注意向學生介紹一些英文專業術語以及科技英語的表達方法，為學生查閱相關文獻打下一定基礎，并推薦原版教材（Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics，J.M. Smith）部分章節給學生閱讀，雙語講解，進一步培養學生的英文閱讀和聽說能力。

4 強化實踐環節的訓練，注重學生實踐能力及科研能力的培養

在實踐教學中，注重培養學生的動手能力，將難懂的知識與實際過程進行關聯，運用所學基本理論解決實際問題的能力，將抽象的熱力學概念和理論具體化，與生產實際聯系起來，以消除學生對熱力學的畏懼情緒，培養實際應用能力。比如我們延伸了實驗內容，在二元汽液平衡數據測定和無限稀釋溶液活度系數的測定實驗中，除測定必要的實驗數據外，還要求學生根據實驗計算回歸出Wilson和van Laar模型方程參數，再比較兩種模型與實測值的偏差大小，并分析原因，從而達到了理論與實踐的結合。另外，還組織感興趣的同學進行創新性實驗研究。隨著生命科學和分子熱力學的發展，生化模型分子（例如含N，N-二甲基甲酰胺DMF和醇的混合物）由于其在生化過程模擬中的重要意義，正引起人們越來越多的注意。為了更深入地了解這些體系的熱力學性質及分子間的作用力，組織學生采用Rose平衡釜測定常壓下二元體系（正丙醇—DMF，正丙醇－異丙醇，異丙醇—DMF）的常壓氣液相平衡數據來關聯三元體系（DMF +正丙醇+異丙醇）的性質，并通過熱力學同一性檢驗數據的可靠性。學生從查閱資料，設計實驗方案，確定原料、試劑及分析方法，到實驗操作，數據處理，并進行整理寫出研究報告。這一過程對學生是一次全面的綜合訓練，加強了理論與實踐的結合。對實驗中遇到的問題老師及時解決，鍛煉學生綜合運用所學知識分析和解決實際問題的能力，強化專業操作技能，同時也加深對溶液理論知識的理解，培養學生的科研創新意識。

5 適度引入多媒體教學，提高課堂教學效果

熱力學抽象、難懂，多媒體輔助教學具有形象、生動、直觀的特點，便于加深學生對問題的理解；同時大大增加了課堂信息量，提高了教學效率，還可免除教師上課時寫板書的勞累，因此多媒體輔助教學還是很有必要的。如在講解化工熱力學中混合物汽液相平衡計算，狀態方程法計算組成、溫度和壓力時，往往非常復雜而且容易出錯，迭代步驟繁多，計算費時費力。如果采用多媒體技術，可以形象生動地展示計算框圖，在程序中采用循環語句，只需要輸入初始的條件就可以很快得到結果。

但使用多媒體輔助手段也有缺點，主要是變換的畫面，雖能形象直觀地闡述豐富生動的信息，但用幻燈片顯示熱力學中公式推導顯得相當機械、呆板，與看書相差無幾，無法體現教師的靈活思路，更無法調動學生的積極性，同時也會影響師生之間的情感交流，結果是學生反映來不及記筆記，聽課時就像看電影，教學效果差，對所學內容印象不深，甚至形成了課下學生借教師課件拷貝的局面。因此，多媒體教學只是教學的輔助手段，不能成為教學的主體形式，多媒體教學優勢并不是在任何課中都能體現出來的。熱力學教學應采用多媒體與傳統板書相結合方式的教學手段，板書與多媒體的優勢才能相得益彰，提高學生學習興趣，拓寬學生思維空間，更好理解化工熱力學內容。

6 改革考核方式，注重學生靈活應用知識的能力

考試是教學過程和教學成果的檢驗，它往往成為教學過程的指揮棒，因此考試內容及方法的改革是教學改革的重要組成部分，也是教學改革的重點和難點。根據熱力學課程的教學實踐，要求學生全面閱讀書籍，在歸納整理的基礎上，使知識系統化，找出學習中存在的問題，再集中解答。由于化工熱力學的理論性強，大量模型方程難以記憶，閉卷考試要花費較多的時間和精力去記憶公式，難免疏虞理解和應用，或本末倒置，顧此失彼。因此采用了開卷考試，考試的目的在于使學生對教材體系有個全面的理解，突出重點和實用性，善于靈活應用。而且整個試卷均采用英語出題，這就加大了熱力學題的難度，有些學生對英文句子不理解或不懂得專業詞匯，導致答題南轅北轍。部分學生懷著僥幸心理，想依賴考場上翻書籍蒙混過關，但因課程知識的復雜性，突擊過關是不現實的。因此開卷考試，擴大了學生的閱讀量，注重學生融會貫通的能力。

參考文獻

[1]趙云鵬，荊濤.化工熱力學教學實踐的研究[J].長春師范學院學報:自然科學版，2006，25(4):125—126

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關鍵詞：化工熱力學；CDIO；大工程教育；教學改革；方案

中圖分類號：G712文獻標識碼：A文章編號：1672-5727（2012）06-0159-02

化工熱力學作為化學工程的基礎性學科，在研究化學工程以及解決化工生產實際問題中都起著非常重要的作用。同時，它也是化學工程與工藝專業本科生及研究生必修的重點專業課程之一。然而，由于課程中的概念抽象難懂，公式數量多且推導復雜，歷屆本科學生都感到難以理解和掌握。雖然嘗試過各種改革，探索過新的教學方法，但收效甚微，學生掌握到的理論常常疲于應付考試，沒有真正解決實際問題的能力，更不用說會作“工程”了。為了迎合“大工程教育”的背景，在2009年，我校開始嘗試將CDIO的教育理念應用于化工熱力學課程教學中，取得了一定的成效。

CDIO教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，這種全新的教育模式將構思（Conceiving）、設計（Designing）、實現（Implementing）與運作（Operating）結合在一起，形成一個連貫而完整的流程。學生從參加產品研發到產品運行的生命周期當中，可以親身體驗到“以產品為導向”CDIO教學模式所帶來的不同于傳統教學模式的參與感。這種以學生為主體，實現了“做中學”的全新教育理念，對于提高學生能力，激發學習興趣，促進化工熱力學課程建設等各個方面都具有非常重要的意義。

化工熱力學教學現狀分析

教學內容與實際脫節隨著近年來工業體系的不斷進步和化工行業的快速發展，化工熱力學作為一門體系較為完善的課程，其教學內容與實際的化工技術相比已顯得比較滯后。這種滯后不但使教學與工程脫節，并且由于課程模式長期固定，在某種意義上限制了教師的思維方式，進而對學生的創新及發散思維也造成影響。同時，也造成了大學與社會之間的脫離。這也是為什么學生掌握了知識，卻不能在畢業以后派上用場的原因。

忽略了學生作為主體的角色在從事化工熱力學教學的十余年中，如何解決教與學之間存在的矛盾，也是一直困擾著筆者的一個問題。為何在經歷了數次改革之后，我們的教學卻并沒有發生實質的改變？其原因在于忽略了“在教育過程中，學生才是主體”的這一事實。一直以來，無論運用何種創新式的教學方法，總是離不開以教師作為主體的講授，總是去研究如何將知識更快速準確的灌輸給作為客體的學生，如何將枯燥的理論講授變得生動有趣，讓學生在愉快的氛圍中掌握知識，在一次一次的教學改革中，教師歷練成了“優秀的演員”，而學生充其量也就是一個“文明的觀眾”并沒有成為一名“優秀的演員”。在這種教育方式下，培養出來的學生，實際上是被剝奪了自主學習的機會，其思維模式也會變得僵化，重理論，輕實踐。在具體問題的處理上往往拘泥于唯一的“正確方案”，按照教師或書本上所講述的步驟給出解答，這就達到了我們所說的“掌握”的基本要求。學生并不會從一個實際的工程問題中，發現相關的熱力學問題和定義熱力學問題。比如，在講授流體的 “PVT”關系時，我們會定義好兩個變量（溫度T，壓力P）讓學生去求體積（V），學生都可以很好的根據熱力學方程解出體積，但如果讓學生去求解某工藝流程中輸送流體的管徑時（生產能力即流體的質量流量已知），學生就常常束手無措。他們不會根據輸送流體的工藝條件（即溫度、壓力）用學過的熱力學知識來求出流體的摩爾體積，將其換算成流體的密度后，再根據流體的質量流量解出體積流量結合管路中的允許的流體流速去求管徑。可是如果將這種求管徑的問題放在化工原理的課程中，學生又可以很好的解決。因為，在化工原理的課程中，流體的密度常常都是作為已知量出現在例題中的，而在實際的工程設計和計算中，這些問題都是需要靠學生自己去發現、定義并解決的。學生這種今后最需要能力，在我們多年的教學中卻被忽略了。

總之，無論是在教學內容上，還是在教學模式上，現有的化工熱力學教學當中都存在著很多問題，已經逐漸無法滿足社會對高等人才培養的需要。而CDIO的教學理念則為我們解決這一問題提供了一項新的可能性。通過將熱力學課程與CDIO教學理念相結合，讓學生在“做中學”的過程中更好地掌握知識，提高能力，通過一個個真實的工程案例，去研究問題、發現問題。這樣，學生才能具有獲取相關知識去解決問題的動力。在此過程中，重要的不是解決了一個具體的問題并由此掌握了相關的知識，而是在于學會如何發現問題、定義問題、分析問題并獲取相應的知識解決問題，總結新知識，同時，加強與人溝通的能力以及團隊合作的能力。那么，究竟如何進行化工熱力學課程的改革呢？

基于CDIO理念下熱力學教學改革方案

針對化工熱力學教學上的種種問題，我們確定了以“產品為導向”的教學模式改革。就是讓學生通過“產品工藝的工程設計”真正學到工程設計中的熱力學知識。熱力學是從工程中來，最終還要回到工程中去，為工程服務。因此，確定了以產品制造為目標，將學生感興趣的產品“工業化”，學生扮演一個“工程師”主持一個“產品與過程”的工程設計工作。在工程項目的設計中，學生必然會碰到相關的熱力學問題。如工藝條件下流體密度（流體的PVT關系）、換熱器和功設備的負荷計算（流體的熱力學性質：焓、熵與PVT的關系）、分離塔的計算（流體的相平衡）等等，在設計過程中，學生遇到問題時，教師加以適當的指導并結合課堂所講授的熱力學內容解決實際工程中的問題，最終完成一個工程設計報告。學生只憑上課聽講是不可能將項目設計好的。必須通過自己看書、查閱大量的文獻與資料，與同組同學研究討論，才可能將項目完成。在這個過程中，強化了化工熱力學在工程中的應用，讓學生真正體會到熱力學不是虛無飄渺的理論，而是實實在在的技能。為此，我們制定的具體改革方案如下：

將學生按班級分組。原則上每班兩大組，也可根據個人興趣自成一組。選擇一個學生感興趣的化工產品，圍繞如何實現該產品的工業化完成以下內容：（1）市場調研報告。包括：產品的國內外發展現狀、市場前景、簡單的經濟分析及相關的工藝流程的了解（開課后第1～4周完成）。（2）對產品多套工藝流程方案進行可行性及經濟分析，確定小組詳細的工藝流程路線及詳細的工藝條件，完成簡單的工藝流程圖（開課后第5～8周完成）。（3）根據學生選定的工藝過程，完成簡單的工藝流程圖，教師指定與工藝流程相關的熱力學計算，通過計算體會熱力學在工程中的應用（開課后第9～12周完成）。（4）將以上三部分合成一個完整的報告期末上交，報告成績占期末總成績的30%。每一小步的工作要求完成的功課都要按時上交，并按教師的批改意見修改完善自己的報告內容（開課后第13～16周完成）。（5）最后，選擇優秀的項目報告作講演（第17周完成）。

由于選題是學生根據自己的興趣確定的工業產品，因此，項目類型與涉及的學科面應該是很復雜的。教師不可能事先知道結果，這就要求教師需要具有相對扎實的工程實際和理論的背景知識，指導學生在課題初期盡快進入課題角色，隨著課題的進展，學生要自己獲取更多的相關知識，并進行深入的研究，應用知識去解決問題。在此過程中，教師要做好“導演”，側重對學生的方法和能力方面進行指導。學生在整個過程中一定會投入大量的時間和精力，因為是以小組為單位，所以，最后的項目一定是集中了整個團隊的才智，一定會有所收獲。

通過兩年的實踐，使用以上方法取得了較好的教學效果，在加強學生學習熱力學課程積極性的同時，使學生在學習期間就能受到未來職場環境的熏陶，只有叫他們了解自己將來的用武之地，造就他們成為合格的化工專業人才，滿足產業和社會的需要。

然而，在改革中還存在一些問題，如學生的合作還存在欠缺，各組同學中都有“坐車”的現象，如何對這部分不積極參與的學生進行評價，使所有學生都能積極動起來，將是我們未來改革中亟待解決的問題。

結語

化工熱力學課程從2009年開始進行了CDIO工程教育培養模式的理論與實踐探索，并取得初步成效，我們將不斷努力探索，使這一教育模式趨于科學、有效。積極推進CDIO人才培養的培養方案改革和教學方法創新，開展適應于學生研究性學習的教學方法創新，在傳統的案例式、啟發式、交流式教學方法改革中推進體驗式、研究式、討論式教學方法，利用具體工程項目的實施，引導學生“做中學”，通過營造工程環境，實現師生間、學生間對話式學習和合作式學習，形成教學相長的生動學習局面。在教學過程中融入最新的化工工程技術成果和工藝方案，啟迪學生的工程意識和利用科技成果的創業意識，開拓學生的創新思維和創業精神，構筑“創新創業”應用型人才培養的知識新體系和課程新體系。

參考文獻：

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[2]王晉黃，李忠銘，林俊杰.化工熱力學課程教學改革與實踐[J].化工高等教育，2005，（4）：19-22.

[3]常賀英，馬沛生.論化工熱力學在化工類課程體系中的核心作用[J].化工高等教育，2005，（4）：28-30.

[4]蔣麗紅，李滬萍.化工熱力學教學改革研究與實踐[J].化工高等教育，2005，（3）：33-36.

[5]馮新，陸小華，吉遠輝.化工熱力學中從生活中來到生產中去的實例[J].化工高等教育，2009，（1）：42-46.

[6]查建中，何永汕.中國工程教育改革三大戰略[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

作者簡介：

徐新（1967—），碩士，北京石油化工學院副教授，研究方向為化工。

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論文摘要：分析《工程熱力學》的教學實踐中采用多媒體技術的必要性，探討多媒體教學內容的選擇、課件的制作、多媒體放映以及多謀體教學中應注意的問題。提出課堂教學應在傳統教學方式的基礎上合理地應用多媒體技術，提高教學質量。

工程熱力學是熱能與動力工程專業和建筑環境與設備工程專業的重要專業基礎課，同時也是油氣儲運工程、化工機械過程與裝備和石油加工等專業的選修課。它是一門從工程實際出發來論述熱能與機械能相互轉換規律及其應用的基礎性課程。課程的特點是理論性強、概念抽象、公式圖表繁多、熱力過程變化復雜以及熱力循環的表示和分析困難。

多媒體技術是文本、圖像、動畫、聲音等運載信息的媒體結合體，以圖文并茂的形式為工程熱力學教學提供了多樣化、多視角、立體化的教學信息空間。在工程熱力學的課堂教學中，合理、適當的采用多媒體技術，不僅充實了教學內容，而且使課堂教學更加生動形象，提高了教學質量，教學效果良好吼

一、多媒體教學的必要性

工程熱力學課程的基本理論應用部分涉及許多圖片、圖形，內容圍繞工作原理圖、系統循環圖展開，傳統的板書教學需占大量的課堂時間手工繪制，效果不太理想，如果利用計算機制作成多媒體課件，集光、形、色于一體，形象直觀、內容生動，可以使視覺和聽覺同時發揮作用，增加課堂授課的生動性，激發學生學習的興趣，有利于學生認知能力的開發和對教學內容的理解。

〔一)及時更新教學內容。多媒體輔助教學，可以節約板書時間，有效地拓寬教學空間，在有限的時間內提供更多信息量，使教師有更多的時間進行重點、難點知識的講解。現代科學技術發展迅速，日新月異，而部分教材內容不可能及時更新，在課件制作中可補充大量最新技術資料，不僅解決教材內容相對滯后的問題，而且可引薦專業發展的前沿信息，拓展學生的視野。

(二)完善傳統教學手段。多媒體將傳統教學手段難以表達的內容和難以觀察到的微觀熱現象通過文字、圖像、聲音和動畫等形式生動的表現出來，加深了學生對知識的理解，激發了學習興趣和學習主動能動性。另外多媒體可通過字體的縮放、顏色的變化或明暗交替以及動態出現等方式來強調重點，使學生印象深刻，更容易記住這些知識點。

(三)增強學生感性認識。工程熱力學中有許多抽象的概念和過程，如孤立系統、平衡狀態、壓縮過程、水蒸汽定壓發生過程等。僅通過書本上的概念和簡單的插圖來講述或通過學生的想象來理解、掌握這些知識點是非常困難的，而借助多媒體技術就能使這些問題迎刃而解。多媒體課件支持FLASH動畫}WMV，AVI視頻等播放插件。如在講解內燃機結構和原理時，采用FLASH制作簡單的動畫來演示汽車內燃機的工作過程，學生在動畫中能非常直觀地看到內燃機的吸氣、壓縮、燃燒和排氣，再配合P-V圖畫出熱力過程，看起來一目了然，有利于學生對過程的理解和掌握，進而分析不同的壓縮過程所需功耗的不同。同時結合一些有趣的思考題。如:為何給球打氣時用濕布裹住氣筒外壁能節省體力?汽車油門是控制油量還是空氣量?這樣既能有效鞏固壓縮機省功原理，又與現實生活緊密聯系，極大的激發了學生的學習興趣。

二、多媒體教學內容的選擇

國內各類院校能源動力類專業基本都開設了工程熱力學課程，但可供課程使用的優良教材數量有限，且教材更新較慢，特別是工程背景和應用方面的知識較為匾乏。為此，首先應根據各高校學科專業特色，選擇合適的教材和參考書，為多媒體課件制作提供最基本的知識體系保障。其次各專業知識是相通的，但側重點不一樣，應補充介紹同一概念在不同工程運用背景下的區別和聯系，讓學生能更好的理解基本概念做到融會貫通。比如，熱力學能是工質的內部儲存能，是溫度和比容的函數。工程流體力學課程中，認為液體流動中溫度和比容為常數，所以熱力學能不變，研究中可以忽略。而工程熱力學研究中，熱力學能是重要的狀態參數，不能忽略其變化。最后要結合專業特色，拓展工程實踐知識，開展相關工程應用專題講座，避免計算時出現手提吹風機功率在60KW以上，甚至達363KW，而汽輪機噴管出口速度只有十幾米每秒的低級常識性錯誤。

三、多媒體課件制作應注意的問題

多媒體電子教案存在直觀、形象、生動、圖形圖像功能強大、易于展示最新科研成果、教學信息量大、學生易于復習等優點，但同時存在單幅信息量少、幅間信息不連貫、前后呼應不夠、學生思維不易跟上等問題。在制作時應該揚長避短處理好以下幾點問題。

(一)多媒體模板的制作。多媒體課件需合理照顧章節間的關系，但每張幻燈片的空間有限，難以有效發揮“標題”和“正文”的相互呼應。合理制作多媒體模板，是增加課件內容邏輯性和關聯性的重要保證。為此，應根據教學大綱內容制作本章節教學內容的主題目錄，教學時采用超鏈接的方式打開。其次建議每張幻燈片分成三個區域:標題區、正文區和腳注區，并用橫線嚴格區分，做成統一的模板。在標題區右上角，角注本章標題，而在標題區中央插人本節標題。正文第一行插入本節幻燈片主要內容標題，與正文呼應，使信息盡量連貫。腳注區可插人授課日期，頁碼等輔助信息，保證每頁幻燈片的完整性。最后，應制作復習提綱，與首頁主題目錄提綱和正文重點內容呼應。

(二)文字內容的確定。工程熱力學作為一門技術基礎課程，基本概念、基本原理、基本方法是要求學生掌握的重點，需要通過大量的文字來進行表述，因而課件上的文字內容不可避免要占有較大篇幅。需要特別注意的是切忌將大量教材內容原文照搬到課件上，授課時照本宣科。文字內容的確定必須經過反復推敲、歸納和總結，將核心內容提煉出來，完整的表述則通過授課或與同學之間的討論來完善。古人云:文章千古事，得失寸心知。幻燈片制作也是一樣，一定要精益求精。建議每張幻燈片不超過四段文字，每段文字不超過兩行。在需要特別強調的地方如前提條件和重要結論要點，用特殊強化處理標注，如PPT自帶的紅色五角星符號。當然對于課程中一些經典的概念和原理如孤立系統嫡增原理等建議給出原文，讓學生根據自己的理解提煉或用自己的言語表述，以加強對概念或原理的理解，同時培養學生的邏輯思維能力。

(三)圖像的選擇與處理。多媒體課件的優勢就是圖片功能強大，需要充分發揮。應選擇既反映工程實際又具有較高清晰度和對比度的優良圖片，這樣才不會出現投影放大后的圖像失真的問題，這一點需嚴格遵循寧缺勿濫的原則。對于原理性圖，如果直接采用軟件從書本上復制粘貼由于涉及圖像格式轉化會導致圖像像素丟失，圖像失真，建議利用PPT自帶的畫圖工具繪制，這樣既可以對圖像中各類曲線實現不同顏色、線條標記，又可以在播放時實現分層逐級播放。另外結合PPT動畫播放功能里的“擦除”效果，可實現曲線的動態繪制過程，利于學生理解和掌握熱力過程曲線。比如，理想氣體幾種基本熱力過程在P-V圖上同時出現時曲線煩亂，各區間物理意義復雜易混淆。采用上述方法可以得到很好的解決。

(四)多媒體課件的放映。在課件放映時，文字的出現應設為逐行或逐字播放，讓學生有時間記筆記和思考，不宜像放電影一樣整屏播出，此時內容繁多，眉毛連著胡子，學生分不清主次，很容易走神，更談不上理解和掌握。

作者的體會是應根據講解的思路和過程，逐級播放。特別是涉及公式推導時，應模擬黑板推導的過程，逐步或分塊出現。當然，這也會造成教師頻繁使用電腦，影響教師講解和學生思考的連貫性。建議使用多功能激光筆，實現遠程控制幻燈片播放。這樣教師一方面不用局限于講臺上，活動空間得到大大解放，另一方面也可以到講臺下加強與學生的近距離互動討論，有效維護課堂記錄。

四、多媒體教學中需注意的問題

效果優良的多媒體教學也存在學生視覺疲勞問題，這與黑板教學相比是一個固有缺陷。據贛南醫學院的一份調查數據顯示。大學生在課堂上被多媒體教學光照時間太長，學生連續2個課時接受多媒體教學，約22%產生輕度視覺疲勞，連續4個課時，輕度視覺疲勞則高達61%。可見，培養一支高素質多媒體教學課件制作隊伍，是消除學生視覺疲勞和提高教學質量的關鍵。積極參加多媒體教學課件制作學習班，學習適用于大學生最佳課件制作視覺效果的理論與方法，制定多媒體教學課件制作視覺審美的基本要素、基本規范和基本參數。

同時多媒體授課時光線較暗，如果課堂授課時教師只是點點鼠標，學生瞪大雙眼看，相互之間缺乏交流，學生容易昏昏欲睡。因此教師不能只站在講臺前一字不差地朗讀講課，應當隨時觀察學生聽課的精神狀態，適當地走到屏幕前指點內容，或者豐富教師自身的面部表情和肢體語言，利用提問、現場討論等互動交流以活躍課堂氣氛與調動學生學習積極性。

此外，使用多媒體教學的同時要合理的利用板書。聲像俱佳的課件相比于傳統的板書，雖然能夠給學生更直觀的感受，但稍縱即逝的課件來得快，去得也快，很難給學生留下深刻印象。對于一些重要的公式和圖表，要結合板書推導和繪制。板書是課堂教學的重要輔助手段。

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關鍵詞 熱力學第二定律；高職高專學生；教學方法

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X（2012）33-0109-02

熱工學理論基礎是供熱與通風空調工程技術專業主要的專業基礎課程，是為后續專業課的學習提供必要理論基礎的學科。熱力學第二定律在專業領域應用中比較廣泛，是在教學過程中應該注重加強的應用性課程內容。這部分內容理論性很強，而高職高專學生普遍存在基礎差、課時少、課程內容多等特點，因此理論講解很容易使學生感到枯燥無味，從而產生厭學情緒。

結合目前熱工學教學方法研究[1-2]，本文根據熱力學第二定律內容，結合高職高專學生的特點，就如何讓學生學好熱力學第二定律并能較好地服務于專業課程，談一些教學經驗和結果。

1 合理提煉教學內容

高職高專院校的學生與本科院校的學生培養目標不同，他們今后接觸更多的是工程技術中應用性、實踐性比較強的工作和問題，理論研究很少。因此，在專業基礎課教學內容的選擇上要分清主次、合理提煉、適當取舍。在教學實踐中，應把專業基礎課的重點放在應用性強的內容上進行講授，適當降低理論基礎的深度，大膽舍去理論性強而實際工作中應用有限的內容，如克勞修斯積分式、孤立系統熵增原理等。

熱力學第二定律這部分內容在生產實際中應用很廣泛，而且是高職高專學生在將來學習、工作中經常要接觸應用到的知識，因此，教師在教學中必須加強學生對該知識點的掌握和理解。

2 聯系實際的教學引導

學習的興趣是學生積極思考的前提，更是達到成功教學目的的關鍵。如何在教學開始前進行恰當而又能激發學生興趣的引導，是每次課成功講述的前提。如果能在教學過程中，適時巧妙地將理論講解和實際生活聯系起來，必能極大地激發學生學習的興趣和動力，讓學生能更充分地參與進來，成為學習的主體，激發出學習興趣。所以在實際教學中，教師可以在講解理論之前提出幾個實際生活中存在的相關問題，這樣既可以吸引學生的注意力，還能激發他們聯系相關理論的興趣，更能加深學生對相關理論的理解和應用能力。

在熱力學第二定律講解前，提出問題，如：水是否可以自發地由低處流向高處？熱量是否可以自發地由低溫傳向高溫？答案很簡單，問題繼續引出：如果想要實現它們的逆過程應該怎么辦？讓學生結合實際生活說說逆過程的應用。學生非常積極地回答，說出很多應用實例，如：從水井中用水泵抽水；夏季空調房間的溫度低于室外環境的溫度；冰箱內的溫度低于室內溫度；等等。學生的充分參與和思考，大大激發了學習興趣。

3 服務專業的教學理念

專業基礎課是為高職高專學生學習專業課服務的，高深的邏輯理論推導并不會直接服務于專業，所以教學過程中聯系好專業課講解，會使學生對理論知識具有更深刻的理解和具體的認識，也為后續專業課學習打下堅實基礎。

熱力學第二定律與后續專業課學習聯系密切，授課過程中，先用圖示法（圖1、圖2）為學生講解蒸汽壓縮式制冷系統及火力發電系統原理并提出問題：“為什么有相當多的熱量要在凝汽器中散給冷卻水？全部用來轉化為汽輪機的機械能可不可以？”“要想實現從低溫的冷藏室中把熱量不斷地取出釋放給高溫的冷卻水，自發過程不能實現，想要實現怎么辦？”學生結合原理和問題，很容易得出冷藏室溫度低于冷卻水的溫度，熱量不能自發地由低溫冷藏室傳向高溫冷卻水，要想實現這個非自發過程必須有一個補償條件，即壓縮機產生的機械能轉化為熱能的自發過程。熱能不能無條件地全部轉化為機械能，鍋爐中水獲得熱量變成蒸汽，蒸汽不可能把獲得熱量全部轉化成汽輪機旋轉的機械能，必須伴有一個補償過程，即凝汽器內高溫乏汽向低溫冷卻水的自發散熱過程。

通過這樣的講解，學生很容易得出：自發過程具有不可逆性，但并不是意味著自發過程的逆過程不能實現，這種自發過程的逆過程是可以實現的，但是它的進行是有條件的，也就是必須有另外的補償過程同時發生。例如使熱量由低溫物體傳向高溫物體的非自發過程，可以通過消耗機械能轉化為熱能的自發條件補償來實現；熱能轉化為機械能也是一個非自發過程，但是可以通過使一部分熱量自發的從熱源流向冷源這一自發過程的補償，熱能就可以轉化為機械能。可以得出：非自發過程進行的條件是有一個自發過程與之同時進行，如圖3所示。

4 結合專業回歸理論

根據蒸汽壓縮式制冷系統及火力發電系統原理回歸熱力學第二定律的內容講解。熱力學第二定律的兩種經典描述：1）德國科學家克勞修斯（Clausius）在1865年提出，“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化”；2）開爾文于1851年提出，“不可能制造只從一個熱源取熱使之完全轉換為機械功而不引起其他變化的循環發動機”[3]。根據兩種描述可以看出熱力學第二定律并不是很直接，學生很難理解掌握，具有抽象性強、記憶困難的特點。

對這兩種描述進行簡單變形，克勞修斯描述可以變化為“要想把熱量從低溫物體傳到高溫物體必然引起其他變化”；開爾文描述可以變化為“要想制造出只從一個熱源取熱使之完全轉換為機械功的循環發動機必然引起其他變化”。簡單變化之后，熱力學第二定律的難點落在到底引起什么樣的變化，結合剛剛講過的蒸汽壓縮式制冷系統及火力發電系統原理，學生很容易提煉得出結論，即蒸汽壓縮式制冷系統引起的變化是增加了壓縮機對系統的做功，火力發電系統引起的變化是系統部分熱量散給外界環境。

5 小結

綜上所述，通過熱力學第二定律的講解經驗，可以得出高職高專專業基礎課教學改革應不斷探索一系列行之有效的教學方法，努力提高學生學習的熱情和興趣，引導學生在實踐中充分運用知識，為今后的職業生涯打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]黃凱旋，劉建華.《熱工學》教學改革的嘗試[J].集美大學學報：教育科學版，2001（3）.

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1核心課程體系的構建

1.1核心課程體系構建的原則

欽州學院開設化學工程與工藝專業有良好的機遇,同時也有多方面的挑戰。要辦好欽州學院化學工程與工藝專業,貫徹學院打造五大品牌專業的精神,需要從緊密聯系北部灣區域經濟建設方面著眼,努力辦出具有石化特色的化學工程與工藝專業,重點建立一套緊密結合石化下游產業鏈、注重過程開發和工程實踐能力培養的核心課程體系。在核心課程設置方面,確立夯實專業基礎、強化工程意識、注重實驗技能、拓寬專業口徑,注重石化特色的原則。 所謂化工過程,主要包含分離過程和反應過程兩種過程。與這兩種過程緊密相關的一系列化工類課程共同構成了化工類課程的核心。按照“門數適宜,重點突出,相互支撐,形成一體”的要求,選擇化工熱力學、分離工程、傳遞原理、反應工程和化工工藝學等五門理論課以及與這五門理論課相關的化工專業實驗課作為核心課程,建設具有石化特色化學工程與工藝專業的核心課程體系,全力打造化學工程與工藝這一品牌專業。在這五門理論課程中,分離工程和反應工程分別研究各類分離過程和反應過程,它們構成了化工過程課程最核心的部分。化工熱力學是化工過程研究、開發和設計的理論基礎,是化學工程的重要分支之一,與化學反應工程、分離工程關系密切。化工熱力學的核心價值在于研究過程進行的方向和限度,為分離過程和反應過程提供相平衡、反應平衡數據,并對化工過程進行熱力學分析[1]。反應工程是與工程實際緊密聯系的課程之一,它廣泛地將化工熱力學、化學動力學、流體力學、傳熱、傳質以及生產工藝、環境保護、經濟學等反面的理論知識和經驗綜合于工業反應器的結構和操作參數的設計和優化中[2]。

分離工程是化工專業基礎課程,講述的是如何將混合物進行分離與提純的學科。作為專門研究分離方法的分離工程課程對學生工程素養的培養有很重要的作用。該課程闡明了化工分離過程的本質規律,重點研究分離方法的工業化途徑,設備設計放大效應,最優分離路線的工業化,及最優操作條件。在選擇具體分離方法時,不僅要考慮技術上的可行性、經濟上的合理性,而且要考慮能耗、環保、設備放大和開發成本等諸多問題[3]。傳遞原理旨在研究化工動量、熱量及質量(俗稱三傳)的傳遞現象,用一種統一的觀點來處理三種傳遞現象,并研究動量、熱量和質量傳遞之間的類似性,是研究分離機理、分離效率和宏觀反應動力學的基礎理論,同時也是反應器放大研究的基礎理論之一。與化工熱力學不同,傳遞原理是一門探討傳遞速率的課程,它對過程開發、過程設計、生產操作、優化控制及過程機理研究都有重要的使用意義[4]。化工工藝學重在工藝過程的分析,即在特定條件下,進行分離過程、反應過程的比較選擇、整合優化。化工工藝學是大學基礎化學、化工熱力學、化工動力學、反應工程、分離工程等專業基礎可和專業課的綜合運用。化工熱力學和傳遞原理旨在加強專業基礎,化工專業實驗、反應工程和分離工程重在強化工程意識,化工工藝學拓展了專業適應面,可以突出石化特色。

2核心課程體系的優化

為了保障以上核心課程體系的順利實施,建議結合欽州學院化學工程與工藝現有的教學計劃,從下面幾個方面作出適當的調整。

2.1加強數理基礎教學力度,適度拓展

新世紀的工程人才必須有熟練應用數學、科學與工程等知識的能力,有進行設計、實驗分析與數據處理的能力。在兩年的教學實踐中,學生普遍反映數理基礎不夠扎實,一些數學問題不知所云,比如熱力學計算中要應用迭代法求解狀態方程、精餾過程計算、反映工程中的偏微分方程求解等等,問題大都源于數學基礎較薄弱。因此建議加開線性代數、運籌學、概率論與數理統計、數值計算、C程序語言、數學物理方法,流體力學等數理和計算機基礎課程。多所兄弟院校也早就開設了這些基礎課程。線性代數和運籌學的開設可以解決反應器設計過程的優化問題;概率論與數理統計是實驗數據處理和理解反應工程中一些基本概念的基礎;數值計算和C程序語言兩門課程是工科學生重要的基礎課程,加開這兩門課程也是落實我校化學工程與工藝專業培養計劃中對學生計算機水平的要求,對學生的就業能力的提高有好處;數學物理方法和流體力學是傳遞工程等課程的基礎,加開這兩門課程可以大大的提高學生工程數學能力,為就業和進一步深造打下更堅實的數理基礎。考慮到Matlab在科學和工程計算領域的突出作用,建議開設Matlab在化工中的應用的相關課程[5]。化工熱力學和化工原理是反應工程的基礎,故將化工熱力學和從第四、五學期調整至第三、四學期;化工原理和反應工程兩門課程共同構成了化學工程最核心的部分課程,將化工原理從第四、五學期調整至第二、三學期,反應工程從第三學期調整至第五學期,也是考慮到化工原理是反應工程的基礎。同時,將計算機模擬與仿真刪去,將其中的知識分散到加開的MATLAB在化工中的應用和數值計算這兩門課程中。從上表2中還可以看出,加開的課程中,突出了數理課程的基礎,同時,適度的拓展經濟和計算機相關的課程,也增加化工制圖和電工學等實踐性較強的課程,這對培養學生的工程實踐能力是必不可少的。

2.2整合化工專業實驗

為了整合學院教學資源,最大限度地利用現有的一切教學設備,建議從各門化學工程與工藝核心課程的專業實驗中選出一些經典的、與石化行業緊密相關的進行重新編排,單獨設置一門大學化工基礎實驗課程,分成三個學期展開教學。另外,考慮到傳統的化工專業實驗教材以單一驗證實驗為主,無法滿足新世紀綜合素質人才培養的要求,可將化工實驗按由淺入深的原則劃分成驗證型實驗、設計型實驗和綜合型實驗三個層次。盡量精簡驗證型實驗,增加設計型實驗和綜合型實驗。可以從教師的一些科研項目中選出一部分讓學生參與,將這些項目設計成設計型或綜合型實驗,這樣,通過學生的親身體驗科研過程,培養了正確的科研習慣,為學生的就業和進一步的深造打下好的基礎。

篇8

一、物理化學課程在課程體系中的地位

物理化學在兩階段工科化學(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學原理(基礎物理化學)、無機化學、有機化學、分析化學等課程組成。化學原理作為理論教學內容,在對中學化學知識總結提煉上升到理性認識高度的基礎上,對后繼無機化學、有機化學作為應用教學內容提供理論基礎。第二階段由物理化學加后繼專業或專業基礎課程、選修課程組成。物理化學作為理論教學內容,既將先前所學無機化學、有機化學等知識從理性上加以認識提高,又為后繼課程提供理論基礎。[2]在專業教育的范疇內,物理化學是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業必備的化學理論基礎,它銜接基礎理論和相關的專業課程,是一門專業基礎課程。

二、物理化學課程的教學內容

物理化學提供應用于所有化學以及相關領域的基本概念和原理,嚴格和詳細地闡釋化學中普適的核心概念,以數學模型提供定量的預測。因此,物理化學是分析化學、無機化學、有機化學和生物化學課程,以及其他相關前沿課題的概念的理論基礎。總體而言,物理化學理論課程可能涉及的教學內容如下:[3]

1.熱力學與平衡

標準熱力學函數(焓、熵、吉氏函數等)及其應用。熵的微觀解釋。化學勢在化學和相平衡中的應用。非理想系統、標準狀態、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學池的熱力學。

2.氣體分子運動學說

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過程、擴散系數、黏度。

3.化學動力學

反應速率的微分和積分表達式。弛豫過程。微觀可逆性。反應機理與速率方程。穩定態近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態理論。同位素效應。分子反應動力學含分子束、反應軌跡和激光。

4.量子力學

薛定諤方程的假定和導出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉子、角動量。氫原子、類氫離子波函數。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計算化學。量子化學應用。

5.光譜

光-物質相互作用、偶極選律。線型分子的轉動光譜。振動光譜。光譜項。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統計熱力學

系綜。配分函數表示的標準熱力學函數。原子、剛性轉子、諧振子的配分函數。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學科的應用

生物物理化學、材料化學、環境化學、藥學、大氣化學等。物理化學實驗課程培養學生用物理化學原理聯系定量模型與觀察到的化學現象的能力,深化學生對模型定性假設和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預測化學現象的基本技能。

學生應能記錄正確的測量值,估算原始數據的誤差。學生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現代儀器測量物理性質和化學變化,積累用這些儀器解決實驗問題的經驗。物理化學實驗應含有結合若干實驗方法和理論概念的綜合實驗教學內容。適用于工科化學(化工類)課程體系的物理化學實驗教學內容大體如下:

1.熱化學實驗

計算機聯用測定無機鹽溶解熱。計算機聯用測定有機物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學平衡實驗

不同外壓下液體沸點的測定。環己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點下降法測定物質摩爾質量。沸點升高法測定物質摩爾質量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數的測定。

3.表面化學實驗

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學動力學實驗

量氣法測定過氧化氫催化分解反應速率系數。蔗糖轉化反應速率系數測定。酯皂化反應動力學。一氧化碳催化氧化反應動力學。甲酸液相氧化反應動力學方程式的建立。可燃氣-氧氣-氮氣三元系爆炸極限的測定。計算機聯用研究BZ化學振蕩反應。

5.電化學實驗

強電解質溶液無限稀釋摩爾電導的測定。離子遷移數測定。原電池反應電動勢及其溫度系數的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結構化學實驗

磁化率測定。分子介電常數和偶極矩的測定。

三、面向專業的物理化學教學內容建設

當然,一個工科類專業的物理化學教學不可能也不必要包含上列的所有內容。因此,各學科專業教學指導委員會根據專業的培養目標和規格,在已經或即將公布的各學科專業的指導性專業規范中,制訂了包括物理化學在內的化學課程教學基本內容作為最低要求。如化學工程與工藝專業的規范(研究型)中規定:物理化學可分為兩部分,物理化學(I)主要內容為化學熱力學和反應動力學等,作為化工主干課的基礎,應注意與化工熱力學課程和化學反應工程課程的銜接和分界(一些內容可在化工熱力學課程和化學反應工程課程中展開,以加強工程背景);物理化學(II)主要內容為溶液理論、統計力學、量子力學等方面的概要以及近展等。各專業的物理化學教學基本內容充分體現了本專業的學科特點,是在保障人才培養質量的前提下,兼顧國內各相關學校的教學條件提出的基本要求。因此,它體現的是該專業人才的知識體系的共性。由于各校的學科背景和教學條件的優勢不同,要培養具有特色的專業人才,需要在教學中研究如何在滿足各專業的教學基本內容要求的基礎上開展物理化學教學。我們認為在教學內容建設中應堅持貫徹下列原則,才能切實發揮物理化學這一門專業基礎課程的作用。[4]

1.承前啟后,發揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學的聯系,深化化學原理課程中的物理化學理論,介紹其在后繼專業課程中的應用,以開闊視野并兼顧系統性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統的基礎內容要突出重點,講深講透,體現學科框架;選擇介紹相關前沿的內容以擴大知識面。

3.提倡內容側重的多樣化。針對不同專業時要不拘一格,倡導內容側重的多樣化;即便面對同一專業,內容側重亦應有寬松的選擇余地。

4.體現工科特色,強調應用性和實踐性。引入研究型實踐項目,使學生加深對理論的理解,提高應用水平。

四、建設物理化學教學內容的措施

華東理工大學物理化學教研室在國家精品課程和國家級教學團隊建設過程中,以提高專業人才的教育質量為目標,采取了一系列措施,提高物理化學課程的教學水平和質量,促進相關專業的課程體系建設。

1.根據授課專業的先修、后繼課程,研讀相關教材,如化學工程與工藝專業的現代基礎化學、化工熱力學、化工原理、化學反應工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動向和內容變革,并且請有關學科的學術帶頭人做物理化學在學科領域應用介紹的報告,提出教學內容改革建議。這樣做的結果一方面可以避免教學內容上不必要的重復,另一方面可以合理地選擇教學內容側重,實現化學基礎課程與專業課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學參考書,保障教學基本內容的教學質量,介紹物理化學學科發展、在交叉領域的應用;介紹溶液模型、線性自由能關系等半經驗方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學參考》、《物理化學》(第五版)、《物理化學導讀》、《物理化學釋疑》、《物理化學教學與學習指南》。開展教學研討,提高教師隊伍的學識水平和在教學中貫徹少而精、博而通教學思想的能力。

3.制作相關前沿課題和理論應用實例,如“正、負離子混合表面活性劑雙水相系統及其微觀結構”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術”、“復雜材料的微相平衡和結構演化的數學模擬”、“離子液體的合成、性質和應用”等教學素材,進行教學資源的儲備。

4.由科學研究項目提煉研究型教學實驗,如“界面上聚乳酸PLA膜的結構特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測”、“Gem-ini表面活性劑連接基團對合成硅基介孔材料結構的影響”等。

篇9

關鍵詞：圖式化；R/K判斷；學習取向；大學生

作者簡介：劉雪暖（1960-），女，山東曹縣人，中國石油大學化學化工學院，教授。（山東青島266555）胡靜（1983-），女，湖南長沙人，克拉瑪依職業技術學院石油化學工程系，助教。（新疆克拉瑪依833600）

中圖分類號：G642.0     文獻標識碼：A     文章編號：1007-0079（2012）10-0100-02

一、概況

盡管社會、高校和大學生自己都認為，結構化的知識才有利于理解、掌握和運用，但是只有部分學習者形成了結構良好的知識表征。康威等[1]和隋潔等[2]均認為，長時記憶中保持的是圖式及部分細節，并通過實驗檢驗了一般知識（圖式）和具體細節隨學習時間發生的變化，結果均表明，知識獲得是知識表征由情景記憶轉化為語義記憶的過程，結構性強的課程更容易促成這種轉化，優秀學生完成這種轉化的速度更快、比例更高。

為什么有些學生能更好地促成知識的結構化？學習方式理論[3]認為，這與學習者的學習取向有關。深層型取向使學習者傾向于理解知識，在新知識與其他知識之間建立廣泛聯系，其知識表征的質量高。表面型取向使學習者傾向于復制知識，將知識作為一個個孤立的單元分別記憶以備日后檢查，其知識表征非常零亂。東方學生還普遍采用第三種學習取向，稱為成就型取向，它使學習者傾向于按照教育者（或其他權威）的要求選擇加工學習材料的方式，既有可能通過閱讀指定的內容建構較好的知識表征，也有可能為滿足低認知水平的題目（如列舉）的要求而死記硬背。優秀學生可能因其較高的信息加工能力和先前具有的結構較好的知識而視新的學習內容為較小的負荷，能在理解的基礎上充分加工信息（深層型取向）并建構新的知識，學習質量高，有利于知識獲得的良性循環；而學習較差的學生受學習任務的高負荷所迫，即使認識到學習取向上可能存在問題，還是常常采用表面型取向以完成最低的學習要求，始終沒能比較好地建構知識。也就是說，學習取向與知識掌握的程度密切相關。

然而，傳統的評價知識獲得的方法往往不去區分死記硬背的學習者和理解建構的學習者，無論他們以何種方式再現了所學內容，得到的評價大致相同，偶爾建構者還會因回答離題太遠而獲得較復制者更低的評價。[4]在基礎教育階段學習任務相對較少，無論采用何種學習取向的學習者均有可能獲得成功，當他們進入大學以后，面對驟然增多的學習任務，表面型取向未能建構知識的問題就較容易暴露出來，而且到了高年級的專業課上，由于其基礎知識未能建構成體系，要融會貫通、靈活運用就越發顯得困難，深層型取向的學習者則正好相反。例如在化工專業，通常認為，“化工熱力學”比“化工原理”難學，但“化工原理”的結構性不如“化工熱力學”完整，零散的知識比較多，時而要用到不同的基礎課的知識，很可能表面型取向的學習者會認為“化工原理”容易學，而深層型取向的學習者會認為“化工熱力學”容易學（盡管難度大）。在這兩門難度和結構化程度不一致的課程上，較優秀的大學生因學習取向的不同可能有什么樣的學習結果，值得研究。

二、調查對象和方法

1.對象

226名中國石油大學三年級學生參加了實驗，其中“化工熱力學”課程有132名學生參加（男生73人，女生46人，其余未填寫），“化工原理”課程有94名學生參加（男生64人，女生30人）。

2.工具和材料

使用Biggs學習過程問卷（1987）測量學習取向，[5]該問卷的6個維度分別為表面型動機、深層型動機、成就型動機、表面型策略、深層型策略、成就型策略，每個維度有6個項目，5點計分。合并對應的動機和策略分別得到表面型取向、深層型取向、成就型取向得分。

知識獲得的測量采用了隋潔等的R/K判斷，[2]其中R是自我覺知的操作定義，代表情景記憶，K是一般覺知的操作定義，代表語義記憶。具體方法如下：課前由任課教師按照授課內容編寫10道有三個選擇支的單項選擇題，題目的難度控制在學生只要記得當堂課講過的內容就能憑記憶答出的水平，每道選擇題之后附有意識狀態類型的選項，要求學生回答自己作此選擇是“記憶的”、“知道的”，還是“猜測的”，依次記為R、K、G。樣題如：

目前應用最廣泛的傳熱設備是（ ）換熱器。

A. 列管式 B. 蛇管式 C. 套管式

你完成選擇的方法是（ ）。

A. 記憶的 B. 知道的 C. 猜測的

指導語要求學生先選擇答案，然后對所選擇答案進行意識狀態類型的判斷，并詳細說明“記憶的”指“記得老師講解這一內容時的情景，比如她正站在窗戶邊，或者當時曾叫你在書上第幾頁劃過線”，“知道的”指“就是知道這個答案對，但是已經記不得講這一內容時發生的各種事件”，“猜測的”指“不知道哪個是正確答案但是覺得其他選項不對因而推測出這個選項或隨意猜了一個答案”。按照這一指導語，R和K的含義與康威等的一致，而G更類似于他們的F（熟悉感）。

3.施測程序和數據處理

在課堂教學完成后，由任課教師整班發放選擇題，在陳述完指導語之后請學生作答。之后發放學習過程問卷，要求學生按照指導語完成，并將兩份測量工具一同收回。

學習過程問卷上極少數項目的缺失值用受試者所在班級該項目的眾數代替，分別求出其表面型取向、深層型取向、成就型取向得分并換算成其在各自班級里的標準分數，然后以±0.5個標準差為分界點將受試者分為各種學習取向上的低分組、中間組、高分組。統計受試者R、K、G上的正確數，并求出正確總數，按照正確總數在0～3、4～5、6～7、8～10之間，將受試者分為學生等級上的不合格組、合格組、中等組和優秀組。

三、調查結果

1.226名大學生的學習取向

學習“化工熱力學”的學生的表面型取向、深層型取向、成就型取向得分（M±SD）依次為37.54±6.02，40.83±6.10，36.89±6.34，學習“化工原理”的學生的上述得分依次為36.76±5.68，43.48±6.07，37.23±7.01，經檢驗均為深層型取向得分高于表面型取向和成就型取向得分；“化工熱力學”班級的深層型取向顯著低于“化工原理”班級，tα/2 = -3.221，p = 0.001。

2.不同等級的學生各種意識狀態類型下的正確數

表1詳細列出了學生各意識狀態類型下的正確數。方差分析表明，意識狀態類型與學生等級的交互作用顯著，F（6，438）= 4.518，p < 0.0005；二者的主效應也都顯著。簡單效應分析表明，中等組的R和G小于K，優秀組的G小于R和K；優秀組的R高于其他各組，合格組的K低于優秀組，各等級的G沒有差別。

3.不同學習取向對正確總數的影響

方差分析表明課程的主效應總是顯著，在表面型、深層型、成就型三種學習取向上分別有F（1，220）=14.416，p

4.不同學習取向對各種意識狀態類型下的正確數的影響

方差分析表明意識狀態類型和課程的主效應總是顯著（p

四、討論

實驗結果支持知識獲得是知識表征從情景記憶向語義記憶轉化的觀點，更優秀的學習者有更多的K，說明他們的圖式化完成得更充分；但是知識表征不會徹底轉化為圖式，最高等級的學習者不僅有更多的K，而且有更多的R，在已很好地建構了知識的基礎上，記住一些細節能讓學習者的知識結構更為豐富。反映熟悉感和猜測成分的G并無差異，它很可能是無意學習的結果，知識表征的知覺特征較明顯。

學習“化工原理”課程的學生，深層型取向更高，可能是因為這門課程的知識理解起來較容易，無需高負荷的認知活動，那些既可以采取表面型取向又可以采取深層型取向的學習者可以實現深層型取向的要求即理解并建構知識；而“化工熱力學”認知負荷更高，上述學生極有可能在來不及理解的情況下轉而采用表面型取向以求先記住再說，特別是那些過去曾經采用表面型取向取得成功的學習者。相比之下，總是采用深層型取向（或表面型取向）的個體不太容易一遇到困難就改變學習取向，他們對這種差異的貢獻應該不太大。

為什么不是所有學生都在更難的“化工熱力學”課程上更少或更慢地建構了知識，即他們都有較低的深層型取向？以下實驗結果不支持這種推測：“化工熱力學”的正確總數多于“化工原理”，在“化工熱力學”上有G

當然，本研究采用的測驗形式本身不利于檢驗出表面型取向對R/K判斷的影響，因為題目的內容和難度都是學生可以憑借對課堂情境的記憶回答出來的，不能充分暴露持深層型取向者建構知識的后果。如果在各種類型的問題上深層型取向都顯示出有助于知識的掌握，而且課程的圖式化程度越高這種作用就越明顯，就有必要通過調整課堂教學使課程更易于圖式化以促進學習者去采用深層型取向建構知識。大學教材的編寫通常遵循著學科本身的邏輯，反映的是人類到近期為止對某一事物的綜合認識，但一般來說沒有反映形成這種認識的過程，也就是說它很有可能與學習者建構知識的心理過程不符。學習者不可能像編寫者那樣高屋建瓴，一開始就整體把握學科的框架，因此，教材需要適應他們現有的知識結構，從容易建構的切入點開始，而不必固守從學科的最基本的概念出發等做法。即使是對于通過高考選拔進入重點大學的優秀學生，由于考試本身在評價學習質量上的缺陷，其中不乏高表面型取向的復制者，這也是不可避免的現象。為提高他們的學習質量，教育者不僅要對其進行心理輔導與教育，也需要為他們營造適宜建構知識的學習環境，使他們能從學習取向的轉變中得到最大的益處。

五、結論

掌握知識首先需要形成一定數量的語義記憶，在此基礎上情景記憶能使知識表征更為完善；圖式化程度高的課程有利于知識表征轉化為語義記憶，因而有利于掌握知識，表面型取向僅在圖式化程度不高的課程上減少正確總數，即妨礙知識獲得。

致謝：感謝中國石油大學2008級參加“化工熱力學”和“化工原理”課程學習的各位同學及任課教師的配合與支持！

參考文獻：

[1]Conway,M. A.,Gardiner,J. M.,Perfect,T. J.,Anderson,S. J.,& Cohen,G. M. Changes in memory awareness during learning:The acquisition of knowledge by psychology undergraduates[J].Journal of Experimental Psychology:General,1997,126(4):393-413.

[2]隋潔,吳艷紅,王金鳳,等.中學生知識獲得過程是從情景記憶向語義記憶轉化的過程[J].心理科學,2003,26(5):784-789.

[3]吳維寧,高凌飚,李佳.學習過程研究與學習方式評測[J].教育測量與評價(理論版),2008,(5):4-7.

篇10

關鍵詞:相似原理; 電網絡模型; 非電系統; 動力系統

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0127-04

Application of Electrical Net Model in Dynamic Systems

LI Mei1, XU Ting2, CHENG Wei-liang2

(1. Sh

nxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China; 2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract: The correspondence principle of electrical system corresponding to other systems is established according to similarity principle. The application study on electrometric method of dynamic systems is brought into effect. The typical examples on mechanics, biochemistry and thermodynamics are given respectively. The electrical-network topology structure is established and the electrical-network modeling and simulation are implemented by analyzing the spring-mechanism system. A blood-vessel topology structure is adopted to realize the correlative simulation and analysis. The port network based on thermodynamics parameters and correlative model are described in accordance with the essence consistency between electrical-network method and engineering thermodynamics. These above declare that the electric-network model is a generic processing tool for power-flow systems, and has a broad prospect in the analysis of non-electric systems.

Keywords: similarity principle; electric-network model; non-electrical system; dynamic system

0 引 言

當前,隨著工業及其自動化的迅猛發展,模擬方法已經成為各種復雜系統研制工作的必不可少的手段。建立模型是系統模擬分析的基礎,其本質是依據系統之間的相似性原理。在研究不同類型的系統時,一種系統可能比另一種系統更容易通過試驗進行研究,所以可以在一對系統之間建立一種對應關系,從而可以利用模型對實際系統進行研究。這樣不但可以使實驗系統簡化,而且使實驗成本和復雜及危險程度大大降低。

隨著工業中各學科的不斷發展,學科的交叉和滲透也是當前科技輝煌發展的重要方向之一,電路及點網絡理論已經在機械力學、生物醫學、工程熱力學,甚至在經濟學等領域上已經初步得到了應用[1-3],尤其在前兩個學科上的應用已經日趨成熟[4-7],如擴散-對流-化學反應的耦合和相應傳輸求解問題、網絡的拓撲處理、三角化學反應問題、微觀對稱網絡與混合網絡、非平衡態熱力學與運動學系統的時間特性與進化、分段線性網絡、穩定與搖擺等。利用電路系統來模擬實現能源動力系統的分析和優化,將大大提高對實際系統的分析效率和處理精度。

1 電網絡系統的物理構成法則

在電學中,其基本計算處理元件包括電阻、電容及電感。它們的u-i或u-q關系式如下:從物理意義上講,電阻與力和流有關,電容與電荷和力有關,電感與沖量和流有關。對于理想化的電阻,它的作用可以理解為通過網絡元件的所表現出來的耗散。在網絡的Langrangian公式中,電阻代表了系統的非守恒思想。電容是一種沒有耗散的能量儲存形式,表現為趨于平衡的孤立系統的理想狀態。由于在電容的真實過程中總是存在耗散的,因此現實電路中要求有┮桓霆電阻與電容串聯以保證在數學上對系統的忠實描述。在大多數系統中,電容還是系統提供動力的元件。電感是一個理想的慣性元件,其模擬應用的主要領域是機械學。

2 動力系統中的模擬應用

電網絡在動力系統中模型的建立過程,其實就是等效電系統的過程,其對應原則遵循電路、電阻和電容的廣義思想策略,即在一切含有物流與能流的動態系統中,不論該系統中是否有電的存在都可找到電系統中電阻、電容和電感等概念的對應物,電阻可以對應各種阻力和對能量的消耗與節流,電容可以對應各種形式的儲存能量,而電感則可對應各種慣性存儲能量。這樣所建立的網絡模型很自然要服從Kirchhoff的電流電壓定律,而這兩條定律是正交的,正適合各種強度量與廣延量之間的關系,因此從理論上講,電網絡模型可以模擬表達任意的力(強度量)與流(廣延量)的耦合參數與信息狀況。

2.1 彈簧機械系統模擬描述

機械學中存在的許多物理現象,都可用對應的電方法描述,進而為相應問題的求解和分析提供了一種可行的簡潔途徑。圖1為一個由質量、彈簧、阻尼器組成的機械系統(阻尼器的質量可以忽略不計),在對應的圖2中,描述為一個對應的由電阻、電感、電容組成的模擬電路系統[8]。

圖1 簡單的彈簧機械系統

圖2 圖1對應的拓撲結構圖

上述系統描述后所建立的模型分別為:

md2xdt2+fdxdt+kx=P

(6)

Ld2qdt2+Rdqdt+1cq=u

(7)

可看出,這兩個方程具有相似的數學描述,并且在參數上存在一一對應的關系,相應地兩者的響應也具有相似的振蕩特性。設圖1中,木塊質量m=1 kg,阻尼系數f=02 N/(m•s),彈性系數k=40 N/m,則對應電路中,L=1 H,R=02 Ω,c=0025 F。用電路仿真軟件PSpice仿真,t=0 s時,向電壓源施加激勵1 V時,

回路電流隨時間的變化曲線中,開始振幅很大,隨后沿中心線逐漸衰減,最后回落至零。而用Matlab仿真圖1機械系統時,在施加力P為1 N時,對應彈簧的振動速度dx/dt隨時間的變化曲線也類似于上面電氣系統進行模擬仿真的變化規律。這時,如果參數選擇適當,其結果在數值上,同利用機械系統進行試驗的結果將完全相同,因此可以將機械系統通過電氣系統的相似模型來處理[9] ,其相似對應關系如表1所示。

表1 機械系統和電氣系統的相似性

機械系統電氣系統

力P /N電壓E /V

質量m /kg電感L /H

阻尼器阻尼系數f /(N/(m•s))電阻R /Ω

彈性系數k /(N/m)電容的倒數1/C /F-1

位移x /m電量q /C

速度dx/dt /(m/s)電流i /A

2.2 在生化的動力系統中的應用

在生化的動力系統分析中,各種化學反應也是微觀粒子在濃度差的驅使下發生變化的過程,這也符合電網絡理論體系中力-流的關系[10]。例如建立血管系統的電路模型,為簡化計算過程,可作如下假設:血液為不可壓縮的牛頓液體;血管為薄壁直圓管;除主動脈上升支和主動脈弓外,其余部位血管中的流動均為軸對稱的層流,其流速呈拋物線分布;只考慮血壓沿其軸向的變化;忽略血管壁的運動,則可由Navier-Stokes方程得到各段血管壓力及流量間的關系,具體的關系式如下:

qn=1Ln∫(pn-1-pn+p┆Gn-Rnqn)dt

(8)

pn=1Cn∫(qn-qn+1)dt+0.002(qn-qn+1)Cn

(9)

即每段血管可由四元件等效電路來模擬,其中:pn,qn為第n段血管的壓力和流量;pn-1為前一段血管的壓力;qn+1為下一段血管的流量;式(9)中的最后一項為考慮血管的粘滯性而加入的修正項。

圖3為所研究對應血管段的等效電網絡圖,PE表示各血管段所受外加壓力;Rn,Ln及Cn分別表示第n段血管的等效流阻、У刃Я韉綹屑把管等效電容,其值可由式(10)~式(12)求出:

Rn=8πμ3n/V2n, Vn>Vn0

8πμ3nVn0/V3n,Vn

(10)

Ln=2ρl2n/Vn

(11)

Cn=3πr3nln/(2Ehn), Vn>Vn0

60πr3nln/(2Ehn),Vn

(12)

式中:Е鹽血液密度;Rn為血管半徑;ln為血管長度;hn為管壁厚度;μ是粘滯系數;E是管壁的彈性模量;Vn為血管容積;Vn0是血管內外跨壁壓為0時該血管段的容積。

圖3 第n段動、靜脈血管的等效電路模型

2.3 熱力學的電網絡模型

這里打算從一個熱力系統開始,以便構建每個能量節點的端口網絡[11]。例如,存在一個含有強度量溫度T和廣延量熵S的熱力端口。假定流入端口的流為正,熱力學絕對溫度的定義為:

T(U/S)

(13)

設系統中其他所有廣延量為常數,則這個端口能量U的變化dU為:

dU=(U/S)dS=TdS

(14)

把熵dS看作是流,溫度看成力,這個端口就類似于在非平衡網絡中的端口。同樣,各種形式功的端口也可以類似地表示為:

式中:P,A,μi,dV,dξ,dNiХ直鴇硎狙沽Α⒒學親和力、組份i的化學勢、體積變化、反應程度和組份i的摩爾數變化。

還可考慮一個含有兩個自由度的均勻流體系統。該系統可以用一個二端口網絡表示,其中端口變量dS,dT為力,dP,dV為流。為便于對稱處理,將dV定義為系統外部的體積變化,而不是內部體積變化。

圖4 平衡態簡單系統的熱靜力學網絡

該端口網絡所表示的系統如圖4所示,對其可列出如下處理模型:

E1=dT=(T/S)VdS+(T/V)SdV

=R11F1+R12F2

(18)

E2=dP=(P/S)VdS+(P/V)SdV

=R21F1+R22F2

(19)

對于非平衡態的系統而言,當且僅當互易條件成立時,該端口網絡才是拓撲連通的,因此對上述模型,根據熱力學麥克斯韋互易有:

(T/V)S=(P/S)V

(20)

對于構成n端口z參數電網絡模型的情況,同樣可取T,P,S及V的任意2個端口增量為自變量[12],根據麥克斯韋互易關系,可以分別得到計算用矩陣U,H,A及G(見表2)。

對于表2中的結論,可通過運用電網絡理論方法以理想氣體為例進行分析,以說明上述結果的合理性。根據理想氣體的狀態方程:

PV=nRT

(21)

可以得到G參數方程的系數:

g21=VTP=nRP

(22)

g22=VPT=-nRTP2

(23)

g12=-g21

(24)

表2 二端口增量能量網絡的基本特性

名稱[U][H][A][G]

因變量T,PT,VS,PS,V

自變量S,VS,PT,VT,P

矩陣式u11u12u21u22

h11h12h21h22

a11a12a21a22

g11g12g21g22

矩陣的一階偏導描述形式

TSVTVS

PSVPVS

TSPTPS

VSPVPS

STVSVT

PTVPVT

STPSPT

VTPVPT

麥柯斯韋關系TVS=-PSVTPS=VSPSVT=PTVSPT=-VTP

根據微分原理,設G=G(T,P)為連續函數,全微分的充分必要條件為:

g11PT=g12TP=-g21TP=氮2V┆T2P=0

(25)

可看出,g11僅為P的函數,即g11=g(p),因而G參數方程可以表示為:

dsdv=g(p)-nRP

nRP-nRTP2dTdP

(26)

由以上的分析可看出,熱力學的電網絡形式在方法上找到了與熱力系統參數一一對應的拓撲矩陣,這為熱力系統的電方法分析提供了嚴謹的理論基礎,其結果形式簡單,對為進一步開拓能量系統的電網絡分析和應用提供了強大的理論及技術支撐。

3 結 語

闡述了以電路方法模擬動力系統的基本原則和法則,提出主要以電阻、電容和電感基本元件為基礎的模擬計算和分析,以便于實現動力系統的電方法分析研究。在彈簧機械系統的分析中,建立了相應的電網絡拓撲結構,實現了該系統的電網絡建模,并進行了仿真計算,得出的結果說明了建模的合理性。在生態學及生物學的應用中,圍繞其動力學方面的問題,應用電網絡方法進行了分析處理,通過對某段選定的血管拓撲結構建立實現了其電網絡建模,為進一步的生物學分析研究提供了相關的流體動力學基礎。在工程熱力學的基礎理論方面,提供了電網絡方法和工程熱力學在某些本質方面的一致性,描述了以熱力學參數為描述對象的端口網絡和描述模型,建立了工程熱力學問題研究的電網絡分析方法基礎。

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