工程热力学原理范文

导语：如何才能写好一篇工程热力学原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：工程热力学；教学改革；教材；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）38-0199-02

《工程热力学》是高等院校机械工程类、能源与动力类等专业的一门必修专业基础课程。该课程主要研究热能与机械能相互转换的规律，以及合理有效利用热能的基本理论，对培养学员科学素养、创新性思维和实践能力，以及专业课程学习都将起到奠基的作用。通过《工程热力学》课程的学习，使学员掌握热力学的基本概念和基本规律，并能正确运用这些规律进行热力过程、热力循环分析和计算；培养学员科学分析和逻辑思维能力。养成实事求是的科学态度和勇于探索、刻苦钻研的科学作风。经过数十年的持续建设，《工程热力学》课程在教学内容、教学方法和手段、实验保障设施、师资队伍建设等方面进行了大量的建设和改革，取得了显著的效果。

一、教材和教学内容改革

在教材和教学内容方面，课程组近年来开展了《工程热力学》“立体教材”体系的建设工作。以课程教学为基本形式，以综合能力的培养和提高为基本目标，利用多种教育化教育手段，构建新颖教材、网络课程、多媒体课件、教学辅导书等组成的内容丰富、功能齐全的《工程热力学》综合性立体化教学资源。从而使教学质量和教学效率大为提高。在人才培养方面，取得了丰硕的教学成果。多年来不断更新选取适合本科人才培养和专业需求的高水平教材，以满足课程标准的要求。《工程热力学》目前采用华自强等主编的《工程热力学》第四版，由高等教育出版社2009年11月出版。该教材是国家“普通高等教育十一五国家级规划教材”，被众多院校广泛采用。该教材还有配套习题，方便学员进行课后复习和自测。此外，课程还指定了多部教材和教学辅导书，供学员学习和研究使用，包括清华大学出版社2011年6月出版，朱明善主编的《工程热力学（第2版）》；高等教育出版社2007年6月出版，童钧耕主编的《工程热力学学习辅导与习题解答》；McGraw-Hill2005年出版的由Yunus A.Cengel主编的《Thermodynamics An Engineering Approach the 4th edition》等。针对授课专业增多，内容增加，学时减少及面向装备扩大和发展的实际，在对后续专业课程需求和部队需求深入调研的基础上，着眼当前需要和未来发展，从以下三个方面入手进行了课程内容体系的优化重组。

1.突出重点内容，贴近装备实际，针对装备特点突出与动力系统工作原理密切相关的热力学知识。弱化蒸汽的热力性质及其动力循环方面的内容。

2.以计算机网络为平台，结合《工程热力学》理论在武器装备上的具体应用和实验室发展，引入了计算机编程求解和虚拟实验等现代教学实践内容。

3.利用自主研制的和虚拟实验软件，以及课程组成员科研项目多的优势，引入了创新实验等研究性教学内容。优化重组后的新课程内容体系，以经典《工程热力学》内容为主体，科学处理了经典与现代的关系，引入了新知识和新技术，强调了知识的综合运用和实践训练，保持了课程教学内容的系统性、科学性和前沿性。

二、教学设施建设

《工程热力学》课程在教学设施方面取得了明显的进步。特别是近年来，本校充分利用各种科研项目成果，进一步完善本课程实验设备，更新了多套空气定压比热测试设备。对喷管流动演示实验的硬件平台进行改造，设计编制了具有虚拟实验和在线分析的分布式喷管流动演示实验网络平台。保障实践环节均能以实物操作为教学的主要手段，实验教学水平达到国内先进水平。为使学员在课堂以外能够及时的复习和总结，补充课堂教学内容的不足，针对课程的特点设计并完成了《工程热力学》的网络课程。该网络课程集教学指导、教学实施、自主学习、测试考试等功能于一体。目前已经完成本课程的网络课程建设，学员可以在校园网上观看课程授课的视频录像，课程内容的在线学习和测试，该网络课程的建设丰富了学员的学习途径，对于促进学员的学习积极性，提高教学效果发挥了积极的作用。通过多年来的建设，课程网络教学环境建设成效显著，形成了以教材、多媒体为主和网络教学环境为辅，集理论教学和实践教学于一体的课程网络教学特色。从毕业学员反馈的情况来看，利用网络教学环境，不仅显著地增加了课堂的信息量，而且有效改善了教学效果。利用新技术更新了实验平台，培养学员实践、创新能力的新做法。通过自主设计、研制的喷管流动演示虚拟实验软件平台，该虚拟实验平台具有良好的开放性、自主性、综合性，而且突破了实验受设备、场所、环境、时间的限制，有效提高了学员的实践创新能力和综合素质。

三、教学方法改革

教学改革是提高教学水平和教学质量的根本保障，多年来课程组一直十分注重加强和深化教学改革，并取得了一定的成果，具体做法如下。

1.课堂教学采用启发交流式，实现单向知识传输模式向师生交互模式的转变。利用自主研制的功能完备，界面友好，集授课、自学、测试、管理等功能于一体的《工程热力学网络课程》，依托校园网和多媒体教室等，构建了教学互动，适合自主学习、协作学习、相对宽松的双语多媒体网络教学环境，实现了教员主导作用和学员主体作用的和谐统一，在提高教学效果的同时，培养了学员主动、有效地获取知识的意识和能力。

2.在教学方法上，改进课堂讲授方式，采用“研究型”的教学模式。针对课程特点，强调培养学员掌握理论、应用和试验三个方面的知识与能力：《工程热力学》的理论，《工程热力学》基本理论和概念的掌握，培养理性思维和分析能力；《工程热力学》的应用，面向装备和工程实践，熟悉了解实际《工程热力学》问题，培养应用原理解决问题的能力；《工程热力学》的实验，通过综合性试验培养学员的动手能力和科研工作素质。

3.注重学生创新能力培养。结合课堂教学，开展科技创新活动，使学生综合素质能力获得提高。

4.根据学员的反馈不断完善教学文件。对已有的教学计划、教学大纲、优秀的教材进行及时的更新和完善，并作为素材之一放在教学网站上，作为学习的参考资料供学员下载学习使用。总结：笔者经过多年的教学实践，对《工程热力学》进行综合的教学改革，收效明显。教学质量和教学效率得到很大提高，在培养新型专业人才方面，取得了丰硕的教学成果。

参考文献：

[1]谭羽非，赵金辉.工程热力学立体化教材建设与实践[J].吉林建筑工程学院学报，2010，（2）.

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关键词 工程热力学 教学方法 教学质量 实践

中图分类号：G420 文献标识码：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

工程热力学是一门以热力学普遍原理为基础，讲述热能与其他形式能量（主要是机械能）之间的转换规律及其工程应用的基础学科，是动力、能源、机械、材料、航空航天、生物（医学）、化学以及环境工程等专业的重要技术基础课，也是培养21世纪工科学生科学素质的公共基础课。

然而长期以来，由于工程热力学的概念抽象、理论深奥，对知识的理解和掌握有一定的难度，造成教师不易教，学生也不易学。学生对很多概念似懂非懂，缺乏学习兴趣，教学效果欠佳。显然，如何教好“工程热力学”，使学生掌握热力学基本原理及其工程应用，已成为该课程教学的关键。

1 课程特点及学习中存在的问题

工程热力学是以热力学普遍原理为基础，针对具体问题采用抽象、概括、简化和理想化的方法，建立分析模型，推导出一系列有用的公式，得到若干重要结论，并用这些公式和结论指导和解决工程实际问题。其显著特点如下：

1.1 概念多且抽象难懂

工程热力学不但概念多，并且概念的物理意义在不同使用条件下又有不同的引申，学习中很容易混淆。例如，功的概念，有体积变化功、有用功、排斥大气功、推动功、流动功和技术功等等。热容的概念，既可从定义出发分为质量热容、摩尔热容、体积热容；又可按热力过程的不同分为比定压热容和比定容热容；还可以根据热量计算方法的不同分为真实比热容、平均比热容和定值比热容等。热力系统的概念、热力过程的概念和循环的概念等也是如此。

工程热力学的概念、定律和分析过程较为抽象，都不涉及物质的具体结构，初学者很难深入领会。而且工程热力学的很多概念和结论都是用数学公式来表达的，且推导过程并没有结合具体的物理过程，而仅仅是通过数学关系式间的变换得出其物理结论。例如，从熵的定义式来看，熵应该与换热量和系统温度有关，但定义式又是怎样反映热过程进行的方向、限度和条件呢？由于学生以前很少接触用数学语言描述物理概念的方法，普遍感觉热力学的概念抽象难懂。

1.2 内容相互交叉且难理解

工程热力学的研究内容也很多，主要包括热力系统、状态参数等基本概念，热力学第一、第二定律等基本定律，常用工质的性质，过程和循环的分析及计算方法，化学热力学等等。有些章节的内容还可以单独成为一门学科方向，如研究燃气动力循环的内燃机学，研究气体流动的空气动力学等。

可见，这些具体的研究内容，即与热力学的基本原理相关联，又引伸出许多复杂的公式和结论，还有自己相对独立的结构体系。在学习过程中，学生普遍感觉课程的内容繁多，应付不暇，难于理解，顾此失彼。

1.3 公式应用条件复杂且难记忆

工程热力学与工程实际问题联系密切，涉及面广，公式很多。即使同一个公式，在不同的应用条件下，也有很多不同的表达形式。例如，热力学第一定律对于闭口系和开口系有两种不同的表达式；对于可逆过程也有不同的表达形式；对于理想气体的可逆过程还有不同的表达形式。这么多不同形式的公式，许多学生很难吃透公式的物理意义和具体的应用条件，在遇到热工实际问题时，往往无法确定选用哪一个公式，灵活应用就更不用说了。

2 明确学习目的，激发学习兴趣

兴趣是学习的动力源泉之一，教学成功的关键是培养学生的学习兴趣。教师可以从多个方面激发学生学习的兴趣，但最重要的就是在第一堂课上让学生明确学习的目的。教师除了要对工程热力学的发展历史，主要研究对象、内容和方法作一个常规的介绍外，还应对课程的开设情况、课程的实用价值和重要作用进行深入细致的阐述。首先，热现象几乎是每一个工程领域中都会碰到的物理现象，能量的有效与合理的利用几乎是每一个工程师都需要解决的问题。在一些领域中，热现象的规律还是制约技术发展的瓶颈问题。所以，在境内外的高等工程教育中，传热学、热力学与流体力学课程的开设相当普遍。其次，无论从工业生产过程来看，还是从节约能源消耗来看，理工科学生都应该具备合理节能、用能的意识，并懂得其基本的应用技术。而热工类课程的内容就是合理用能及节能理论中的最基础与最核心的部分。最后，还应结合生产和生活中的实例，让学生明白学到的热力学知识可以解决和解释很多实际问题，特别要强调专业与课程的联系，和实际问题在课程中的理论基础。这样，才能使学生明确学习《工程热力学》的专业目的性，对学习该门课程充满期待。

3 教学方法的改革与实践

实践证明，提高课程教学质量的关键是改进教学方法。针对工程热力学课程的特点，经过探索发现，实行启发式教育，在课堂上加强互动，就一两个中心问题展开讨论，让学生在思考中吸收新知识。先进的教学方法既可活跃学生的学术思想，激发学生的创新精神，又可显着提高本课程的教学质量。

3.1 整合知识结构，优化课程体系

调整后的新专业所牵涉的知识结构比以前广泛的多，要求学生掌握的知识面也比以前更宽。从培养复合型人才考虑，在不增加学时数的基础上，应对课程体系进行优化和整合。

教学内容应提高起点、后移重点，简化大学物理热学中已涉及的部分内容，并略去繁琐的公式推导。强调课程体系中理论与应用的有机结合和相互渗透，注意培养学生工程应用的观念。同时，适当地介绍新型制冷循环、新型节能材料的工质热物性等，本学科的最新研究成果及其应用，以扩大学生的知识面，启发学生的创造性思维。另外，注意与其它课程之间的协调，上挂高等数学、理论和材料力学等基础课程，下挂内燃机原理、锅炉原理、供热工程、制冷工程等专业课程，保证其作为技术基础课程能为后续课程的学习、今后的工作和进一步的研究奠定扎实的理论基础。

3.2 突出重点，精讲多练

在课堂教学中，根据工程热力学的特点和教学改革的要求，应采用精讲多练的教学方法。这是因为，课程的内容多而课时少，教学中也不可能做到面面俱到，而某些原理在后续专业课程的学习中还会应用，授课时应有所侧重，实行“精讲”；课程有诸多应用条件复杂的公式，只有通过多做练习，才能深入理解公式的物理意义、变换规律及具体应用条件，做到融会贯通，灵活的应用它们来分析解决工程实际问题。

3.3 正确应用图表，化抽象为形象

图表具有直观、形象、方便的特点，在工程热力学中有其特殊的作用，应用也是经常性的。因为有些热力过程或循环十分复杂，一般的分析计算根本不可能，只能凭借各类绘制的图表进行计算；借助图表还可利用计算机进行数值计算和模拟。所以，引导学生正确使用图表是工程热力学教学中应该特别重视的。

在刚开始接触简单的P-V图、T-S图时，为了给理解水蒸气和湿空气的图表奠定基础，就应提醒学生注意图表的作用和细节，如怎样在图上区分吸热、放热，对内、对外作功；怎样在图上表示热过程的方向等等。在介绍水蒸气的h-s图和湿空气的h-d图时，应重点说明它们的构图原理，并通过各种等值线簇的绘制，讲解各参数的变化规律。另外，为了让学生掌握各种图表的使用方法，还应安排一定数量的、通过图表进行热力计算的习题。

3.4 利用计算机辅助教学，促进师生互动

工程热力学课程内容含有许多抽象的工作原理图、系统循环图。常规的板书教学浪费时间效果也不太理想。如果把这部分内容制作成集声、光、色、图、文于一体的多媒体课件，既直观形象，又新颖生动。不但可加强授课的生动性，激发学生的学习兴趣，还可加大教学信息量，增加单位时间内授课内容的深度和广度，有利于学生理解和记忆课程内容。例如，我们可以用多媒体课件演示各种热过程曲线的生成，还可以利用计算机绘制水蒸气的各种图线，免除查图、查表的麻烦。

总之，在课堂上进行形象直观的教学，充分利用计算机辅助教学，发挥多媒体的作用，可以帮助教师有效地提高教学效果和教学效率，也可以改变学生死记硬背和被动接受知识的学习方式。

3.5 加强实践教学，理论联系实际

工程热力学有较强的工程应用背景，在加强基础理论教学时，还要注意紧密联系工程实际，吸收当今热工科技的新成果，培养学生的创新能力。

实验教学具有直观性强的特点，可以很好地配合课堂教学。除了开设“空气绝热指数的测定”、“饱和蒸汽P-T曲线关系的测定”等验证性试验外，还开设了综合设计性试验，要求学生根据试验目的，自己设计试验方案，写出详细的试验，并选择试验设备和用具，经教师审查合格后，方可开始试验，最后还要进行实验误差分析。通过试验，一方面加深了学生对热力学基本原理的理解和认识，另一方面也锻炼了学生的动手能力和独立分析问题、解决问题的能力。

在课堂教学中，还应注重理论联系实际，把抽象的理论知识与生动的工程实际问题相结合，用热力学理论剖析自然现象，做到学以致用。一方面，可以采用案例教学法。例如，用相对湿度的概念来解释为什么阴雨天晾衣服不易干，而晴天易干；用热效率的概念来解释为什么用电炉取暖比用电驱动热泵取暖浪费等等。另一方面，结合具体教学内容适时地向学生介绍学科的最新研究成果及其应用。例如，在讲解动力循环时，可以选择介绍目前内燃机利用兰金循环回收废热能量，提高整机效率的方法。实践证明，把教学内容与工程实际问题密切联系的教学方法，可以加强课堂教学的前瞻性和趣味性，能有效调动学生的求知欲，使其由“被动接受学习”转变为“主动研究学习”，对提高教学效果大有帮助。

4 强化考试对教学的推动作用

考试作为检验学生对课程内容掌握程度的标尺，关系到教学质量和效果。为了使考试成绩能科学、客观、公平地反映学生对工程热力学知识的掌握和应用能力，同时调动学生学习的主动性和积极性，可采用学生普遍认可的综合评定成绩的方式，即平时成绩占10%、考勤占10%、实验占10%、期末考试占70%。

为了有效避免学生死记硬背概念、定律和公式，教师应综合运用选择题、判断改错题、计算题和综合分析题编制试卷，灵活考察热力学的基本原理及应用。这是因为实际问题往往非常复杂，需要学生灵活应用多方面的理论知识才能做出正确解答。对于那些基础知识不扎实的学生，只是简单记住了书本上概念、定律和公式，面对各种似是而非的叙述也会举棋不定，做出错误判断也不足为奇。

5 结束语

工程热力学是一门充满生机的经典学科，大量的经典内容仍是现代学子为培养创新能力必须掌握的重要基础。由于课程具有概念多且抽象、知识点多且相互交叉、公式多且应用条件复杂的特点，教师要把这门课讲得精彩很不容易。因此，如何有效的提高“工程热力学”的教学质量、解决学生难学、教师难讲的问题，是值得长期研究的课题。

针对我校热能与动力工程专业课程体系的教学改革，并结合自己的教学实践，通过以上的尝试，有重点、有目的的讲解，取得了一定的效果，希望能对提高本课程的教学质量有所贡献。

参考文献

[1] 沈维道,童钧耕.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2] 曾丹苓,敖越等.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[3] 何雅玲.工程热力学精要分析及典型题精解[M].西安:西安交通大学出版社,2000.

[4] 何宏舟,邹峥等.提高“工程热力学”课程教学质量的方法研究[J].集美大学学报,2002(3):3.

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论文摘要 结合多年从事化工热力学教学的经验，根据化学工程与工艺专业培养方案要求，探讨提高化工热力学教学质量的方法。精选教学内容，使之具有合理性、实用性，达到理论与实践相结合。加强学科间的沟通与衔接，科学组织教学；引导学生对热力学性质计算的编程求解，采用双语教学，加强综合知识的能力培养；强化实践环节的训练，注重学生科研能力的培养；适度引入多媒体教学，提高教学水平和教学质量；改革考核方式，注重学生灵活应用知识的能力。

化工热力学作为化学工程专业的专业基础课和必修主干课，是一门理论性和应用性较强的课程，它既要解决化学问题，又要解决工程实践问题[1]。通过化工热力学课程的学习，学生能够掌握化工热力学的基本概念和理论，利用化工热力学的原理和模型进行化工过程能量、相平衡及化学反应平衡分析和研究，利用化工热力学的方法对化工中物系的热力学性质和其它化工物性进行关联及推算，解决化工生产和设计中的有关实际问题[2-3]。本课程的基本概念和公式多，理论抽象，计算与公式推导较难，学生系统掌握该课程的内容比较困难， 本文从教材建设和教学实施方法上进行探讨，使学生更好地掌握其基本原理和实际应用，培养高素质的化学工程与工艺专业人才。

1 根据化学工程与工艺专业培养方案要求，精选教学内容，使之具有合理性、实用性，达到理论与实践相结合

化工热力学的主要任务是使学生熟悉热力学基本定律在化学工程中的应用，掌握根据热力学原理求取化工基础数据和化工过程中热量与功的计算方法，培养学生应用热力学基本原理分析解决化工领域中有关问题的初步能力。因此，在制定教学大纲和选择教学内容时， 将热力学知识体系分成两部分：一是流体的P-V-T性质及计算、流体热力学性质及应用；二是溶液理论、相平衡及应用。对于第一部分，主要介绍气体和液体的P-V-T性质及计算、流体的热力学性质计算。要求熟练掌握常用的流体状态方程及应用计算，学会计算的思路、步骤和方法；掌握利用状态方程和热容数据计算流体的热力学性质的方法，绘制热力学图表。第二部分介绍溶液活度系数模型方程以及相平衡理论及其在化工分离中的应用。要求能根据超额吉布氏自由能与活度系数的关系，结合模型方程计算混合溶液的活度系数；掌握相平衡理论在不同条件下的方程表达式及其应用，尤其是超临界流体在分离中的应用。采用循序渐进、先易后难的方法逐步讲解和学习，最后达到融会贯通。使教学内容既要具有合理性、实用性，又能够充分反映本学科领域的最新科技成果，并与化工生产发展需要相结合。

2 加强学科间的沟通与衔接，科学组织教学

化工热力学作为一门专业基础课程， 是在物理化学学习的基础上，进一步深化热力学基本概念和理论，将重点转移到解决工程实际问题上来的课程。因此化工热力学具有知识的过渡性和很强的理论性、应用性。化工热力学中涉及到的热力学基本定律，热力学函数如焓、熵、内能、自由焓、自由能，流体P-V-T关系的状态方程等知识，均是物理化学中所学习过的，需要在化工热力学中进一步深化与应用。

加强与高等数学学科的沟通，解决公式推导计算难的问题。化工热力学中涉及到很多计算，如流体的P-V-T关系计算、热力学性质的计算、化工过程能量分析计算、相平衡计算、化学反应平衡计算等，对高等数学知识的运用要求多且较高。应加强与相关的专业基础课程及专业课程的横向联系，做到理论联系实际。在教学过程中引导学生放开思路，加强理论知识与实践知识的联系，将热力学的有关理论与这些课程的实际应用联系起来，避免学生认为化工热力学理论太深、不好学的现象发生。

3 引导学生对热力学性质计算的编程求解；采用双语教学，加强综合知识的能力培养

化工热力学的计算常涉及较多的公式及参数，计算量大且较复杂，通常需要进行试差、迭代来处理，因而电算在化工热力学计算中起着不可替代的作用。在讲授热力学性质时，引入陈新志教材中的偏离函数的内容。焓、熵、吉布氏自由能的偏离函数均可以通过状态方程推导出复杂的表达式，编写程序，即可以得到结果。相平衡中的计算更为复杂，编程计算大有裨益。实践发现，编程计算虽然对部分学生有一定难度，但多数学生却表现出很大的积极性，随着上机题的完成，计算机应用能力也得到提高。

此外，在教学中注意向学生介绍一些英文专业术语以及科技英语的表达方法，为学生查阅相关文献打下一定基础，并推荐原版教材（Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics，J.M. Smith）部分章节给学生阅读，双语讲解，进一步培养学生的英文阅读和听说能力。

4 强化实践环节的训练，注重学生实践能力及科研能力的培养

在实践教学中，注重培养学生的动手能力，将难懂的知识与实际过程进行关联，运用所学基本理论解决实际问题的能力，将抽象的热力学概念和理论具体化，与生产实际联系起来，以消除学生对热力学的畏惧情绪，培养实际应用能力。比如我们延伸了实验内容，在二元汽液平衡数据测定和无限稀释溶液活度系数的测定实验中，除测定必要的实验数据外，还要求学生根据实验计算回归出Wilson和van Laar模型方程参数，再比较两种模型与实测值的偏差大小，并分析原因，从而达到了理论与实践的结合。另外，还组织感兴趣的同学进行创新性实验研究。随着生命科学和分子热力学的发展，生化模型分子（例如含N，N-二甲基甲酰胺DMF和醇的混合物）由于其在生化过程模拟中的重要意义，正引起人们越来越多的注意。为了更深入地了解这些体系的热力学性质及分子间的作用力，组织学生采用Rose平衡釜测定常压下二元体系（正丙醇—DMF，正丙醇－异丙醇，异丙醇—DMF）的常压气液相平衡数据来关联三元体系（DMF +正丙醇+异丙醇）的性质，并通过热力学同一性检验数据的可靠性。学生从查阅资料，设计实验方案，确定原料、试剂及分析方法，到实验操作，数据处理，并进行整理写出研究报告。这一过程对学生是一次全面的综合训练，加强了理论与实践的结合。对实验中遇到的问题老师及时解决，锻炼学生综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力，强化专业操作技能，同时也加深对溶液理论知识的理解，培养学生的科研创新意识。

5 适度引入多媒体教学，提高课堂教学效果

热力学抽象、难懂，多媒体辅助教学具有形象、生动、直观的特点，便于加深学生对问题的理解；同时大大增加了课堂信息量，提高了教学效率，还可免除教师上课时写板书的劳累，因此多媒体辅助教学还是很有必要的。如在讲解化工热力学中混合物汽液相平衡计算，状态方程法计算组成、温度和压力时，往往非常复杂而且容易出错，迭代步骤繁多，计算费时费力。如果采用多媒体技术，可以形象生动地展示计算框图，在程序中采用循环语句，只需要输入初始的条件就可以很快得到结果。

但使用多媒体辅助手段也有缺点，主要是变换的画面，虽能形象直观地阐述丰富生动的信息，但用幻灯片显示热力学中公式推导显得相当机械、呆板，与看书相差无几，无法体现教师的灵活思路，更无法调动学生的积极性，同时也会影响师生之间的情感交流，结果是学生反映来不及记笔记，听课时就像看电影，教学效果差，对所学内容印象不深，甚至形成了课下学生借教师课件拷贝的局面。因此，多媒体教学只是教学的辅助手段，不能成为教学的主体形式，多媒体教学优势并不是在任何课中都能体现出来的。热力学教学应采用多媒体与传统板书相结合方式的教学手段，板书与多媒体的优势才能相得益彰，提高学生学习兴趣，拓宽学生思维空间，更好理解化工热力学内容。

6 改革考核方式，注重学生灵活应用知识的能力

考试是教学过程和教学成果的检验，它往往成为教学过程的指挥棒，因此考试内容及方法的改革是教学改革的重要组成部分，也是教学改革的重点和难点。根据热力学课程的教学实践，要求学生全面阅读书籍，在归纳整理的基础上，使知识系统化，找出学习中存在的问题，再集中解答。由于化工热力学的理论性强，大量模型方程难以记忆，闭卷考试要花费较多的时间和精力去记忆公式，难免疏虞理解和应用，或本末倒置，顾此失彼。因此采用了开卷考试，考试的目的在于使学生对教材体系有个全面的理解，突出重点和实用性，善于灵活应用。而且整个试卷均采用英语出题，这就加大了热力学题的难度，有些学生对英文句子不理解或不懂得专业词汇，导致答题南辕北辙。部分学生怀着侥幸心理，想依赖考场上翻书籍蒙混过关，但因课程知识的复杂性，突击过关是不现实的。因此开卷考试，扩大了学生的阅读量，注重学生融会贯通的能力。

参考文献

[1]赵云鹏，荆涛.化工热力学教学实践的研究[J].长春师范学院学报:自然科学版，2006，25(4):125—126

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关键词：化工热力学；CDIO；大工程教育；教学改革；方案

中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1672-5727（2012）06-0159-02

化工热力学作为化学工程的基础性学科，在研究化学工程以及解决化工生产实际问题中都起着非常重要的作用。同时，它也是化学工程与工艺专业本科生及研究生必修的重点专业课程之一。然而，由于课程中的概念抽象难懂，公式数量多且推导复杂，历届本科学生都感到难以理解和掌握。虽然尝试过各种改革，探索过新的教学方法，但收效甚微，学生掌握到的理论常常疲于应付考试，没有真正解决实际问题的能力，更不用说会作“工程”了。为了迎合“大工程教育”的背景，在2009年，我校开始尝试将CDIO的教育理念应用于化工热力学课程教学中，取得了一定的成效。

CDIO教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果，这种全新的教育模式将构思（Conceiving）、设计（Designing）、实现（Implementing）与运作（Operating）结合在一起，形成一个连贯而完整的流程。学生从参加产品研发到产品运行的生命周期当中，可以亲身体验到“以产品为导向”CDIO教学模式所带来的不同于传统教学模式的参与感。这种以学生为主体，实现了“做中学”的全新教育理念，对于提高学生能力，激发学习兴趣，促进化工热力学课程建设等各个方面都具有非常重要的意义。

化工热力学教学现状分析

教学内容与实际脱节随着近年来工业体系的不断进步和化工行业的快速发展，化工热力学作为一门体系较为完善的课程，其教学内容与实际的化工技术相比已显得比较滞后。这种滞后不但使教学与工程脱节，并且由于课程模式长期固定，在某种意义上限制了教师的思维方式，进而对学生的创新及发散思维也造成影响。同时，也造成了大学与社会之间的脱离。这也是为什么学生掌握了知识，却不能在毕业以后派上用场的原因。

忽略了学生作为主体的角色在从事化工热力学教学的十余年中，如何解决教与学之间存在的矛盾，也是一直困扰着笔者的一个问题。为何在经历了数次改革之后，我们的教学却并没有发生实质的改变？其原因在于忽略了“在教育过程中，学生才是主体”的这一事实。一直以来，无论运用何种创新式的教学方法，总是离不开以教师作为主体的讲授，总是去研究如何将知识更快速准确的灌输给作为客体的学生，如何将枯燥的理论讲授变得生动有趣，让学生在愉快的氛围中掌握知识，在一次一次的教学改革中，教师历练成了“优秀的演员”，而学生充其量也就是一个“文明的观众”并没有成为一名“优秀的演员”。在这种教育方式下，培养出来的学生，实际上是被剥夺了自主学习的机会，其思维模式也会变得僵化，重理论，轻实践。在具体问题的处理上往往拘泥于唯一的“正确方案”，按照教师或书本上所讲述的步骤给出解答，这就达到了我们所说的“掌握”的基本要求。学生并不会从一个实际的工程问题中，发现相关的热力学问题和定义热力学问题。比如，在讲授流体的 “PVT”关系时，我们会定义好两个变量（温度T，压力P）让学生去求体积（V），学生都可以很好的根据热力学方程解出体积，但如果让学生去求解某工艺流程中输送流体的管径时（生产能力即流体的质量流量已知），学生就常常束手无措。他们不会根据输送流体的工艺条件（即温度、压力）用学过的热力学知识来求出流体的摩尔体积，将其换算成流体的密度后，再根据流体的质量流量解出体积流量结合管路中的允许的流体流速去求管径。可是如果将这种求管径的问题放在化工原理的课程中，学生又可以很好的解决。因为，在化工原理的课程中，流体的密度常常都是作为已知量出现在例题中的，而在实际的工程设计和计算中，这些问题都是需要靠学生自己去发现、定义并解决的。学生这种今后最需要能力，在我们多年的教学中却被忽略了。

总之，无论是在教学内容上，还是在教学模式上，现有的化工热力学教学当中都存在着很多问题，已经逐渐无法满足社会对高等人才培养的需要。而CDIO的教学理念则为我们解决这一问题提供了一项新的可能性。通过将热力学课程与CDIO教学理念相结合，让学生在“做中学”的过程中更好地掌握知识，提高能力，通过一个个真实的工程案例，去研究问题、发现问题。这样，学生才能具有获取相关知识去解决问题的动力。在此过程中，重要的不是解决了一个具体的问题并由此掌握了相关的知识，而是在于学会如何发现问题、定义问题、分析问题并获取相应的知识解决问题，总结新知识，同时，加强与人沟通的能力以及团队合作的能力。那么，究竟如何进行化工热力学课程的改革呢？

基于CDIO理念下热力学教学改革方案

针对化工热力学教学上的种种问题，我们确定了以“产品为导向”的教学模式改革。就是让学生通过“产品工艺的工程设计”真正学到工程设计中的热力学知识。热力学是从工程中来，最终还要回到工程中去，为工程服务。因此，确定了以产品制造为目标，将学生感兴趣的产品“工业化”，学生扮演一个“工程师”主持一个“产品与过程”的工程设计工作。在工程项目的设计中，学生必然会碰到相关的热力学问题。如工艺条件下流体密度（流体的PVT关系）、换热器和功设备的负荷计算（流体的热力学性质：焓、熵与PVT的关系）、分离塔的计算（流体的相平衡）等等，在设计过程中，学生遇到问题时，教师加以适当的指导并结合课堂所讲授的热力学内容解决实际工程中的问题，最终完成一个工程设计报告。学生只凭上课听讲是不可能将项目设计好的。必须通过自己看书、查阅大量的文献与资料，与同组同学研究讨论，才可能将项目完成。在这个过程中，强化了化工热力学在工程中的应用，让学生真正体会到热力学不是虚无飘渺的理论，而是实实在在的技能。为此，我们制定的具体改革方案如下：

将学生按班级分组。原则上每班两大组，也可根据个人兴趣自成一组。选择一个学生感兴趣的化工产品，围绕如何实现该产品的工业化完成以下内容：（1）市场调研报告。包括：产品的国内外发展现状、市场前景、简单的经济分析及相关的工艺流程的了解（开课后第1～4周完成）。（2）对产品多套工艺流程方案进行可行性及经济分析，确定小组详细的工艺流程路线及详细的工艺条件，完成简单的工艺流程图（开课后第5～8周完成）。（3）根据学生选定的工艺过程，完成简单的工艺流程图，教师指定与工艺流程相关的热力学计算，通过计算体会热力学在工程中的应用（开课后第9～12周完成）。（4）将以上三部分合成一个完整的报告期末上交，报告成绩占期末总成绩的30%。每一小步的工作要求完成的功课都要按时上交，并按教师的批改意见修改完善自己的报告内容（开课后第13～16周完成）。（5）最后，选择优秀的项目报告作讲演（第17周完成）。

由于选题是学生根据自己的兴趣确定的工业产品，因此，项目类型与涉及的学科面应该是很复杂的。教师不可能事先知道结果，这就要求教师需要具有相对扎实的工程实际和理论的背景知识，指导学生在课题初期尽快进入课题角色，随着课题的进展，学生要自己获取更多的相关知识，并进行深入的研究，应用知识去解决问题。在此过程中，教师要做好“导演”，侧重对学生的方法和能力方面进行指导。学生在整个过程中一定会投入大量的时间和精力，因为是以小组为单位，所以，最后的项目一定是集中了整个团队的才智，一定会有所收获。

通过两年的实践，使用以上方法取得了较好的教学效果，在加强学生学习热力学课程积极性的同时，使学生在学习期间就能受到未来职场环境的熏陶，只有叫他们了解自己将来的用武之地，造就他们成为合格的化工专业人才，满足产业和社会的需要。

然而，在改革中还存在一些问题，如学生的合作还存在欠缺，各组同学中都有“坐车”的现象，如何对这部分不积极参与的学生进行评价，使所有学生都能积极动起来，将是我们未来改革中亟待解决的问题。

结语

化工热力学课程从2009年开始进行了CDIO工程教育培养模式的理论与实践探索，并取得初步成效，我们将不断努力探索，使这一教育模式趋于科学、有效。积极推进CDIO人才培养的培养方案改革和教学方法创新，开展适应于学生研究性学习的教学方法创新，在传统的案例式、启发式、交流式教学方法改革中推进体验式、研究式、讨论式教学方法，利用具体工程项目的实施，引导学生“做中学”，通过营造工程环境，实现师生间、学生间对话式学习和合作式学习，形成教学相长的生动学习局面。在教学过程中融入最新的化工工程技术成果和工艺方案，启迪学生的工程意识和利用科技成果的创业意识，开拓学生的创新思维和创业精神，构筑“创新创业”应用型人才培养的知识新体系和课程新体系。

参考文献：

[1]杨泽慧，邵丹凤，洪晓波.应用化工热力学教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，（19）：2，75-78.

[2]王晋黄，李忠铭，林俊杰.化工热力学课程教学改革与实践[J].化工高等教育，2005，（4）：19-22.

[3]常贺英，马沛生.论化工热力学在化工类课程体系中的核心作用[J].化工高等教育，2005，（4）：28-30.

[4]蒋丽红，李沪萍.化工热力学教学改革研究与实践[J].化工高等教育，2005，（3）：33-36.

[5]冯新，陆小华，吉远辉.化工热力学中从生活中来到生产中去的实例[J].化工高等教育，2009，（1）：42-46.

[6]查建中，何永汕.中国工程教育改革三大战略[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

作者简介：

徐新（1967—），硕士，北京石油化工学院副教授，研究方向为化工。

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论文摘要：分析《工程热力学》的教学实践中采用多媒体技术的必要性，探讨多媒体教学内容的选择、课件的制作、多媒体放映以及多谋体教学中应注意的问题。提出课堂教学应在传统教学方式的基础上合理地应用多媒体技术，提高教学质量。

工程热力学是热能与动力工程专业和建筑环境与设备工程专业的重要专业基础课，同时也是油气储运工程、化工机械过程与装备和石油加工等专业的选修课。它是一门从工程实际出发来论述热能与机械能相互转换规律及其应用的基础性课程。课程的特点是理论性强、概念抽象、公式图表繁多、热力过程变化复杂以及热力循环的表示和分析困难。

多媒体技术是文本、图像、动画、声音等运载信息的媒体结合体，以图文并茂的形式为工程热力学教学提供了多样化、多视角、立体化的教学信息空间。在工程热力学的课堂教学中，合理、适当的采用多媒体技术，不仅充实了教学内容，而且使课堂教学更加生动形象，提高了教学质量，教学效果良好吼

一、多媒体教学的必要性

工程热力学课程的基本理论应用部分涉及许多图片、图形，内容围绕工作原理图、系统循环图展开，传统的板书教学需占大量的课堂时间手工绘制，效果不太理想，如果利用计算机制作成多媒体课件，集光、形、色于一体，形象直观、内容生动，可以使视觉和听觉同时发挥作用，增加课堂授课的生动性，激发学生学习的兴趣，有利于学生认知能力的开发和对教学内容的理解。

〔一)及时更新教学内容。多媒体辅助教学，可以节约板书时间，有效地拓宽教学空间，在有限的时间内提供更多信息量，使教师有更多的时间进行重点、难点知识的讲解。现代科学技术发展迅速，日新月异，而部分教材内容不可能及时更新，在课件制作中可补充大量最新技术资料，不仅解决教材内容相对滞后的问题，而且可引荐专业发展的前沿信息，拓展学生的视野。

(二)完善传统教学手段。多媒体将传统教学手段难以表达的内容和难以观察到的微观热现象通过文字、图像、声音和动画等形式生动的表现出来，加深了学生对知识的理解，激发了学习兴趣和学习主动能动性。另外多媒体可通过字体的缩放、颜色的变化或明暗交替以及动态出现等方式来强调重点，使学生印象深刻，更容易记住这些知识点。

(三)增强学生感性认识。工程热力学中有许多抽象的概念和过程，如孤立系统、平衡状态、压缩过程、水蒸汽定压发生过程等。仅通过书本上的概念和简单的插图来讲述或通过学生的想象来理解、掌握这些知识点是非常困难的，而借助多媒体技术就能使这些问题迎刃而解。多媒体课件支持FLASH动画}WMV，AVI视频等播放插件。如在讲解内燃机结构和原理时，采用FLASH制作简单的动画来演示汽车内燃机的工作过程，学生在动画中能非常直观地看到内燃机的吸气、压缩、燃烧和排气，再配合P-V图画出热力过程，看起来一目了然，有利于学生对过程的理解和掌握，进而分析不同的压缩过程所需功耗的不同。同时结合一些有趣的思考题。如:为何给球打气时用湿布裹住气筒外壁能节省体力?汽车油门是控制油量还是空气量?这样既能有效巩固压缩机省功原理，又与现实生活紧密联系，极大的激发了学生的学习兴趣。

二、多媒体教学内容的选择

国内各类院校能源动力类专业基本都开设了工程热力学课程，但可供课程使用的优良教材数量有限，且教材更新较慢，特别是工程背景和应用方面的知识较为匾乏。为此，首先应根据各高校学科专业特色，选择合适的教材和参考书，为多媒体课件制作提供最基本的知识体系保障。其次各专业知识是相通的，但侧重点不一样，应补充介绍同一概念在不同工程运用背景下的区别和联系，让学生能更好的理解基本概念做到融会贯通。比如，热力学能是工质的内部储存能，是温度和比容的函数。工程流体力学课程中，认为液体流动中温度和比容为常数，所以热力学能不变，研究中可以忽略。而工程热力学研究中，热力学能是重要的状态参数，不能忽略其变化。最后要结合专业特色，拓展工程实践知识，开展相关工程应用专题讲座，避免计算时出现手提吹风机功率在60KW以上，甚至达363KW，而汽轮机喷管出口速度只有十几米每秒的低级常识性错误。

三、多媒体课件制作应注意的问题

多媒体电子教案存在直观、形象、生动、图形图像功能强大、易于展示最新科研成果、教学信息量大、学生易于复习等优点，但同时存在单幅信息量少、幅间信息不连贯、前后呼应不够、学生思维不易跟上等问题。在制作时应该扬长避短处理好以下几点问题。

(一)多媒体模板的制作。多媒体课件需合理照顾章节间的关系，但每张幻灯片的空间有限，难以有效发挥“标题”和“正文”的相互呼应。合理制作多媒体模板，是增加课件内容逻辑性和关联性的重要保证。为此，应根据教学大纲内容制作本章节教学内容的主题目录，教学时采用超链接的方式打开。其次建议每张幻灯片分成三个区域:标题区、正文区和脚注区，并用横线严格区分，做成统一的模板。在标题区右上角，角注本章标题，而在标题区中央插人本节标题。正文第一行插入本节幻灯片主要内容标题，与正文呼应，使信息尽量连贯。脚注区可插人授课日期，页码等辅助信息，保证每页幻灯片的完整性。最后，应制作复习提纲，与首页主题目录提纲和正文重点内容呼应。

(二)文字内容的确定。工程热力学作为一门技术基础课程，基本概念、基本原理、基本方法是要求学生掌握的重点，需要通过大量的文字来进行表述，因而课件上的文字内容不可避免要占有较大篇幅。需要特别注意的是切忌将大量教材内容原文照搬到课件上，授课时照本宣科。文字内容的确定必须经过反复推敲、归纳和总结，将核心内容提炼出来，完整的表述则通过授课或与同学之间的讨论来完善。古人云:文章千古事，得失寸心知。幻灯片制作也是一样，一定要精益求精。建议每张幻灯片不超过四段文字，每段文字不超过两行。在需要特别强调的地方如前提条件和重要结论要点，用特殊强化处理标注，如PPT自带的红色五角星符号。当然对于课程中一些经典的概念和原理如孤立系统嫡增原理等建议给出原文，让学生根据自己的理解提炼或用自己的言语表述，以加强对概念或原理的理解，同时培养学生的逻辑思维能力。

(三)图像的选择与处理。多媒体课件的优势就是图片功能强大，需要充分发挥。应选择既反映工程实际又具有较高清晰度和对比度的优良图片，这样才不会出现投影放大后的图像失真的问题，这一点需严格遵循宁缺勿滥的原则。对于原理性图，如果直接采用软件从书本上复制粘贴由于涉及图像格式转化会导致图像像素丢失，图像失真，建议利用PPT自带的画图工具绘制，这样既可以对图像中各类曲线实现不同颜色、线条标记，又可以在播放时实现分层逐级播放。另外结合PPT动画播放功能里的“擦除”效果，可实现曲线的动态绘制过程，利于学生理解和掌握热力过程曲线。比如，理想气体几种基本热力过程在P-V图上同时出现时曲线烦乱，各区间物理意义复杂易混淆。采用上述方法可以得到很好的解决。

(四)多媒体课件的放映。在课件放映时，文字的出现应设为逐行或逐字播放，让学生有时间记笔记和思考，不宜像放电影一样整屏播出，此时内容繁多，眉毛连着胡子，学生分不清主次，很容易走神，更谈不上理解和掌握。

作者的体会是应根据讲解的思路和过程，逐级播放。特别是涉及公式推导时，应模拟黑板推导的过程，逐步或分块出现。当然，这也会造成教师频繁使用电脑，影响教师讲解和学生思考的连贯性。建议使用多功能激光笔，实现远程控制幻灯片播放。这样教师一方面不用局限于讲台上，活动空间得到大大解放，另一方面也可以到讲台下加强与学生的近距离互动讨论，有效维护课堂记录。

四、多媒体教学中需注意的问题

效果优良的多媒体教学也存在学生视觉疲劳问题，这与黑板教学相比是一个固有缺陷。据赣南医学院的一份调查数据显示。大学生在课堂上被多媒体教学光照时间太长，学生连续2个课时接受多媒体教学，约22%产生轻度视觉疲劳，连续4个课时，轻度视觉疲劳则高达61%。可见，培养一支高素质多媒体教学课件制作队伍，是消除学生视觉疲劳和提高教学质量的关键。积极参加多媒体教学课件制作学习班，学习适用于大学生最佳课件制作视觉效果的理论与方法，制定多媒体教学课件制作视觉审美的基本要素、基本规范和基本参数。

同时多媒体授课时光线较暗，如果课堂授课时教师只是点点鼠标，学生瞪大双眼看，相互之间缺乏交流，学生容易昏昏欲睡。因此教师不能只站在讲台前一字不差地朗读讲课，应当随时观察学生听课的精神状态，适当地走到屏幕前指点内容，或者丰富教师自身的面部表情和肢体语言，利用提问、现场讨论等互动交流以活跃课堂气氛与调动学生学习积极性。

此外，使用多媒体教学的同时要合理的利用板书。声像俱佳的课件相比于传统的板书，虽然能够给学生更直观的感受，但稍纵即逝的课件来得快，去得也快，很难给学生留下深刻印象。对于一些重要的公式和图表，要结合板书推导和绘制。板书是课堂教学的重要辅助手段。

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关键词 热力学第二定律；高职高专学生；教学方法

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2012）33-0109-02

热工学理论基础是供热与通风空调工程技术专业主要的专业基础课程，是为后续专业课的学习提供必要理论基础的学科。热力学第二定律在专业领域应用中比较广泛，是在教学过程中应该注重加强的应用性课程内容。这部分内容理论性很强，而高职高专学生普遍存在基础差、课时少、课程内容多等特点，因此理论讲解很容易使学生感到枯燥无味，从而产生厌学情绪。

结合目前热工学教学方法研究[1-2]，本文根据热力学第二定律内容，结合高职高专学生的特点，就如何让学生学好热力学第二定律并能较好地服务于专业课程，谈一些教学经验和结果。

1 合理提炼教学内容

高职高专院校的学生与本科院校的学生培养目标不同，他们今后接触更多的是工程技术中应用性、实践性比较强的工作和问题，理论研究很少。因此，在专业基础课教学内容的选择上要分清主次、合理提炼、适当取舍。在教学实践中，应把专业基础课的重点放在应用性强的内容上进行讲授，适当降低理论基础的深度，大胆舍去理论性强而实际工作中应用有限的内容，如克劳修斯积分式、孤立系统熵增原理等。

热力学第二定律这部分内容在生产实际中应用很广泛，而且是高职高专学生在将来学习、工作中经常要接触应用到的知识，因此，教师在教学中必须加强学生对该知识点的掌握和理解。

2 联系实际的教学引导

学习的兴趣是学生积极思考的前提，更是达到成功教学目的的关键。如何在教学开始前进行恰当而又能激发学生兴趣的引导，是每次课成功讲述的前提。如果能在教学过程中，适时巧妙地将理论讲解和实际生活联系起来，必能极大地激发学生学习的兴趣和动力，让学生能更充分地参与进来，成为学习的主体，激发出学习兴趣。所以在实际教学中，教师可以在讲解理论之前提出几个实际生活中存在的相关问题，这样既可以吸引学生的注意力，还能激发他们联系相关理论的兴趣，更能加深学生对相关理论的理解和应用能力。

在热力学第二定律讲解前，提出问题，如：水是否可以自发地由低处流向高处？热量是否可以自发地由低温传向高温？答案很简单，问题继续引出：如果想要实现它们的逆过程应该怎么办？让学生结合实际生活说说逆过程的应用。学生非常积极地回答，说出很多应用实例，如：从水井中用水泵抽水；夏季空调房间的温度低于室外环境的温度；冰箱内的温度低于室内温度；等等。学生的充分参与和思考，大大激发了学习兴趣。

3 服务专业的教学理念

专业基础课是为高职高专学生学习专业课服务的，高深的逻辑理论推导并不会直接服务于专业，所以教学过程中联系好专业课讲解，会使学生对理论知识具有更深刻的理解和具体的认识，也为后续专业课学习打下坚实基础。

热力学第二定律与后续专业课学习联系密切，授课过程中，先用图示法（图1、图2）为学生讲解蒸汽压缩式制冷系统及火力发电系统原理并提出问题：“为什么有相当多的热量要在凝汽器中散给冷却水？全部用来转化为汽轮机的机械能可不可以？”“要想实现从低温的冷藏室中把热量不断地取出释放给高温的冷却水，自发过程不能实现，想要实现怎么办？”学生结合原理和问题，很容易得出冷藏室温度低于冷却水的温度，热量不能自发地由低温冷藏室传向高温冷却水，要想实现这个非自发过程必须有一个补偿条件，即压缩机产生的机械能转化为热能的自发过程。热能不能无条件地全部转化为机械能，锅炉中水获得热量变成蒸汽，蒸汽不可能把获得热量全部转化成汽轮机旋转的机械能，必须伴有一个补偿过程，即凝汽器内高温乏汽向低温冷却水的自发散热过程。

通过这样的讲解，学生很容易得出：自发过程具有不可逆性，但并不是意味着自发过程的逆过程不能实现，这种自发过程的逆过程是可以实现的，但是它的进行是有条件的，也就是必须有另外的补偿过程同时发生。例如使热量由低温物体传向高温物体的非自发过程，可以通过消耗机械能转化为热能的自发条件补偿来实现；热能转化为机械能也是一个非自发过程，但是可以通过使一部分热量自发的从热源流向冷源这一自发过程的补偿，热能就可以转化为机械能。可以得出：非自发过程进行的条件是有一个自发过程与之同时进行，如图3所示。

4 结合专业回归理论

根据蒸汽压缩式制冷系统及火力发电系统原理回归热力学第二定律的内容讲解。热力学第二定律的两种经典描述：1）德国科学家克劳修斯（Clausius）在1865年提出，“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化”；2）开尔文于1851年提出，“不可能制造只从一个热源取热使之完全转换为机械功而不引起其他变化的循环发动机”[3]。根据两种描述可以看出热力学第二定律并不是很直接，学生很难理解掌握，具有抽象性强、记忆困难的特点。

对这两种描述进行简单变形，克劳修斯描述可以变化为“要想把热量从低温物体传到高温物体必然引起其他变化”；开尔文描述可以变化为“要想制造出只从一个热源取热使之完全转换为机械功的循环发动机必然引起其他变化”。简单变化之后，热力学第二定律的难点落在到底引起什么样的变化，结合刚刚讲过的蒸汽压缩式制冷系统及火力发电系统原理，学生很容易提炼得出结论，即蒸汽压缩式制冷系统引起的变化是增加了压缩机对系统的做功，火力发电系统引起的变化是系统部分热量散给外界环境。

5 小结

综上所述，通过热力学第二定律的讲解经验，可以得出高职高专专业基础课教学改革应不断探索一系列行之有效的教学方法，努力提高学生学习的热情和兴趣，引导学生在实践中充分运用知识，为今后的职业生涯打下坚实的基础。

参考文献

[1]黄凯旋，刘建华.《热工学》教学改革的尝试[J].集美大学学报：教育科学版，2001（3）.

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1核心课程体系的构建

1.1核心课程体系构建的原则

钦州学院开设化学工程与工艺专业有良好的机遇,同时也有多方面的挑战。要办好钦州学院化学工程与工艺专业,贯彻学院打造五大品牌专业的精神,需要从紧密联系北部湾区域经济建设方面着眼,努力办出具有石化特色的化学工程与工艺专业,重点建立一套紧密结合石化下游产业链、注重过程开发和工程实践能力培养的核心课程体系。在核心课程设置方面,确立夯实专业基础、强化工程意识、注重实验技能、拓宽专业口径,注重石化特色的原则。 所谓化工过程,主要包含分离过程和反应过程两种过程。与这两种过程紧密相关的一系列化工类课程共同构成了化工类课程的核心。按照“门数适宜,重点突出,相互支撑,形成一体”的要求,选择化工热力学、分离工程、传递原理、反应工程和化工工艺学等五门理论课以及与这五门理论课相关的化工专业实验课作为核心课程,建设具有石化特色化学工程与工艺专业的核心课程体系,全力打造化学工程与工艺这一品牌专业。在这五门理论课程中,分离工程和反应工程分别研究各类分离过程和反应过程,它们构成了化工过程课程最核心的部分。化工热力学是化工过程研究、开发和设计的理论基础,是化学工程的重要分支之一,与化学反应工程、分离工程关系密切。化工热力学的核心价值在于研究过程进行的方向和限度,为分离过程和反应过程提供相平衡、反应平衡数据,并对化工过程进行热力学分析[1]。反应工程是与工程实际紧密联系的课程之一,它广泛地将化工热力学、化学动力学、流体力学、传热、传质以及生产工艺、环境保护、经济学等反面的理论知识和经验综合于工业反应器的结构和操作参数的设计和优化中[2]。

分离工程是化工专业基础课程,讲述的是如何将混合物进行分离与提纯的学科。作为专门研究分离方法的分离工程课程对学生工程素养的培养有很重要的作用。该课程阐明了化工分离过程的本质规律,重点研究分离方法的工业化途径,设备设计放大效应,最优分离路线的工业化,及最优操作条件。在选择具体分离方法时,不仅要考虑技术上的可行性、经济上的合理性,而且要考虑能耗、环保、设备放大和开发成本等诸多问题[3]。传递原理旨在研究化工动量、热量及质量(俗称三传)的传递现象,用一种统一的观点来处理三种传递现象,并研究动量、热量和质量传递之间的类似性,是研究分离机理、分离效率和宏观反应动力学的基础理论,同时也是反应器放大研究的基础理论之一。与化工热力学不同,传递原理是一门探讨传递速率的课程,它对过程开发、过程设计、生产操作、优化控制及过程机理研究都有重要的使用意义[4]。化工工艺学重在工艺过程的分析,即在特定条件下,进行分离过程、反应过程的比较选择、整合优化。化工工艺学是大学基础化学、化工热力学、化工动力学、反应工程、分离工程等专业基础可和专业课的综合运用。化工热力学和传递原理旨在加强专业基础,化工专业实验、反应工程和分离工程重在强化工程意识,化工工艺学拓展了专业适应面,可以突出石化特色。

2核心课程体系的优化

为了保障以上核心课程体系的顺利实施,建议结合钦州学院化学工程与工艺现有的教学计划,从下面几个方面作出适当的调整。

2.1加强数理基础教学力度,适度拓展

新世纪的工程人才必须有熟练应用数学、科学与工程等知识的能力,有进行设计、实验分析与数据处理的能力。在两年的教学实践中,学生普遍反映数理基础不够扎实,一些数学问题不知所云,比如热力学计算中要应用迭代法求解状态方程、精馏过程计算、反映工程中的偏微分方程求解等等,问题大都源于数学基础较薄弱。因此建议加开线性代数、运筹学、概率论与数理统计、数值计算、C程序语言、数学物理方法,流体力学等数理和计算机基础课程。多所兄弟院校也早就开设了这些基础课程。线性代数和运筹学的开设可以解决反应器设计过程的优化问题;概率论与数理统计是实验数据处理和理解反应工程中一些基本概念的基础;数值计算和C程序语言两门课程是工科学生重要的基础课程,加开这两门课程也是落实我校化学工程与工艺专业培养计划中对学生计算机水平的要求,对学生的就业能力的提高有好处;数学物理方法和流体力学是传递工程等课程的基础,加开这两门课程可以大大的提高学生工程数学能力,为就业和进一步深造打下更坚实的数理基础。考虑到Matlab在科学和工程计算领域的突出作用,建议开设Matlab在化工中的应用的相关课程[5]。化工热力学和化工原理是反应工程的基础,故将化工热力学和从第四、五学期调整至第三、四学期;化工原理和反应工程两门课程共同构成了化学工程最核心的部分课程,将化工原理从第四、五学期调整至第二、三学期,反应工程从第三学期调整至第五学期,也是考虑到化工原理是反应工程的基础。同时,将计算机模拟与仿真删去,将其中的知识分散到加开的MATLAB在化工中的应用和数值计算这两门课程中。从上表2中还可以看出,加开的课程中,突出了数理课程的基础,同时,适度的拓展经济和计算机相关的课程,也增加化工制图和电工学等实践性较强的课程,这对培养学生的工程实践能力是必不可少的。

2.2整合化工专业实验

为了整合学院教学资源,最大限度地利用现有的一切教学设备,建议从各门化学工程与工艺核心课程的专业实验中选出一些经典的、与石化行业紧密相关的进行重新编排,单独设置一门大学化工基础实验课程,分成三个学期展开教学。另外,考虑到传统的化工专业实验教材以单一验证实验为主,无法满足新世纪综合素质人才培养的要求,可将化工实验按由浅入深的原则划分成验证型实验、设计型实验和综合型实验三个层次。尽量精简验证型实验,增加设计型实验和综合型实验。可以从教师的一些科研项目中选出一部分让学生参与,将这些项目设计成设计型或综合型实验,这样,通过学生的亲身体验科研过程,培养了正确的科研习惯,为学生的就业和进一步的深造打下好的基础。

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一、物理化学课程在课程体系中的地位

物理化学在两阶段工科化学(化工类)课程体系中处于枢纽地位。第一阶段由化学原理(基础物理化学)、无机化学、有机化学、分析化学等课程组成。化学原理作为理论教学内容,在对中学化学知识总结提炼上升到理性认识高度的基础上,对后继无机化学、有机化学作为应用教学内容提供理论基础。第二阶段由物理化学加后继专业或专业基础课程、选修课程组成。物理化学作为理论教学内容,既将先前所学无机化学、有机化学等知识从理性上加以认识提高,又为后继课程提供理论基础。[2]在专业教育的范畴内,物理化学是工科,尤其是化工、冶金、轻工等各专业必备的化学理论基础,它衔接基础理论和相关的专业课程,是一门专业基础课程。

二、物理化学课程的教学内容

物理化学提供应用于所有化学以及相关领域的基本概念和原理,严格和详细地阐释化学中普适的核心概念,以数学模型提供定量的预测。因此,物理化学是分析化学、无机化学、有机化学和生物化学课程,以及其他相关前沿课题的概念的理论基础。总体而言,物理化学理论课程可能涉及的教学内容如下:[3]

1.热力学与平衡

标准热力学函数(焓、熵、吉氏函数等)及其应用。熵的微观解释。化学势在化学和相平衡中的应用。非理想系统、标准状态、活度、德拜-休克尔极限公式。吉布斯相律、相平衡、相图。电化学池的热力学。

2.气体分子运动学说

麦克斯韦-玻耳兹曼分布。碰撞频率、隙流速度。能量均分定律、热容。传递过程、扩散系数、黏度。

3.化学动力学

反应速率的微分和积分表达式。弛豫过程。微观可逆性。反应机理与速率方程。稳定态近似。碰撞理论、绝对速率理论、过渡状态理论。同位素效应。分子反应动力学含分子束、反应轨迹和激光。

4.量子力学

薛定谔方程的假定和导出。算符和矩阵元素。势箱中的粒子。简谐振子。刚性转子、角动量。氢原子、类氢离子波函数。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氢分子离子、氢分子、双原子分子。LCAO方法。计算化学。量子化学应用。

5.光谱

光-物质相互作用、偶极选律。线型分子的转动光谱。振动光谱。光谱项。原子和分子的电子光谱。磁共振谱。拉曼光谱、多光子选律。激光。

6.统计热力学

系综。配分函数表示的标准热力学函数。原子、刚性转子、谐振子的配分函数。爱因斯坦晶体、德拜晶体。

7.跨学科的应用

生物物理化学、材料化学、环境化学、药学、大气化学等。物理化学实验课程培养学生用物理化学原理联系定量模型与观察到的化学现象的能力,深化学生对模型定性假设和局限的理解,锻炼他们采用模型定量预测化学现象的基本技能。

学生应能记录正确的测量值,估算原始数据的误差。学生需要理解电子仪器的原理和使用方法,操作现代仪器测量物理性质和化学变化,积累用这些仪器解决实验问题的经验。物理化学实验应含有结合若干实验方法和理论概念的综合实验教学内容。适用于工科化学(化工类)课程体系的物理化学实验教学内容大体如下:

1.热化学实验

计算机联用测定无机盐溶解热。计算机联用测定有机物燃烧热。温度滴定法测定弱酸离解热。差热分析。

2.相平衡化学平衡实验

不同外压下液体沸点的测定。环己烷-乙醇恒压气液平衡相图绘制。液-固平衡相图绘制。凝固点下降法测定物质摩尔质量。沸点升高法测定物质摩尔质量。热重分析。氨基甲酸铵分解平衡常数的测定。

3.表面化学实验

溶液表面张力测定。沉降法测定粒度分布。BET容量法测定固体比表面积。

4.化学动力学实验

量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数。蔗糖转化反应速率系数测定。酯皂化反应动力学。一氧化碳催化氧化反应动力学。甲酸液相氧化反应动力学方程式的建立。可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限的测定。计算机联用研究BZ化学振荡反应。

5.电化学实验

强电解质溶液无限稀释摩尔电导的测定。离子迁移数测定。原电池反应电动势及其温度系数的测定。金属钝化曲线测定。

6.结构化学实验

磁化率测定。分子介电常数和偶极矩的测定。

三、面向专业的物理化学教学内容建设

当然,一个工科类专业的物理化学教学不可能也不必要包含上列的所有内容。因此,各学科专业教学指导委员会根据专业的培养目标和规格,在已经或即将公布的各学科专业的指导性专业规范中,制订了包括物理化学在内的化学课程教学基本内容作为最低要求。如化学工程与工艺专业的规范(研究型)中规定:物理化学可分为两部分,物理化学(I)主要内容为化学热力学和反应动力学等,作为化工主干课的基础,应注意与化工热力学课程和化学反应工程课程的衔接和分界(一些内容可在化工热力学课程和化学反应工程课程中展开,以加强工程背景);物理化学(II)主要内容为溶液理论、统计力学、量子力学等方面的概要以及近展等。各专业的物理化学教学基本内容充分体现了本专业的学科特点,是在保障人才培养质量的前提下,兼顾国内各相关学校的教学条件提出的基本要求。因此,它体现的是该专业人才的知识体系的共性。由于各校的学科背景和教学条件的优势不同,要培养具有特色的专业人才,需要在教学中研究如何在满足各专业的教学基本内容要求的基础上开展物理化学教学。我们认为在教学内容建设中应坚持贯彻下列原则,才能切实发挥物理化学这一门专业基础课程的作用。[4]

1.承前启后,发挥枢纽作用。了解授课对象的先修和后继课程与物理化学的联系,深化化学原理课程中的物理化学理论,介绍其在后继专业课程中的应用,以开阔视野并兼顾系统性和趣味性。

2.少而精和博而通。传统的基础内容要突出重点,讲深讲透,体现学科框架;选择介绍相关前沿的内容以扩大知识面。

3.提倡内容侧重的多样化。针对不同专业时要不拘一格,倡导内容侧重的多样化;即便面对同一专业,内容侧重亦应有宽松的选择余地。

4.体现工科特色,强调应用性和实践性。引入研究型实践项目,使学生加深对理论的理解,提高应用水平。

四、建设物理化学教学内容的措施

华东理工大学物理化学教研室在国家精品课程和国家级教学团队建设过程中,以提高专业人才的教育质量为目标,采取了一系列措施,提高物理化学课程的教学水平和质量,促进相关专业的课程体系建设。

1.根据授课专业的先修、后继课程,研读相关教材,如化学工程与工艺专业的现代基础化学、化工热力学、化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成教材,了解其改革动向和内容变革,并且请有关学科的学术带头人做物理化学在学科领域应用介绍的报告,提出教学内容改革建议。这样做的结果一方面可以避免教学内容上不必要的重复,另一方面可以合理地选择教学内容侧重,实现化学基础课程与专业课程的合理衔接。

2.编写教材和教学参考书,保障教学基本内容的教学质量,介绍物理化学学科发展、在交叉领域的应用;介绍溶液模型、线性自由能关系等半经验方法,以衔接后继课程。近年来编写或修订出版了《物理化学参考》、《物理化学》(第五版)、《物理化学导读》、《物理化学释疑》、《物理化学教学与学习指南》。开展教学研讨,提高教师队伍的学识水平和在教学中贯彻少而精、博而通教学思想的能力。

3.制作相关前沿课题和理论应用实例,如“正、负离子混合表面活性剂双水相系统及其微观结构”、“温室气体CO2的捕集和封存(CCS)技术”、“复杂材料的微相平衡和结构演化的数学模拟”、“离子液体的合成、性质和应用”等教学素材,进行教学资源的储备。

4.由科学研究项目提炼研究型教学实验,如“界面上聚乳酸PLA膜的结构特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS测定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各类研究性课题,如“生物柴油的制备及性能检测”、“Gem-ini表面活性剂连接基团对合成硅基介孔材料结构的影响”等。

篇9

关键词：图式化；R/K判断；学习取向；大学生

作者简介：刘雪暖（1960-），女，山东曹县人，中国石油大学化学化工学院，教授。（山东青岛266555）胡静（1983-），女，湖南长沙人，克拉玛依职业技术学院石油化学工程系，助教。（新疆克拉玛依833600）

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）10-0100-02

一、概况

尽管社会、高校和大学生自己都认为，结构化的知识才有利于理解、掌握和运用，但是只有部分学习者形成了结构良好的知识表征。康威等[1]和隋洁等[2]均认为，长时记忆中保持的是图式及部分细节，并通过实验检验了一般知识（图式）和具体细节随学习时间发生的变化，结果均表明，知识获得是知识表征由情景记忆转化为语义记忆的过程，结构性强的课程更容易促成这种转化，优秀学生完成这种转化的速度更快、比例更高。

为什么有些学生能更好地促成知识的结构化？学习方式理论[3]认为，这与学习者的学习取向有关。深层型取向使学习者倾向于理解知识，在新知识与其他知识之间建立广泛联系，其知识表征的质量高。表面型取向使学习者倾向于复制知识，将知识作为一个个孤立的单元分别记忆以备日后检查，其知识表征非常零乱。东方学生还普遍采用第三种学习取向，称为成就型取向，它使学习者倾向于按照教育者（或其他权威）的要求选择加工学习材料的方式，既有可能通过阅读指定的内容建构较好的知识表征，也有可能为满足低认知水平的题目（如列举）的要求而死记硬背。优秀学生可能因其较高的信息加工能力和先前具有的结构较好的知识而视新的学习内容为较小的负荷，能在理解的基础上充分加工信息（深层型取向）并建构新的知识，学习质量高，有利于知识获得的良性循环；而学习较差的学生受学习任务的高负荷所迫，即使认识到学习取向上可能存在问题，还是常常采用表面型取向以完成最低的学习要求，始终没能比较好地建构知识。也就是说，学习取向与知识掌握的程度密切相关。

然而，传统的评价知识获得的方法往往不去区分死记硬背的学习者和理解建构的学习者，无论他们以何种方式再现了所学内容，得到的评价大致相同，偶尔建构者还会因回答离题太远而获得较复制者更低的评价。[4]在基础教育阶段学习任务相对较少，无论采用何种学习取向的学习者均有可能获得成功，当他们进入大学以后，面对骤然增多的学习任务，表面型取向未能建构知识的问题就较容易暴露出来，而且到了高年级的专业课上，由于其基础知识未能建构成体系，要融会贯通、灵活运用就越发显得困难，深层型取向的学习者则正好相反。例如在化工专业，通常认为，“化工热力学”比“化工原理”难学，但“化工原理”的结构性不如“化工热力学”完整，零散的知识比较多，时而要用到不同的基础课的知识，很可能表面型取向的学习者会认为“化工原理”容易学，而深层型取向的学习者会认为“化工热力学”容易学（尽管难度大）。在这两门难度和结构化程度不一致的课程上，较优秀的大学生因学习取向的不同可能有什么样的学习结果，值得研究。

二、调查对象和方法

1.对象

226名中国石油大学三年级学生参加了实验，其中“化工热力学”课程有132名学生参加（男生73人，女生46人，其余未填写），“化工原理”课程有94名学生参加（男生64人，女生30人）。

2.工具和材料

使用Biggs学习过程问卷（1987）测量学习取向，[5]该问卷的6个维度分别为表面型动机、深层型动机、成就型动机、表面型策略、深层型策略、成就型策略，每个维度有6个项目，5点计分。合并对应的动机和策略分别得到表面型取向、深层型取向、成就型取向得分。

知识获得的测量采用了隋洁等的R/K判断，[2]其中R是自我觉知的操作定义，代表情景记忆，K是一般觉知的操作定义，代表语义记忆。具体方法如下：课前由任课教师按照授课内容编写10道有三个选择支的单项选择题，题目的难度控制在学生只要记得当堂课讲过的内容就能凭记忆答出的水平，每道选择题之后附有意识状态类型的选项，要求学生回答自己作此选择是“记忆的”、“知道的”，还是“猜测的”，依次记为R、K、G。样题如：

目前应用最广泛的传热设备是（ ）换热器。

A. 列管式 B. 蛇管式 C. 套管式

你完成选择的方法是（ ）。

A. 记忆的 B. 知道的 C. 猜测的

指导语要求学生先选择答案，然后对所选择答案进行意识状态类型的判断，并详细说明“记忆的”指“记得老师讲解这一内容时的情景，比如她正站在窗户边，或者当时曾叫你在书上第几页划过线”，“知道的”指“就是知道这个答案对，但是已经记不得讲这一内容时发生的各种事件”，“猜测的”指“不知道哪个是正确答案但是觉得其他选项不对因而推测出这个选项或随意猜了一个答案”。按照这一指导语，R和K的含义与康威等的一致，而G更类似于他们的F（熟悉感）。

3.施测程序和数据处理

在课堂教学完成后，由任课教师整班发放选择题，在陈述完指导语之后请学生作答。之后发放学习过程问卷，要求学生按照指导语完成，并将两份测量工具一同收回。

学习过程问卷上极少数项目的缺失值用受试者所在班级该项目的众数代替，分别求出其表面型取向、深层型取向、成就型取向得分并换算成其在各自班级里的标准分数，然后以±0.5个标准差为分界点将受试者分为各种学习取向上的低分组、中间组、高分组。统计受试者R、K、G上的正确数，并求出正确总数，按照正确总数在0～3、4～5、6～7、8～10之间，将受试者分为学生等级上的不合格组、合格组、中等组和优秀组。

三、调查结果

1.226名大学生的学习取向

学习“化工热力学”的学生的表面型取向、深层型取向、成就型取向得分（M±SD）依次为37.54±6.02，40.83±6.10，36.89±6.34，学习“化工原理”的学生的上述得分依次为36.76±5.68，43.48±6.07，37.23±7.01，经检验均为深层型取向得分高于表面型取向和成就型取向得分；“化工热力学”班级的深层型取向显著低于“化工原理”班级，tα/2 = -3.221，p = 0.001。

2.不同等级的学生各种意识状态类型下的正确数

表1详细列出了学生各意识状态类型下的正确数。方差分析表明，意识状态类型与学生等级的交互作用显著，F（6，438）= 4.518，p < 0.0005；二者的主效应也都显著。简单效应分析表明，中等组的R和G小于K，优秀组的G小于R和K；优秀组的R高于其他各组，合格组的K低于优秀组，各等级的G没有差别。

3.不同学习取向对正确总数的影响

方差分析表明课程的主效应总是显著，在表面型、深层型、成就型三种学习取向上分别有F（1，220）=14.416，p

4.不同学习取向对各种意识状态类型下的正确数的影响

方差分析表明意识状态类型和课程的主效应总是显著（p

四、讨论

实验结果支持知识获得是知识表征从情景记忆向语义记忆转化的观点，更优秀的学习者有更多的K，说明他们的图式化完成得更充分；但是知识表征不会彻底转化为图式，最高等级的学习者不仅有更多的K，而且有更多的R，在已很好地建构了知识的基础上，记住一些细节能让学习者的知识结构更为丰富。反映熟悉感和猜测成分的G并无差异，它很可能是无意学习的结果，知识表征的知觉特征较明显。

学习“化工原理”课程的学生，深层型取向更高，可能是因为这门课程的知识理解起来较容易，无需高负荷的认知活动，那些既可以采取表面型取向又可以采取深层型取向的学习者可以实现深层型取向的要求即理解并建构知识；而“化工热力学”认知负荷更高，上述学生极有可能在来不及理解的情况下转而采用表面型取向以求先记住再说，特别是那些过去曾经采用表面型取向取得成功的学习者。相比之下，总是采用深层型取向（或表面型取向）的个体不太容易一遇到困难就改变学习取向，他们对这种差异的贡献应该不太大。

为什么不是所有学生都在更难的“化工热力学”课程上更少或更慢地建构了知识，即他们都有较低的深层型取向？以下实验结果不支持这种推测：“化工热力学”的正确总数多于“化工原理”，在“化工热力学”上有G

当然，本研究采用的测验形式本身不利于检验出表面型取向对R/K判断的影响，因为题目的内容和难度都是学生可以凭借对课堂情境的记忆回答出来的，不能充分暴露持深层型取向者建构知识的后果。如果在各种类型的问题上深层型取向都显示出有助于知识的掌握，而且课程的图式化程度越高这种作用就越明显，就有必要通过调整课堂教学使课程更易于图式化以促进学习者去采用深层型取向建构知识。大学教材的编写通常遵循着学科本身的逻辑，反映的是人类到近期为止对某一事物的综合认识，但一般来说没有反映形成这种认识的过程，也就是说它很有可能与学习者建构知识的心理过程不符。学习者不可能像编写者那样高屋建瓴，一开始就整体把握学科的框架，因此，教材需要适应他们现有的知识结构，从容易建构的切入点开始，而不必固守从学科的最基本的概念出发等做法。即使是对于通过高考选拔进入重点大学的优秀学生，由于考试本身在评价学习质量上的缺陷，其中不乏高表面型取向的复制者，这也是不可避免的现象。为提高他们的学习质量，教育者不仅要对其进行心理辅导与教育，也需要为他们营造适宜建构知识的学习环境，使他们能从学习取向的转变中得到最大的益处。

五、结论

掌握知识首先需要形成一定数量的语义记忆，在此基础上情景记忆能使知识表征更为完善；图式化程度高的课程有利于知识表征转化为语义记忆，因而有利于掌握知识，表面型取向仅在图式化程度不高的课程上减少正确总数，即妨碍知识获得。

致谢：感谢中国石油大学2008级参加“化工热力学”和“化工原理”课程学习的各位同学及任课教师的配合与支持！

参考文献：

[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]隋洁,吴艳红,王金凤,等.中学生知识获得过程是从情景记忆向语义记忆转化的过程[J].心理科学,2003,26(5):784-789.

[3]吴维宁,高凌飚,李佳.学习过程研究与学习方式评测[J].教育测量与评价(理论版),2008,(5):4-7.

篇10

关键词:相似原理; 电网络模型; 非电系统; 动力系统

中图分类号:TP274 文献标识码:A

文章编号: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

当前,随着工业及其自动化的迅猛发展,模拟方法已经成为各种复杂系统研制工作的必不可少的手段。建立模型是系统模拟分析的基础,其本质是依据系统之间的相似性原理。在研究不同类型的系统时,一种系统可能比另一种系统更容易通过试验进行研究,所以可以在一对系统之间建立一种对应关系,从而可以利用模型对实际系统进行研究。这样不但可以使实验系统简化,而且使实验成本和复杂及危险程度大大降低。

随着工业中各学科的不断发展,学科的交叉和渗透也是当前科技辉煌发展的重要方向之一,电路及点网络理论已经在机械力学、生物医学、工程热力学,甚至在经济学等领域上已经初步得到了应用[1-3],尤其在前两个学科上的应用已经日趋成熟[4-7],如扩散-对流-化学反应的耦合和相应传输求解问题、网络的拓扑处理、三角化学反应问题、微观对称网络与混合网络、非平衡态热力学与运动学系统的时间特性与进化、分段线性网络、稳定与摇摆等。利用电路系统来模拟实现能源动力系统的分析和优化,将大大提高对实际系统的分析效率和处理精度。

1 电网络系统的物理构成法则

在电学中,其基本计算处理元件包括电阻、电容及电感。它们的u-i或u-q关系式如下:从物理意义上讲,电阻与力和流有关,电容与电荷和力有关,电感与冲量和流有关。对于理想化的电阻,它的作用可以理解为通过网络元件的所表现出来的耗散。在网络的Langrangian公式中,电阻代表了系统的非守恒思想。电容是一种没有耗散的能量储存形式,表现为趋于平衡的孤立系统的理想状态。由于在电容的真实过程中总是存在耗散的,因此现实电路中要求有┮桓霆电阻与电容串联以保证在数学上对系统的忠实描述。在大多数系统中,电容还是系统提供动力的元件。电感是一个理想的惯性元件,其模拟应用的主要领域是机械学。

2 动力系统中的模拟应用

电网络在动力系统中模型的建立过程,其实就是等效电系统的过程,其对应原则遵循电路、电阻和电容的广义思想策略,即在一切含有物流与能流的动态系统中,不论该系统中是否有电的存在都可找到电系统中电阻、电容和电感等概念的对应物,电阻可以对应各种阻力和对能量的消耗与节流,电容可以对应各种形式的储存能量,而电感则可对应各种惯性存储能量。这样所建立的网络模型很自然要服从Kirchhoff的电流电压定律,而这两条定律是正交的,正适合各种强度量与广延量之间的关系,因此从理论上讲,电网络模型可以模拟表达任意的力(强度量)与流(广延量)的耦合参数与信息状况。

2.1 弹簧机械系统模拟描述

机械学中存在的许多物理现象,都可用对应的电方法描述,进而为相应问题的求解和分析提供了一种可行的简洁途径。图1为一个由质量、弹簧、阻尼器组成的机械系统(阻尼器的质量可以忽略不计),在对应的图2中,描述为一个对应的由电阻、电感、电容组成的模拟电路系统[8]。

图1 简单的弹簧机械系统

图2 图1对应的拓扑结构图

上述系统描述后所建立的模型分别为:

md2xdt2+fdxdt+kx=P

(6)

Ld2qdt2+Rdqdt+1cq=u

(7)

可看出,这两个方程具有相似的数学描述,并且在参数上存在一一对应的关系,相应地两者的响应也具有相似的振荡特性。设图1中,木块质量m=1 kg,阻尼系数f=02 N/(m•s),弹性系数k=40 N/m,则对应电路中,L=1 H,R=02 Ω,c=0025 F。用电路仿真软件PSpice仿真,t=0 s时,向电压源施加激励1 V时,

回路电流随时间的变化曲线中,开始振幅很大,随后沿中心线逐渐衰减,最后回落至零。而用Matlab仿真图1机械系统时,在施加力P为1 N时,对应弹簧的振动速度dx/dt随时间的变化曲线也类似于上面电气系统进行模拟仿真的变化规律。这时,如果参数选择适当,其结果在数值上,同利用机械系统进行试验的结果将完全相同,因此可以将机械系统通过电气系统的相似模型来处理[9] ,其相似对应关系如表1所示。

表1 机械系统和电气系统的相似性

机械系统电气系统

力P /N电压E /V

质量m /kg电感L /H

阻尼器阻尼系数f /(N/(m•s))电阻R /Ω

弹性系数k /(N/m)电容的倒数1/C /F-1

位移x /m电量q /C

速度dx/dt /(m/s)电流i /A

2.2 在生化的动力系统中的应用

在生化的动力系统分析中,各种化学反应也是微观粒子在浓度差的驱使下发生变化的过程,这也符合电网络理论体系中力-流的关系[10]。例如建立血管系统的电路模型,为简化计算过程,可作如下假设:血液为不可压缩的牛顿液体;血管为薄壁直圆管;除主动脉上升支和主动脉弓外,其余部位血管中的流动均为轴对称的层流,其流速呈抛物线分布;只考虑血压沿其轴向的变化;忽略血管壁的运动,则可由Navier-Stokes方程得到各段血管压力及流量间的关系,具体的关系式如下:

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电路来模拟,其中:pn,qn为第n段血管的压力和流量;pn-1为前一段血管的压力;qn+1为下一段血管的流量;式(9)中的最后一项为考虑血管的粘滞性而加入的修正项。

图3为所研究对应血管段的等效电网络图,PE表示各血管段所受外加压力;Rn,Ln及Cn分别表示第n段血管的等效流阻、У刃Я鞯绺屑把管等效电容,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盐血液密度;Rn为血管半径;ln为血管长度;hn为管壁厚度;μ是粘滞系数;E是管壁的弹性模量;Vn为血管容积;Vn0是血管内外跨壁压为0时该血管段的容积。

图3 第n段动、静脉血管的等效电路模型

2.3 热力学的电网络模型

这里打算从一个热力系统开始,以便构建每个能量节点的端口网络[11]。例如,存在一个含有强度量温度T和广延量熵S的热力端口。假定流入端口的流为正,热力学绝对温度的定义为:

T(U/S)

(13)

设系统中其他所有广延量为常数,则这个端口能量U的变化dU为:

dU=(U/S)dS=TdS

(14)

把熵dS看作是流,温度看成力,这个端口就类似于在非平衡网络中的端口。同样,各种形式功的端口也可以类似地表示为:

式中:P,A,μi,dV,dξ,dNiХ直鸨硎狙沽Α⒒学亲和力、组份i的化学势、体积变化、反应程度和组份i的摩尔数变化。

还可考虑一个含有两个自由度的均匀流体系统。该系统可以用一个二端口网络表示,其中端口变量dS,dT为力,dP,dV为流。为便于对称处理,将dV定义为系统外部的体积变化,而不是内部体积变化。

图4 平衡态简单系统的热静力学网络

该端口网络所表示的系统如图4所示,对其可列出如下处理模型:

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

=R11F1+R12F2

(18)

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

=R21F1+R22F2

(19)

对于非平衡态的系统而言,当且仅当互易条件成立时,该端口网络才是拓扑连通的,因此对上述模型,根据热力学麦克斯韦互易有:

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

(20)

对于构成n端口z参数电网络模型的情况,同样可取T,P,S及V的任意2个端口增量为自变量[12],根据麦克斯韦互易关系,可以分别得到计算用矩阵U,H,A及G(见表2)。

对于表2中的结论,可通过运用电网络理论方法以理想气体为例进行分析,以说明上述结果的合理性。根据理想气体的状态方程:

PV=nRT

(21)

可以得到G参数方程的系数:

g21=VTP=nRP

(22)

g22=VPT=-nRTP2

(23)

g12=-g21

(24)

表2 二端口增量能量网络的基本特性

名称[U][H][A][G]

因变量T,PT,VS,PS,V

自变量S,VS,PT,VT,P

矩阵式u11u12u21u22

h11h12h21h22

a11a12a21a22

g11g12g21g22

矩阵的一阶偏导描述形式

TSVTVS

PSVPVS

TSPTPS

VSPVPS

STVSVT

PTVPVT

STPSPT

VTPVPT

麦柯斯韦关系TVS=-PSVTPS=VSPSVT=PTVSPT=-VTP

根据微分原理,设G=G(T,P)为连续函数,全微分的充分必要条件为:

g11PT=g12TP=-g21TP=氮2V┆T2P=0

(25)

可看出,g11仅为P的函数,即g11=g(p),因而G参数方程可以表示为:

dsdv=g(p)-nRP

nRP-nRTP2dTdP

(26)

由以上的分析可看出,热力学的电网络形式在方法上找到了与热力系统参数一一对应的拓扑矩阵,这为热力系统的电方法分析提供了严谨的理论基础,其结果形式简单,对为进一步开拓能量系统的电网络分析和应用提供了强大的理论及技术支撑。

3 结 语

阐述了以电路方法模拟动力系统的基本原则和法则,提出主要以电阻、电容和电感基本元件为基础的模拟计算和分析,以便于实现动力系统的电方法分析研究。在弹簧机械系统的分析中,建立了相应的电网络拓扑结构,实现了该系统的电网络建模,并进行了仿真计算,得出的结果说明了建模的合理性。在生态学及生物学的应用中,围绕其动力学方面的问题,应用电网络方法进行了分析处理,通过对某段选定的血管拓扑结构建立实现了其电网络建模,为进一步的生物学分析研究提供了相关的流体动力学基础。在工程热力学的基础理论方面,提供了电网络方法和工程热力学在某些本质方面的一致性,描述了以热力学参数为描述对象的端口网络和描述模型,建立了工程热力学问题研究的电网络分析方法基础。

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