他山之玉，拿去攻石吧
摘 要：针对环境工程专业的物理化学教学，本文以热力学第二定律章节为例，分别从教学目标、教学内容、教学方案和评价手
段等不同方面阐述了一些备课体会，提出了几点关于在工科学生物理化学教学过程中应该注意和改进的思路和方法。
关键词：物理化学 环境工程 热力学 备课
物理化学是化学科学中的一门重要学
科，它借助数学、物理等基础科学的理论及
其提供的实验手段，研究化学科学中的原理
和方法，研究化学体系行为最一般的宏观、
微观规律和理论[1]，是学习化学、化工、环
境、生物、材料等各专业的重要基础课程。
环境工程是一门由多学科到跨学科的庞大科
学体系组成的新兴边缘科学，它与自然科
学、社会科学和技术科学相结合，是现代科
学技术向深度、广度进军的标志, 是人类认
识和改造自然进一步深化的表现[2]。中南民
族大学于2000 年开设环境工程专业，对该专
业学生来说，物理化学是一门重要的基础课
程，是继无机化学、分析化学、有机化学
之后的一门理论化学，同时又为后继课程如
环境生态学、大气污染控制等的学习提供方
法和理论指导，在基础课程和专业课程之间
起着承上启下的枢纽地位。由于我校是一所
民族院校，部分学生的理科基础相对薄弱，
而物理化学本身理论性较强，内容较抽象，
概念和公式较多，一直被学生视为比较难以
掌握的课程。因此，如何以传授知识、培
养能力、提高素质为宗旨，通过物理化学教
学方法的改革和授课体系的重组，使学生更
轻松、全面、系统地掌握物理化学知识，是
物理化学教学中必须思考的问题，是一项艰
巨的改革任务。作者在教学过程中，注意不
断积累经验、不断改进教学方法，精心设计
每一个教学环节，在此，提出几点针对环境
工程专业物理化学教学中有关热力学第二定
律的备课体会。
1 教学目标
不同专业对同一门课有不同要求，我校
环境工程专业作为一门工学学科，相对理学
学科而言，对物理化学的要求侧重点有所不
同。因此，针对环境工程专业，我们选择
的是印永嘉等编的《物理化学简明教程》
（高等教育出版社）。对于大二学生来讲，
他们在大一时已经学习过无机及分析化学，
具备了一定的学习物理化学的知识基础,而要
想在十分有限的54 个学时内将这门课的内容
理解清楚、掌握牢固，这对于学生或者老师
来说都是一个挑战。把书本变薄不是删减一
些该讲的内容，而是在对教学大纲的深刻理
解，对教材的精心领会和对学生的深入了解
基础上，抓住要领，理出章节的重难点，强
调关键性、规律性的东西。
热力学部分是物理化学的核心所在，而
热力学的核心在于两大定律，即热力学第一
定律和热力学第二定律。本文要探讨的就是
热力学第二定律章节的备课思路。本章在整
个热力学部分起着重要作用，它既是对热力
学第一定律的深入，又为后面更进一步的探
讨作出必要的铺垫。通过对本章的学习，学
生应该达到以下目的：深刻理解热力学第二
定律，在此基础上掌握几个新的热力学状态
函数即S 、A 和G 并学会DS 、DA 和DG 的
计算，结合第一章的内容辨析一些热力学函
数并推导它们之间的重要关系式。
2 教学内容
本章共包括十个小节：(1)自发过程的共
同特征；（2）热力学第二定律的经典表述；
（3 ）卡诺循环与卡诺定律；（4 ）熵的概
念；（5 ）熵变的计算及其应用；（6 ）熵
的物理意义及规定熵的计算；（7）亥姆霍
兹自由能与吉布斯自由能；（8）判断过程
方向及平衡条件的总结；（9）热力学函数
的一些重要关系式；（1 0 ）DG 的计算。其
中，（ 1 ）、（ 2 ） 和（ 3 ） 主要是热力学
第二定律提出的背景以及热力学第二定律的
表述。这部分在本章中是基础，起着重要的
铺垫作用，其中重点是对热力学第二定律的
深刻理解。（ 4 ）、（ 5 ） 和（ 6 ） 则是
在热力学第二定律基础上导出状态函数熵，
并在热力学第三定律基础上进行熵变的计
算，该部分是本章的重点和难点所在，因为
熵是继第一章中学习到的内能、焓之后又一
个十分重要的热力学状态函数，对其理解将
直接影响后面的学习。（ 7 ）、（ 8 ） 和
（9 ）则是另外两个状态函数－亥姆霍兹自
由能和吉布斯自由能以及由此提出的方向判
据，辨析已经学过的一些热力学函数并学会
推导它们之间的关系式。这个部分是本章的
难点，要求学生结合第一章和第二章所学内
容进行综合处理，这些函数如内能、焓、熵
以及吉布斯自由能对于初学者来说容易混
淆， 因此， 需要教师进行总结和引导。
（1 0 ）则是综合运用热力学知识对不同情况
下的DG 进行计算。
物理化学作为基础理论课，其内容是相
对稳定的，但同时又是不断发展的。所以在
教学过程中应该一方面对于物理化学的基本
概念、基本理论和基本方法要求学生打下牢
固的基础，另一方面对物理化学发展的前沿
也要做一适当的介绍，以开拓学生的知识面
和激发学生的求知欲。以熵函数为例，重点
是平衡态熵理论，但对非平衡态熵理论、信
息熵、物理场熵等现代熵理论也简单进行介
绍，并推荐一些参考书，让有能力和兴趣的
同学可以得到提高[3]。
3 教学方案
3.1 与基础化学衔接
我校环境工程专业学生在大一已经学习
了无机化学及分析化学，其中有化学热力
学、化学平衡、化学动力学等章节知识与物
理化学部分重叠。到大二学习物理化学时若
照本宣科，面面俱到，不仅学生没兴趣，而
且加重了学时的负担。若能将学生已有的知
识和经验很自然地融合到物理化学教学中，
就会收到事半功倍的效果。比如在热力学第
二定律的讲授中，可以首先启发学生回顾在
无机化学中学到的热力学知识，让学生自己
提出这些定律的基本内容及基本概念。在学
生期待教师对自已的回答作出判断时，教师
就对体系与环境、热与功、内能与焓、热
力学第一定律等重叠内容做复习性介绍，这
时学生往往会全神贯注。最后在此基础上才
开始引入热力学第二定律。由于尊重了学生
个体已有的知识和经验，学生的学习活动由
被动地接受知识变为积极主动地建构知识[4]，
这样就可以大大提高学生的学习兴趣，使学
生学习起来感到知识的渐进性。
3.2 与专业课程衔接
长期以来容易给学生留下一个错觉，物
理化学原理和所学专业很难有直接关联。事
实上，物理化学是研究物质的化学运动形式
和物理运动形式之间的相互关系，掌握物质
化学运动的一般规律的科学。正因为如此，
物理化学在环境保护中起了很大的作用，它
的理论和方法被运用到环境保护中，对推动
环境保护事业的发展具有积极作用。为此，教
师可以将物理化学知识与环境专业相联系，
激发学生学习积极性。比如，环境保护离不开
生态学，而生态系统又是生态学的核心。生态
系统中能量流动，必然遵循热力学第一定律
和热力学第二定律。利用热力学定律，可以比
较清楚地了解能量流动的大小、方向和形式。
根据热力学定律，人们弄清了生物群从环境
和食物中接受的能量用在新的有机质的建造
上的“百分之十规律”,得出了“生物量金字
塔”等规律，并由此提出了对保护环境有重大
作用的“物质输入输出的动态平衡规律”等生
态学规律[5]。
3.3 采用多层次教学方式
由于每个学生知识基础参差不齐，学习
的积极主动性也有差别。心理研究和教学经
验证明凡是过浅过易或者过深过难的教学内
容都会降低学生的学习兴趣。我们每位教师
面对六十多位具有不同个性的学生，而上课
只能有统一的教学进度，要达到个性化教育，首先要能让每个上课的人都有收获。为
此，必须使课堂教学能够产生多层次、多方
位的效果。多层次，能使基础好、学有余
力的学生感到有收获，又有继续学习和深入
钻研的空间；学习吃力的同学也能学到基本
内容，并有继续学习的欲望；学习兴趣不大
的人，也知道达到基本要求的底线是什么
[6]。这时，课堂教学应当着力于重点内容的
讲解与科学方法的分析， 力求用“ 启发
式”，有意识地留一些问题让学生自行解
决。布置有一定深度的问题，通过对比促使学
生发现问题、适度讨论等都是可采用的方法。
教师在精心备课的同时，做到心中有案,目中
有人，既要考虑到学生的实际情况,又要讲究
教学方法。
4 评价手段
考核是检查、评价学生水准和才智的一
种方法，是教学的重要环节。通过它可以检
测学生掌握知识的情况，检验教学质量和教
学效果。为此，任课教师可建立多样化的考
核手段[7]。
(1)加强课堂提问 由于某些主客观原
因，大学教学中一般很少课堂提问，其实课堂
提问是检验学生听课效果的一种非常有效的
手段，它可以使学生在上课时集中注意力，跟
上教师的讲课思路。每次课可以利用五分钟
对上次课的内容进行提问，由此来检验学生
对于上次课内容的掌握情况，并考虑以一定
的权重计入平时成绩。
(2)加强平时考核 按我校规定平时成绩
应占总成绩的30%，这就要求教师给学生的平
时成绩不能随意。为了更好地反应学生的平
时学习情况，我们在课堂上随时有可能利用
十分钟的时间，让学生做作业，可以开卷，但
必须独立完成。虽然用时不多，但是很能反映
出学生的平时学习情况，同时，学生也会感到
一定压力，上课注意力就会集中。
(3)加强考试的科学性和有效性 我校在
物理化学课程上已经实现了教考分离，这在
一定程度上提高了考试的科学性和有效性。
成绩评定是按照标准答案进行的，成绩的确
定是按照科学的分析方法进行的，学生的成
绩基本能呈正态分布，避免了成绩偏高或偏
低的不正常现象，由于有一定的不及格率，所
以对学生的学习起到了一定的促进作用。
5 结语
物理化学是一门基础理论性和实践性都
很强的学科，对环境工程专业基础理论的作
用和影响是巨大的，它在教学中占有极为重
要的地位。教学是一个复杂的系统工程，是
一个多体的问题，受到教师的知识水平、学
生的接受能力、教学方法和教学手段等多方
面因素的影响。只有不断地改进教学方法，
与时俱进，才能提高教学效果，强化教学质
量。
参考文献
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教学法的探索[J].药学教育,2006,22(2):
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[7] 周子彦，谢玉忠.对提高物理化学教学
随着科技负效应的显现,工程伦理越来越受的人们的重视。化学工程有着与其他工程不同的特点。下面是我为大家整理的化学工程应用 毕业 论文，供大家参考。
《 化学工程中计算流体力学应用分析 》
摘要：计算流体力学是以多种计算方程为基础，在多种化学反应设备中进行能量、质量和动量的综合计算，分析出不同守恒定律中，这些变量的主控形式和变化规律，从而优化工程设计和工艺设备，提高化学反应中正向变化的进行，提高热量交换和原材料的反应速率等。从化学工程经济效益的角度分析，有利于工程成本的节约，提升了经济回报。 文章 计算流体力学的基本原理进行分析，并 总结 了其砸你化学工程中搅拌、热交换、精馏塔和化学反应工程的具体应用。
关键词：计算流体力学;求解;基本原理;化学工程;应用
化学工程在我国具有较长的研究与应用历程，并在实际的生产与生活中取得到巨大的应用成效，不仅能够供给正常的生活需求，同时根据新材料的开发，能够满足现代型环保材料的使用。在化学工程中，较多的反映环境和反应机制都是在溶液中进行的，具有质量守恒和热量守恒定律的应用。而这种质量与能量的关系正是计算流体力学的主要原理。通过对实际应用环境和原理的分析，能够优化工程设计和工艺改进，提高化学工程的生产效率。
1计算流体力学在化学工程中的基本原理
计算流体力学简称CFD，是通过数值计算 方法 来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，计算流体力学的数值计算方法主要包括数值差分法、数值有限元法及数值有限体积法，其也是一门多门学科交叉的科目，计算流体力学不仅要掌握流体力学的知识，也要掌握计算几何学和数值分析等学科知识，其涉及面广。
针对计算流体力学的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了计算流体力学软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。
2计算流体力学砸你化学工程中的实际应用
2.1在搅拌中的应用分析
在搅拌的化学反应中，反映介质之间的流动性比较复杂，依据传统的计算形式根本无法解决，并在化学试剂在搅拌中存在不均匀扩散的特点，在湍流的形式中能量的分布状况也存在着空间特点。若是依据实验手段测得反映中物质、能量和质量的变化规律，其得出的结构往往存在较差时效性，实验骗差加大。
通过对二维计算流体力学的应用，能够对搅拌中流体的形式进行模拟，并进行质量、能量等数据的验证。但是流体的变化，不仅与化学试剂的浓度、减半速度有关，还与时间、容器的形状等有着之间的联系，需要建立三维空间模拟形式进行计算流行力学。随着科学技术和研究水平的提高，在通过借助多普勒激光测速仪后，已经对三维计算形式有了较大的突破，这对于化工工程中原料的有效应用和工程成本的减低具有促进的作用，但是在三维计算流体力学中还存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不断的完善。
2.2CFD在化学工程换热器中的应用分析
换热器是化学工程中主要的应用设备，通过管式等换热器、板式换热器、冷却塔和再沸器等的应用，能够有效的控制化学试剂在反应中的温度变化。其中根据换热器的形式不同，计算流体力学的方式也就不同。在管式换热器中主要是通过流体湍流速度的改变，增加换热速率的。在板式换热器中是通过加大流体的接触面积，提高换热效率的。而在冷却塔和再沸器中，热量交换的形式更为复杂，但是却群在重复性换热的特点，增加了换热的时间，提高了换热的效果。从总体上分析，计算流量力学中，需要对温度变化、流体的速度变化、热交换面积变化和时间变化进行分析。通过CFD计算流体力学的应用，能够计算出不同设备的热交换效果，并根据生产的实际需求进行换热器的选择使用。
2.3在精馏塔中的应用
CFD已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面,Vi-tankar等应用低雷诺数的k-ε模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟,在塔气相负荷、塔径、塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下,模拟结果和现实的数据能够较好的吻合。
Vivek等以欧拉-欧拉方法为基础,充分考虑了塔壁对塔内流体的影响,用CFD商用软件FLUENT模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能,以及气泡数量、大小和气相速度之间的关系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一种用塔内典型微型单元(REU)的流体力学性质来预测整塔的流体力学性质的方法,对每一个单元用FLUENT进行了模拟计算,发现塔内的主要能量损失来自于填料内的流体喷溅和流体与塔壁之间的碰撞,且用此方法预测了整塔的压降。
Larachi等发现流体在REU的能量损失(包括流体在填料层与层之间碰撞、与填料壁的碰撞引起的能量损失等)以及流体返混现象是影响填料效率的主要因素,而它们都和填料的几何性质相关,因此用CFD模拟计算了单相流在几种形状不同的填料中流动产生的压降,为改进填料提供了理论依据。CFD模拟精馏塔内流体流动也存在一些不足,如CFD模拟规整填料塔内流体流动的结果与实验值还有一定的偏差。这是由于对于许多问题所应用的数学模型还不够精确,还需要加强流体力学的理论分析和实验研究。
2.4CFD在化学反应工程中的应用研究
在化学反应工程中，反应物和生成物的化学反应速率与反应器、温度和压力等有着较大的联系，在实际的反应中可以利用计算流体力学进行数据的获取。但是这数据的获取具有一定的温度限制，当反应中温度过大，就会造成分子的剧烈运动，其运动轨迹的变化规律就会异常，在利用计算流体力学的模型计算中，计算数据与实际情况会发生较大的偏差。由于高温中分子的运动轨迹和运动速度难以获取，在计算流体力学的实际计算中，就要借助FLUENT进行三维建型，并利用测速反应器进行速度的测量，通过综合的比较分析，利用限元法进行数据的计算。可以得出不同环境下的反应器的流线、反应器内部的浓度梯度及温度梯度。通过CFD软件预测反应器的速度、温度及压力场，可以更进一步理解化学反应工程中的聚合过程，详细、准确的数据可以优化化学反应中的操作参数。
3结束语
计算流体力学对于化学工程的应用具有实际意义，并在经济效益的提高上具有重要的价值，在近几年，化学工程技术人员不断的计算流体力学中展开研究，以二维空间计算和模拟为基础，不断的完善三维空间的流量计算，并得出了一系列的流体流动规律。根据计算流体力学在化学工程中的广泛应用，在今后的化学工程发展中，应加强此类学科的教学与延伸，提供出更有效的反应设备和工艺操作。
参考文献
[1]余金伟,冯晓锋.计算流体力学发展综述[J].现代制造技术与装备,2013(06).
[2]舒长青,王友欣.计算流体力学在化学工程中的应用[J].化工管理,2014(06).
《 能源化学工程专业化工热力学教学思考 》
[摘要]《化工热力学》是能源化学工程专业一门理论性和逻辑性较强的专业基础课，文章阐述了作者在《化工热力学》课程教学过程中如何提高学生对学习本课程兴趣的教学实践和教学体会。通过明确教学内容和教学主线，改变传统的单一的课堂教学，将课堂教学与学科动态及工程实践密切结合，激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力和工程意识，以满足培养能源化学工程领域领军人物的要求。
[关键词]化工热力学;能源化学工程;教学实践;教学体会
化工热力学是化工类学生的专业必修课程之一，主要讲述热力学定律在化学工程领域的应用，包括化工过程中各种形式的能量之间相互转换规律及过程趋近平衡的极限条件等。它是培养学生分析和解决实际化工问题思维方法的重要专业理论基础课[1-3]。然而该课程的课程内容抽象、计算繁琐，学生感到非常难学又缺乏实际应用，在课程学习过程中学生产生恐惧和厌学心理，达不到良好的教学效果，因此，我们对该课程的教学内容和 教学方法 进行一些改革和尝试，希望激发学生学习的兴趣，进而更好地掌握这门课程，为后续专业课程的学习夯实基础。
武汉大学2013年新开设的能源化学工程专业是由1958年原武汉水利电力学院开办的“电厂化学”专业发展而来，主要面向电力行业及高效洁净能源领域(包括超临界火电、核电、生物质能、氢能、新型化学电源等)，培养掌握化学与化工基础理论及能源化学专业知识和技能的未来行业发展的领军人物。
目前，本专业主要有水处理、材料腐蚀与防护、化学监督与控制、能源化学四个主要研究方向。为了适应学校对新专业发展和一流学科建设的要求，2015年在本专业大三学生中新增设了《化工热力学》这门化工类专业的专业基础课程。如何调动学生的课堂积极性，培养学生的创新能力，夯实学生的专业基础，使他们在54学时的学习过程中理解并掌握本门课程的基本概念，并且将抽象的理论与实际的能源化学过程联系起来是本课程的核心教学任务。本文结合我校能源化学工程专业的培养目标，浅谈《化工热力学》的教学体会，着重对教学方式进行了探索和实践，为培养能源化学工程领域的领军人物奠定基础。
1明确教学内容与课程主线
结合我校《化工热力学》课程以工程应用为中心、专业研究方向覆盖面广等特点，我们选用了朱自强等编著、化学工业出版社出版的《化工热力学》作为教材[4]，同时，也鼓励学生使用部分参考教材(《化工热力学》，冯新等编，2008;《化工热力学(第二版)》，陈钟秀等编，2000;《化工热力学导论(原著第七版)》，J.M.史密斯等编，刘洪来等译，2007)[5-7]。化工热力学发展时间较长，已形成较完整的知识体系，如何在54学时内有效地把关键知识点教授给学生是本课程教学实践的关键。
由于本专业学生在大二《物理化学》课程中已经系统学习了理想气体相关的状态方程及其应用，因此在本课程教学中不再赘述，而是重点介绍工程实际应用较多的二参数状态方程、化工热力学分析、溶液热力学、流体相平衡和化学反应平衡等。在教学实践中，首先，详细分析《化工热力学》教材结构，围绕主线内容合理编排知识点;其次，建立好各知识点之间的逻辑关系，让学生在大脑中建立化工热力学框架图;最后，根据能源化学工程专业的需要，适当删减补充了教材内容，结合学科动态，增强化工热力学的应用能力，如燃料电池开路电压的计算、水/二氧化碳共电解制合成气过程中气体组成的计算等。
2改变单一课堂教学模式，培养学生自主学习能力
化工热力学课程设计的公式多而繁杂，学生在开始学习阶段容易产生恐惧厌学心理，传统的单一课堂教学模式具有“教师主导学生学习”的特点，与本课程“教师引导学生学习”的教学目的存在较大偏差。因此，应改变传统单一课堂讲授模式，充分采用“启发式”和“参与式”相结合的教学方法。
首先，教师在 课前预习 阶段设疑(提出问题)，促使学生思考，复习旧知识，预习新知识;其次，教师在教学实践过程中采用多媒体和板书相结合的教学方式解疑(解决问题)，并通过对例题和习题的讲解加深学生对化工热力学原理、方法和应用的理解，同时，教学过程中应避免陷于抽象的说教和枯燥的公式推导之中，重点讲述化工热力学知识点的应用条件和物理意义;最后，课堂教学结束后，教师主动与学生面对面交流答疑(探讨问题)，并设置思考题让学生查阅相关资料。通过“设疑—解疑—答疑”的渐进式教学方法达到对关键知识点举一反三的目的，同时，吸引学生注意力，培养学生自主学习能力，提高学生学习的积极性和主动性。
3课堂教学与工程实践密切结合，培养学生初步的工程观点
化工热力学由于理论性较强、基本概念多且抽象，而且本科生在学习过程中接触科研课题及工程实践的机会较少，将课堂教学内容与科研课题及工程实践紧密结合起来，建立“以应用为中心”、“探究式”的特色教学模式，紧密联系我校在能源化学工程领域(特别是超临界火电、核电、生物质能、氢能、新型化学电源等方面)开发利用的化学工程实际问题，把学科前沿领域的科研成果带入课堂，可以使他们强化科研思想、激发听课兴趣、培养创新能力;同时，可以让学生获取利用化工热力学基本原理解决工程实际问题提供思路和方法，培养学生初步的工程观点。
4考核方式方法研究
传统的期末一张考卷为准的考试方式不利于学生能力的培养，也不能全面地体现学生对所学知识的掌握程度，为了更加系统全面地评价学生对课程内容的认识情况，我们对课程的考核方式方法进行了改革探索。目前，课程成绩总评包括平时成绩和期末成绩两部分，其中平时成绩包括学生的课堂综合表现、课程预习、作业三个部分，各占10%;期末考试采用开卷方式考试，考试的题目偏重于对知识点的理解和其在能源化学过程中的应用。然而由于该课程的课程内容抽象、计算繁琐，教学过程中发现仍有部分学生存在畏惧厌学心理，因此，在今后的教学实践中应考虑进一步激发学生的学习兴趣，增强学生的主观能动性，在课堂教学中引入分组讨论，开展导向性的专题研究，将课程内容与能源化学过程(特别是学科动态)相结合，培养学生查阅资料和分工协作的能力，为学生下一步学习专业课程夯实基础。
5结束语
在《化工热力学》课程的教学实践和尝试中，首先要明确教学内容与主线，打破单一的学生被动听讲的模式，理论联系实际应用，调动学生学习的积极性和主动性，激发学生对教学内容的兴趣，并且在教学的过程中对教学方法进行改革创新，因材施教，为学生下一步学习更专业的能源化学工程知识和从事新能源行业工作奠定扎实的基础。
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