“課程思政”理念下的《化工熱力學(xué)》教學(xué)

韓效釗 王百年 張旭 劉亞華 秦廣龍 李正星

【摘要】分析了《化工熱力學(xué)》課程的教學(xué)目標(biāo)與“思政”目標(biāo)，介紹了“偏摩爾性質(zhì)及其計(jì)算”的“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)，自然融入了“中西口罩觀”“防凍液配制”“白酒中的熱力學(xué)”“乙醇與汽油”4個(gè)教學(xué)案例來(lái)開(kāi)展“知識(shí)講解、案例分析、價(jià)值引領(lǐng)”教育教學(xué)工作，實(shí)施“立德樹(shù)人”根本任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】課程思政? 專業(yè)課? 化工熱力學(xué)

【基金項(xiàng)目】2019年度合肥工業(yè)大學(xué)“課程思政”教學(xué)示范課程，2021年度合肥工業(yè)大學(xué)“課程思政”教學(xué)改革示范精品課程，2020年度安徽省課程思政建設(shè)研究項(xiàng)目（2020kcszyjxm1），2020年度合肥工業(yè)大學(xué)（研）教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目。

【中圖分類號(hào)】TQ021.2-4;G641? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）40-0147-04

青少年階段是人生的“拔節(jié)孕穗期”，這一時(shí)期心智逐漸健全，思維進(jìn)入最活躍狀態(tài)，最需要精心引導(dǎo)和栽培[1]。“課程思政”作為一種新的教育理念，是新時(shí)期加強(qiáng)高校人才培養(yǎng)和思想政治教育的新要求、新舉措、新方向，從根本上回應(yīng)了“為誰(shuí)培養(yǎng)人、培養(yǎng)什么樣的人、怎樣培養(yǎng)人”等重大理論與實(shí)踐問(wèn)題[2]。中國(guó)是世界上最大的化工產(chǎn)品消費(fèi)國(guó)和生產(chǎn)國(guó)，也是化工產(chǎn)品需求增量最大的國(guó)家[3]。結(jié)合化工類專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容，充分挖掘化工行業(yè)和日常生活中的思政元素，把做人做事的基本道理、科學(xué)技術(shù)探索的基本素質(zhì)要求、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的理想和責(zé)任融入化工類專業(yè)課堂教學(xué)之中，激勵(lì)學(xué)生自覺(jué)把個(gè)人的理想追求融入國(guó)家和民族的事業(yè)之中，為我國(guó)化工行業(yè)培養(yǎng)高質(zhì)量的建設(shè)者，為中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)培養(yǎng)可靠的接班人[3-4]?！痘崃W(xué)》課程在化工類人才培養(yǎng)中起著重要的承前啟后、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用，是化工類人才持續(xù)深造和研究開(kāi)發(fā)必須打好的知識(shí)功底[5]。本文以“偏摩爾性質(zhì)及其計(jì)算”為例介紹《化工熱力學(xué)》“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、《化工熱力學(xué)》“課程思政”教學(xué)簡(jiǎn)介

課程介紹：《化工熱力學(xué)》主要討論熱力學(xué)第一、第二定律在化工過(guò)程中的應(yīng)用以及相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定方法，是化工過(guò)程研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。《化工熱力學(xué)》是化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科的一個(gè)重要分支，是化工類專業(yè)的主干課程;《化工熱力學(xué)》既要解決化學(xué)問(wèn)題，又要解決工程問(wèn)題，其最根本的任務(wù)就是給出物質(zhì)和能量的最大利用極限。

課程教學(xué)設(shè)計(jì)：以“掌握知識(shí)、發(fā)展能力、培養(yǎng)品德”為目標(biāo)、以“知識(shí)講解、案例分析、價(jià)值引領(lǐng)”為方法，以“育人有溫度、潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”為理念，開(kāi)展教學(xué)工作。

課程教學(xué)目標(biāo)：①知識(shí)目標(biāo)。掌握純物質(zhì)和混合物的p-V-T關(guān)系，H、S、G等熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算方法，化工過(guò)程能量分析理論，相平衡原理等;②能力目標(biāo)。運(yùn)用熱力學(xué)原理對(duì)化工過(guò)程中各設(shè)備所消耗的能量進(jìn)行分析和計(jì)算，以確定能量消耗的數(shù)量、分布及原因，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝、確保能量的合理利用提供理論依據(jù);掌握測(cè)量、關(guān)聯(lián)與推算不同條件下物質(zhì)的平衡性質(zhì)，確定相平衡條件，計(jì)算平衡各相的組成，為蒸餾、吸收、萃取、無(wú)機(jī)鹽分離、海湖井礦鹽的開(kāi)發(fā)等化工過(guò)程提供必要的平衡數(shù)據(jù);③素質(zhì)目標(biāo)。能夠綜合運(yùn)用“化工熱力學(xué)”基本原理，識(shí)別、表達(dá)并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析化工工程問(wèn)題，以獲得有效結(jié)論。

“課程思政”目標(biāo)：以立德樹(shù)人為目標(biāo)。引導(dǎo)大學(xué)生熱愛(ài)祖國(guó)、熱愛(ài)社會(huì)、熱愛(ài)科學(xué)、熱愛(ài)化工、熱愛(ài)生活;培養(yǎng)大學(xué)生節(jié)能減排理念、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力;為國(guó)家培養(yǎng)合格的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人;為社會(huì)培養(yǎng)具有強(qiáng)烈責(zé)任感、良好職業(yè)道德、扎實(shí)專業(yè)能力的工程技術(shù)人才;為家庭培養(yǎng)孝敬父母、身心健康的孩子。

二、“偏摩爾性質(zhì)及其計(jì)算”“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）“課程思政”教學(xué)目標(biāo)

將“偏摩爾性質(zhì)及其計(jì)算”的知識(shí)傳授與工程能力培養(yǎng)、政治認(rèn)同與家國(guó)情懷精神培育有機(jī)結(jié)合;將政治認(rèn)同、家國(guó)情懷的培育融化在知識(shí)傳授與工程能力培養(yǎng)之中。預(yù)期實(shí)現(xiàn)的教學(xué)與思政目標(biāo)是掌握偏摩爾性質(zhì)概念及其計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用偏摩爾性質(zhì)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培育學(xué)生制度自信與家國(guó)情懷精神。

（二）“課程思政”教學(xué)過(guò)程的組織與實(shí)施方案

1.承上啟下（大約30秒）

前一節(jié)課介紹的是純物質(zhì)的性質(zhì)，然而在實(shí)際生活和生產(chǎn)中存在大量的混合物，其中一類為流體混合物，也稱為溶液;那么流體混合物的性質(zhì)該怎么計(jì)算呢？這就是本節(jié)課將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

2.問(wèn)題互動(dòng)引出教學(xué)內(nèi)容（大約90秒）

運(yùn)用雨課堂推出3道選擇題：（1）50 mL水和50 mL水混合后的體積是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL];（2）50 mL乙醇和50 mL乙醇混合后的體積是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL];（3）50 mL水和50 mL乙醇混合后的體積是多少？[A.<100 mL;B.=100 mL;C.>100 mL]。

給出水和乙醇混合前后的體積的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

用實(shí)例表明不同分子混合后的體積不能是混合前各組分體積簡(jiǎn)單的相加，混合物的性質(zhì)需要考慮不同分子對(duì)混合物性質(zhì)的貢獻(xiàn)值，這就是本節(jié)課要詳細(xì)討論的“偏摩爾性質(zhì)”，為了更好地理解偏摩爾性質(zhì)，我們先來(lái)討論一個(gè)社會(huì)案例。

3.“中西口罩觀”案例促進(jìn)偏摩爾性質(zhì)理解和制度自信（大約120秒）

社會(huì)好比混合物，社會(huì)制度就是混合物狀態(tài)的條件，人就是混合物中的分子，不同分子構(gòu)成的混合物在不同條件下表現(xiàn)出不同的熱力學(xué)性質(zhì);同樣，不同價(jià)值觀的人在不同的社會(huì)制度下表現(xiàn)出不同的社會(huì)現(xiàn)象。

中國(guó)與美國(guó)的文化差異導(dǎo)致中國(guó)人與美國(guó)人對(duì)口罩的態(tài)度迥異。美國(guó)人認(rèn)為生病的人才需要戴口罩，未生病的人戴口罩不僅無(wú)用、而且觀感不好，排斥戴口罩。中國(guó)人雖然平時(shí)也不經(jīng)常帶口罩，但在觀念上，把戴口罩視為正常的健康和衛(wèi)生習(xí)慣，對(duì)自己起到保護(hù)作用、對(duì)別人起到安慰作用。在新冠疫情發(fā)生后，中國(guó)政府堅(jiān)持“生命至上”，從官方到民間，都把帶口罩作為最主要的防疫手段;美國(guó)政客選擇“政治至上”，共和黨和民主黨把戴不戴口罩變成一種政治或意識(shí)形態(tài)的表達(dá)[6]。中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和以人民為中心的中國(guó)特色社會(huì)主義政治制度使得中國(guó)在短短幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)就完全控制住了疫情，并有序恢復(fù)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。美國(guó)疫情沒(méi)有得到有效地控制，導(dǎo)致了疫情防控與經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩失敗。

自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)一樣，不同的分子在不同的條件下對(duì)混合物的性質(zhì)有不同的影響，因此，需要掌握偏摩爾性質(zhì)。

4.偏摩爾性質(zhì)（大約10分鐘）

均相流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)不僅與溫度、壓力有關(guān)，而且隨著體系內(nèi)各種物質(zhì)的相對(duì)含量即體系的組成而變化，若均相混合物含有n種物質(zhì)，則體系的容量性質(zhì)nM是體系的溫度、壓力和各組分物質(zhì)量的函數(shù)：

nM=M（T，p，n1，n2，…，ni，…）

對(duì)該式兩邊求偏導(dǎo)，可得式（1）：

d（nM）=

dT+

dp+

dn （1）

式（1）中的偏微分

可以理解為在給定的溫度、壓力和組成下，向含有i組分的無(wú)限多量的溶液中加入1 mol i組分所引起的一系列熱力學(xué)性質(zhì)的變化，稱為溶液中i組分的偏摩爾性質(zhì)，用符號(hào)Mi表示，即：Mi=

（2）

在等溫、等壓和組成恒定下，偏摩爾性質(zhì)保持不變，所以M1、M2、…、Mi、…在等于常數(shù)的情況下，式（1）變成：

d（nM）=

dn=M1dn1+M2dn2+…+Mdn+…? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式（3）積分得：nM=n1M1+n2M2+…+niMi+…=nii或M=x1M1+x2M2+…+xiMi+…=xii? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式（4）表明了流體混合物的性質(zhì)與各組分的偏摩爾性質(zhì)之間呈線性加和關(guān)系，是計(jì)算流體混合物摩爾性質(zhì)的關(guān)系式之一[7]。

5.“防凍液的配制”案例培養(yǎng)M=xiMi應(yīng)用能力（大約4分鐘）

城鎮(zhèn)天然氣輸送到末端室外明設(shè)的管道設(shè)備后，雖然壓力降低，但是由于冬季環(huán)境氣溫較低，天然氣水露點(diǎn)高于環(huán)境氣溫，就會(huì)形成液體水;另外在管道施工過(guò)程中，管溝開(kāi)挖、水壓試驗(yàn)、空氣試壓等都可能將水帶入管道內(nèi)。當(dāng)管道運(yùn)行中溫度降低到一定值時(shí)，天然氣管道內(nèi)的這些水就會(huì)結(jié)冰發(fā)生凍堵。天然氣管道防凍堵常用的防凍劑是甲醇溶液，即甲醇與水的混合物，隨著甲醇濃度升高，甲醇溶液冰點(diǎn)會(huì)下降，如20%（體積分?jǐn)?shù)）的甲醇溶液冰點(diǎn)是-14.5℃[8]。

例題：已知20%甲醇溶液中甲醇與水的偏摩爾體積及甲醇與水純組分的摩爾體積分別為V=37.8cm3·mol，V=18.0cm3·mol-1，V=40.46cm3·mol-1，VHO=18.04cm3·mol-1[9];利用公式M=xiMi計(jì)算配制3L20%（體積分?jǐn)?shù)）甲醇溶液所需水的體積。

解：設(shè)配制3L 20%（體積分?jǐn)?shù)）甲醇溶液所需水的體積為Vcm3。

（1）配制3L 20%（體積分?jǐn)?shù)）甲醇溶液所需甲醇的摩爾數(shù)：

n==14.8295mol

（2）配制3L 20%（體積分?jǐn)?shù)）甲醇溶液所需水的摩爾數(shù)：

由nM=nii可得：n==135.5247mol

（3）配制3L 20%（體積分?jǐn)?shù)）甲醇溶液所需水的體積：

V=135.5247×18.04=2444.9cm3

該案例表明偏摩爾性質(zhì)數(shù)值對(duì)流體混合物性質(zhì)研究的重要性，因此，需要掌握偏摩爾性質(zhì)的計(jì)算方法。

6.偏摩爾性質(zhì)計(jì)算（大約20分鐘）

（1）解析法

由式（2）i=

展開(kāi)得：

Mi=M

+n

=M+n

（5）

對(duì)于有N個(gè)組分的混合物，在等溫、等壓的條件下，摩爾性質(zhì)M是N-1個(gè)摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)，即：

M=f（x1，x2，…，xi-1，xi+1，…，xk，…xN）

式中xi選作因變量而被扣除。等溫、等壓時(shí)，對(duì)上式全微分可得：

dM=

dxk

以dni除上式并限定nj為常數(shù)，則得：

=

（6）

由于：xk==

所以：

==-=-，代入式（6）得下式：

=-

x

（7）

將式（7）代入（5）得：

Mi=M-xk

（8）

式（8）中，i是討論的組分，k不包括i、j，j不包括i、k。對(duì)于二組分混合物，則有：

M1=M-x2

=M+x2

（9）

M2=M-x1

=M+x1

（10）

（2）作圖法

以偏摩爾體積為例的作圖法計(jì)算偏摩爾性質(zhì)的步驟如下：

第一步：獲取乙醇（1）與水（2）混合體積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2），繪制混合物V-x1圖（圖1A→B曲線）。

第二步：在曲線上找到擬計(jì)算的混合物組成點(diǎn)，如圖中C點(diǎn)（x1=0.4）。

第三步：過(guò)C點(diǎn)作曲線A→B的切線，交縱坐標(biāo)軸于D點(diǎn)和E點(diǎn)。

第四步：則DF=V，EH=V

證明：

（1）過(guò)C點(diǎn)做橫坐標(biāo)軸的平行線，交縱坐標(biāo)軸于J、K點(diǎn);直線JK與切線DE夾角為α。

（2）DJ=CJ×tgα=x1

（3）FD=FJ-DJ=V-x1

對(duì)比式（10），則有

FD=FJ-DJ=V-x

=V

（4）同理可證明HE=V

7.“白酒中的熱力學(xué)”案例培養(yǎng)分析復(fù)雜工程中問(wèn)題的能力（大約9分鐘）

白酒是乙醇與水的混合物。酒的度數(shù)用酒精度表示，即酒中乙醇的體積百分比，通常是以20℃時(shí)的體積比表示的，如39度的酒，表示在100mL的酒中，含有乙醇39mL（20℃）。某酒廠39度酒每瓶500 mL售價(jià)89元，52度酒每瓶500 mL售價(jià)108元;以1000 kg乙醇為基準(zhǔn)，計(jì)算不同度數(shù)酒的營(yíng)銷額。已知20℃純水的密度為0.998891g·cm3，酒精的體積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度關(guān)系見(jiàn)表3，相對(duì)密度指20℃時(shí)酒精水溶液密度與純水密度之比值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4? 計(jì)算結(jié)果顯示39度酒比52度酒多賣52032元。這是因?yàn)橐掖寂c水混合后體積減少，且減小值隨著組分濃度的變化而變化，這也是大多數(shù)酒廠更樂(lè)意銷售低度酒的緣故。該案例也揭示了偏摩爾性質(zhì)在實(shí)際生產(chǎn)與生活中的應(yīng)用以及對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的指導(dǎo)意義。

甲醇與水混合、乙醇與水混合都表現(xiàn)出混合后體積減小的特性，那么有沒(méi)有混合后體積增大的體系呢？

8.“乙醇汽油”案例培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性和社會(huì)責(zé)任感（大約3分鐘）

化學(xué)工業(yè)出版社出版、馮新主編的《化工熱力學(xué)》教材第92頁(yè)描述“如果用等體積的酒精和汽油混合，總體積也會(huì)變大?！盵9]《計(jì)量與測(cè)試技術(shù)》期刊2015年第42卷第12期第48頁(yè)“偏摩爾體積對(duì)乙醇汽油計(jì)量的影響”一文總結(jié)中顯示：“經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：偏摩爾體積所引起的體積變化使得汽油與乙醇相溶后體積下降。”[11]混合物的性質(zhì)與混合物的狀態(tài)有關(guān)，那么乙醇與汽油混合后體積到底是增大還是減小？在不同狀態(tài)條件下乙醇與汽油的混合體積如何變化？這個(gè)問(wèn)題留給學(xué)生課后研討，并在下節(jié)課組織討論。

三、討論與結(jié)論

（1）融入“課程思政”教學(xué)后，價(jià)值引領(lǐng)就納入了教學(xué)內(nèi)容，隱性教育也進(jìn)入了教學(xué)方法，教學(xué)過(guò)程中較好地將傳授知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生工程與創(chuàng)新能力、培育學(xué)生家國(guó)情懷精神有機(jī)地融合于一體，學(xué)生的能力與素質(zhì)培養(yǎng)得到了良好的推進(jìn)，更好地達(dá)成了課程教學(xué)目標(biāo)。

（2）實(shí)施“課程思政”教學(xué)后，更加突出了“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念;更加踐行了“立德樹(shù)人”的根本任務(wù);更加落實(shí)了培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。

（3）深化“課程思政”教學(xué)后，較好地發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性，有助于學(xué)生形成積極的情感態(tài)度、正確的價(jià)值觀、良好的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)、較強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感和國(guó)際視野。

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