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1、案例教学在化工热力学中的应用 摘要：大学的课堂教学不应简单地传授现有知识，而应重点培养学生的科学思维方式和创新思维能力。案例教学对培养学生掌握扎实理论知识，提高分析和解决问题的能力，以及调动学生学习积极性等方面有重要帮助。在化工热力学教学中选择有突出代表性的案例，可活跃课堂气氛，拓宽学生视野，加强教学互动，提高教学效果。化工热力学是高等工科院校化工类各专业的一门专业基础课，它是中国矿业大学（以下简称“我校”）化学工程与工艺和应用化学专业的必修课。化工热力学在学生的培养中发挥着从基础知识到专业知识的衔接作用，它是物理化学、化工原理的后继课程，同时又是化学反应工程、化工分离工程、化学工艺的指导课程
2、，对于学生专业知识结构的建立有着极其重要的作用。长期以来，化工热力学的教学以教师和教材为中心，以灌输的方式向学生传授知识，忽视对学生学习潜能的开发。同时，学生面对众多的热力学基本概念，大量的复杂数学公式，缺乏系统性、条理性的学习方法，普遍感到枯燥无味，不能真正理解和掌握热力学基础知识和研究处理问题基本方法。在教学过程中，如何激发学生的学习兴趣，使学生既能掌握化工热力学的基本理论，又具有运用所学知识解决问题的能力，是教学改革中亟待解决的问题。案例教学是指教师根据教学目标和教学任务的要求，运用精选出来的案例材料，使学生进入某种特定的事件情境之中，通过组织学生对事件的过程进行积极主动的探究活动，培养
3、他们创造性地运用知识，分析、解决实际问题的能力和智慧，发展其积极情感、态度与价值观的一种教学方法。1案例教学本质上是要改变以传授知识为中心的继承型教育观念，树立注重培养创新精神的创新型教育观念。我校在化工热力学教学过程中引入案例，既开拓学生视野，又拓宽学生的知识面，提高了学生学习的积极性。下面是化工热力学案例教学中的几个案例。一、化工热力学在化工生产中的作用为了介绍化工热力学课程在化工生产中的作用，将石油化工行业的丙烯腈化工生产过程作为教学案例。丙烯腈通过丙烯氨氧化法制取，这是学生在有机化学中已经学过的基本反应，将这样一个基本反应体现在具体的化工生产过程，会呈现一个什么样的情况？问题的提出将引
4、发学生极大的兴趣。丙烯氨氧化法的工艺流程分为丙烯腈合成、丙烯腈的回收和分离、以及丙烯腈的精制三个工段，通过对每个工段进行深入的工艺分析，建立基于工作过程的教学情景，最后提出两个问题：丙烯氨氧化法生产过程中如何得到产品产率最高？最优条件（压力p、温度T）是什么？如何通过相平衡和能量平衡，对产品和副产品等混合物进行分离？抛出这些实际问题后，学生往往急于知道这些问题的答案，因此如何在哪些章节解决这些问题比较关键。学生更加深刻地理解到，课程学习过程中哪些是重点和难点，提高学生理论联系实际的能力、分析问题和解决问题的能力。二、朗肯循环朗肯循环是蒸汽动力循环的重点章节，与实际的应用比较贴近。以火力发电厂作
5、为案例，通过图片展示火力发电的基本原理，学生发现火力发电厂发电的基本原理是朗肯循环，让他们将繁琐的理论知识与实际过程紧密结合起来，认为平时生活中常见的东西也有如此深奥的工作原理，自然会觉得化工热力学并不是单纯的理论，确实具有现实的应用价值。在此基础上，提出让学生思考的问题：如何提高锅炉的使用效率，火力发电厂燃煤过程中如何控制粉尘污染，如何控制二氧化硫和氮氧化物的污染，等等，这些知识虽然与化工热力学的知识关联不大，但是各门学科的知识是环环相扣的、互补的。它能使学生的思维在纵向和横向展开，让学生感到一个科学问题解决了，会引出更深刻的问题，知识越多，问题越多。科学需要这样无止境的探索精神，只有充分运
6、用联想和扩散才能深刻地认识问题。朗肯循环的教学过程中还提出了一个新的案例，即日本福岛核电站的爆炸事故分析。2011年3月11日，日本福岛第一核电站发生了“泄漏事故”，在全世界范围造成了相当严重的影响。课堂讲授的这个案例，是发生在学生周围的重大安全事故，如何将热力学知识和事故联系起来，我们发现核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的燃烧产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽，利用蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，也就是朗肯循环的基本原理。通过原理介绍，引出学生思考问题：为什
7、么发生了核泄漏事故？学生可以从自己的角度认识问题，自由发表观点；也可以对其他学生的观点进行评价、提出质疑。最后由教师给出答案。核反应堆链式反应产生大量热能，用循环水（或其它物质）带走热量才能避免反应堆因过热烧毁，导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。而因为地震导致核电站外围的供电设备无法正常运转，循环水系统出故障，热量无法排除，引发爆炸导致了核泄漏。通过课上的讨论，学生的知识面得到了极大的拓宽，他们上课的积极性与认真程度自然会得到明显的提高。三、深冷循环与气体液化深冷循环在工程中的应用非常广泛，且有多种循环形式，学生对于深冷循环的学习普遍感觉枯燥，计算比较复杂。本章节的学习选取的案例为
8、氦的液化和天然气的液化。液氦用于阿尔法磁谱仪（ASM），用于在空间搜寻宇宙中的反碳核、反氦核及其它更重的反核来确定宇宙中是否存在反物质；寻找宇宙中可能存在的暗物质。如何实现氦的液化，结合我们所学的深冷装置，氦的液化需要采用预冷的林德系统，或者采用克劳德系统，比较两种循环的原理不同，计算方法不同。通过提出问题，引导学生主动去看循环的T-S图，讨论后得出结果。液化天然气是气田开采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。天然气在大气压下，液化温度为-162，液化天然气无色、无味、无毒且无腐蚀，其体积约为同量天然气体积的1/600，重量仅为同体积水的45%左右。
9、如何实现天然气的液化，天然气的液化有什么作用？这个案例作为学生的一个课外作业，将5个人分成一个小组，要求学生课后查阅资料，举出一个具体的实例来说明。学生经过查阅和讨论，最后提出了级联式液化流程，举例阿尔吉尼亚的CAMEL工厂；混合制冷剂的液化流程，举例文莱的MRC工厂，上海事故调峰站C；带膨胀机的液化流程，举例中原LNG工厂等。学生在基础理论已基本掌握的前提下，运用案例涉及的理论指导自己的实践，逐步提升综合能力。四、热泵精馏学生的创新思维能力不是自然而来的，也不是特殊课程专门训练而来的。如果在教学中，教师根据所授内容，提出案例，刺激学生思考，才能使教学中充满积极的创新氛围，培养学生的创新能力。
10、化工行业是能耗大户，热泵精馏是充分利用低温热源、行之有效的节能技术。课堂教学中，我们给学生介绍了直接式热泵精馏、间接式热泵精馏、闪蒸再沸式热泵精馏、蒸汽喷气式热泵精馏和吸收式热泵精馏流程。如果仅仅依赖教师课堂上的讲授，学生只能直观地了解这些技术。结合大学生创新计划项目，我们指导一组学生以采用Aspen Plus软件模拟丙烯丙烷热泵精馏过程，与传统精馏过程对比，分析热泵精馏过程的动态特性。并研究干扰变化和操作条件变化对热泵精馏过程稳态点的影响。研究热泵精馏过程的优化问题，设计的控制系统结构充分考虑提高装置的经济效益。在设计过程中，学生不仅仅对热力学的理论知识深刻理解，而且创造性地利用所学的知识、技能和经验解决从未遇到过的新问题。化工热力学课程建设的目标是培养高素质、多样化、创新性人才。通俗地讲就是让学生更好地把基础知识和实际应用结合起来，使之成为既有扎实的化学基础知识，又有解决实际问题能力的人才。化工热力学的教学过程中，如果单纯只是对其中的基本知识与理论进行学习，一方面学生难以将所学的知识应用于实际过程，另一方面学生的学习范围较窄，只局限于书本的知识。采用案例教学的方法，改变了传统的灌输式教学方法，学生由被动学习转为主动探索，有助于培养出更多的高素质创新型实用人才。