時(shí)間：2022-06-21 22:38:53
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇熱力學(xué)教學(xué)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：熱力學(xué);統(tǒng)計(jì)物理;教學(xué)
熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、理論力學(xué)和量子力學(xué)是物理學(xué)專業(yè)四大理論課程，但是對(duì)于大部分學(xué)生來講，他們除了對(duì)理論力學(xué)稍感興趣外，對(duì)其他三大理論課都是從心理上帶著恐懼的，覺得特別難理解。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象理論的兩個(gè)組成部分：熱力學(xué)為宏觀理論，而統(tǒng)計(jì)物理學(xué)則是微觀理論。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)與其他三門理論課之間有著緊密的聯(lián)系，學(xué)好熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)掌握其學(xué)習(xí)方法及思維方式對(duì)于學(xué)習(xí)其他相關(guān)學(xué)科有著非常重要的意義。本文就是以自身教學(xué)實(shí)踐為出發(fā)點(diǎn)，分析了在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)教學(xué)過程中遇到的問題，并且提出了自己的建議及解決問題的方法。
一、教學(xué)中遇到的問題
1.學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足
熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)在該校是在物理學(xué)本科專業(yè)大三的第一個(gè)學(xué)期開設(shè)的，對(duì)于這個(gè)時(shí)間段的大學(xué)生來講，他們已經(jīng)開始對(duì)畢業(yè)后自己的去向進(jìn)行思考。在考慮就業(yè)壓力及自身?xiàng)l件和家庭因素后，絕大部分學(xué)生選擇的是畢業(yè)后就業(yè)，而只有少數(shù)學(xué)生選擇繼續(xù)考研究生。那些已經(jīng)決定畢業(yè)后就業(yè)的大部分學(xué)生提不起對(duì)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的興趣，這門課也不足以引起他們足夠的重視，在他們看來，畢業(yè)后他們不會(huì)再用到它，再加上這門課程相對(duì)于大學(xué)物理這種基礎(chǔ)課有一定的難度，他們從心理上不愿意把時(shí)間用在與自己認(rèn)為跟未來就業(yè)無關(guān)的課程上。其次是現(xiàn)在的“90后”大學(xué)生大多數(shù)為獨(dú)生子女，心理依賴性強(qiáng)，除了少數(shù)打算考研的學(xué)生會(huì)在課前預(yù)習(xí)和課堂上做筆記外，大部分學(xué)生很少動(dòng)筆。所以，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮其主動(dòng)性是教師應(yīng)該首要解決的問題。
2.數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱
熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)這門課程中大部分用到高等數(shù)學(xué)中的知識(shí)，例如，某些復(fù)雜的積分要用到換元法或者是分步積分法，某些問題中要用到泰勒展開式，但是有些學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)掌握不牢固，不能靈活地運(yùn)用數(shù)學(xué)工具來解決熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中遇到的問題。
3.物理概念不清晰
熱力學(xué)研究的是由大量微觀粒子（分子或其他粒子）組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)。同時(shí)熱力學(xué)中某些知識(shí)點(diǎn)與高中時(shí)期講過的熱學(xué)部分知識(shí)點(diǎn)重合，所以大部分學(xué)生覺得理解起來相對(duì)容易些。而統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論是對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)作出某些假設(shè)之后，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論求得具體物質(zhì)的特性，并且闡明產(chǎn)生這些特性的微觀機(jī)理。大部分學(xué)生對(duì)物理概念理解不清晰、不透徹，比如，由大量全同近獨(dú)立粒子組成的系統(tǒng)，粒子的微觀狀態(tài)數(shù)對(duì)于玻爾茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)和費(fèi)米系統(tǒng)的不同。
二、對(duì)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)教學(xué)方法提出的幾點(diǎn)建議
1.教師應(yīng)熟悉教材，深入研究
教師應(yīng)該熟悉自己所教課程的教材，概念清晰，公式推導(dǎo)完整。并且應(yīng)該在課下多看些關(guān)于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面的其他資料及網(wǎng)上的影像講課視頻，檢查自身不足，深入研究，不能如蜻蜓點(diǎn)水般膚淺地理解知識(shí)點(diǎn)。
2.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高學(xué)生主動(dòng)性
現(xiàn)在的大學(xué)生已經(jīng)不喜歡滿堂灌、填鴨式的教學(xué)模式，所以教師應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整自身的講課方式，比如，可以將傳統(tǒng)的板書和多媒體結(jié)合，一些重要的公式推導(dǎo)用板書細(xì)致講解，一些比較容易理解的概念可以用幻燈放映帶過即可，沒必要在學(xué)生已經(jīng)熟悉的簡單的知識(shí)點(diǎn)上做冗長的陳述。另外對(duì)于師范類學(xué)生可以鼓勵(lì)他們自己課下準(zhǔn)備教案課件，一個(gè)學(xué)期抽出適當(dāng)?shù)恼n時(shí)給學(xué)生，讓他們走上講臺(tái)。這樣既鍛煉了他們的心理素質(zhì)，為他們?nèi)蘸笞鼋處熯@一工作積累一定的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也激發(fā)了他們自身學(xué)習(xí)的積極性，他們必然會(huì)在課下認(rèn)真看書，遇到困難會(huì)查閱相關(guān)資料或者與其他同學(xué)討論，這也是對(duì)他們自主學(xué)習(xí)能力的一種很好的鍛煉。
3.注重理論的應(yīng)用及知識(shí)間的融會(huì)貫通
熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)教師不應(yīng)該只是為了完成教學(xué)任務(wù)在規(guī)定時(shí)間里將一本教材的理論知識(shí)原封不動(dòng)地講給學(xué)生，而是清楚知識(shí)之間的融會(huì)貫通，靈活運(yùn)用已知的知識(shí)來引出未知的知識(shí)點(diǎn)。比如，在介紹均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)一節(jié)中麥克斯韋關(guān)系及四個(gè)基本方程時(shí)，可以將熵（S）、壓強(qiáng)（P）、溫度（T）及體積（V）分別用英文單詞sun（太陽），peak（山峰），tree（樹）及valley（山谷）表示，然后繪出一個(gè)圓（圓的上端為S，下端為T，左端為P，右端為V，箭頭方向?yàn)閺纳系较拢瑥淖蟮接遥?，可以用一個(gè)英文句子來記憶箭頭的方向：The Sun is pouring down his rays upon the Tree，and the brook is flowing from the Peak to the Valley，然后利用基本方程及麥?zhǔn)详P(guān)系的記憶方法就可以輕松地掌握這兩部分知識(shí)，這樣既建立了英語與熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)之間的聯(lián)系，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)教師應(yīng)該注意熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用之間的聯(lián)系，比如，熱力學(xué)熵的概念，完全可以將其拓展，有生物熵、信息熵、農(nóng)業(yè)熵，還可以涉及熵與能量品質(zhì)及社會(huì)的關(guān)系。
綜上所述，提高教師自身素質(zhì)，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，注重理論與實(shí)踐和熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)課程與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，相信學(xué)生會(huì)對(duì)該課程更感興趣，并且會(huì)提高分析、解決問題的能力。
參考文獻(xiàn)：
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工程熱力學(xué)課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象，教學(xué)難度大。在缺少專業(yè)工程背景的情況下，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺較為困難，甚至茫然不知所云。如何使學(xué)生能夠較好地掌握教學(xué)內(nèi)容及熱力學(xué)基本內(nèi)容，是工程熱力學(xué)課程教學(xué)的根本所在。在多年的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)在課堂教學(xué)中，除了需要借助優(yōu)美的PPT多媒體課件來展示熱力學(xué)過程，更需要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)的興趣，在引入一些工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，激勵(lì)學(xué)生去思考，及時(shí)地與學(xué)生就教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行討論，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和領(lǐng)悟。與常規(guī)教學(xué)方法相比，課堂教學(xué)不再是文字、公式的羅列，PPT動(dòng)畫的簡單演示，而是把教學(xué)的核心放在啟迪學(xué)生對(duì)熱力學(xué)概念、原理的思考及把握上，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的同時(shí)，熟悉熱力學(xué)的系統(tǒng)內(nèi)容、章節(jié)間的邏輯關(guān)系、基本原理等，形成對(duì)熱力學(xué)的一種系統(tǒng)的總體的認(rèn)識(shí)和把握，而不是零散地去背誦記憶一些片段。通過這種激勵(lì)啟發(fā)式的教學(xué)，使學(xué)生做到理論和實(shí)際工程案例的結(jié)合，從而使熱力學(xué)知識(shí)很好地固化在學(xué)生的大腦中，并且達(dá)到靈活應(yīng)用的目的。激勵(lì)啟發(fā)式教學(xué)，需要教師在課堂教學(xué)前充分準(zhǔn)備，精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容的每個(gè)環(huán)節(jié)，圍繞章節(jié)內(nèi)容中的重點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)問題及啟發(fā)實(shí)例，并完成課堂互動(dòng)討論的教學(xué)組織，在此過程中需要教師飽含激情和較好的耐心，使學(xué)生在嚴(yán)肅活潑的氛圍中掌握熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。
二、改進(jìn)課堂教學(xué)PPT，增加工程實(shí)例
工程熱力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，與工程實(shí)際密切相關(guān)。在教學(xué)過程中，需要有很多的工程問題作為背景。以教科書為單一內(nèi)容的PPT演示，并不能滿足課堂學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)的興趣及深入掌握熱力學(xué)知識(shí)，迫切需要在傳統(tǒng)課件中加入工程實(shí)例，利用多媒體技術(shù)全面展示熱力學(xué)的工程應(yīng)用，使學(xué)生在工程案例的演示中發(fā)現(xiàn)并體會(huì)工程熱力學(xué)的重要性及美感。通過工程案例的學(xué)習(xí)，使課堂教學(xué)內(nèi)容圖文并茂，聲像結(jié)合，使學(xué)生在多方位、立體化地形成認(rèn)知并達(dá)到對(duì)熱力學(xué)知識(shí)的理解、分析、記憶、掌握和應(yīng)用。對(duì)于熱力學(xué)工程案例，我們選取了真空做功、制冷循環(huán)，內(nèi)燃機(jī)等工程機(jī)械作為實(shí)例，進(jìn)行詳細(xì)分析和講授。工程案例的引入，將實(shí)際生活中與熱力學(xué)相關(guān)的問題引入到教學(xué)中，用所學(xué)知識(shí)來解釋工程問題，在講解中讓學(xué)生明白熱力學(xué)知識(shí)可以解決本專業(yè)涉及的實(shí)際專業(yè)問題，從而實(shí)現(xiàn)“從理論中來，到實(shí)踐中去”，實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。
三、將工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)融入大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中
在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中，需要提升學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的能力和具有工程應(yīng)用背景的有關(guān)開發(fā)、設(shè)計(jì)的能力。大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施，有利于促進(jìn)高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和能力的新型人才，促進(jìn)高校探索并建立以科研活動(dòng)為中心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的本科人才培養(yǎng)和研究性學(xué)習(xí)教學(xué)改革，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)在項(xiàng)目實(shí)施中使學(xué)生逐漸掌握思考問題、解決問題的能力。結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，結(jié)合建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程的專業(yè)特點(diǎn)，在指導(dǎo)學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目時(shí)，將熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和卡諾定律應(yīng)用其中，使學(xué)生明白能源利用的守恒性，以及如何提高熱力循環(huán)的效率，減少不可逆損失，這些都成為學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際問題的一種鍛煉。學(xué)生在科研項(xiàng)目中，深化了對(duì)熱力學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高了自己思考問題、解決問題的能力。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各類挑戰(zhàn)杯、建筑節(jié)能比賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等，通過這些競賽活動(dòng)進(jìn)一步提升自己的創(chuàng)新能力。
四、改進(jìn)課后作業(yè)完成形式，增加分析報(bào)告
工程熱力學(xué)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其中很多理論已用于工業(yè)過程。因此，在課后作業(yè)中，需要對(duì)傳統(tǒng)布置練習(xí)題來檢驗(yàn)教學(xué)成果的方式進(jìn)行改進(jìn)，增加一些實(shí)際工業(yè)循環(huán)的實(shí)例，讓學(xué)生通過分析其所應(yīng)用的原理，提交分析報(bào)告，并指出該工業(yè)過程效率提高的方式和途徑，以這樣的方式來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。同時(shí)，精選一些課后習(xí)題，通過詳解的方式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和解決問題的能力，進(jìn)一步促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)社會(huì)持續(xù)不斷向前發(fā)展的原動(dòng)力，也是培養(yǎng)和造就一大批素質(zhì)過硬、勇于創(chuàng)新的新世紀(jì)人才，保證國家高速發(fā)展的有力保障。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)來自于理論和課堂，更在于理論和課堂之外的親身體會(huì)和具體的實(shí)踐操作。
本文從工程熱力學(xué)教學(xué)與工程實(shí)例結(jié)合，與科研活動(dòng)結(jié)合，改進(jìn)課堂教學(xué)組織模式和課后作業(yè)完成形式等方面，探討了以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)下的工程熱力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐，希望能夠進(jìn)一步提高工程熱力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和效果。
作者:高蓬輝 張東海 王義江 黃 煒 單位:中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系
參考文獻(xiàn)：
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1著重緒論講述、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣
經(jīng)過幾年的實(shí)踐教學(xué)、不斷探討，重新設(shè)計(jì)《化工熱力學(xué)》課程緒論講述，首先向同學(xué)們提問什么是化工熱力學(xué)，問題提出之后就介紹化工熱力學(xué)實(shí)際是包含化工過程和單元操作和熱力學(xué)兩方面，其本質(zhì)就是介紹化工過程的能量利用和節(jié)能減排，這樣介紹之后，同學(xué)們大致明白了該門課程的研究對(duì)象和內(nèi)容。對(duì)于化工過程與單元操作，同學(xué)們已經(jīng)通過化工原理和化工工藝學(xué)或精細(xì)化工工藝學(xué)的學(xué)習(xí)有了初步了解，并不陌生，拉近了同學(xué)們與這門課程的距離，為了進(jìn)一步激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)興趣，解答其疑惑，就需要拋出第二個(gè)問題化工熱力學(xué)與物理化學(xué)的區(qū)別，這個(gè)時(shí)候要充分調(diào)動(dòng)同學(xué)們討論物理化學(xué)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，同學(xué)們通過討論意識(shí)到物理化學(xué)基本學(xué)習(xí)的是理想氣體和理想液體的熱力學(xué)，對(duì)于真實(shí)氣體和液體的介紹比較少。通過這樣的討論之后，老師再向同學(xué)們介紹化工熱力學(xué)實(shí)際上就是解決實(shí)際氣體和液體的熱力學(xué)問題。從課程目標(biāo)上來看，大多數(shù)同學(xué)將來都是化工方面的科技工作者，這從另一個(gè)方面提高了同學(xué)們學(xué)習(xí)該門課程的使命感和責(zé)任感。通過這樣的講解，取得了比較滿意的教學(xué)效果，同學(xué)們既對(duì)該門課程有了初步認(rèn)識(shí)，同學(xué)們覺得思路清晰，一環(huán)套一環(huán)，基本避免了空洞說教。
2注重章節(jié)橫向聯(lián)系、提煉章節(jié)要點(diǎn)
化工熱力學(xué)內(nèi)容較多，而教學(xué)時(shí)間有限，這就要求教師要打破傳統(tǒng)的授課體系，注重各章節(jié)知識(shí)的橫向聯(lián)系，深入對(duì)教學(xué)內(nèi)容加以研究，挖掘教學(xué)內(nèi)容深層次內(nèi)涵，將書本上的內(nèi)容提煉出來講給學(xué)生聽。比如在講述偏離函數(shù)的時(shí)候，要把偏離函數(shù)和狀態(tài)方程以及對(duì)比態(tài)原理、常用熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，推導(dǎo)合適狀態(tài)方程下的偏離函數(shù)，并求取常數(shù)值，指導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生們用臨界溫度和臨界壓力，對(duì)比溫度和對(duì)比壓力，偏心因子和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)估算熱力學(xué)過程。這樣整個(gè)課程通過偏離函數(shù)就可以形成有機(jī)統(tǒng)一。對(duì)于課程中的封閉系統(tǒng)和敞開系統(tǒng)，同學(xué)們?cè)谖锢砘瘜W(xué)中并沒有太多深刻認(rèn)識(shí)，在課堂上我拋出化工工藝學(xué)中的氨合成，這樣的問題使同學(xué)們感受到課程間的相互銜接。對(duì)于氨的合成，同學(xué)們都知道N2+3H2→2NH3，在反應(yīng)平衡之前，組成都在發(fā)生變化，在反應(yīng)之前和反應(yīng)平衡之后，組成都是不變的，這幾個(gè)狀態(tài)下系統(tǒng)的研究和學(xué)習(xí)，有助于同學(xué)們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的整個(gè)過程的熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算，包括均相封閉系統(tǒng)和均相敞開系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別。
3多媒體教學(xué)和互動(dòng)教學(xué)結(jié)合
多媒體教學(xué)是現(xiàn)代化教學(xué)手段，靈活有效使用多媒體教學(xué)可以使抽象的概念具體化，提高教學(xué)的有效性，在教學(xué)過程中，由于教學(xué)內(nèi)容過多，如果采取大量板書教學(xué)，勢(shì)必會(huì)影響教學(xué)進(jìn)度，同時(shí)該門課程要向同學(xué)們展示大量化工設(shè)備圖片，必須要采用多媒體教學(xué)。大學(xué)教學(xué)必須要師生互動(dòng)，而師生互動(dòng)教學(xué)的關(guān)鍵在于教師的提問，所以要設(shè)計(jì)多層次多方面適合教學(xué)內(nèi)容的問題，問題設(shè)計(jì)有難有易，可以促進(jìn)整個(gè)班上不同層次的學(xué)生的思考，問題都設(shè)計(jì)的簡單，學(xué)的較好的同學(xué)就會(huì)無所事事，問題都設(shè)計(jì)的難，跟不上節(jié)奏的學(xué)生會(huì)一臉茫然失去學(xué)習(xí)興趣，好的問題可以幫助同學(xué)們從多層次多角度思考問題，化工熱力學(xué)的精髓實(shí)際就是能量利用和節(jié)能減排的時(shí)候，同學(xué)們對(duì)于能量利用還有基本的認(rèn)識(shí)，因?yàn)樵谖锢砘瘜W(xué)里面就談到了反應(yīng)的方向和限度。但是對(duì)于節(jié)能減排，卻沒有深刻認(rèn)識(shí)。結(jié)合國家目前大力致力于關(guān)轉(zhuǎn)停高耗能和高污染企業(yè)，并提倡綠色工業(yè)和綠色居住，同學(xué)們了解到能量利用和節(jié)能減排已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略高度。對(duì)于能量利用，要有實(shí)例，比如向大家介紹1摩爾水在氣化完之后是水在液態(tài)的時(shí)候體積的1603倍，而體積增大正好做工，正是因?yàn)槿绱?，蒸汽機(jī)才能帶動(dòng)火車，實(shí)現(xiàn)第一次工業(yè)革命?；诖耍ぐl(fā)同學(xué)們想到汽油作為工質(zhì)做工，讓汽車跑的更快，讓飛機(jī)飛的更遠(yuǎn)，讓輪船遨游大洋。舉一反三，這些都是同學(xué)們?cè)谌粘Ｉ钪袝r(shí)時(shí)碰到，原來能量利用是如此重要。正是因?yàn)槟茉吹钠毡槔茫瑖鴥?nèi)自然環(huán)境正經(jīng)歷倫敦霧都在第一次工業(yè)革命的陣痛，節(jié)能減排和能量合理利用就尤為重要。
談節(jié)能減排和能量合理利用很重要，這是同學(xué)們必須要慢慢接受的觀點(diǎn)，要深入大腦，案例很重要。比如說煤礦的使用帶來了大量粉塵和大量排放和地質(zhì)危害，所以國內(nèi)正在大力開發(fā)煤制油的技術(shù)以及更清潔的原料天然氣。而石油的地下存量已經(jīng)在減少，大慶油田已經(jīng)進(jìn)入老年，這也告訴同學(xué)們石油和煤礦，天然氣這些能源都是不可再生，總有用完的一天，同時(shí)這些不可再生的能源都有一個(gè)害處，就是燃燒之后有二氧化碳和一氧化碳的排放，都臭氧層有很大的破壞，地球的溫度在上升。那么有沒有什么好的替代能源呢，同學(xué)們普遍感興趣，而且也是科技工作者共同的難題。這個(gè)時(shí)候我會(huì)在適當(dāng)時(shí)候拋出水制氫這樣一個(gè)最簡單的課題，作為老師是知道現(xiàn)在很多研究小組都在研究水制氫的課題，也是科技界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。但是對(duì)于同學(xué)們而言，同學(xué)們會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)多么簡單的問題，只要電解就可以實(shí)現(xiàn)。
我的問題是，當(dāng)全球不可再生能源枯竭，而清潔能源風(fēng)能和水能不夠用的時(shí)候怎么辦？需要解決的難題是怎么樣實(shí)現(xiàn)用2度電制備得到的氫氣實(shí)現(xiàn)的能量超過2度電，比如說3度電，那么這將就是一個(gè)全球能源的革命。同學(xué)們歡喜鼓舞，有同學(xué)馬上發(fā)現(xiàn)問題了，用2度電的能量生成的氫氣能轉(zhuǎn)化為3度電，這不可能，不符合熱力學(xué)第一定律，能量守恒。這個(gè)時(shí)候，說實(shí)話，我滿心鼓舞，因?yàn)橥瑢W(xué)們進(jìn)入角色了，對(duì)這樣的有建設(shè)性的問題要在全班討論，怎么辦？然后我告訴大家，可以采用太陽能，如果實(shí)現(xiàn)了水在太陽下就可以電解為氫氣，顯然這就實(shí)現(xiàn)了能量守恒，而且氫氣燃燒之后是水，全球就有了可大量再生能源，而且能源清潔，燃燒之后沒有對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。這樣的問題進(jìn)行討論之后，同學(xué)們對(duì)新能源和熱力學(xué)第一定律有了深刻印象，也讓同學(xué)們真正認(rèn)識(shí)到能量合理利用和節(jié)能減排的重要性。
通過案例的介紹和問題的設(shè)置，同學(xué)們的討論，在筆者的引導(dǎo)下，同學(xué)們運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)得到如下結(jié)論：(1)現(xiàn)在地球能源大部分都是不可再生能源，除了風(fēng)能和水能；(2)要學(xué)好知識(shí)，找到更好的替代能源，并且要注意節(jié)能減排。當(dāng)然這些問題里面還有些知識(shí)點(diǎn)是沒有結(jié)論的，這些沒有結(jié)論的局部知識(shí)點(diǎn)可以讓同學(xué)們下去思考，使得課堂教學(xué)和課外教學(xué)有機(jī)結(jié)合。
作者：王治國 何培新 單位：湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院
關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革
作者簡介：江海斌（1975-），男，浙江溫嶺人，嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師；吳曉艷（1980-），女，山東萊西人，嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，講師。（浙江 嘉興 314001）
中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）34-0152-02
當(dāng)前就業(yè)形勢(shì)較為嚴(yán)峻，就業(yè)市場(chǎng)競爭很激烈，用人單位對(duì)大學(xué)生的素質(zhì)要求越來越高，導(dǎo)致越來越注重學(xué)生的理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合能力。[1]嘉興學(xué)院作為一所應(yīng)用型本科院校，其教育是以培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用本科人才為目標(biāo)，這既不同于以側(cè)重研究能力培養(yǎng)為目標(biāo)的重點(diǎn)高校本科生教育，又與以單純的技能培養(yǎng)為目標(biāo)的高職院校教育有所區(qū)別，而是在強(qiáng)調(diào)基本理論知識(shí)重要性的同時(shí)，加強(qiáng)知識(shí)的應(yīng)用和基本技能的培養(yǎng)。
“工程熱力學(xué)”課程是工科熱能動(dòng)力類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的主要環(huán)節(jié)，是實(shí)踐教學(xué)的重要內(nèi)容，是學(xué)生鞏固和深化理解理論知識(shí)的重要途徑，也是學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)方法，養(yǎng)成實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)的重要途徑。[2，3]因此，為適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，應(yīng)重視工程熱力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，積極探索和改革該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
一、以往工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題
1.對(duì)實(shí)驗(yàn)課程重視不夠
在中學(xué)階段，很多初、高中學(xué)校為了提高學(xué)校的升學(xué)率，對(duì)理論課的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)踐課程，往往將實(shí)驗(yàn)課占用來上理論課，無形中使學(xué)生養(yǎng)成了重理論輕實(shí)踐的習(xí)慣。進(jìn)入大學(xué)后，學(xué)生本應(yīng)該充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)新力，利用學(xué)到的知識(shí)，驗(yàn)證、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新各種實(shí)驗(yàn)。然而受錯(cuò)誤習(xí)慣的影響，很多學(xué)生輕視教學(xué)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課可上可不上，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用最多只是幫助了解理論知識(shí)。也有一些教師對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重要性認(rèn)識(shí)不足，特別是對(duì)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在指導(dǎo)書上已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只要記住結(jié)果就行，做不做以及如何做對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)幫助不大。
2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不合理
“工程熱力學(xué)”課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論概念復(fù)雜，公式繁多，要掌握這些概念與公式，非常需要通過實(shí)驗(yàn)來加深理解和鞏固，但在教學(xué)過程中，該課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)設(shè)置較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不合理。以嘉興學(xué)院為例，設(shè)置了氣體定壓比熱測(cè)定、二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及P-V-T關(guān)系測(cè)定以及噴管實(shí)驗(yàn)等三個(gè)實(shí)驗(yàn)，共六個(gè)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)的課時(shí)數(shù)較少，涉及的知識(shí)點(diǎn)較少，不能涵蓋本課程的重點(diǎn)內(nèi)容，并且這些實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論在相關(guān)資料中就能查到，不能充分激發(fā)學(xué)生探索創(chuàng)新的興趣。
3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不合理
實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法比較單調(diào)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)教師通常先講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮恚榻B實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，再演示實(shí)驗(yàn)過程，然后再讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。在此過程中，學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)、模仿教師做實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種疑問沒有興趣，往往是人在心不在。[4]當(dāng)他們動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)時(shí)，還是不能獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要么參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書做，要么請(qǐng)教教師。對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟只知道要如何做，不知道為什么要這樣做，所以實(shí)驗(yàn)效果大打折扣，難以較快地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，卻不知道錯(cuò)在什么地方，數(shù)據(jù)處理的方法也不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告也常有抄襲現(xiàn)象。
4.實(shí)驗(yàn)考核方式不全面
“工程熱力學(xué)”課程的成績包括實(shí)驗(yàn)成績和理論課成績，通常實(shí)驗(yàn)成績只占該課程成績的20%左右。實(shí)驗(yàn)成績通常由出勤紀(jì)律（10%）、實(shí)驗(yàn)操作（50%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40%）三部分組成。實(shí)驗(yàn)成績占總成績的分值較低，使很多學(xué)生認(rèn)為只要學(xué)好理論課就能使課程成績及格，甚至還可能拿到高分。由于過于強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重要性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中因怕實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤而被扣分，就會(huì)按部就班地按照教師講解的或指導(dǎo)書上的步驟進(jìn)行，不思考、探索和創(chuàng)新；為獲得較好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績，個(gè)別同學(xué)抄襲其他學(xué)生的數(shù)據(jù)和問題討論，甚至修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以達(dá)到理論分析的預(yù)期結(jié)果。因此，現(xiàn)有的考核方式不能很好地促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
二、工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索
1.重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)
教師和學(xué)生都要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)作為工程熱力學(xué)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)來對(duì)待。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果取決于能否激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)烈興趣，實(shí)驗(yàn)教師和理論課教師需要認(rèn)真細(xì)致地準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，正確引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生也要養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，實(shí)驗(yàn)前要預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理等，了解實(shí)驗(yàn)裝置，以及查找相關(guān)資料，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的目的、原理、如何設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及可能得到的結(jié)果要有充分的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)要專心致志，邊動(dòng)手做邊思考問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)先整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)能及時(shí)重做。做完實(shí)驗(yàn)后，要認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行必要的探討和總結(jié)。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要總結(jié)出實(shí)驗(yàn)成功之處和不足之處，使下次實(shí)驗(yàn)?zāi)茏龅綋P(yáng)長避短，得到滿意的實(shí)驗(yàn)效果。
2.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
原有工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)只有氣體定壓比熱測(cè)定、二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及P-V-T關(guān)系測(cè)定以及噴管實(shí)驗(yàn)三個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)量較少，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，僅有一個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性不高，對(duì)學(xué)生加深掌握理論知識(shí)的幫助不明顯。因此，需要增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容能覆蓋重要知識(shí)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)主要改革以下兩方面：
一是增加一些設(shè)計(jì)型、綜合型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。比如為加深對(duì)氣體熱力過程的理解，可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)閉口系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行氣體的定容、定壓、定溫以及定熵等基本熱力過程，測(cè)量有關(guān)參數(shù)，掌握這些熱力工程的變化規(guī)律。還可以增加熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)等重要知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)。
二是將原來驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)改成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。比如將定壓比熱實(shí)驗(yàn)中的測(cè)溫元件由溫度計(jì)改成熱電偶或熱電阻元件，將采集到的數(shù)據(jù)輸入到巡檢儀中，應(yīng)用VC或VB語言編寫一個(gè)應(yīng)用軟件，將巡檢儀上的測(cè)量數(shù)據(jù)輸入到電腦中并顯示這些數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算并顯示出空氣的定壓含濕量、質(zhì)量流量、水蒸氣流量、水蒸氣吸收的熱量、干空氣的定壓比熱等值，且畫出比熱隨溫度變化的曲線。學(xué)生在該過程中加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及方法的掌握，在學(xué)習(xí)中激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，并且學(xué)會(huì)了使用VC或VB語言來解決專業(yè)知識(shí)的有關(guān)問題，提高了自己學(xué)習(xí)和解決問題的能力。
3.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法
（1）采用“啟發(fā)式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維。不采用傳統(tǒng)的教師講解、演示實(shí)驗(yàn)，然后學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，而是告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)的目的和原理，讓學(xué)生自己探索合理的實(shí)驗(yàn)方案和步驟。學(xué)生可以以小組為單位開討論會(huì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和原理提出幾種實(shí)驗(yàn)方案，比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后確定最優(yōu)方案，根據(jù)最優(yōu)方案討論并確定實(shí)驗(yàn)的步驟。在小組確定最優(yōu)方案和步驟后，再在班級(jí)里進(jìn)行討論，小組成員對(duì)教師和班級(jí)其他同學(xué)提出的問題進(jìn)行解答，采納建設(shè)性的建議，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方案和步驟。對(duì)于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，還要先進(jìn)行可行性論證，再進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和步驟設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生是“主角”，自主進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)，教師是“配角”，只對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)學(xué)生遇到的困難問題進(jìn)行啟發(fā)性指導(dǎo)。
（2）應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生加深對(duì)相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的了解。主要采用以下兩種方法：
一是制作實(shí)驗(yàn)視頻。將每次的實(shí)驗(yàn)制作成視頻，實(shí)驗(yàn)開始前播放相關(guān)視頻內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。視頻內(nèi)容可以涉及安全教育和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、問題與解答以及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)等方面。安全教育和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)主要包括實(shí)驗(yàn)人身安全、設(shè)備安全和實(shí)驗(yàn)的相關(guān)注意事項(xiàng)等內(nèi)容，比如在二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及P-V-T關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，要注意用電安全以防觸電、壓力的間隔為0.2～0.5MPa、加壓過程要緩慢進(jìn)行，施加的壓力不得超過10MPa等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、方案設(shè)計(jì)、步驟設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，也可以是以往學(xué)長們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括以往實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題、討論過程、問題的解答、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，以及評(píng)價(jià)他們的實(shí)驗(yàn)效果。最后將成功的實(shí)驗(yàn)成果和失敗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出來，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
二是運(yùn)用專業(yè)CFD軟件，對(duì)部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)中氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)、噴管實(shí)驗(yàn)和定容、定壓、定溫以及定熵等基本熱力過程實(shí)驗(yàn)等可以進(jìn)行數(shù)值模擬。將數(shù)值模擬的初始參數(shù)設(shè)置成與實(shí)驗(yàn)的參數(shù)相同后進(jìn)行數(shù)值模擬，得出的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)數(shù)值模擬方法的正確性。改變不同的初始參數(shù)，然后使用驗(yàn)證后的數(shù)值模擬方法，可以方便地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得比真實(shí)實(shí)驗(yàn)更豐富的結(jié)果，比如可以用動(dòng)畫形象地演示實(shí)驗(yàn)過程，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)，還可以得到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以得到的數(shù)據(jù)，比如溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、流線等。使用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，學(xué)生既學(xué)會(huì)了軟件的使用，學(xué)到了研究問題的新方法，又初步掌握了專業(yè)理論知識(shí)的運(yùn)用，加深了對(duì)專業(yè)理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解。
4.完善實(shí)驗(yàn)考核方式
重視實(shí)驗(yàn)考核，建立更科學(xué)的考核體系。提高實(shí)驗(yàn)成績?cè)凇肮こ虩崃W(xué)”課程成績中的比重，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成績“一票否決”，也就是說如果實(shí)驗(yàn)成績不合格，“工程熱力學(xué)”課程成績也不合格。實(shí)驗(yàn)過程既是個(gè)人運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)的過程，更是小組共同合作與創(chuàng)新的過程，因此以小組為單位進(jìn)行考核比較合理。實(shí)驗(yàn)考核成績由專業(yè)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)過程中的問題回答、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾部分成績組成。實(shí)驗(yàn)成績要充分體現(xiàn)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力等，這有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高自己的能力。
三、結(jié)語
工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)是“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)的重要組成部分，也是“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)非常重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生拓展知識(shí)面，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，努力提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成實(shí)事求是、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，提高獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師要完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高專業(yè)水平，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和考核方式，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的專業(yè)人才。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】問題鏈；教學(xué)模式；工程熱力學(xué)；教學(xué)功能
工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門學(xué)科，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容面廣、概念抽象、晦澀難懂，相對(duì)一部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定困難[1]。工程熱力學(xué)課堂教學(xué)中，大部分教師采用的是“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式在高校是普遍存在的。這種教學(xué)方法忽略了學(xué)生的“問”，從而導(dǎo)致學(xué)生缺失應(yīng)有的存疑、批判、想象和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過程。長此以往，就存在教師“灌”，學(xué)生“收”的單一被動(dòng)接受的弊端，這樣就是容易造成學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力不足等問題，這往往與工程熱力學(xué)的課堂教學(xué)效果背道而馳。英國哲學(xué)家波普爾說：“科學(xué)知識(shí)的增長永遠(yuǎn)始于問題，終于問題”[2]。那么，對(duì)于要講授的課堂教學(xué)內(nèi)容，如何重新設(shè)計(jì)，形成若干個(gè)未知的教學(xué)問題，以問題為中心展開教學(xué)，讓問題貫通整個(gè)教學(xué)過程呢？筆者采用了問題鏈教學(xué)模式進(jìn)行工程熱力學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐，并對(duì)各種不同的問題鏈加以運(yùn)用。
1 問題鏈的教學(xué)模式
1.1 問題鏈教學(xué)模式的定義[3-4]
何謂問題？問題是一個(gè)障礙、一個(gè)有待完成的目標(biāo)，即“問題=障礙+目標(biāo)”。所謂“問題鏈”是教師根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，通過將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行提煉，并設(shè)計(jì)成一連串的問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比、分析、綜合和概括，問題鏈就是這些像鎖鏈一樣的問題集合，問題鏈就是圍繞某一個(gè)教學(xué)目標(biāo)，開發(fā)出來的一連串層層深入的問題集合體。因此，開發(fā)出來的問題應(yīng)該環(huán)環(huán)相扣、由淺入深，而且應(yīng)該具有多元性、多角度，分層次等特點(diǎn)，問題的編制應(yīng)宜粗不宜細(xì)，問題要少而精。問題鏈要能達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生對(duì)舊知識(shí)點(diǎn)的回憶和重構(gòu)，并對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的探索和思考的目的，起到開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的作用。
1.2 問題鏈的設(shè)計(jì)要求
問題鏈的設(shè)計(jì)不是隨機(jī)的，任意的，必須具有一定的邏輯順序，設(shè)計(jì)的問題鏈能方便教師引導(dǎo)學(xué)生。問題鏈的設(shè)計(jì)要求如下：
1）問題鏈應(yīng)明確教學(xué)目標(biāo)，突出本節(jié)課的重點(diǎn)、難點(diǎn)；
2）設(shè)計(jì)的問題鏈必須對(duì)學(xué)生有驅(qū)動(dòng)性和啟發(fā)性；
3）問題鏈的設(shè)計(jì)需要具有層次性、遞變性、情境性、可行性；
4）問題鏈應(yīng)具有趣味性、新穎性，能集中學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的求知欲。
2 問題鏈教學(xué)模式的應(yīng)用
“問題鏈”在功能和形式上多N多樣，其設(shè)計(jì)也因“問”而異。工程熱力學(xué)課程內(nèi)容比較多、概念活，研究對(duì)象為氣體，根據(jù)工程熱力學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)，基于教學(xué)立意，圍繞教學(xué)中心，從而設(shè)計(jì)不同的問題鏈類型[5]。根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)立意設(shè)計(jì)，筆者在工程熱力學(xué)這門課設(shè)計(jì)的問題鏈主要有：引入性問題鏈、探索性問題鏈、情境性問題鏈、類推性問題鏈、總結(jié)性問題鏈等。
2.1 引入性問題鏈
傳統(tǒng)的引入性方法是直接從前一節(jié)內(nèi)容開門見山引入本節(jié)教學(xué)內(nèi)容，方法往往枯燥乏味。引入性問題鏈就是教師將舊知識(shí)點(diǎn)直接平滑連接到后續(xù)的知識(shí)點(diǎn)上，引導(dǎo)學(xué)生的注意力，喚醒學(xué)生找出問題答案的求知欲而設(shè)計(jì)的問題鏈。
講授水蒸氣的熱力性質(zhì)時(shí)，教師可以以某一發(fā)電廠為出發(fā)點(diǎn)，引入教學(xué)內(nèi)容，采用該教學(xué)模式實(shí)施課堂教學(xué)，具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下：
問題1：同學(xué)們每天都用電，很多電都是由熱能轉(zhuǎn)變而來，那么你們知道熱能是如何轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷膯幔?/p>
問題2：發(fā)電廠有哪些主要的熱力設(shè)備，各設(shè)備功能是什么樣的？這些熱力設(shè)備中的循環(huán)工作的工質(zhì)是什么？這些工質(zhì)是如何把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能發(fā)電的？
問題3：工質(zhì)的熱力狀態(tài)發(fā)生了哪些變化，其變化過程中，工質(zhì)發(fā)生了哪些基本的熱力過程？
在教學(xué)中，教師先拿出一個(gè)大家都熟悉的發(fā)電廠發(fā)電的話題，讓學(xué)生在開放的氛圍中展開思考；接著通過展示熱力發(fā)電廠的相關(guān)圖片或播放錄像，邊看邊向?qū)W生解釋燃煤發(fā)電廠工作過程；然后通過PPT向?qū)W生展示蒸汽動(dòng)力裝置示意圖，如圖1所示。根據(jù)蒸汽動(dòng)力裝置流程簡圖向?qū)W生介紹水蒸氣動(dòng)力循環(huán)的系統(tǒng)組成、工作原理及循環(huán)在T-s圖和p-v圖上的表示方法。
2.2 探索性問題鏈
探索性問題鏈?zhǔn)窃O(shè)計(jì)一些具有探索性和趣味性的知識(shí)問題。這種教學(xué)方法能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神，探索性問題鏈能使學(xué)生從現(xiàn)象探索事物的本質(zhì)。
在講授“濕空氣”時(shí)，教師先讓學(xué)生思考簡單的生活問題，由此提出探索性問題讓學(xué)生展開討論，通過教師對(duì)實(shí)例啟發(fā)性的分析，把枯燥的理論變成具體的實(shí)際問題。由此，教師設(shè)計(jì)如下問題鏈：
問題1：為什么陰雨天曬衣服不容易干，而晴天則容易干呢？
問題2：什么是濕空氣？什么是干空氣？如何理解水蒸氣的含量是變量這一問題？
問題3：未飽和濕空氣和飽和濕空氣有什么區(qū)別？水蒸氣的分壓力和溫度有何關(guān)系？由此得出什么結(jié)論？
教師通過生活實(shí)例，向?qū)W生解釋：“陰雨天環(huán)境空氣濕度大，空氣吸取水蒸氣的能力差，所以陰雨天曬的衣服不容易干。晴天則恰恰相反，所以容易干”。教師讓學(xué)生對(duì)濕空氣相關(guān)概念進(jìn)行理解、探究，引導(dǎo)學(xué)生去分析。留有足夠時(shí)間和空間讓學(xué)生去思考分析，爭論探討，提煉拓寬，訓(xùn)練學(xué)生思維的深刻性。
2.3 情境性問題鏈
情境性問題鏈就是教師設(shè)計(jì)或引入特定的生活情境，使學(xué)生產(chǎn)生一定的求知欲。精心設(shè)計(jì)的情境可以使學(xué)生從情境中挖掘出新知識(shí)點(diǎn)，從而幫助學(xué)生更好進(jìn)入新知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。
為了讓學(xué)生掌握壓縮制冷循環(huán)這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，首先展示一幅錯(cuò)誤安裝空調(diào)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的的圖片，如圖2所示。針對(duì)這一生活情境，設(shè)計(jì)如下問題鏈：
問題1：同學(xué)們來看一下這幅圖，圖中，室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的安裝是否正確，為什么？那么這樣安裝會(huì)產(chǎn)生什么效果，為什么？
問題2，：壓縮機(jī)制冷循環(huán)的是如何實(shí)現(xiàn)房間制冷的？壓縮制冷循環(huán)的工作原理？各經(jīng)歷了哪些循環(huán)過程？
問題3：如何利用P-V圖和T-s圖來表示壓縮機(jī)制冷循環(huán)過程？制冷系數(shù)如何確定？
教師利用這種貼近生活、富有吸引力的情境圖片，讓學(xué)生思考空調(diào)機(jī)安裝存在的問題；接著向?qū)W生解釋為什么該安裝方式不正確。根據(jù)制冷循環(huán)的原理，空調(diào)內(nèi)機(jī)吸熱，外機(jī)放熱，二者理想是相等的，實(shí)際算上管線電路損耗什么的是放熱大于吸熱的，因此安裝該空調(diào)后產(chǎn)生的效果是房間只會(huì)越來越熱；然后通過圖3向?qū)W生解釋壓縮機(jī)制冷循環(huán)是如何實(shí)現(xiàn)房間制冷，其工作原理，具體的循環(huán)過程及壓縮機(jī)制冷循環(huán)的P-V圖和T-s圖，制冷系數(shù)的計(jì)算。教學(xué)方法是通過情景圖片演示、問題分析、問題探討，引導(dǎo)學(xué)生追蹤過程、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出結(jié)論；從而到達(dá)使學(xué)生完全掌握這一知識(shí)點(diǎn)的目的。
2.4 類推性問題鏈
類推性問題鏈?zhǔn)侵竿ㄟ^一類事物所具有的某種屬性推測(cè)出與其類似的事物屬性，由此所產(chǎn)生的一序列問題，此類問題鏈需要滿足條件是兩個(gè)問題或者現(xiàn)象具有一定的相似性。
在講述工程熱力學(xué)的熵增原理時(shí)，為了讓學(xué)生掌握熵增原理的概念，列舉了教材上一個(gè)實(shí)例，如圖4所示，由此設(shè)計(jì)了如下問題鏈：
問題1：將隔板抽去后，氣體將如何變化？若將A容器里面裝滿跳蚤，同樣將隔板抽去后，跳蚤將如何變化？
問題2：對(duì)于問題1和問題2，若達(dá)到平衡后，能否自動(dòng)恢復(fù)以前狀態(tài)？這種現(xiàn)象說明什么問題？
問題3：熵增原理是什么？
為了讓學(xué)生掌握熱力學(xué)第二定律的熵增原理的方向性，教師引入貼近生活的跳蚤現(xiàn)象，利用熵增原理和跳蚤現(xiàn)象的類比，從而達(dá)到解釋自然過程的方向性，即一切過程的發(fā)生都是沿著熵增加的方向進(jìn)行，自然的過程是不可逆的。上述問題鏈?zhǔn)峭ㄟ^類推等方法使學(xué)生掌握課堂知識(shí)，從而達(dá)到理解科學(xué)知識(shí)的作用。
2.5 結(jié)性問題鏈
總結(jié)性問題鏈?zhǔn)墙處熢谡n堂快要結(jié)束時(shí)，采用邏輯方法把知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來從而形成知識(shí)系統(tǒng)的問題鏈。其目的是幫助學(xué)生總結(jié)知識(shí)和達(dá)到鞏固知識(shí)的目的。通過問題鏈的設(shè)計(jì)，能夠系統(tǒng)性歸納、總結(jié)那些分散和孤立的知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)學(xué)生分散的知識(shí)進(jìn)行了梳理，從而形成相互聯(lián)系的整體。
在復(fù)習(xí)理想氣體的熱力過程時(shí)，有的教師會(huì)按照教材的順序來復(fù)習(xí)概念、影響因素及其原因分析。而有經(jīng)驗(yàn)教師會(huì)通過總結(jié)性的問題鏈展現(xiàn)出來。
問題1：工程中存在哪些主要的熱力過程？
問題2：這幾個(gè)熱力過程各自有什么樣的特點(diǎn)，過程方程形式是什么？
問題3：熱力過程中的狀態(tài)參數(shù)p、v、T、？駐u、？駐h、？駐s和過程量Q、W分別是如何計(jì)算的，上述過程如何用p-v 、T-s圖表示？試著總結(jié)出多變過程原理。
上述的問題是依據(jù)總分總的形式策略歸納出理想氣體的熱力過程的內(nèi)容的。這種問題鏈能激發(fā)學(xué)生歸納總結(jié)知識(shí)及發(fā)散學(xué)生的思維，教師經(jīng)常設(shè)計(jì)總結(jié)性問題鏈能培養(yǎng)學(xué)生梳理知識(shí)、理解知識(shí)、歸納知識(shí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。
3 問題鏈教學(xué)模式的實(shí)施效果
問題鏈教學(xué)模式遵循“產(chǎn)生問題分析提出問題引申擴(kuò)展提出新的問題分析解決問題”循環(huán)規(guī)律，以問題為中心，通過問題的層層遞進(jìn)，將知識(shí)變?yōu)榻虒W(xué)問題。問題鏈教學(xué)模式的核心是激發(fā)學(xué)生思維活動(dòng)，教師如何設(shè)計(jì)問題鏈，直接影響到模式的教學(xué)的效率和質(zhì)量。筆者改傳統(tǒng)的教學(xué)模式為問題鏈教學(xué)模式后，學(xué)生學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的主動(dòng)性和積極性都有所加強(qiáng)，主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的人數(shù)也明顯增加。教學(xué)實(shí)踐證明，問題鏈教學(xué)模式值得在工科院校中應(yīng)用和推廣。
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關(guān)鍵詞：化工熱力學(xué) 教學(xué) 課程質(zhì)量
中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0213-01
化工熱力學(xué)是是化學(xué)工程一個(gè)重要的基礎(chǔ)學(xué)科，是工程與工藝等各類化工專業(yè)的必修課程。該課程把熱力學(xué)的基本原理應(yīng)用于化工技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)合表征實(shí)際體系特性的狀態(tài)方程、活動(dòng)系數(shù)模型進(jìn)行各種熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算。由于該課程相對(duì)于其他課程而言理論性強(qiáng)，概念多、公式多，學(xué)生往往覺得抽象不易掌握。大篇幅的公式推導(dǎo)也讓學(xué)生望而生畏[1-2]。
如何引導(dǎo)學(xué)生掌握本課程的基本原理、應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)技能，了解學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，也是本課程教學(xué)必須回答的問題。本文試從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，以期提高化工熱力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。
1 理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
對(duì)日常生活中一些常見的現(xiàn)象用專業(yè)的化工熱力學(xué)知識(shí)給予科學(xué)的解釋。這樣可以使學(xué)生感受到該課程對(duì)生活實(shí)踐的指導(dǎo)意義，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，達(dá)到既掌握了化工熱力學(xué)的知識(shí)又培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題能力的目的。
例如：冰箱的工作原理與空調(diào)是否相同？夏天打開冰箱門是否能當(dāng)空調(diào)？空調(diào)與取暖器哪個(gè)更省電？將冰箱和空調(diào)的工作原理與第六章的制冷循環(huán)相聯(lián)系。為何從天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超臨界萃取技術(shù)？萃取劑為何常選CO2？在第二章PVT關(guān)系的應(yīng)用當(dāng)中著重介紹了超臨界萃取技術(shù)以及萃取劑的選擇[3-4]。在講到相關(guān)的理論知識(shí)時(shí)，適時(shí)的把這些學(xué)生感興趣的問題穿來，使理論知識(shí)不再那么枯燥。
比如說在講第六章熵增原理的時(shí)候，可以做適度的延伸，將熵增原理與宇宙的變化過程聯(lián)系起來。霍金[5]在《時(shí)間的方向》這一報(bào)告中，提出了熱力學(xué)時(shí)間箭頭、時(shí)間箭頭和宇宙學(xué)時(shí)間箭頭的一致性。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，事物總是向無序狀態(tài)變化，稱為“熵”的不斷增大。因此，我們只能看見杯子打碎成碎片的過程，從來不會(huì)看見杯子的碎片復(fù)原成為杯子，相對(duì)來說，杯子是有序的狀態(tài)，碎片是無序的狀態(tài)。阿姆斯特丹大學(xué)理論物理學(xué)院埃里克.弗林德教授（Erik Verlinde）認(rèn)為引力從本質(zhì)上是一種熵力，如果一個(gè)物體在其它物體周圍發(fā)生微小移動(dòng)會(huì)改變周圍的無序度，就會(huì)感受到引力。
通過這樣一些理論的提出，讓學(xué)生通過討論，首先能培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、開拓創(chuàng)新的精神；其次將熱力學(xué)的理論與哲學(xué)、物理學(xué)等其他學(xué)科相聯(lián)系，能讓學(xué)生了解自然科學(xué)其實(shí)沒有學(xué)科的邊界，科學(xué)是相通的思想；三是介紹一些化工熱力學(xué)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。例如在講授范德華方程時(shí)，講述了萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人著名低溫物理學(xué)家卡末林-昂內(nèi)斯如何利用范德華方程成功地把一種又一種“永久氣體”（氧氣、氫氣、氦氣等）液化，乃至作出對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的貢獻(xiàn)—— 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)。最后如何利用超導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)磁懸浮列車，讓學(xué)生感受到化工熱力學(xué)在實(shí)際生活中的重大指導(dǎo)意義。
2 與時(shí)俱進(jìn)，借助計(jì)算機(jī)軟件來輔助教學(xué)
在化工熱力學(xué)教學(xué)過程中，公式多，計(jì)算復(fù)雜成為嚴(yán)重影響教學(xué)效果的主要因素。為了使學(xué)生在今后的工作實(shí)際當(dāng)中能更好的運(yùn)用化工熱力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，我們?cè)诮虒W(xué)過程中，專門作了一個(gè)專題，介紹了目前應(yīng)用較多的幾種軟件，包括Aspen Plus，Simulis Thermodynamics， HSC chemistry等。其中著重介紹了目前應(yīng)用最廣的Aspen Plus （Advanced System for P
rocess Engineering）。該軟件美國AspenTech公司研制，由MIT主持、能源部資助、55個(gè)高校和公司參與開發(fā)。是基于序貫?zāi)K法的穩(wěn)態(tài)過程模擬軟件，并附帶有龐大的數(shù)據(jù)庫，包含了豐富的狀態(tài)方程和活度系數(shù)模型。在各章節(jié)的計(jì)算過程中，分別對(duì)這幾種軟件相關(guān)的熱力學(xué)計(jì)算部分進(jìn)行了演示。
3 尊重傳統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)作風(fēng)
化工熱力學(xué)是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼n程，有人稱之為完美的學(xué)科，就是因?yàn)樗睦碚摵凸蕉加袊?yán)密的理論基礎(chǔ)，都是通過層層推導(dǎo)得到的。而本課程中最主要的內(nèi)容就是熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算。盡管有相應(yīng)的軟件工具可以進(jìn)行輔助計(jì)算，但在教學(xué)過程中還是不能忽視學(xué)生的計(jì)算和推理能力的培養(yǎng)。通過日常的作業(yè)和課堂上的習(xí)題演練，讓學(xué)生在做題過程中領(lǐng)會(huì)化工熱力學(xué)的精髓，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和作風(fēng)。
4 把握主線，縱觀全局，理清脈絡(luò)
化工熱力學(xué)課程主要由原理、模型和應(yīng)用三部分所組成。原理是基礎(chǔ)，應(yīng)用是目的，模型是應(yīng)用中不可缺少的工具[7]。如果把化工熱力學(xué)比作一個(gè)大樹，那么原理就是它龐大的根系，模型是它的主干和枝丫，而應(yīng)用這是化工熱力學(xué)所開出的花朵和果實(shí)。
因此在每一章學(xué)習(xí)之前，我們都會(huì)給學(xué)生提供兩副結(jié)構(gòu)圖。一是本門課程所研究體系的框架圖。二是每章之間的關(guān)系及聯(lián)系圖。使學(xué)生能全面把握化工熱力學(xué)的整體框架，正確理解熱力學(xué)概念，靈活運(yùn)用熱力學(xué)原理。在學(xué)習(xí)時(shí)能做到，“提起是一串，放下是一堆”的學(xué)習(xí)方式。
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關(guān)鍵詞：CDIO；工程熱力學(xué)；教學(xué)改革
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）12-0108-02
CDIO教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，該理論將構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）相結(jié)合，注重學(xué)生工程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，以及個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，注重啟發(fā)式學(xué)習(xí)，重點(diǎn)放在“做中學(xué)”，是目前被廣泛應(yīng)用的一種教育模式。工程熱力學(xué)研究熱能與其他形式能量相互轉(zhuǎn)化，是能源與動(dòng)力工程專業(yè)（以下簡稱“能動(dòng)專業(yè)”）必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。在長期的教學(xué)過程中，師生大都有“難教難學(xué)”的感受，本文總結(jié)了在CDIO工程教育模式下開展工程熱力學(xué)教學(xué)的實(shí)施方案。
一、工程熱力學(xué)的課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀
1.課程內(nèi)容抽象、難理解。工程熱力學(xué)理論性與應(yīng)用性并重，其基本理論是從工程實(shí)際出發(fā)，經(jīng)過抽象、概括和簡化的方法得出的，并用于指導(dǎo)解決工程實(shí)際問題。該課程概念多，且具有抽象性、多義性、模糊性。有些概念比較抽象，如焓與熵的意義，孤立系統(tǒng)熵增原理等，不易理解。
2.授課形式單一、缺乏互動(dòng)環(huán)節(jié)。在授課形式上，大部分教師仍采用填鴨式教學(xué)法，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中處于被動(dòng)地位。教師多根據(jù)自身對(duì)課程的理解及以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)安排整個(gè)教學(xué)過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)中，缺乏提出意見和建議的機(jī)會(huì)和主動(dòng)學(xué)習(xí)探討的興趣。
3.課程安排密集、任務(wù)重。在教學(xué)計(jì)劃安排上，我校能動(dòng)專業(yè)第1―4學(xué)期開設(shè)通識(shí)教育課程，第5學(xué)期開始，開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)課程。工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)三門專業(yè)基礎(chǔ)課同時(shí)開設(shè)在第5學(xué)期，而學(xué)生剛由通識(shí)教育轉(zhuǎn)為專業(yè)學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)方式、思維模式的轉(zhuǎn)換上還未成熟，如此繁重的學(xué)習(xí)任務(wù)勢(shì)必將影響學(xué)習(xí)效果。
4.考核形式單一、局限性大。在考核方式上，目前采取平時(shí)成績與考試成績相結(jié)合的成績?cè)u(píng)定模式，平時(shí)成績與期末成績的分值比例是3∶7。平時(shí)成績主要包括學(xué)生的出勤、作I完成情況及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績，各占總評(píng)成績的10%。在這種考核方式下，學(xué)生往往將學(xué)習(xí)精力集中于應(yīng)對(duì)期末考試，對(duì)課程內(nèi)容不求甚解，對(duì)于分值較小的實(shí)踐操作不加重視，不益于學(xué)生綜合能力培養(yǎng)。
二、CDIO教育模式下的工程熱力學(xué)教學(xué)實(shí)施方案
我校依托航空航天領(lǐng)域，致力于建設(shè)機(jī)械類、能源類、電子信息類以及航空旅游類等專業(yè)為一體的綜合性應(yīng)用型本科院校，將培養(yǎng)應(yīng)用型人才作為育人目標(biāo)并貫徹始終，此培養(yǎng)理念與CDIO模式不謀而合。自2014年起，能動(dòng)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在2014、2015級(jí)課程教學(xué)中引入CDIO教育模式，實(shí)踐證明這種以工程應(yīng)用與能力培養(yǎng)為核心，以工程項(xiàng)目全周期為主線的教育思想適應(yīng)應(yīng)用型本科教育需求。
1.基于構(gòu)思（Conceive）理念的啟發(fā)式、散點(diǎn)式教學(xué)方式。CDIO模式的專業(yè)目標(biāo)是把產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行作為工程教育的環(huán)境?；诖死砟睿處熢谡n程編排構(gòu)思上，應(yīng)根據(jù)課程的特點(diǎn)，盡量地將理論系統(tǒng)化、實(shí)際化，將理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，列舉工程實(shí)例以幫助學(xué)生理解。將知識(shí)化整為零，分解細(xì)化，突出重點(diǎn)，讓專業(yè)基礎(chǔ)課為專業(yè)服務(wù)，同時(shí)也能適當(dāng)減輕學(xué)生的課業(yè)壓力。在教學(xué)過程中，多采用提問式和啟發(fā)式教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，力求做到課程設(shè)計(jì)構(gòu)思皆以學(xué)生為主體，以此為指導(dǎo)思想安排整個(gè)課程教學(xué)。
2.基于設(shè)計(jì)（Design）理念的多元化、階段化的呈現(xiàn)形式。CDIO模式的核心思想是以產(chǎn)品為導(dǎo)向、受眾為主體指導(dǎo)整個(gè)生產(chǎn)學(xué)習(xí)過程?；诖怂枷耄處熢诮虒W(xué)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際情況，預(yù)測(cè)學(xué)生對(duì)課程的理解掌握程度，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)度及授課形式。在課程教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的實(shí)際情況調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳教學(xué)效果。在課程呈現(xiàn)方式上，工程熱力學(xué)涉及大量的數(shù)學(xué)公式，且公式間聯(lián)系緊密，應(yīng)多采用多媒體與傳統(tǒng)板書相結(jié)合進(jìn)行。在教課課件的制作上，應(yīng)多結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)成果開發(fā)交互性好的多媒體資源，充分發(fā)揮多媒體授課的優(yōu)勢(shì)，在多媒體中多使用圖表、插入音頻、視頻材料，直觀展現(xiàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)
3.基于實(shí)現(xiàn)（Implement）理念的實(shí)驗(yàn)性、任務(wù)性課程結(jié)構(gòu)編排。CDIO模式倡導(dǎo)技術(shù)知識(shí)和能力的教學(xué)實(shí)踐上以產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的生產(chǎn)周期作為工程教育的框架或環(huán)境。具體到本課程，以實(shí)驗(yàn)服務(wù)于理論、理論指導(dǎo)實(shí)踐的教學(xué)思想為指導(dǎo)，將理論知識(shí)與實(shí)際熱力學(xué)過程的有效鏈接。過去工程熱力學(xué)的實(shí)踐課比重小，且實(shí)踐類型單一，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在新的教學(xué)中，增加了部分探索性及半開放性實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生提出自行提出實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，取得了良好的教學(xué)效果。
4.基于運(yùn)作（Operate）理念的全方位、多指標(biāo)考核模式。傳統(tǒng)的成績?cè)u(píng)定模式偏重于理論知識(shí)的考核而忽略對(duì)學(xué)生其他方面能力培養(yǎng)的引導(dǎo)，不益于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。CDIO模式要求基本個(gè)人能力、人際能力和對(duì)產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力在多大程度上滿足專業(yè)目標(biāo)并能夠經(jīng)過專業(yè)利益相關(guān)者的檢驗(yàn)。對(duì)學(xué)生的基本個(gè)人能力和人際能力、產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)構(gòu)建能力以及學(xué)科知識(shí)應(yīng)融入專業(yè)考核之中。為此，我們將考核重點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭疾閷W(xué)生綜合能力，將CDIO模式的運(yùn)作理念融入到成績?cè)u(píng)定中，采用多角度的復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)，主要考查學(xué)生理論知識(shí)、實(shí)踐能力、課程設(shè)計(jì)、作業(yè)完成、課程總結(jié)等方面，按照40%、20%、20%、10%、10%的成績比例給定。
5.以CDIO模式為指導(dǎo)，注重教師自我能力提升。教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的引路人，其個(gè)人能力、專業(yè)素養(yǎng)在很大程度將都將直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。我校目前能動(dòng)專業(yè)教師大都以中青年為主，專業(yè)能力、授課經(jīng)驗(yàn)都有待提高，CDIO模式對(duì)教師基本個(gè)人能力和人際能力以及產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)構(gòu)建能力都有較高要求。在完成課業(yè)工作的同時(shí)，教師還應(yīng)努力提升在一體化學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)用主動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法以及學(xué)生考核等方面的能力。為此，每年我校針對(duì)每個(gè)本科專業(yè)選送1名骨干教師去德國進(jìn)修學(xué)習(xí)先進(jìn)工程教育理念。為提升教師的工程能力，每年安排1―2名青年教師去企業(yè)參與相關(guān)的工程項(xiàng)目。
三、結(jié)束語
本文總結(jié)近年砦倚TCDIO教育模式下開展工程熱力學(xué)教學(xué)的具體做法。從實(shí)際效果看，基于工程教育理念的課程教學(xué)成效明顯，可適應(yīng)于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)需求。然而，在實(shí)際推行CDIO工程教學(xué)過程中，仍面臨諸多方面的挑戰(zhàn)，如工程教育強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程的互動(dòng)與協(xié)作，這要求實(shí)施小班教學(xué)，對(duì)于每屆招收120人左右的學(xué)生規(guī)模，相比傳統(tǒng)的大班授課，這無疑增加了教學(xué)成本。對(duì)于師資隊(duì)伍相對(duì)薄弱的地方應(yīng)用型本科院校，新的教學(xué)模式導(dǎo)致教師工作負(fù)荷顯著增大，如何保證教師的工作熱情和精力也是當(dāng)前面臨的主要困難。
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關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；全球氣候變化；工程熱力學(xué)；教學(xué)
作者簡介：張昊春（1977-），男，河北萬全人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，講師；王洪杰（1962-），男，山東掖縣人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，教授。（黑龍江 哈爾濱 150001）
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2012）05-0052-02
一、歐美教學(xué)體系中的全球氣候變化及節(jié)能減排教學(xué)
工業(yè)革命帶來的現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)增長，使人類的物質(zhì)財(cái)富以史無前例的速度擴(kuò)張。但是，由于這種經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展模式是以使用化石燃料為基礎(chǔ)，化石能源生產(chǎn)和消費(fèi)排放的大量溫室氣體導(dǎo)致全球氣候變化，引發(fā)了氣候變暖、極端天氣、氣象災(zāi)難、海平面上升，危及整個(gè)人類的生存和發(fā)展。為遏制全球氣候變化，人類必須大幅減少化石燃料的使用，減少溫室氣體排放。未來的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展模式必須建立在低碳基礎(chǔ)之上，通過低碳發(fā)展，研發(fā)和推廣低碳能源技術(shù)、增加碳匯、發(fā)展碳吸收技術(shù)，以及節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、消費(fèi)模式更新和制度創(chuàng)新，大幅提高單位碳排放的生產(chǎn)效率，推動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化取得新的重大進(jìn)展。這種變化代表著一種新發(fā)展模式的出現(xiàn)，必將深刻地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式。
應(yīng)對(duì)全球氣候變化，加強(qiáng)節(jié)能減排事業(yè)是國家基本國策，也是當(dāng)代高等工程教育中必然要深入和強(qiáng)化的教學(xué)內(nèi)容。但是，目前沒有將其全面而系統(tǒng)納入現(xiàn)有的高等教育培養(yǎng)體系中，在教材、課堂教學(xué)和素質(zhì)培養(yǎng)過程中并沒有占有相應(yīng)的重要地位，如何在現(xiàn)有的教學(xué)體系中整合這部分內(nèi)容成為教育者共同關(guān)注的問題。
2007年，受美國自然科學(xué)基金會(huì)的資助，美國Connecticut大學(xué)舉辦了名為“Frontiers in Transport Phenomena Research and Education：Energy Systems，Biological Systems，Security，Information Technology and Nanotechnology（傳輸現(xiàn)象研究和教育前沿：能源系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、國家安全、信息技術(shù)和納米技術(shù)）”的研討會(huì)。國際工程熱力學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)者，美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)機(jī)械工程系的Yunus Cengel教授做了題為“Green Practices into Engineering and Non-Engineering Education to Combat Climate Change（工程中引入綠色實(shí)踐及挑戰(zhàn)氣候變化的非工程教育）”的特邀報(bào)告，加拿大皇后大學(xué)的Patrick Osthuizen教授做了題為“Some Factors to Consider in Teaching Renewable Energy in an Undergraduate Engineering Program（在工科本科生教學(xué)計(jì)劃中講授可再生能源的一些考慮因素）”的報(bào)告，旨在改進(jìn)現(xiàn)有的工程教學(xué)體系，從而保證發(fā)達(dá)國家在可再生能源領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)力[1]。
實(shí)際上，長期以來，與氣候變化、能源高效利用、可再生能源開發(fā)與利用相關(guān)的教學(xué)和素質(zhì)拓展內(nèi)容在歐美的《工程熱力學(xué)》教材與教學(xué)體系中一直得到很好的整合，涉及現(xiàn)實(shí)中與能源相關(guān)的經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)及國家安全問題，既學(xué)以致用，又幫助學(xué)生提高對(duì)工程實(shí)踐及安全的意識(shí)，還提高了學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，代表了當(dāng)前國際領(lǐng)域內(nèi)工程熱力學(xué)教學(xué)的最高水平。如美國內(nèi)達(dá)華大學(xué)（里諾校區(qū)）Yunus A. Cengel教授和北卡羅來納州立大學(xué)教授Michael Boles合著的《Thermodynamics：An Engineering Approach》一書[2]，是全球范圍內(nèi)最為暢銷的工程熱力學(xué)教材，迄今為止已更新至第7版，其中關(guān)于能源與環(huán)境、氣候變化及能源有效利用的非傳統(tǒng)經(jīng)典內(nèi)容在書中所占的比重越來越大，彰顯了在前言中作者談到的著書宗旨：talks directly to tomorrow's engineers in a simple yet precise manner，that encourages creative thinking，and is read by the students with interest and enthusiasm（直接與未來的工程師以一種簡單而精確的方式對(duì)話，鼓勵(lì)創(chuàng)新性思維，讓學(xué)生讀起來感興趣并有熱情）。另一個(gè)例子是國際工程熱物理界著名學(xué)者Heniz Herwig教授所著的《Technische Thermodynamik（工程熱力學(xué)）》教材[3]，包含了溫室效應(yīng)及核能、太陽能、風(fēng)能、生物能等可再生能源在德國的實(shí)際應(yīng)用案例。
二、教學(xué)內(nèi)容的重新分配與系統(tǒng)整合
工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及熱能有效利用的科學(xué)?！肮こ虩崃W(xué)”課程是熱工、市政、航空航天等多個(gè)工程類專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課之一，課程的教學(xué)目的和主要任務(wù)是使學(xué)生掌握能量轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律，并能正確運(yùn)用這些規(guī)律進(jìn)行熱工過程和熱力循環(huán)的分析計(jì)算[4]。本課程的學(xué)習(xí)不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程提供必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且為學(xué)生畢業(yè)后解決生產(chǎn)實(shí)際問題和參加科學(xué)研究工作打下一定的理論基礎(chǔ)。以提高能源轉(zhuǎn)換效率為核心內(nèi)容的“工程熱力學(xué)”課程與該主題有著天然的緊密聯(lián)系，可以在傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容中納入現(xiàn)代元素，課程教學(xué)內(nèi)容的重新分配與系統(tǒng)整合如表1所示。
三、實(shí)踐性環(huán)節(jié)
在實(shí)踐性環(huán)節(jié)中，[5]結(jié)合工程專業(yè)的科技創(chuàng)新活動(dòng)，通過課程設(shè)計(jì)和課程論文，讓學(xué)生自己查閱資料，自己動(dòng)手分析和解決問題，從而培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力和獨(dú)立研究能力，論文題目有中國可再生能源利用現(xiàn)狀調(diào)研、日常生活節(jié)能方案、教室照明用電浪費(fèi)情況調(diào)查、航天系統(tǒng)能源設(shè)備調(diào)研等。
表2給出了一位2006年本科生完成的《個(gè)人節(jié)能計(jì)劃與實(shí)踐》的主要內(nèi)容。
四、總結(jié)
應(yīng)對(duì)全球氣候變化，節(jié)能減排是當(dāng)代高等工程教育中必然要深入和強(qiáng)化的教學(xué)內(nèi)容，但是目前尚未在教材、課堂教學(xué)和素質(zhì)培養(yǎng)過程中占據(jù)相應(yīng)的地位，在現(xiàn)有的教學(xué)體系中全面而有效整合這部分內(nèi)容，業(yè)已成為國際工程教育界所共同關(guān)注的問題。歐美大學(xué)《工程熱力學(xué)》的教學(xué)體系中有效整合了氣候變化、能源高效利用、可再生能源開發(fā)與利用的內(nèi)容，代表了當(dāng)前國際領(lǐng)域內(nèi)工程熱力學(xué)教學(xué)的最高水平。
筆者在寬專業(yè)和多學(xué)時(shí)“工程熱力學(xué)”教學(xué)實(shí)踐中，將與應(yīng)對(duì)全球氣候變化與節(jié)能減排密切相關(guān)的國家政策、全球能源利用與環(huán)境污染現(xiàn)狀、能源的高效利用和新能源技術(shù)與工程熱力學(xué)各教學(xué)章節(jié)環(huán)節(jié)相整合，并指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)踐活動(dòng)，取得了良好的教學(xué)效果，為“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)與氣候變化與節(jié)能減排的整合進(jìn)行了有效的探索和實(shí)踐。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué)；教學(xué)改革；教材；教學(xué)方法
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）38-0199-02
《工程熱力學(xué)》是高等院校機(jī)械工程類、能源與動(dòng)力類等專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程主要研究熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，以及合理有效利用熱能的基本理論，對(duì)培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新性思維和實(shí)踐能力，以及專業(yè)課程學(xué)習(xí)都將起到奠基的作用。通過《工程熱力學(xué)》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)員掌握熱力學(xué)的基本概念和基本規(guī)律，并能正確運(yùn)用這些規(guī)律進(jìn)行熱力過程、熱力循環(huán)分析和計(jì)算；培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)分析和邏輯思維能力。養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索、刻苦鉆研的科學(xué)作風(fēng)。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)建設(shè)，《工程熱力學(xué)》課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、實(shí)驗(yàn)保障設(shè)施、師資隊(duì)伍建設(shè)等方面進(jìn)行了大量的建設(shè)和改革，取得了顯著的效果。
一、教材和教學(xué)內(nèi)容改革
在教材和教學(xué)內(nèi)容方面，課程組近年來開展了《工程熱力學(xué)》“立體教材”體系的建設(shè)工作。以課程教學(xué)為基本形式，以綜合能力的培養(yǎng)和提高為基本目標(biāo)，利用多種教育化教育手段，構(gòu)建新穎教材、網(wǎng)絡(luò)課程、多媒體課件、教學(xué)輔導(dǎo)書等組成的內(nèi)容豐富、功能齊全的《工程熱力學(xué)》綜合性立體化教學(xué)資源。從而使教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率大為提高。在人才培養(yǎng)方面，取得了豐碩的教學(xué)成果。多年來不斷更新選取適合本科人才培養(yǎng)和專業(yè)需求的高水平教材，以滿足課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。《工程熱力學(xué)》目前采用華自強(qiáng)等主編的《工程熱力學(xué)》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(jí)規(guī)劃教材”，被眾多院校廣泛采用。該教材還有配套習(xí)題，方便學(xué)員進(jìn)行課后復(fù)習(xí)和自測(cè)。此外，課程還指定了多部教材和教學(xué)輔導(dǎo)書，供學(xué)員學(xué)習(xí)和研究使用，包括清華大學(xué)出版社2011年6月出版，朱明善主編的《工程熱力學(xué)（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(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)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(duì)授課專業(yè)增多，內(nèi)容增加，學(xué)時(shí)減少及面向裝備擴(kuò)大和發(fā)展的實(shí)際，在對(duì)后續(xù)專業(yè)課程需求和部隊(duì)需求深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，著眼當(dāng)前需要和未來發(fā)展，從以下三個(gè)方面入手進(jìn)行了課程內(nèi)容體系的優(yōu)化重組。
1.突出重點(diǎn)內(nèi)容，貼近裝備實(shí)際，針對(duì)裝備特點(diǎn)突出與動(dòng)力系統(tǒng)工作原理密切相關(guān)的熱力學(xué)知識(shí)。弱化蒸汽的熱力性質(zhì)及其動(dòng)力循環(huán)方面的內(nèi)容。
2.以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，結(jié)合《工程熱力學(xué)》理論在武器裝備上的具體應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室發(fā)展，引入了計(jì)算機(jī)編程求解和虛擬實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容。
3.利用自主研制的和虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，以及課程組成員科研項(xiàng)目多的優(yōu)勢(shì)，引入了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等研究性教學(xué)內(nèi)容。優(yōu)化重組后的新課程內(nèi)容體系，以經(jīng)典《工程熱力學(xué)》內(nèi)容為主體，科學(xué)處理了經(jīng)典與現(xiàn)代的關(guān)系，引入了新知識(shí)和新技術(shù)，強(qiáng)調(diào)了知識(shí)的綜合運(yùn)用和實(shí)踐訓(xùn)練，保持了課程教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、科學(xué)性和前沿性。
二、教學(xué)設(shè)施建設(shè)
《工程熱力學(xué)》課程在教學(xué)設(shè)施方面取得了明顯的進(jìn)步。特別是近年來，本校充分利用各種科研項(xiàng)目成果，進(jìn)一步完善本課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更新了多套空氣定壓比熱測(cè)試設(shè)備。對(duì)噴管流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)編制了具有虛擬實(shí)驗(yàn)和在線分析的分布式噴管流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。保障實(shí)踐環(huán)節(jié)均能以實(shí)物操作為教學(xué)的主要手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。為使學(xué)員在課堂以外能夠及時(shí)的復(fù)習(xí)和總結(jié)，補(bǔ)充課堂教學(xué)內(nèi)容的不足，針對(duì)課程的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并完成了《工程熱力學(xué)》的網(wǎng)絡(luò)課程。該網(wǎng)絡(luò)課程集教學(xué)指導(dǎo)、教學(xué)實(shí)施、自主學(xué)習(xí)、測(cè)試考試等功能于一體。目前已經(jīng)完成本課程的網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，學(xué)員可以在校園網(wǎng)上觀看課程授課的視頻錄像，課程內(nèi)容的在線學(xué)習(xí)和測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)豐富了學(xué)員的學(xué)習(xí)途徑，對(duì)于促進(jìn)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果發(fā)揮了積極的作用。通過多年來的建設(shè)，課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境建設(shè)成效顯著，形成了以教材、多媒體為主和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境為輔，集理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)于一體的課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)特色。從畢業(yè)學(xué)員反饋的情況來看，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，不僅顯著地增加了課堂的信息量，而且有效改善了教學(xué)效果。利用新技術(shù)更新了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)員實(shí)踐、創(chuàng)新能力的新做法。通過自主設(shè)計(jì)、研制的噴管流動(dòng)演示虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的開放性、自主性、綜合性，而且突破了實(shí)驗(yàn)受設(shè)備、場(chǎng)所、環(huán)境、時(shí)間的限制，有效提高了學(xué)員的實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。
三、教學(xué)方法改革
教學(xué)改革是提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的根本保障，多年來課程組一直十分注重加強(qiáng)和深化教學(xué)改革，并取得了一定的成果，具體做法如下。
1.課堂教學(xué)采用啟發(fā)交流式，實(shí)現(xiàn)單向知識(shí)傳輸模式向師生交互模式的轉(zhuǎn)變。利用自主研制的功能完備，界面友好，集授課、自學(xué)、測(cè)試、管理等功能于一體的《工程熱力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程》，依托校園網(wǎng)和多媒體教室等，構(gòu)建了教學(xué)互動(dòng)，適合自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、相對(duì)寬松的雙語多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了教員主導(dǎo)作用和學(xué)員主體作用的和諧統(tǒng)一，在提高教學(xué)效果的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)員主動(dòng)、有效地獲取知識(shí)的意識(shí)和能力。
2.在教學(xué)方法上，改進(jìn)課堂講授方式，采用“研究型”的教學(xué)模式。針對(duì)課程特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)員掌握理論、應(yīng)用和試驗(yàn)三個(gè)方面的知識(shí)與能力：《工程熱力學(xué)》的理論，《工程熱力學(xué)》基本理論和概念的掌握，培養(yǎng)理性思維和分析能力；《工程熱力學(xué)》的應(yīng)用，面向裝備和工程實(shí)踐，熟悉了解實(shí)際《工程熱力學(xué)》問題，培養(yǎng)應(yīng)用原理解決問題的能力；《工程熱力學(xué)》的實(shí)驗(yàn)，通過綜合性試驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力和科研工作素質(zhì)。
3.注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。結(jié)合課堂教學(xué)，開展科技創(chuàng)新活動(dòng)，使學(xué)生綜合素質(zhì)能力獲得提高。
4.根據(jù)學(xué)員的反饋不斷完善教學(xué)文件。對(duì)已有的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱、優(yōu)秀的教材進(jìn)行及時(shí)的更新和完善，并作為素材之一放在教學(xué)網(wǎng)站上，作為學(xué)習(xí)的參考資料供學(xué)員下載學(xué)習(xí)使用。總結(jié)：筆者經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)《工程熱力學(xué)》進(jìn)行綜合的教學(xué)改革，收效明顯。教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率得到很大提高，在培養(yǎng)新型專業(yè)人才方面，取得了豐碩的教學(xué)成果。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：熱力學(xué)第二定律；詰難；佯謬；辨析
熱力學(xué)第二定律是大學(xué)物理化學(xué)課程的重要教學(xué)內(nèi)容，是整個(gè)課程知識(shí)體系的理論基礎(chǔ)之一。在教學(xué)實(shí)踐中，這一部分的學(xué)習(xí)被本科學(xué)生認(rèn)為是本課程中最困難的任務(wù)。除了公式多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜等原因外，對(duì)熱力學(xué)第二定律的科學(xué)本質(zhì)的理解和把握難度較大是主要另一個(gè)原因，造成了教學(xué)效果難以提高。正確認(rèn)識(shí)這個(gè)問題并采取必要措施，對(duì)提高物理化學(xué)教學(xué)質(zhì)量是有重要意義的。熱力學(xué)第二定律是19世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展所取得的偉大成果之一，它揭示了自然界宏觀過程的方向和限度問題。熱力學(xué)第二定律有多種不同但等效的表述方式。克勞修斯表述和開爾文表述是最常見的兩種?？藙谛匏贡硎鰹椋翰豢赡馨褵釓牡蜏匚矬w傳到高溫物體而不引起其他任何變化。開爾文表述為：不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Χ话l(fā)生任何其他變化。熵增加原理表述為：孤立系統(tǒng)的熵永不自動(dòng)減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。熱力學(xué)第二定律自從產(chǎn)生就不斷地受到詰難和質(zhì)疑，目前這些詰難和質(zhì)疑都已經(jīng)得到解答。但是回顧并且理解這些詰難和質(zhì)疑仍然能促進(jìn)我們科學(xué)認(rèn)識(shí)熱力學(xué)第二定律，特別是在物理化學(xué)的教學(xué)中更能促進(jìn)學(xué)生從正反兩方面加深對(duì)熱力學(xué)第二定律的認(rèn)識(shí)和理解，提高其獨(dú)立思維能力和科學(xué)思辨水平。下面對(duì)這幾種詰難逐一進(jìn)行簡單分析和討論。
一、“熱寂說”
熱力學(xué)第二定律的奠基人克勞修斯最早提出了“熱寂說”。認(rèn)為整個(gè)宇宙是朝著單一的方向變化的，一切運(yùn)動(dòng)形式終將轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)，熱總是自發(fā)地由高溫部分流向低溫部分，最終達(dá)到溫度處處相等的平衡狀態(tài)。這種觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙最終將進(jìn)入一個(gè)死寂的永恒狀態(tài)，如果真是這樣的話，就對(duì)熱力學(xué)第二定律提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
在19世紀(jì)，能夠認(rèn)識(shí)到“熱寂說”謬誤的科學(xué)家寥寥無幾，當(dāng)然更不可能科學(xué)揭示其實(shí)質(zhì)了。玻耳茲曼曾經(jīng)注意到生物的生長過程與熵增加相違背的事實(shí)，還曾進(jìn)一步提出“微觀起伏”說來反駁“熱寂說”，但是“微觀起伏”遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以與宇宙中極其巨大的熵增加過程（例如恒星的衰老死亡和宇宙本身的膨脹）相抗衡。麥克斯韋也模糊意識(shí)到，自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機(jī)制，但他無法清晰地說明這種機(jī)制?！盁峒耪f”成為19世紀(jì)的自然科學(xué)留給20世紀(jì)的一大疑難問題，曾經(jīng)困擾了物理學(xué)界和哲學(xué)界100多年，而沒有解決。
宇宙是無限的，不是一個(gè)孤立系統(tǒng)，這不符合熱力學(xué)第二定律的條件?，F(xiàn)代觀測(cè)表明，所有的天體都正在離開我們，離開速度與距離成正比，大約每增加106 l?y，離開的速度約增加15 km/s（哈勃常數(shù)），宇宙處在不斷地膨脹之中。宇宙處于動(dòng)態(tài)、非穩(wěn)定狀態(tài)或遠(yuǎn)離平衡的非平衡態(tài)，與克勞修斯所說的熱寂狀態(tài)沒有任何共同之處。這是克勞修斯和他的批判者都沒有想到的。
引力這個(gè)物理因素對(duì)宇宙有重要的影響。在考慮了引力之后，物質(zhì)的均勻程度和等溫分布不再是依據(jù)最概然分布，及不再與熵最大相對(duì)應(yīng)，萬有引力使宇宙根本沒有平衡態(tài)。“熱寂說”的要害就在于忽略了引力場(chǎng)在宇宙演化中的作用。宇宙的膨脹和引力出乎前人意料地攻破了“熱寂說”?，F(xiàn)在，人們清楚地知道，宇宙不但不會(huì)死亡，反而可以從早期的“熱寂”充滿生機(jī)地復(fù)生?！盁峒耪f”作為困擾科學(xué)界的疑難問題，已經(jīng)作為歷史過去了。
二、麥克斯韋妖
假定一個(gè)體積不變的絕熱容器，其中充滿溫度和壓強(qiáng)處處恒定的氣體。將容器分割為A、B兩部分的隔板上有一個(gè)小孔，裝配了一個(gè)極端靈巧的閥門。將一個(gè)敏于觀察、動(dòng)作靈巧的精靈安置在小孔旁。精靈具有高超的本領(lǐng)，能夠及時(shí)開閉小孔的閥門，讓速度較快的分子從A進(jìn)入B，而讓速度較慢的分子從B進(jìn)入A。這樣不是無需作功就產(chǎn)生溫度差了嗎？該精靈是麥克斯韋將它送進(jìn)物理學(xué)的，因此被稱之為麥克斯韋妖。如果真是這樣的話，麥克斯韋妖就對(duì)熱力學(xué)第二定律提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。令人驚奇的是，非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)柠溈怂鬼f本人竟然也沒有發(fā)現(xiàn)自己理論的瑕疵。
精靈擁有分析氣體分子位置的能力，擁有記憶、存儲(chǔ)和運(yùn)行信息的能力，可以獲得分子位置的信息，并運(yùn)行信息對(duì)閥門作及時(shí)操作，確實(shí)能使系統(tǒng)變得有序，得到負(fù)熵。實(shí)際上，精靈具有的特殊能力都與熵不可分割地聯(lián)系在一起。妖為了看到分子，必須擁有一盞能照亮分子的燈，從而獲得有關(guān)分子位置的信息，得到負(fù)熵。同時(shí)，燈絲的點(diǎn)亮，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵增加；妖吸收被分子散射的光波將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵增加；妖打開閥門做功將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵增加。把所有這些因素計(jì)算在內(nèi)，系統(tǒng)總熵一定是增加的，這是符合熱力學(xué)第二定律的?？梢姡溈怂鬼f妖之所以在表面上與熱力學(xué)第二定律相矛盾，是由于它的條件并不符合要求。熵增定理要求體系是孤立的，而麥克斯韋妖只有在體系是開放的情況下，才能工作。
三、“吉布斯佯謬”
對(duì)等量的兩種不同理想氣體A、B，在體積、溫度、壓力都相等的條件下，混合前總熵
S=SA+SB
根據(jù)吉布斯定理，混合后總熵等于兩種氣體的分熵之和，即
S′=S′A+S′B
混合熵ΔS=S′-S=nRln2 （1）
混合熵與氣體的性質(zhì)無關(guān)。即使兩種氣體性質(zhì)無限接近，只要存在差別混合熵就由（1）式給定。但是，當(dāng)兩種氣體的性質(zhì)完全相同時(shí)，（1）式不再成立，這時(shí)ΔS=0。依據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這里的ΔS突變似乎不應(yīng)出現(xiàn)，這好像是一個(gè)理論上的謬誤。這就是“吉布斯佯謬”。
兩種氣體的分子，只要存在差別，總可以把它們分辨開來。因而在混合前后，我們可以探測(cè)到兩種分子的數(shù)密度都發(fā)生了變化，各減小為原來的二分之一。但是，一旦過渡到同種氣體，“混合”前后分子數(shù)密度不變。因此，ΔS的突變來源于不同于相同的突變，或者說來源于分子數(shù)密度的改變的突變，這是客觀存在，“吉布斯佯謬”并非謬誤，所以稱為“佯謬”。
四、洛施密特詰難
洛施密特于1876年對(duì)熵增定理提出詰難。設(shè)想一個(gè)容器中有N個(gè)分子，在不停地做熱運(yùn)動(dòng)。由于分子服從的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是可逆的，如在某一個(gè)時(shí)刻所有分子一齊就地向后轉(zhuǎn)，則他們表現(xiàn)出來的宏觀歷程必然也逆轉(zhuǎn)了。如果原來熵在增加，運(yùn)動(dòng)逆轉(zhuǎn)后就必然在減少，這就違反了熵增定律?，F(xiàn)在使用計(jì)算機(jī)模擬分子運(yùn)動(dòng)，證實(shí)了嚴(yán)格的時(shí)間反演確實(shí)會(huì)使系統(tǒng)向初始態(tài)回歸。
但是，在現(xiàn)實(shí)世界中世界總是有隨機(jī)性的，會(huì)引入或多或少的誤差。因此在反演過程中，熵總是有一點(diǎn)回降，隨之就會(huì)上升。而且隨著誤差的加大和碰撞次數(shù)的增多，系統(tǒng)對(duì)初始態(tài)的“記憶”更加模糊，熵的降低過程會(huì)更加微弱。在系統(tǒng)分子足夠多時(shí)，任何微不足道的誤差都足以使熵減少過程不會(huì)實(shí)現(xiàn)?？梢?，只有從隨機(jī)的初始條件出發(fā)，熵增定理才是正確的。
事實(shí)上，熵不是單調(diào)增加的。對(duì)于宏觀系統(tǒng)，增加的概率遠(yuǎn)大于減少的概率。即使熱平衡態(tài)，熵也會(huì)有一定的漲落。漲落的幅度是非常小的，幅度越大，出現(xiàn)概率越小。
五、策爾梅洛詰難
1892年龐加萊提出始態(tài)復(fù)現(xiàn)定理：孤立的、有限的保守動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在有限的時(shí)間內(nèi)回復(fù)到任意接近初始組態(tài)的組態(tài)。
1896年策爾梅洛引用龐加萊的始態(tài)復(fù)現(xiàn)定理對(duì)熱力學(xué)第二定律提出詰難。認(rèn)為熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不兼容。玻爾茲曼認(rèn)為始態(tài)是靠漲落來復(fù)現(xiàn)的，具有1018個(gè)粒子的系統(tǒng)，龐加萊復(fù)現(xiàn)時(shí)間要用1018位數(shù)來表示。而宇宙的年齡是1010年，用來表示，只有18～19位數(shù)。對(duì)于宏觀系統(tǒng)，龐加萊始態(tài)復(fù)現(xiàn)理論沒有現(xiàn)實(shí)意義。
綜上所述，經(jīng)過精細(xì)的分析、論證，所有的詰難都沒有駁倒熱力學(xué)第二定律，反而使它逐漸完善起來，人們對(duì)它的理解也逐漸全面、客觀了。熱力學(xué)第二定律有嚴(yán)格的涵義，有嚴(yán)格的應(yīng)用范圍。這個(gè)范圍就是有限的時(shí)間和空間，不能用于微觀世界，也不能用于時(shí)間或空間無限的系統(tǒng)特別是宇宙。在課堂教學(xué)中，適度引入上述內(nèi)容有利于學(xué)生深入正確理解和把握熱力學(xué)第二定律的科學(xué)本質(zhì)，建立更加牢固的科學(xué)世界觀，從而提升物理化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，為我國科技事業(yè)發(fā)展培育更多更優(yōu)秀的人才。
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Doubts and paradoxes involving the second law of thermodynamics
Baojun Li， Yanyan Liu， Huijuan Wei and Linchao Zhu
College of Chemistry and Molecular Engineering， Zhengzhou University， 100 Science Road， Zhengzhou 450001， P R China
Abstract： It is of importance for the improvement of teaching quality to understand the second law of thermodynamics from the two aspects of the positive and negative aspects. In the history， there are five doubts and paradoxes of the second law of thermodynamics. They are the "heat death"， Maxwell’s demon， Gibbs paradox， Loschmidt Doubts and E. Zermelo interrogation. The "Heat death" confuses the differences between finite and infinite and ignores the role of gravitation. Maxwell’s demon ignores the property and function of information. Gibbs paradox can be set up only formally. Loschmidt Doubts and E. Zermelo interrogation ignore the random property of the actual system. The result of discussion about these doubts and paradoxes is that the second law of thermodynamics is right only in very strict conditions which are the macro systems in finite time and space. It will helpful for students to understand the nature of the second law of thermodynamics to introduce the above content， and it will promote the ability of the correct application of thermodynamics knowledge to identify the wrong views.
關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)速率；化學(xué)平衡；調(diào)查研究
文章編號(hào)：1005C6629（2017）3C0021C05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
化學(xué)反應(yīng)原理是中學(xué)化學(xué)中邏輯性最為縝密的一個(gè)部分，而最令學(xué)生頭痛的則是其中的化學(xué)平衡部分?；瘜W(xué)平衡還包括下位的弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類的水解平衡、沉淀溶解平衡等內(nèi)容?；瘜W(xué)平衡的基本原理是上述所有理論的基礎(chǔ)，學(xué)生只有真正掌握了化學(xué)平衡，才能認(rèn)知其他特殊條件下的各類平衡問題。
1 “速率”和“平衡”的教學(xué)誤區(qū)
1.1 盡管課標(biāo)“隔離”了“速率”和“平衡”，但教學(xué)中往往混為一談
化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容是高中化學(xué)反應(yīng)原理模塊的重要組成部分。課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生對(duì)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)主要有：（1）知道化學(xué)反應(yīng)速率的定量表示方法，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定某些化學(xué)反應(yīng)的速率；（2）知道活化能的涵義及其對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；（3）通過實(shí)驗(yàn)探究溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識(shí)其一般規(guī)律。而對(duì)熱力學(xué)的要求包括以下兩個(gè)方面：（1）能用焓變和熵變說明化學(xué)反應(yīng)的方向；（2）描述化學(xué)平衡建立的過程，知道化學(xué)平衡常數(shù)的涵義，能利用化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率[1]。
很明顯，課標(biāo)對(duì)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)這兩個(gè)理論作了明確的“隔離”，即內(nèi)容上分開來闡述，強(qiáng)調(diào)了速率相關(guān)內(nèi)容的過程性以及平衡相關(guān)內(nèi)容的狀態(tài)性。例如課標(biāo)要求用焓變和熵變兩個(gè)狀態(tài)函數(shù)去判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，要求利用化學(xué)平衡常數(shù)去計(jì)算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率等等。動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)有著不同的研究對(duì)象，前者關(guān)注的是反應(yīng)的過程，后者只關(guān)涉體系的狀態(tài)。兩者有著本質(zhì)的差異，而教材往往通過速率來建立平衡，且通過速率的改變來討論平衡的移動(dòng)，從而教師往往將兩個(gè)理論混為一談，時(shí)而“速率”，時(shí)而“平衡”，導(dǎo)致學(xué)生誤以為速率的改變是平衡移動(dòng)的原因，事實(shí)上焓和熵才是影響平衡的關(guān)鍵因素。
在教學(xué)實(shí)踐中，教師往往這樣總結(jié)：“在一定的條件下，當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)的正逆反應(yīng)速率相等且不等于零時(shí)，該反應(yīng)就達(dá)到了動(dòng)態(tài)的化學(xué)平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)的建立需要一定的條件，當(dāng)條件改變時(shí)，導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率改變，從而平衡狀態(tài)被打破。如果正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，那么反應(yīng)向正方向移動(dòng)，最終達(dá)到一個(gè)新的平衡?！边@樣的表述乍看起來很正確，有條理。但仔細(xì)分析其邏輯關(guān)系時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)存在很多問題。比如這樣的表述認(rèn)為速率不變導(dǎo)致了平衡建立，速率的改變引起了平衡的移動(dòng)，即化學(xué)反應(yīng)速率是化學(xué)平衡的原因。這種將熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)歸結(jié)為簡單的因果關(guān)系的錯(cuò)誤做法，勢(shì)必導(dǎo)致學(xué)生思維紊亂，因此從源頭上區(qū)分動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)才能消除這種認(rèn)識(shí)誤區(qū)。
1.2 相P研究“隔靴搔癢”，沒有涉及教學(xué)中如何有效“分離”動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)
很遺憾的是，相關(guān)教學(xué)研究并沒有關(guān)注到教學(xué)實(shí)踐中如何從源頭上消除這種混淆，而主要集中在以下三個(gè)方面：一是學(xué)科本體知識(shí)的推導(dǎo)。主要是從學(xué)科本體知識(shí)層面出發(fā)去辨析和論證化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡狀態(tài)、化學(xué)平衡移動(dòng)等核心概念的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)，探討各概念間的聯(lián)系和區(qū)別。該討論建立在大學(xué)物理化學(xué)的純理論知識(shí)之上，沒有涉及到具體的教和學(xué)，缺乏操作性。
二是教學(xué)策略與方法的探討。這類研究一般都起源于教師在實(shí)際授課過程中遇到的困惑或者問題，針對(duì)某一節(jié)課或者某一單元的內(nèi)容，通過嘗試新的教學(xué)理念或者改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)和方法來提高教學(xué)的實(shí)效性，然后分析比較改進(jìn)后的成果和不足，為其他教師提供參考。但以上研究極少觸及學(xué)生在本部分產(chǎn)生認(rèn)知障礙的本質(zhì)原因：即將混淆了的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)作為建構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)。
三是學(xué)生學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)的分析。這部分研究主要從教學(xué)重難點(diǎn)出發(fā)，調(diào)查分析學(xué)生存在的認(rèn)知障礙和迷思概念以及形成原因，旨在探討如何避免學(xué)生在認(rèn)知建構(gòu)中出現(xiàn)矛盾。但這類研究的關(guān)注點(diǎn)集中在教學(xué)過程中的策略和方法是否恰當(dāng)，很少觸及到學(xué)科本體知識(shí)框架的科學(xué)性。
1.3 教學(xué)誤區(qū)的實(shí)踐表征：“以其昏昏，使人昭昭”
在真實(shí)的教學(xué)情境中主要存在兩個(gè)方面的問題：一是教師本身理論知識(shí)紊亂、邏輯不清，不清楚化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡之間的聯(lián)系和區(qū)別。因此在教學(xué)實(shí)踐中也就無法將這個(gè)問題有層次、結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)給學(xué)生。導(dǎo)致學(xué)生在認(rèn)知建構(gòu)的起始階段就存在誤區(qū)，失之毫厘謬以千里，最后無法認(rèn)清動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的本質(zhì)。
二是學(xué)生在學(xué)習(xí)這一塊內(nèi)容時(shí)只考慮速率和平衡的關(guān)系，錯(cuò)誤地使用速率去推斷一切平衡問題，混淆了兩個(gè)理論不同的適用范圍，不能區(qū)分過程性問題和狀態(tài)性問題，導(dǎo)致問題解決時(shí)思維混亂，甚至出現(xiàn)分別從“速率”和“平衡”的角度去分析同一個(gè)問題，居然得到截然相反答案的情形。如有學(xué)生學(xué)完速率和平衡之后提出一個(gè)問題，“有固體做反應(yīng)物的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，將固體由塊狀粉碎成粉末狀后，正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率沒有變化，為何平衡沒有移動(dòng)呢？”學(xué)生這種問題出現(xiàn)的根本原因在于學(xué)生沒有理解化學(xué)平衡移動(dòng)的能量本質(zhì)。
2 “速率”和“平衡”教學(xué)的實(shí)證研究
本研究對(duì)北京市一所普通學(xué)校的高二學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)放問卷240份，回收有效問卷194份，有效回收率為80.8%。
研究工具分為問卷和訪談兩部分。（1）問卷測(cè)試。問卷包括對(duì)速率及其影響因素的理解、對(duì)平衡及其影響因素的理解、對(duì)平衡和速率關(guān)系的理解三個(gè)維度。每個(gè)維度均包括兩個(gè)判斷題，每個(gè)問題后均要求學(xué)生寫出判斷的原因。（2）半結(jié)構(gòu)性訪談。對(duì)6位教師進(jìn)行深度的半結(jié)構(gòu)性訪談，主要從教師的角度關(guān)注教學(xué)實(shí)踐中速率和平衡問題的處理。測(cè)試總體結(jié)果如圖1所示。
學(xué)生對(duì)于化學(xué)平衡的表征、速率表征及速率與平衡的關(guān)系掌握較好，正確率在80%以上。但在平衡與狀態(tài)的關(guān)系、速率與平衡的移動(dòng)等方面表現(xiàn)一般，正確率50%左右。由于相應(yīng)的理論知識(shí)掌握不扎實(shí)，導(dǎo)致絕大多數(shù)學(xué)生在實(shí)際問題解決時(shí)束手無策，得分率非常低，僅有26%的學(xué)生能夠很好地解釋工業(yè)合成氨中的相關(guān)問題。圖1充分說明了以下幾個(gè)問題：一是大部分學(xué)生能從較低層次理解速率和平衡及二者關(guān)系，但未能上升到速率微觀變化機(jī)理的高度，孤立地考慮速率的各影響因素，沒有形成系統(tǒng)；二是接近一半的學(xué)生對(duì)于化學(xué)平衡狀態(tài)的實(shí)質(zhì)認(rèn)識(shí)有欠缺，不能理解平衡狀態(tài)只與系統(tǒng)的各狀態(tài)函數(shù)（焓、熵、溫度等）有關(guān)而與達(dá)到平衡的途徑無關(guān)；三是絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)平衡和速率的關(guān)系極少能從本質(zhì)上區(qū)分，幾乎都停留在各種規(guī)律的機(jī)械記憶上，化學(xué)平衡常數(shù)僅僅被作為計(jì)算的工具，沒有意識(shí)到平衡的熱力學(xué)實(shí)質(zhì)（K與Q的關(guān)系）。
2.1 對(duì)平衡及其影響因素的理解：半數(shù)學(xué)生不清楚“平衡只與體系的狀態(tài)有關(guān)，與建立的途徑無關(guān)”
數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，87%的學(xué)生能夠正確判斷“化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)，但化學(xué)平衡常數(shù)不一定改變”，其中62%的學(xué)生能夠指出化學(xué)平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，僅16%的學(xué)生能夠同時(shí)指出化學(xué)平衡受多種因素（濃度、溫度、壓強(qiáng)等）的影響。學(xué)生總體的25.7% 在解釋這一判斷時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。主要的錯(cuò)誤解釋有三類，每類約占1/3，具體數(shù)據(jù)見表1。
有54%的學(xué)生能夠正確判斷“平衡只與體系的狀態(tài)有關(guān)，與建立的途徑無關(guān)”，其中39.5%的學(xué)生能夠答出“在等溫等壓下，固定容積時(shí)，1mol N2和3mol H2達(dá)到的平衡狀態(tài)與2mol NH3達(dá)到的平衡狀態(tài)是等同的”或者“以上兩種情況是等效平衡”。學(xué)生總體中有51.4%在解釋原因時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，沒有從熱力學(xué)的研究角度去看待平衡狀態(tài)，仍然試圖從變化過程推斷平衡結(jié)果，將動(dòng)力學(xué)套用到熱力學(xué)問題的解決中，從而導(dǎo)致科學(xué)性錯(cuò)誤。主要也是三類，具體情況見表1。
2.2 對(duì)速率及其影響因素的理解：大部分學(xué)生忽視速率的定量特征
數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，82.9%的學(xué)生能夠正確判斷“速率大，現(xiàn)象并不一定越明顯”，其中58.6%的學(xué)生認(rèn)為“無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)即使速率大現(xiàn)象也不顯著”。學(xué)生總體的24.3%在解釋判斷原因時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，主要錯(cuò)誤有兩種，一是認(rèn)為速率是物質(zhì)的量的變化，沒有考慮單位時(shí)間。數(shù)據(jù)表明大部分學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率的意義認(rèn)識(shí)比較清晰，但絕大多數(shù)學(xué)生僅基于化學(xué)反應(yīng)的某種現(xiàn)象來考慮化學(xué)反應(yīng)速率的大小，忽視速率的定量特征。有研究者指出，“化學(xué)反應(yīng)速率”的廣義定義可以表_為“參與反應(yīng)的物質(zhì)的‘量’（如質(zhì)量、物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度等）隨時(shí)間的變化量”，這一定義是“化學(xué)反應(yīng)速率”普遍的表達(dá)方式[3]；二是學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為只有觀測(cè)到宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才能討論速率，如果沒有氣泡或者顏色變化等則無法測(cè)量速率。事實(shí)上，眼見不一定為實(shí)，有時(shí)現(xiàn)象明顯可能速率并一定大。
2.3 對(duì)速率和平衡關(guān)系的理解：幾乎沒有學(xué)生理解“速率所屬的動(dòng)力學(xué)及平衡所屬的熱力學(xué)雖然兩者相關(guān)，但并不互為因果關(guān)系”
有81.4%的學(xué)生正確判斷“反應(yīng)速率變化，平衡并不一定移動(dòng)”，其中68.4%的學(xué)生能夠舉出反例如“催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)速率，但并不能使平衡移動(dòng)”來證偽該命題，3.5%的學(xué)生想到了“對(duì)于反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量相等的反應(yīng)壓強(qiáng)的改變同等程度地改變反應(yīng)速率，平衡不移動(dòng)”；學(xué)生總體的38.6%不能正確清楚地表述原因。判斷錯(cuò)誤的學(xué)生原因主要有兩點(diǎn)：其一是化學(xué)反應(yīng)速率決定平衡；其二是認(rèn)為加熱等會(huì)使速率增大，但平衡有可能不移動(dòng)。50%的學(xué)生能正確判斷“平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)速率可能變大、變小或者不變”，其中34.3%的學(xué)生表示“正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率有可能同時(shí)增大或減小，但只要正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，平衡即向正反應(yīng)方向移動(dòng)”。判斷錯(cuò)誤的學(xué)生主要認(rèn)為“只有正反應(yīng)速率增大，且逆反應(yīng)速率減小，平衡才能正向移動(dòng)”。
速率是動(dòng)力學(xué)概念，平衡是熱力學(xué)的概念，屬于不同的范疇，兩者相關(guān)，但并不互為因果關(guān)系。因此，應(yīng)基于能量的視角來理解化學(xué)平衡的本質(zhì)，熱力學(xué)中的平衡狀態(tài)是一種體系中所包含的能做功的熱量（焓）和分子功（熵）之間的特殊穩(wěn)定狀態(tài)。這種狀態(tài)的存在用平衡常數(shù)K和Q的相對(duì)大小來衡量，而正逆反應(yīng)速率相等是化學(xué)平衡建立后的一種外在表現(xiàn)形式，使用正逆反應(yīng)速率的大小變化去推論平衡的相關(guān)問題存在科學(xué)性錯(cuò)誤。
化學(xué)熱力學(xué)認(rèn)為對(duì)任意的封閉系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)有微小變化時(shí)，
總之，通過上述討論，無論是平衡的建立過程還是平衡的移動(dòng)過程，熱力學(xué)基礎(chǔ)上建立的關(guān)于化學(xué)反應(yīng)問題的結(jié)論，與反應(yīng)速率之間沒有任何的聯(lián)系。
3 澄清“速率”和“平衡”教學(xué)誤區(qū)的建議3.1 教師要深刻把握熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的聯(lián)系與差異
化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)是綜合研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的兩個(gè)不可缺少的重要組成部分。由于二者各自的研究任務(wù)不同、研究的側(cè)重點(diǎn)不同，因而化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)既有顯著的區(qū)別又互有聯(lián)系。因此，教師要從源頭上對(duì)它們作本質(zhì)的區(qū)分。
化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)，特別是平衡態(tài)熱力學(xué)，是從靜態(tài)的角度出發(fā)研究過程的始態(tài)和終態(tài)，利用狀態(tài)函數(shù)探討化學(xué)反應(yīng)從始態(tài)到終態(tài)的可能性及變化過程的方向和限度，而不涉及變化過程所經(jīng)歷的途徑和中間步驟。所以化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)只回答反應(yīng)的可能性問題，不考慮時(shí)間因素，不能回答反應(yīng)的速率和歷程。熱力學(xué)方法不依賴于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和過程的細(xì)節(jié)，旨在預(yù)示和指出途徑而不是解釋，因此它只能處理平衡問題而不能說明這種平衡狀態(tài)是怎么達(dá)到的，只需要知道體系的最初和最終狀態(tài)就能得到可靠的結(jié)果[7]。
一般來說化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象包括以下三個(gè)方面：化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的條件（溫度、壓強(qiáng)、濃度及介質(zhì)等）對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；化學(xué)反應(yīng)的歷程（又稱機(jī)理）；物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)能力之間的關(guān)系?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)最重要的是研究化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)因（反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等）與外因（催化劑、輻射及反應(yīng)器等存在與否）是如何影響化學(xué)反應(yīng)的速率及過程；揭示化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；建立總包反應(yīng)與基元反應(yīng)的定量理論等[8]。
在對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)總是從動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)出發(fā)，由宏觀的研究進(jìn)而到微觀的分子水平的研究，因而將化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)區(qū)分為宏觀動(dòng)力學(xué)和微觀動(dòng)力學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域，但二者并非互不相關(guān)，而是相輔相成的。平衡是對(duì)過程結(jié)果的描述，速率變化則是對(duì)反應(yīng)過程的描述。它們的解機(jī)制是兩個(gè)不同學(xué)科的不同問題，既非化學(xué)平衡移動(dòng)決定反應(yīng)速率的變化，也非反應(yīng)速率的變化導(dǎo)致了化學(xué)平衡的移動(dòng)，它們屬于各自獨(dú)立的學(xué)科體系問題。
3.2 教學(xué)順序可以嘗試調(diào)整，按照大學(xué)順序先平衡后速率，有利于中學(xué)與大學(xué)銜接
我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)基本按照人教版教材順序安排，先講“化學(xué)反應(yīng)速率”部分，然后通過速率的討論來研究平衡的建立問題。筆者通過教師訪談發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為“速率”較為貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，且已有認(rèn)知中的物理概念“速度”易于遷移，所以沒有覺得這種教學(xué)順序存在問題。但由于速率的影響因素和平衡的影響因素非常相似，這種教學(xué)安排導(dǎo)致前者對(duì)后者的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了干擾，學(xué)生在后期平衡移動(dòng)的判斷過程中把正逆速率的改變看成平衡移動(dòng)的本質(zhì)原因。
教師應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生的認(rèn)知障礙有一定的判斷，認(rèn)識(shí)到速率部分的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生認(rèn)知同化造成矛盾，因此合理調(diào)整教學(xué)順序，選擇比較合適的教學(xué)素材，可以克服這一困境。例如可以采取魯科版《化學(xué)反應(yīng)原理》中的編排順序，將化學(xué)反應(yīng)方向和限度放在化學(xué)反應(yīng)速率之前教學(xué)。筆者對(duì)魯科版教材編寫專家進(jìn)行訪談，發(fā)現(xiàn)該版本教材之所以將“平衡”置于“速率”之前，就是為了避免以往教學(xué)中先講速率的弊端，讓學(xué)生分清熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)這兩個(gè)不同的問題。這樣的教學(xué)順序也符合大學(xué)化學(xué)中的授課順序，有利于中學(xué)到大學(xué)的教學(xué)銜接。
3.3 引導(dǎo)學(xué)生厘清平衡和速率，從熱力學(xué)的角度解決平衡問題
為了使學(xué)生能從本質(zhì)上理解反應(yīng)速率的影響因素，教師要使學(xué)生將速率的宏觀影響因素（濃度、溫度、催化劑）和微觀機(jī)理（碰撞理論和活化能理論）結(jié)合起來，只有讓學(xué)生能從能量角度（活化分子數(shù)和活化分子百分?jǐn)?shù)的改變）推理出濃度、溫度、催化劑對(duì)速率的影響，學(xué)生才能不浮于表面的死記硬背。針對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)這一學(xué)生認(rèn)知困難的部分，教師應(yīng)當(dāng)深刻把握平衡的本質(zhì)，即將平衡的影響因素歸于化學(xué)平衡常數(shù)K與濃度商Q的不相等，溫度改變了平衡常數(shù)K的數(shù)值，而壓強(qiáng)或濃度改變的則是濃度商Q的數(shù)值，平衡會(huì)向使?jié)舛壬蘍趨近于平衡常數(shù)K的方向移動(dòng)。
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文章編號(hào)：1671-489X（2015）08-0069-03
Introduction of Scientists in Class of Medical Chemistry//LIU Yongdong， ZHANG Shufen， ZHONG Rugang
Abstract The introduction of scientist’s achievements and hard studying process is an important material to expand and enrich the teaching content. In this paper， combined with the whole content of medical chemistry course， the fruitful research work from Arrhenius S.A. and Nernst W. was duly introduced to the students in the class. The introduction of scientists not only riches the teaching content and stimulates the students’ interest in learning， but also gives students more spiritual guide.
Key words medical chemistry； Svante August Arrhenius； Walther Nernst
醫(yī)用化學(xué)是面向醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和生物學(xué)等專業(yè)的學(xué)生講授現(xiàn)代化學(xué)基本概念、基本原理及其應(yīng)用知識(shí)的一門重要基礎(chǔ)課程[1]，它將為學(xué)生日后相關(guān)領(lǐng)域的深入學(xué)習(xí)打下較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。尤其現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)入了分子生物學(xué)時(shí)代，而化學(xué)在這一時(shí)代中體現(xiàn)出與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)之間越來越密切的聯(lián)系。因此，醫(yī)用化學(xué)的學(xué)習(xí)對(duì)于生命醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。然而，由于醫(yī)用化學(xué)課程內(nèi)容本身較龐雜和枯燥，所以如何擴(kuò)充課堂教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)方式，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生興趣，一直是個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。
科學(xué)家的光輝成就及其艱辛研究歷程的介紹是擴(kuò)充和豐富教學(xué)內(nèi)容的重要素材[1-2]。阿倫尼烏斯[2-3]和能斯
特[2，4-5]分別是1903年和1920年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，他們兩人的工作都涉及多個(gè)領(lǐng)域，在醫(yī)用化學(xué)課程的電解質(zhì)溶液、化學(xué)反應(yīng)熱及反應(yīng)方向和限度、化學(xué)反應(yīng)速率、氧化還原反應(yīng)與電極電位等章節(jié)中都有其相關(guān)工作。因此，筆者從教學(xué)內(nèi)容體系安排和教學(xué)方式兩方面考慮，將兩位化學(xué)家的研究工作歷程及成果編排到課堂的教學(xué)中，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充、對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)及對(duì)學(xué)生自信心的培養(yǎng)。
1 科學(xué)家阿倫尼烏斯
阿倫尼烏斯（Svante August Arrhenius）是瑞典著名的物理化學(xué)家，創(chuàng)立電離學(xué)說，提出酸、堿的定義，為化學(xué)特別是物理化學(xué)的開創(chuàng)作出極大的貢獻(xiàn)；提出阿倫尼烏斯公式，為現(xiàn)代化學(xué)動(dòng)力學(xué)奠定基礎(chǔ)，構(gòu)成物理化學(xué)學(xué)科的重要組成部分。由于阿倫尼烏斯在化學(xué)領(lǐng)域的卓越成就，因而被授予1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
醫(yī)用化學(xué)教材中的電解質(zhì)溶液和化學(xué)反應(yīng)速率章節(jié)中都涉及阿倫尼烏斯的工作。結(jié)合幾年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為可以在電解質(zhì)溶液章節(jié)中重點(diǎn)介紹阿倫尼烏斯的電離理論發(fā)現(xiàn)和提出的科研歷程及其被普遍公認(rèn)所經(jīng)歷的曲折和波瀾，從中讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)問題的提出、解決和被認(rèn)可不是想象中的一帆風(fēng)順，而有著艱辛的歷程。從阿倫尼烏斯的電離理論還可以讓學(xué)生感受到科學(xué)問題并不那么神秘莫測(cè)，科學(xué)家也不是那么遙不可及，所以大家要相信自己，每個(gè)人都是可以有所作為的。這部分內(nèi)容可以主要以故事論述的形式開展。而對(duì)于阿倫尼烏斯在化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的介紹，可以更側(cè)重于介紹他的博學(xué)和興趣廣泛，可以在課堂上引入一些視頻，或是通過布置課外興趣閱讀的形式，讓學(xué)生更多地了解科學(xué)家阿倫尼烏斯的科學(xué)貢獻(xiàn)和成就。
電解質(zhì)溶液中酸堿電離理論的介紹 電解質(zhì)在溶液中以何種形式存在，這種存在形式又是如何產(chǎn)生的，這是19世紀(jì)科學(xué)工作者關(guān)注的課題之一。盡管已經(jīng)有人提出電解質(zhì)在溶液中可能是以離子形式存在，但就其產(chǎn)生過程，科學(xué)界一直普遍認(rèn)同法拉第（M.Faraday）的觀點(diǎn)，即溶液中的離子是在電流的作用下產(chǎn)生的。
阿倫尼烏斯在研究電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣態(tài)的氨是根本不導(dǎo)電的，但氨的水溶液卻能導(dǎo)電，而且溶液越稀導(dǎo)電性越好；氫鹵酸溶液也是有此特點(diǎn)。對(duì)于其他的電解質(zhì)體系，他也做了大量的實(shí)驗(yàn)，都發(fā)現(xiàn)濃度影響著許多稀溶液的導(dǎo)電性。那么如何揭開這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)背后的秘密呢？阿倫尼烏斯開始了實(shí)驗(yàn)之后的思考，他首先想到的是濃溶液和稀溶液本身的差別在哪呢？應(yīng)該是可以通過加水將濃溶液稀釋為稀溶液，可水起到什么作用呢？阿倫尼烏斯順著這個(gè)思路深入思考：純凈的水不導(dǎo)電，純凈的固體食鹽也不導(dǎo)電，把食鹽溶解到水里，鹽水就導(dǎo)電了，這是為什么呢？水到底起了什么作用？他覺得這是決定問題的關(guān)鍵。
基于法拉第的觀點(diǎn)，阿倫尼烏斯想是不是食鹽溶解在水里就電離成為氯離子和鈉離子了呢？這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)超前和相當(dāng)大膽的，畢竟當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界一致認(rèn)同法拉第的觀點(diǎn)。阿倫尼烏斯隨后提出假定電解質(zhì)在溶液中具有分子形態(tài)和離子形態(tài)兩種存在形式，當(dāng)溶液被稀釋時(shí)，電解質(zhì)的部分分子就分解為活性的離子，而另一部分仍是以非活性的分子形態(tài)存在。因此，溶液稀釋時(shí)，活性的離子數(shù)量增加，導(dǎo)電性也就增強(qiáng)了。就此，阿倫尼烏斯提出全新的電解質(zhì)中離子的產(chǎn)生原因，即電解質(zhì)自動(dòng)電離的新觀點(diǎn)。
然而，當(dāng)阿倫尼烏斯帶著全新的觀點(diǎn)向他的博士導(dǎo)師克萊夫（P.T.Cleve）教授詳細(xì)地解釋電離理論時(shí)，這位作為化學(xué)元素鈥和銩的發(fā)現(xiàn)者的著名實(shí)驗(yàn)化學(xué)家對(duì)此理論并不感興趣，只說了一句：“這個(gè)理論純粹是空想，我無法相信?！边@無疑給滿懷信心的阿倫尼烏斯巨大打擊，而且他也意識(shí)到博士論文能否通過出現(xiàn)問題，雖然他認(rèn)為自己的觀點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒有錯(cuò)，但要得到當(dāng)時(shí)觀念保守的教授們的認(rèn)可談何容易？答辯過程相當(dāng)艱難，盡管阿倫尼烏斯精心準(zhǔn)備，材料和數(shù)據(jù)都無可挑剔，但經(jīng)過四個(gè)小時(shí)的答辯，答辯委員會(huì)的教授們?nèi)匀徽J(rèn)為論文不是很好。但考慮到阿倫尼烏斯大學(xué)讀書時(shí)所有的成績都很好，尤其是生物學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)的考試成績非常優(yōu)異，答辯委員會(huì)最終以及格的成績，讓阿倫尼烏斯勉強(qiáng)獲得博士學(xué)位。
著名的化學(xué)反應(yīng)速率的指數(shù)定律――阿倫尼烏斯公式 阿倫尼烏斯不但提出了在化學(xué)發(fā)展史上占據(jù)重要地位的電離學(xué)說，他還深入研究了溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。他發(fā)現(xiàn)對(duì)于大多數(shù)反應(yīng)而言，溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響要比濃度更為顯著。阿倫尼烏斯注意到化學(xué)反應(yīng)體系的溫度每升高1度，反應(yīng)速率約增加12%～13%。若從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，對(duì)反應(yīng)速率的影響無外乎是對(duì)反應(yīng)物分子的運(yùn)動(dòng)速率、碰撞頻率、濃度及反應(yīng)體系的黏度等物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，然而溫度的這種巨大的影響不能從這些傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)中得到圓滿的解釋。因此，阿倫尼烏斯設(shè)想，在反應(yīng)體系中是一些高能量的活化分子直接參與到化學(xué)反應(yīng)中，非活性分子吸收一定能量后可轉(zhuǎn)化為活化分子，而反應(yīng)進(jìn)行的速率取決于活化分子的數(shù)量及活化分子之間相互碰撞的次數(shù)；當(dāng)反應(yīng)體系的溫度升高時(shí)，活化分子的數(shù)量會(huì)隨溫度升高而上升，而且活化分子間的碰撞次數(shù)也隨溫度升高而增加，因此導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的速率也隨溫度的上升而增大。
1889年，阿倫尼烏斯在上述觀念的基礎(chǔ)上提出著名的阿倫尼烏斯公式，也就是著名的化學(xué)反應(yīng)速率的指數(shù)定律：
其中，k為速率常數(shù)，A為指前因子（也稱頻率因子），Ea稱為化學(xué)反應(yīng)的活化能，也就是非活化分子轉(zhuǎn)化為活化分子所需要的能量，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度。阿倫尼烏斯公式的提出為現(xiàn)代化學(xué)動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，是物理化學(xué)學(xué)科的重要組成部分。
此外，阿倫尼烏斯還從事天體物理學(xué)、氣象學(xué)和生物學(xué)等方面的研究，曾較早提出大氣中的二氧化碳對(duì)地球溫度影響的論點(diǎn)，還著有《天體物理學(xué)教科書》《免疫化學(xué)》《生物化學(xué)中的定量定律》等著作。
2 科學(xué)家能斯特
能斯特（Walther Hermann Nernst）是德國卓越的物理學(xué)家、物理化學(xué)家和化學(xué)史家，在化學(xué)熱力學(xué)和電化學(xué)方面作出了開創(chuàng)性的工作，特別是因?yàn)槠湓跓崃W(xué)第三定律方面的杰出貢獻(xiàn)而被授予1920年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
熱力學(xué)第三定律的介紹 19世紀(jì)末，化學(xué)熱力學(xué)的研究也已取得相當(dāng)進(jìn)展，其中的熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律已趨于完善，但不足的是化學(xué)平衡常數(shù)仍未有任何熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行推算，還只能借助實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，研究發(fā)現(xiàn)已推斷出，體系在低溫狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)自由能改變值（?G）與焓的改變值（?H）趨于相等。
能斯特對(duì)低溫下的化學(xué)反應(yīng)體系進(jìn)行了研究，通過測(cè)定比熱和反應(yīng)熱來預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)過程，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)是吸熱的，那么所吸熱量將隨溫度下降而下降，而達(dá)到絕對(duì)零度時(shí)吸熱量將變?yōu)榱?。隨后，他在論文中指出，當(dāng)體系溫度趨近于零時(shí)，不僅反應(yīng)自由能改變值（?G）與焓的改變值（?H）趨于相等，反應(yīng)熵的改變值（?S）也趨近于零。這就是化學(xué)史上所稱的“能斯特?zé)岫ɡ怼?。他推斷，所有固體的熵值在接近絕對(duì)零度時(shí)都是相等的。
能斯特?zé)岫ɡ硎且粋€(gè)大膽的實(shí)驗(yàn)假說。此后，德國物理學(xué)家普朗克（M.Planck）依據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)原理指出，能斯特?zé)岫ɡ碇挥袑?duì)于純物質(zhì)的完美晶體才成立。后來的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)對(duì)熵的討論表明，有些純物質(zhì)（如過冷液體和有些固態(tài)化合物）在趨近絕對(duì)零度時(shí)能存在一個(gè)正的熵值。因此，1923年，美國物理化學(xué)家路易斯等人對(duì)普朗克的表述進(jìn)行了修改，提出具有完美晶體的各種物質(zhì)在絕對(duì)零度時(shí)，體系的熵等于零。至此，完善的熱力學(xué)第三定律最終被提出。
電化學(xué)中的電極電位的計(jì)算――能斯特方程 除了在化學(xué)熱力學(xué)方面的開創(chuàng)性工作外，能斯特還提出了描述電池可逆電動(dòng)勢(shì)的能斯特公式。他將化學(xué)熱力學(xué)中的自由能變化與電池電動(dòng)勢(shì)聯(lián)系起來，從而將化學(xué)熱力學(xué)規(guī)律成功地應(yīng)用于電化學(xué)體系。
1889年，能斯特根據(jù)范特霍夫的滲透壓理論和阿倫尼烏斯的電離理論提出，在溶解壓力的作用下，原電池中的金屬進(jìn)入了溶液，并以離子形式存在；與此同時(shí)，溶液中的金屬離子又在滲透壓的作用下，使金屬離子回到金屬表面。這是兩種方向相反的力，當(dāng)其達(dá)到平衡時(shí)，便產(chǎn)生了原電池中的電極電位。在此基礎(chǔ)上，能斯特導(dǎo)出電極電位與溶液濃度的關(guān)系式，即電化學(xué)中著名的能斯特方程：
其中，E為電池的電動(dòng)勢(shì)，ε為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，c1和c2分別為溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)的濃度。能斯特方程表明，電極電位的大小不僅取決于電極本身的性質(zhì)，還與電池的反應(yīng)溫度、物質(zhì)氧化態(tài)與還原態(tài)的濃度、壓力等因素有關(guān)。能斯特方程為熱力學(xué)函數(shù)值測(cè)定提供了一種全新的方法，而且此電化學(xué)方法不但為熱化學(xué)數(shù)據(jù)提供了最精確的測(cè)量方法，還是化學(xué)熱力學(xué)規(guī)律的最精確的驗(yàn)證手段。電化學(xué)方法將化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可控的可逆電池反應(yīng)，進(jìn)而獲得可控調(diào)節(jié)下極為精確的測(cè)定結(jié)果。
