时间：2023-03-02 14:57:38
导语：在大学物理化学公式总结的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
物理化学是四大基础化学之一，又被称为理论化学，誉为化学中的“哲学”，其重要性不言而喻。正因为它涉及的公式多，以工科教材为例，我们使用的是天津大学物理化学教研室编写的《物理化学》，不完全统计，涉及的公式大概有150个左右，学生死记硬背比较容易忘记，提倡理解记忆，这对学生的逻辑思维有一定的要求。我们要求学生掌握基本公式的推导和证明，能用基本公式去解决一些实际性的问题，从而起到提高物化思维方式的能力。许多学生学习物理化学，认为比较难，一届学生传一届，从思想就认为物理化学比较难学，从内心深处是比较排斥的。基于此，我们从思想上引导学生正确看待物理化学的学习，再难学，只要掌握好的学习方法和思维方式，学习物化也是很轻松。首先，提高物理化学学习重要性的认识。物理化学比较难学，在思想上就要认真对待，不惧怕，并付出实际行动。其次，提倡学生平时课前多预习，上课时带着问题听讲，目的性更强，通过此举，既能提高自学能力，又能掌握一部分知识的难点。记忆公式印象更深刻，要强调的一点是，物化中的每一个公式都有其应用条件，使用的时候尤其要注意。最后，课后复习巩固学过的知识，适当的做一些习题，巩固学过的知识要点和公式运用的条件，培养物理化学思维方式。
2教学上要下功夫提高学生学习兴趣
教学是由老师的“教”和学生的“学”共同组成一个有机的整体，两者缺一不可［2］。好的教学能引导学生更好的学习，提高学生的学习兴趣和效率。现行的多媒体教学与传统的黑板板书教学方法相比，前者借助多媒体课件，讲课的色彩更加丰富，形象逼真，信息量大，生动直观，在增强教学效果方面作用明显。我们在教学中将讲课PPT制作成精美的课件，在课件中穿插动画，Flash和声音，做到知识点和欣赏性兼顾的原则，从而使学生提高学习物理化学的兴趣。比如表面张力的概念，我们引入了动画，很直观的将液体表面张力的形成予以展示。为了进一步培养学生的学习兴趣，首先，我们努力将物理化学的知识与我们的日常生活紧密联系。比如发生火灾时，逃生用的防毒面具里面含有的活性炭，它可以吸附有害气体，从而引入物理吸附和化学吸附的概念问题。还有生活中，荷叶上的小水滴为什么是圆球状的?洗衣服时加入含表面活性剂的洗衣粉，为什么能把衣服上的污物洗掉等问题，都与我们的物理化学知识相关联。其次，教学内容与我们教师的科研内容相结合。鼓励学生积极参加老师的科研训练项目和大学生创新实验项目，在参与的过程中，将书本理论知识与科研训练实际相结合，能起到学以致用的效果。最后，也要将教学与生产实际相结合。我们的学生都有实习的阶段，教学过程中，有些章节结合生产实际讲解，学生更能领会。如相图这部分，精馏的过程，在化工企业生产上经常用到，由双液相液气平衡理论可知，液体经过不断地部分冷凝和部分汽化，液相中的组成就无限接近于难挥发的物质，而蒸汽中的组成无限接近于易挥发的物质，从而使二组分得到较好地分离［3］。由于与生产实际结合，学生听课认真，学得有兴趣，收到了较好的教学效果。
3引入物理化学科学家故事阐述人生哲理
在学习物理化学课程中，我们会接触到很多著名的物理化学科学家。上课讲到相关内容时，涉及到一些科学家，我们会讲解他们的个人简历和趣闻逸事，提高学生的学习积极性。给学生讲解科学家的一些故事，一方面可以提高学生的注意力，缓解一下课堂的学习气氛，也给物理化学的学习增加一点调味剂;另一方面，每一位科学家的成功都离不开其自身不断努力奋斗的过程，通过了解他们的经历，不仅课堂教学内容丰富了，而且学生对科学的发展产生了浓厚的兴趣，对科学家也产生了崇拜。鼓励学生以这些科学家作为学习的榜样，比如追溯物理化学这个学科的起源，我们不得不提到物理化学“三剑客”［4］，他们为开创物理化学而作出了重大的贡献。他们是1901年、1903年和1909年先后获得诺贝尔化学奖的三位不同国籍的化学家:荷兰的范特霍夫、瑞典的阿累尼乌斯和德国的奥斯特瓦尔德。他们在“科学无国界”旗帜下，在以捍卫电离学说为中心的共同战斗中，结成了化学史上一个新型的科学联盟，正是他们的团结协作促成了一门崭新的化学分支学科物理化学的诞生。其中范特霍夫是第一位获得诺贝尔化学奖的科学奖，他50多岁时，还经营着一家乡村牧场，每天清晨亲自送牛奶，被誉为“牧场化学家”。阿累尼乌斯于1859年2月19日生于瑞乌普萨拉附近的维克城堡。他是电离理论的创立者，成功解释了溶液中的元素是如何被电解分离的现象，研究温度对化学反应速度的影响，得出著名的阿累尼乌斯公式。此外，他还提出了等氢离子现象理论、分子活化理论和盐的水解理论。对宇宙化学、天体物理学和生物化学等也有研究。在讲到稀释定律时，介绍了奥斯特瓦尔德的生平事迹，他出身普通家庭，求学时对化学产生浓厚的兴趣，1884年在博士论文中提出了电离假设，1888年提出了以他的名字命名的奥斯特瓦尔德稀释定律，1909年因在催化作用，化学平衡，氨制硝酸等方面的杰出贡献而获得诺贝尔化学奖。这些科学家的共同点就是求学的道路上经历坎坷，有强烈的求知欲，经历了不同的几所大学，终身学习，从而使他们在物理化学领域取得了举世瞩目的成就，这种精神值得我们后人学习。
4实验教学环节，理论结合实践
物理化学课程具有理论抽象、推理复杂和计算繁琐的特点，是一门既难教又难学的理论课程。在课堂上学生只能学到书本上的理论知识，只注重基本概念的讲解、简单数学公式的推导和计算，学生感到枯燥无味，对学习没有兴趣。为了让学生真正理解和掌握物理化学基本原理知识，实验教学是必不可少的环节之一。通过实验教学使得理论知识与实际相结合，激发学生的学习热情，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力。实验教学是物理化学教学过程的一个重要环节，对于培养学生的科研素质具有至关重要的作用。在传统的物理化学实验教学模式中，教师按实验教科书先把实验所涉及的原理、仪器和具体实验过程进行详尽的讲解，然后由学生按部就班地去重现实验内容［5］。实践证明在这种以老师为主导的实验教学过程中，学生在实验动手能力培养上和独立思考上都收获不大。基于此，我们对现有的实验教学模式进行了改革创新尝试。把实验教学内容分为基础验证性实验和综合性实验两大部分。在基础验证性实验部分，主要是要求学生熟悉物理化学实验中常用仪器的用途、使用原理和操作方法。在综合性实验部分，指定几个实验任务，要求学生自己查阅文献相关资料，进行实验设计，将实验设计报告在规定的时间内，交给指导教师审阅，再完成实验内容。在实验进行过程中，老师可以进行必要的辅导。实验结束后，老师结合整个实验过程，包括实验设计的科学性、仪器操作、数据分析和研究报告等综合给出评分。综合性实验具有鲜明的研究型特点，能更好的激发学生学习的热情，培养学生的探索精神和独立的科研思考能力，受到学生的一致好评。
5建立课程过程考核评价体系
为了检验教师教学质量和教学效果，同时检查学生对所学知识掌握的程度和存在的问题，必须建立一套完整的考核评价体系。物理化学课程考核办法一般是由平时成绩(20%)和期末考试成绩(80%)两部分构成，存在的主要问题是期末考试成绩在总评成绩中的比例偏重。这种考核方式的弊端是学生平时学习不认真，期末考试前一周搞突击，起不到督促学生平时学习的作用。因此，我们重新建立了课程过程考核评价体系，采取的是平时成绩占10%，主要评分标准是课后作业的完成情况;出勤率成绩占10%，督促学生平时认真上课;增加一次阶段考试或者考核占30%，可以采取卷面考试的方式，也可以采取随堂考试或者课程论文的方式;期末考试比例下降，只占50%，期末考试全学期所学的内容都在考核范围内。在原有基础上，降低了期末考试的比重，不同学时的课程中间加上阶段性考试或考核的次数也不同，规定小于等于48学时的课程，期间加一次阶段性考试或考核;大于48学时小于等于64学时的课程，期间加两次阶段性考试或考核［6］。虽然教师的工作量比改革前增加了，学生的考试或考核次数也增加了，但学生的学习主动积极性得到了提高。学生要想取得优异的成绩，阶段性成绩也不能马虎。目前我们建立的这套过程考核评价方法，其实质就是将考核贯穿于学习的整个过程，学生要适应这种体系，就要不断的学习。
6结束语
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。
摘要：在分析国内外传统冶金高校冶金传输原理课程教学现状的基础上，总结了目前冶金传输原理教学存在的问题，构建了以知识结构为主旨的冶金传输原理教学体系。建立了“课程内容设计课堂知识讲授重要知识体验知识升华演绎学习效果反馈”的完备教学循环体系；创造性地开展了冶金传输原理诗词大赛，深化知识体验；建立了开放教学实验平台，强化了知识运用。通过以上措施，提高学生学习兴趣，提升了教学质量。
关键词：传输原理；知识体系；教学质量
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）50-0087-03
冶金传输原理与冶金物理化学、金属学一起构成了冶金工程专业的专业基础。它以高等数学、大学物理、物理化学等课程为基础，进一步向冶金应用理论延伸，作为深入理解和解释专业知识的理论与工具，起到了重要的承上启下作用[1-2]。冶金传输原理教学体系自20世纪70年代建立，至今已有40年左右，冶金传输原理课程内容庞杂，物理概念抽象，计算公式繁多，数学推导烦琐，一直被公认为是“教师难教，学生犯难”的一门专业基础课程[3-6]。许多同学难以深刻理解所学内容，往往通过死记硬背勉强通过考试，在似懂非懂中便结束了课程的学习，对今后继续深造，提高专业技术水平形成了一定的障碍。从行业发展角度看，冶金规模快速扩张阶段已然成为历史，冶金行业发展进入新常态，为缓解过剩产能提出的供给侧改革对冶金工程技术人员的综合设计开发能力提出了更高的要求，也为高校冶金人才的培养提出了新的挑战[7]。因此，夯实理论基础并加强理论实践将成为新时期人才培养的重点。
一、冶金传输原理课程现状
为更加有针对性地制定有效措施，提高冶金传输原理教学质量，对国内外17所冶金相关高校的课程开展情况进行了调研。调研院校冶金传输原理课程平均学时数为56。最多80学时，最少30学时。各高校教学学时数较开课之初均呈现减少趋势，但教学内容却并没有减少，因此对教学效率提出了更高的要求。从国外来看，教学学时更少，亚琛工业大学为43学时，其中还包括16学时的课外辅导；东京大学为30学时。国外授课偏向于基本方程和基本理论，更注重学生自学，通过综合性的作业来促进学生对所学知识的理解与应用。教材方面，沈巧珍、杜建明编写的教材使用率最高（6/17），其次为沈颐身编写的教材（3/16），其余基本由本校教师编写，值得一提的是，国内东北大学采用了英文教材。在成绩考核方面，82.3%的学校采用闭卷考，并辅以不同比例的平时成绩。亚琛大学为三道综合计算题，东京大学为50%报告+50%考试。在其他教学环节中，64.7%的学校设有不同学时的实验课，以此增加同学们对所需知识的理解，激发学习兴趣。调研的国外两所高校没有相应的实验课程，一是与较少的学时数有关；另外国外学生人数少，实验条件普遍较好，学生可根据兴趣自由选择进行相关实验。课程设置上，很多院校研究生阶段不再开设冶金传输原理课程；开设研究生课程的一般在本科阶段着重基本概念、基本原理，研究生阶段偏向一些具体问题的解决，包括建模和数值模拟计算等。此外，查阅近几年冶金工程专业硕士招生情况可知，在每年的硕士入学考试中，选择《冶金传输原理》作为专业基础课考试科目的只有寥寥数人，可见其在全国冶金工程专业学生眼中已成为“不受欢迎”的课程，这对冶金工程专业人才培养是非常不利的，也极大地挫伤了教师的教学积极性。分析各高校课程建设基本情况，并结合实际教学过程中发现的问题，总结如下：
1.课程体系建设有待加强。现行冶金工程专业本科培养计划中规定，课程在本科阶段学习重点为基本概念的理解、基本方程的建立、基本定理的应用，深入了解冶金过程中各种传输现象，为学生将来从事冶金技术开发、提高控制和设计水平打下良好的基础。但由于缺乏对冶金传输原理知识体系结构的梳理，造成具体教学过程中对教学内容以及深度的把握上缺乏整体规划，知识之间的继承与联系不强，导致同学们理解不深入。
2.教学手段有待进一步提高。目前的教学活动并没有充分利用现代化的教学方法和手段，只是将传统的板书搬到了电脑屏幕上，由于课程内容抽象、烦琐，一味单调地讲授，机械地记忆，学习起来非常被动，且容易产生厌烦心理，教学效果不能令人满意。
3.知识体验缺乏。目前的教学过程缺乏知识体验环节，没有提供学生主动体验知识的机会，甚至连演示实验也没有。从人类认知学角度来讲，知识的主观体验是知识学习过程中不能缺少的环节。因此，造成学生对知识的理解不能深入，也缺乏对传输理论实际应用的体验。
二、教学改进与创新
1.完善课程教学体系。每门课程根据其性质及应用对象都有其自身的特点和适用的教学方法，冶金传输原理是一门相对年轻的课程，其课程体系的建设一直在不断完善。冶金传输原理的内容繁杂、抽象，不易理解。与高等数学和大学物理相关教学团队进行研讨，建立课程的知识体系结构，对知识层次进行划分，按照基本定理、基本定理的广义延伸、特定条件下的推理以及实际应用及结论的层次构建知识结构图，使同学们明确新知识与已有知识的联系，便于理解、记忆和应用。如传输原理中最重要也是贯穿整个学习过程的纳维-斯托克斯方程，其本质可以从中学物理所学的牛顿第二定律F=ma得到，推导过程中用到质量守恒定律和动量定理。将特定物体的质量转换为流过一定空间坐标的流体质量，将中学物理概念中的加速度（实际为时变加速度）拓展为时变加速度和位变加速度之和。流体的受力分析除了熟知的压力、重力以及可能存在的各种外场力外，增加了流体特有的粘性力，据此就可以容易地推导出纳维-斯托克斯方程，并与已有知识建立联系。对纳维-斯托克斯方程在不考虑粘性力（理想流体）、稳定流动、不可压缩以及只有重力条件下，沿流线积分或在有势流动中积分可得到伯努利方程，属于特定条件下的推理。而毕托管、文丘里管、飞机起飞升力以及虹吸管等属于具体应用。结论对应于应用过程中得到的一些重要结果，如管道层流和湍流最大速度与平均速度的关系，层流和湍流边界层厚度与板长的关系及阻力系数等。依据此原则将冶金传输原理重点知识进行层次划分，并要求同学们画出知识层次结构图，对同学们理解、掌握整个知识体系具有很大帮助。课堂教学方面，为了帮助同学们理解所学知识，将抽象的概念具体化，制作了多种教具并设计了演示实验。如在讲授动量传输的微分方程时，制作了流体受力模型，采用多层平板代表流层，平板间利用橡皮筋连接代表粘性力。在讲述流体流动状态时，设计了雷诺演示实验，并辅以多媒体展示，丰富了教学手段。对于重点、难点内容设计了讲解策略，吸纳有经验教师和同学们的意见反馈，不断改进。重点和难点的确定一方面来源于教学大纲，另一方面通过调查问卷收集，并参考每年的试卷分析。此外在教学中，充分利用教师丰富的科研资源，将科研工作中应用传输知识的实例简化为课上讲解的例题，一方面使同学们认识到传输原理的重要性，提高学习兴趣，另一方面可以丰富课堂内容，使教学更生动。在解决知识体验问题上，采用教学实验进行弥补，利用公共实验室和专业实验室条件，设计了十余个教学实验。鼓励学生自行设计综合性验证试验，提高学生知识综合运用能力。在升华对知识的认知方面，设计了结合同学们个人兴趣爱好的教学活动――冶金传输原理诗词大赛，收到了预期效果。教学效果反馈上，针对课程整体状况、教材使用、课程设置、教师授课、学生学习以及考试情况设计了调查问卷，在每学期考试后分发，公布考试成绩前收回。每学期末，任课教师对反馈情况进行研讨，分析存在问题，提出改进策略，形成良性循环。最终形成了“课程内容设计课堂知识讲授重要知识体验知识升华演绎学习效果反馈”的完备教学循环体系，对每个具体教学环节给出明确的执行方式，具有可持续性和操作性强的特点。
2.深化知识体验。引导同学们对所学知识进行深入思考，才能更好地理解掌握；将枯燥的问题规律化才能记忆深刻。开创性地设计了冶金传输原理诗词大赛这一教学环节，利用当代大学生的多才多艺，将其自身特长、才艺、爱好转嫁应用到枯燥的专业知识学习中。以所学传输原理知识为题材，通过总结、分析以各种文学形式进行表达。作品可以是对一类具体问题如管道流动、边界层理论、对流传热等问题的系统总结，也可以是对某个具体知识点的深入剖析。作品由两部分组成，第一部分为作品的正文，第二部分为作品内容的分析、解释，篇幅不超过3000字。将抽象的理论以不同的文学形式进行表达，无疑将极大调动同学们的积极性，发挥各自想象力和创造能力。由于诗词作品讲究工整、押韵、流畅，易读易记。因此传输原理知识的文学化表达必须在对所学知识充分理解、消化的基础上才能完成，通过作品创造，提高同学们的认知。作品以答辩的形式呈现，现场打分，教师点评和同学们的陈述给大家提供了二次学习的机会，每个人都受益匪浅。作品的创作以团队形式完成，2―3人一组，创作过程中，组内同学之间的相互交流、学习是进一步巩固所学知识、完成从简单认知到灵活掌握的助推剂。每个小组针对特定传输原理知识进行总结、升华，深刻诠释知识的内涵及应用，为其他同学学习、体会该部分知识提供便利和帮助。通过不断地积累，将不断提高同学们的认知水平，事半功倍。与此同时，教师可通过作品，了解学生知识掌握状况。将好的作品汇编成册，七律、绝句、诗歌、歌曲等创作形式一些枯燥的专业知识更接地气，给了专业知识全新的诠释。这种从学生理解角度出发的知识诠释，由于大家知识背景类似，学习程度相近，因此最易于理解，成为新同学学习的有益补充，也增加了学习兴趣。
3.建立开放教学实验平台。知识体验是学习过程中不可或缺的环节，根据教学内容要求及现有条件，设计了管道流动中的质量平衡；不可压缩流体定常流能量方程；平板法测定保温材料导热系数；卡门涡街；气隙对材料导热性能影响；流动过程中的流线和迹线；毕托管测量流体流速；雷诺实验；多种传热形式综合传热；液―液间传质；气体蒸发过程的扩散传质等11个基础教学实验。利用学院开放教学实验平台，逐渐为同学们提供服务。每个实验设计包括五个部分：实验目的、实验原理、实验设备、实验步骤、结果与讨论。实验目的和实验原理主要描述对应的传输原理知识；实验设备的介绍使同学们对实验平台有直观认识；实验步骤提供了实验操作指导；结果与讨论引导同学们进一步思考实验背后的基本理论以及对所学知识的灵活运用。此外，充分发挥教师的专业实验室资源，在开展相应科研工作时，在开放实验平台上提前公布，鼓励同学们观摩、学习和参与讨论。
三、结束语
本文在充分调研国内外教学基本状况基础上，提出通过教学体系完善、深化知识体验以及教学实验平台建设来提高学生学习兴趣，改善教学效果的一系列改革措施。研究结果对改善本课程教学质量具有较强的实践意义和较高的借鉴价值。此外冶金人才培养全国应为一盘棋，建议整合国内冶金传输原理教学优质资源，充分利用现代化网络工具，建立冶金传输原理课程网站。实现教学资源共享，建立教学课件库、习题库、学生自我测试平台，重点难点解析专栏，并定期安排优秀教师网络答疑，通过不断努力，使冶金传输原理课程建设更上一层楼。
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关键词：工程热力学与传热学；安全工程专业；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0041-03
“工程热力学与传热学”是一门与工程实际联系紧密、应用性很强的热科学基础课，它源于矿业、石油、冶金、化工、机械、环境、航空航天等工程领域中的实际工程问题，也发展、应用于解决实际工程问题，在理工科本科生教育中占有重要地位，为理工科专业技术课的学习提供重要的理论基础。近年来，随着人类社会的进步和科学技术水平的提高，实际工程领域所面临的热科学问题更加复杂，这使得“工程热力学与传热学”课程传统的教学模式及授课内容已面临社会发展和学科发展的严峻挑战，存在较多问题和不足。[1]作为中国矿业大学（北京）（以下简称“我校”）“工程热力学与传热学”课程的主讲团队，笔者结合近年来科研工作中关于热力学与传热学的问题和多年对该课程的教学经验，对该课程在安全工程专业本科教育中的课程改革和教学实践进行了一些探索，并得到了一些粗浅的体会和认识。
一、安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革的必要性
1.该课程对安全工程专业本科教育的重要性
安全工程专业是一个涉及理、工、文、法、管等学科的综合交叉工科专业，目前国内开办安全工程专业的高等院校的类型很多，有矿业、石油、化工、军工、土木、交通、环境、经济等。“工程热力学与传热学”是安全工程专业必修的一门专业基础课程，在安全工程专业的培养计划中有非常重要的地位。根据安全科学基本理论，事故是能量失去控制而意外释放所造成的，而“工程热力学与传热学”正是研究能量转化与传递过程的基本规律，由此可见该课程对安全工程专业本科生培养的重要性，其教学水平直接影响安全工程专业本科生的培养质量。
2.目前该课程教学中存在的问题和难点
（1）教学学时少，但教学内容多，造成教与学矛盾。随着21世纪国家人才培养战略逐渐向拓宽专业口径、培养复合型人才方向发展，安全工程专业本科教育的培养计划和培养目标也不断调整，更加重视大安全“通才”教育。为满足安全工程专业培养计划改革和课程体系设置需要，我国多数高校对“工程热力学与传热学”课程学时都进行了缩减。比如我校，由起初64学时调整为48学时，虽然学时减少，但主体教学内容并未删减，这导致教学进度不得不加快。然而热力学和传热学理论性、专业性强，因为教学进程加快，使得学生不能深入透彻理解重要知识点，造成教学效果较差，引起教与学的矛盾。
（2）课程概念多、公式多、理论性强，降低了学生学习兴趣。“工程热力学与传热学”课程概念多、公式多、图表多，尽管有些概念和公式在“大学物理”和“物理化学”课程中学习接触过，但运用这些抽象概念和基本公式解释、推导热物理规律时，多数学生都会感觉到比较吃力，因为这要求学生具有扎实的数理基础和较强的抽象思维能力。另外，该课程中一些概念比较抽象且比较相近，容易发生混淆，比如可逆过程与准静态过程的联系与区别，技术功、轴功、容积功区别，导热系数、传热系数、导温系数的联系与区别等。同时，“工程热力学与传热学”中繁多的公式的关联性极强，推导过程复杂。上述理论性和专业性很强的概念、公式及其之间的复杂关系，大大地降低了学生学习的兴趣和动力。
（3）教学内容及参考教材安全专业应用案例较少，学生专业实践应用能力培养不足。随着科学技术的快速发展，热力学与传热学领域一些新的概念和理论不断涌现，目前多数新出版的“工程热力学与传热学”教材内容丰富，知识面力求新颖和广博，只配有少量简单应用案例。这对目前压缩学时的安全工程专业本科教学来说不合适，不利于学生在有限学时内深入学习和掌握重要热力学和传热学理论，而且不能使学生深入了解热力学和传热学理论在安全专业的应用，从而造成专业实践应用能力培养不足。因此，针对安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学，应有所侧重，补充该专业应用案例，强化学生学习兴趣和动力。
3.该课程教学内容和教学方法优化的必要性
随着经济的快速发展和社会的不断进步，人们对安全的要求越来越高，近几年来安全学科发展迅猛，“安全科学与工程”已成为工学门类下第37个一级学科，安全学科涉及面越来越广，已深入到矿业、石油、冶金、化工、环境、土木、交通等多个工程领域。“工程热力学与传热学”作为安全工程专业重要专业基础课，面临社会科技发展和安全科学发展的新形势，特别是教学学时压缩情况下，其传统的教学模式、授课内容、教学效果已充满挑战，存在较多问题和不足，其教学情况，在一定程度上影响安全专业人才在实际工程中解决相应问题的能力。因此，在有限学时内，对该课程教学内容和教学方法进行改进和优化是非常必要的。通过教学改革，提高该课程教学水平，才能使其充分发挥对安全专业技术课学习应起到的桥梁和铺垫作用，从而在一定程度上提高安全工程专业本科生的培养质量。[2]
二、安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革思路及实施
1.该课程教学内容调整和优化
（1）根据安全专业方向和学时分配，强化和弱化部分教学内容。为满足安全工程专业培养计划改革和课程体系设置需要，我校对“工程热力学与传热学”课程学时由起初64学时缩减为48学时。为在有限学时内完成教学计划和提高教学质量，笔者选用的参考教材为张学学教授主编的《热工基础》，该书基本内容由工程热力学和传热学两部分组成。[3]该书侧重于热力学和传热学基础，有助于学生对基本理论知识和方法的理解和掌握，但对于安全工程专业基础教育来说，其部分章节教学内容不重要，比如工程热力学篇的第六章内燃机和燃气轮机动力循环装置和第七章制冷装置循环等内容，因此在教学过程中对上述内容可以弱化。该书第五章中作为了解内容的湿空气性质及其热力学过程，是通风安全理论的基础，对安全工程专业来说就特别重要，因此在教学中对该部分内容应强化。总的来说，对该课程的教学应因材施教，根据安全工程专业方向和教学计划分配，灵活调整和优化教学内容和重点，使得学生能深入透彻理解重要知识点，避免引起教与学的矛盾。
（2）扩充传热学数值计算知识及应用算例，增强学生对基本公式及理论知识应用方面的理解，激发学生学习兴趣和动力。“工程热力学与传热学”课程概念多、公式多、图表多，通过实验教学可以加深学生对热力学与传热学理论知识的理解和掌握，但受于学时和实验条件限制，目前该课程实验教学课时还比较少。近年来随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，数值计算（或称数值实验）为热力学和传热学研究开辟了一个新途径。目前“工程热力学与传热学”课程教学中，只在导热部分对数值计算基础进行了简要介绍，为了使学生能较系统地了解和掌握数值计算在传热学的应用，也需要对流换热部分的数值解算进行补充。考虑到本科生对数值计算涉及的数学推导和偏微分方程求解等知识的理解和掌握比较吃力，在课程教学中对MATLAB软件在传热学数值计算中应用进行介绍，并引入相关传热问题解算案例进行讲解。MATLAB是一套综合性的高性能数值计算和可视化软件，借助MATLAB软件不仅能使学生较快掌握传热学数值计算的应用，同时借助其强大的计算和绘图功能，也可以使学生对热力学和传热学中的许多公式和热物理规律推导进行图像化展示，这有助于学生对热力学和传热学基本理论知识的理解和掌握。[4]
（3）建立安全专业应用案例库，细化到具体章节教学内容中。“工程热力学与传热学”与工程实际联系紧密，应用性很强，它源于工程实际，并应用于解决实际工程问题。因此，若要提高“工程热力学与传热学”课程教学质量，在课程教学过程中应将实际工程案例作为教学素材，引导学生对特定的教学案例问题进行分析，并借助热力学和传热基本理论提出解决方案。针对安全工程专业说，工作中会遇到各种各样的危险情景，引入专业案例教学非常重要，比如应该补充讲授热力学能量传递、烟气对流和辐射复合传热方面的案例、热力学与传热学在事故演变分析中的应用案例。通过案例教学不仅可以使学生对热力学和传热学知识有深刻的理解和掌握，也有利于拓展学生的思维模式，激发学生的创新意识，更重要的是培养学生的专业应用和实践能力，对工作中危险情景问题应该怎样借助热力学和传热学理论来分析和解决会有较好的把握。因此，笔者近几年来特别重视对安全专业应用案例库的建设，对各个案例根据教学内容进行分类，基本贯穿于各个章节的教学中。
2.该课程教学方法改进和优化
近几年来随着国家对人才培养战略的调整以及工科类专业培养目标的改革，为了保证和进一步提升“工程热力学和传热学”课程教学质量，笔者对该课程教学方法进行了一些探索和改进。
（1）以科研与工作实践促进教学。大学教学不同于中学教学，大学是培养人才和创造知识的重要平台，在大学教学过程中要讲授传播高深前沿的专业技术知识。只有通过科研历练和工作实践，大学教师才可以逐步提高专业素养和综合素质，才能紧跟进而较好地把握本专业科技前沿。“工程热力学和传热学”课程作为工科类重要专业基础课，该课程任课教师更应立足于科技前沿，通过科研工作不断提高自身业务素质，并将科研成果转变为专业理论知识渗透到教学过程中，这样才能克服教材内容滞后于最新专业科技知识的不足，保证教学质量，同时通过“工程热力学和传热学”课程教学也能拓宽学生的科研视野和提升学生专业知识水平。为此，笔者在教学过程中穿插介绍了课题组在采空区自然发火、矿井降温等领域与热力学和传热学有关的研究成果。
（2）设立课程助教和网络讨论课堂，增强课程教学答疑和交流。为了及时解答学生学习过程中遇到的问题，在“工程热力学和传热学”课程教学过程中笔者安排了助教，助教一般由青年教师或高年级研究生担任，主要负责课程作业批改和答疑，并不定时开展相关专题讨论班，加强学生对重要章节的学习和理解。另外，在课外，笔者还充分利用网络资源，建立了网络讨论课堂（QQ群）。针对课程学习疑难问题、课程建设及改进建议等问题学生都可以在课程讨论群中提出，助教或任课教师基本每天都会登陆讨论群回答学生提出的问题。通过设立助教和建立网络讨论渠道，较大程度上增进了课堂教学以外老师和学生的交流，提升了该课程的学习质量。
（3）借助现代多媒体教育技术丰富教学手段。近年来，随着计算机科技和互联网技术的快速发展，多媒体技术成为教育教学过程中一个非常重要和便利的工具。“工程热力学和传热学”课程涉及的公式和图表非常多，采用多媒体技术可以显著节省教师对一些公式和图表的板书时间，不仅能提高教学效率，并且采用图文并茂的PPT可以形象具体地展示教学内容，利于学生理解。然而，对于比较重要的教学内容，比如导热微分方程、对流换热方程等数学描述的推导，笔者仍采用传统板书方式，详细分析和讲解重要定律和公式的提出和推导过程。另外，要充分利用多媒体技术的多种媒介形式，包括多种形态的文字、图片、动画、录像等。[5]目前笔者已经制作和收集了一些图片和视屏（热电偶等测温器件、肋片、换热器传热过程Flash、煤自燃实验录像等），在课堂教学实践中取得了较好的效果，大大激发了学生的学习兴趣和热情，也加深了学生对传热学在科技生产领域中应用的认识。
（4）改革和优化考核方式。“工程热力学和传热学”课程涉及的公式和准则特别多，有些公式较难记忆和推导，因此任课教师在闭卷考试命题时不得不压缩范围，这导致一些同学在考试复习时会忽略一些教学内容。为了使学生能对热力学和传热学基本理论知识有一个整体的把握和思考，特别是对该课程基本理论的应用有较深刻的认识和理解，笔者采用多元化考核方式。多元化成绩评定包括三部分：第一，课后习题作业、出勤、课堂表现、课下网络讨论表现情况；第二，专题大作业完成情况，专题大作业主要是基于热力学和传热学基本理论开展相关产品设计或数值模拟等；第三，闭卷考试成绩。采取这种多元化考核方式，不仅能促进学生对热力学和传热学理论知识的深入学习和掌握，也能提高学生的学习能动性，提升实践应用能力，有助于培养高素质人才。
3.学生实践应用能力培养引导
为了进一步提高学生的实践应用能力和培养学生的创新意识，笔者在“工程热力学和传热学”课程教学过程中通过多种形式对学生进行引导或提供多种实践渠道进行学习。
（1）设置热力学和传热学专题大作业。在教学过程中，笔者精心选取了多个与热力学和传热学密切相关的专业问题，让学生分组协作，首先对这些问题进行调研，然后开展实验设计和数值模拟分析，并写出相应的总结报告。最后，利用讨论课时间，组织各组以PPT形式进行汇报，通过提问和讨论意见进一步完善作业成果。专题大作业的成果作为期末考试总成绩评定的一部分。在课堂教学过程中增加学生参与的比重，使学生成为课程学习的主体，能为培养学生的实践创新能力创造有利条件。[6]
（2）利用大学生创新计划项目。目前，我校积极响应国家、北京市有关开展大学生创新训练的政策和工作安排，每年都组织设立大学生创新训练计划项目近300项，这为我校大学生参与科研工作、开展创新活动提供了重要的平台和良好的条件。我校“工程热力学和传热学”课程刚好在大学生创新训练项目立项这学期开课，在教学过程中，笔者鼓励学生应用热力学和传热学基本理论进行选题，并在开展研究工作过程中给予方法和技术指导。
（3）利用校外实践基地现场实习交流。为了提高学生的实际工作能力和教学质量，培养高素质复合型人才，以尽快适应社会发展的人才需求，和加强本科实践环节的教学，我校资源与安全工程学院积极开展校企合作实践教学，目前已建立了39个校外实习和实践教学基地。在“工程热力学和传热学”课程教学过程中，笔者穿插介绍了安全工程专业相关应用案例，同时，也经常给学生灌输实践学习的思想，鼓励学生好好利用实践基地这个很好的学习平台，到实践基地去实习或社会实践时现场观察、学习热力学和传热学的应用实例。通过现场学习能较大程度上拓展学生实践应用思维和激发学生创新意识。
三、结语
“工程热力学与传热学”课程在理工科本科生教育中占有重要地位，它源于工程实际问题，也发展、应用于解决实际工程问题。为能使热力学和传热学知识适应社会发展需要和满足现代社会对信息型、复合型人才的需求，“工程热力学与传热学”教学内容和教学方法需不断改进和优化。
本文以安全工程专业“工程热力学与传热学”教学为例，针对该课程教学内容、教学特点和目前教学中存在的典型问题和不足，提出了该课程教学改革和优化的思路和具体改进实施方案。该课程教学改革在安全工程专业教学中实践结果表明，新的人才培养目标和培养模式下“工程热力学与传热学”课程教学质量有较大改观，学生理论知识学习情况、分析解决问题能力、实践应用能力都得到较大提升。笔者对该课程在安全工程专业本科教育中的课程改革和教学实践，希望能为国内其他高校理工科“工程热力学与传热学”课程教学改革提供思路借鉴。
参考文献：
[1]于靖博，董丽娜，赵兰英.《工程热力学与传热学》课程教学改革与实践[J].广州化工，2013，41（11）：259-260.
[2]林日亿，梁金国，黄善波，等.安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革[J].中国电力教育，2010，（167）：93-95.
[3]张学学，李桂馥，史琳.热工基础[M].第二版.北京：高等教育出版社，2006.
[4]丁鹏.MATLAB在高校“传热学”教学中的应用与实践[J].中国电力教育，2011，（196）：149-150.
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