时间：2022-06-21 22:38:53
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇热力学教学，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
热力学统计物理学、电动力学、理论力学和量子力学是物理学专业四大理论课程，但是对于大部分学生来讲，他们除了对理论力学稍感兴趣外，对其他三大理论课都是从心理上带着恐惧的，觉得特别难理解。热力学和统计物理学是关于热现象理论的两个组成部分：热力学为宏观理论，而统计物理学则是微观理论。热力学和统计物理学与其他三门理论课之间有着紧密的联系，学好热力学和统计物理学掌握其学习方法及思维方式对于学习其他相关学科有着非常重要的意义。本文就是以自身教学实践为出发点，分析了在热力学统计物理学教学过程中遇到的问题，并且提出了自己的建议及解决问题的方法。
一、教学中遇到的问题
1.学生学习兴趣不足
热力学统计物理学在该校是在物理学本科专业大三的第一个学期开设的，对于这个时间段的大学生来讲，他们已经开始对毕业后自己的去向进行思考。在考虑就业压力及自身条件和家庭因素后，绝大部分学生选择的是毕业后就业，而只有少数学生选择继续考研究生。那些已经决定毕业后就业的大部分学生提不起对热力学统计物理学的兴趣，这门课也不足以引起他们足够的重视，在他们看来，毕业后他们不会再用到它，再加上这门课程相对于大学物理这种基础课有一定的难度，他们从心理上不愿意把时间用在与自己认为跟未来就业无关的课程上。其次是现在的“90后”大学生大多数为独生子女，心理依赖性强，除了少数打算考研的学生会在课前预习和课堂上做笔记外，大部分学生很少动笔。所以，如何激发学生学习热情，发挥其主动性是教师应该首要解决的问题。
2.数学基础薄弱
热力学和统计物理学这门课程中大部分用到高等数学中的知识，例如，某些复杂的积分要用到换元法或者是分步积分法，某些问题中要用到泰勒展开式，但是有些学生数学知识掌握不牢固，不能灵活地运用数学工具来解决热力学统计物理学中遇到的问题。
3.物理概念不清晰
热力学研究的是由大量微观粒子（分子或其他粒子）组成的宏观物质系统。同时热力学中某些知识点与高中时期讲过的热学部分知识点重合，所以大部分学生觉得理解起来相对容易些。而统计物理学理论是对物质的微观结构作出某些假设之后，应用统计物理学理论求得具体物质的特性，并且阐明产生这些特性的微观机理。大部分学生对物理概念理解不清晰、不透彻，比如，由大量全同近独立粒子组成的系统，粒子的微观状态数对于玻尔兹曼系统、玻色系统和费米系统的不同。
二、对热力学统计物理学教学方法提出的几点建议
1.教师应熟悉教材，深入研究
教师应该熟悉自己所教课程的教材，概念清晰，公式推导完整。并且应该在课下多看些关于热力学统计物理学方面的其他资料及网上的影像讲课视频，检查自身不足，深入研究，不能如蜻蜓点水般肤浅地理解知识点。
2.改变传统教学模式，提高学生主动性
现在的大学生已经不喜欢满堂灌、填鸭式的教学模式，所以教师应该适当调整自身的讲课方式，比如，可以将传统的板书和多媒体结合，一些重要的公式推导用板书细致讲解，一些比较容易理解的概念可以用幻灯放映带过即可，没必要在学生已经熟悉的简单的知识点上做冗长的陈述。另外对于师范类学生可以鼓励他们自己课下准备教案课件，一个学期抽出适当的课时给学生，让他们走上讲台。这样既锻炼了他们的心理素质，为他们日后做教师这一工作积累一定的经验。同时也激发了他们自身学习的积极性，他们必然会在课下认真看书，遇到困难会查阅相关资料或者与其他同学讨论，这也是对他们自主学习能力的一种很好的锻炼。
3.注重理论的应用及知识间的融会贯通
热力学统计物理学教师不应该只是为了完成教学任务在规定时间里将一本教材的理论知识原封不动地讲给学生，而是清楚知识之间的融会贯通，灵活运用已知的知识来引出未知的知识点。比如，在介绍均匀物质的热力学性质一节中麦克斯韦关系及四个基本方程时，可以将熵（S）、压强（P）、温度（T）及体积（V）分别用英文单词sun（太阳），peak（山峰），tree（树）及valley（山谷）表示，然后绘出一个圆（圆的上端为S，下端为T，左端为P，右端为V，箭头方向为从上到下，从左到右），可以用一个英文句子来记忆箭头的方向：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麦氏关系的记忆方法就可以轻松地掌握这两部分知识，这样既建立了英语与热力学统计物理学之间的联系，又激发了学生的学习兴趣。同时教师应该注意热力学统计物理学理论知识与实践应用之间的联系，比如，热力学熵的概念，完全可以将其拓展，有生物熵、信息熵、农业熵，还可以涉及熵与能量品质及社会的关系。
综上所述，提高教师自身素质，改变传统教学模式，激发学生学习主动性，注重理论与实践和热力学统计物理学课程与其他学科之间的联系，相信学生会对该课程更感兴趣，并且会提高分析、解决问题的能力。
参考文献：
[1]梁希侠.统计物理学[M].北京：科学出版社，2008.
[2]林宗涵.热力学与统计物理学[M].北京大学出版社，2007.
[3]汪志诚.热力学与统计物理[M].4版.北京：高等教育出版社，2003.
工程热力学课程的特点是理论性强、概念抽象，教学难度大。在缺少专业工程背景的情况下，学生在学习过程中普遍感觉较为困难，甚至茫然不知所云。如何使学生能够较好地掌握教学内容及热力学基本内容，是工程热力学课程教学的根本所在。在多年的教学过程中，我们发现在课堂教学中，除了需要借助优美的PPT多媒体课件来展示热力学过程，更需要激发学生学习热力学的兴趣，在引入一些工程实例的基础上，激励学生去思考，及时地与学生就教学内容进行讨论，促进学生对知识点的掌握和领悟。与常规教学方法相比，课堂教学不再是文字、公式的罗列，PPT动画的简单演示，而是把教学的核心放在启迪学生对热力学概念、原理的思考及把握上，使学生在学习课程内容的同时，熟悉热力学的系统内容、章节间的逻辑关系、基本原理等，形成对热力学的一种系统的总体的认识和把握，而不是零散地去背诵记忆一些片段。通过这种激励启发式的教学，使学生做到理论和实际工程案例的结合，从而使热力学知识很好地固化在学生的大脑中，并且达到灵活应用的目的。激励启发式教学，需要教师在课堂教学前充分准备，精心设计课堂教学内容的每个环节，围绕章节内容中的重点知识内容，设计问题及启发实例，并完成课堂互动讨论的教学组织，在此过程中需要教师饱含激情和较好的耐心，使学生在严肃活泼的氛围中掌握热力学的相关知识。
二、改进课堂教学PPT，增加工程实例
工程热力学作为一门专业基础课，与工程实际密切相关。在教学过程中，需要有很多的工程问题作为背景。以教科书为单一内容的PPT演示，并不能满足课堂学生学习的需要。为了提高学生学习热力学的兴趣及深入掌握热力学知识，迫切需要在传统课件中加入工程实例，利用多媒体技术全面展示热力学的工程应用，使学生在工程案例的演示中发现并体会工程热力学的重要性及美感。通过工程案例的学习，使课堂教学内容图文并茂，声像结合，使学生在多方位、立体化地形成认知并达到对热力学知识的理解、分析、记忆、掌握和应用。对于热力学工程案例，我们选取了真空做功、制冷循环，内燃机等工程机械作为实例，进行详细分析和讲授。工程案例的引入，将实际生活中与热力学相关的问题引入到教学中，用所学知识来解释工程问题，在讲解中让学生明白热力学知识可以解决本专业涉及的实际专业问题，从而实现“从理论中来，到实践中去”，实现对创新型人才的培养。
三、将工程热力学的学习融入大学生创新项目中
在创新型人才培养中，需要提升学生运用基础理论进行学术研究的能力和具有工程应用背景的有关开发、设计的能力。大学生创新项目的实施，有利于促进高校培养具有创新意识和能力的新型人才，促进高校探索并建立以科研活动为中心的教学模式，倡导以学生为主体的本科人才培养和研究性学习教学改革，充分调动学生主动学习的积极性、创新思维和创新意识，同时在项目实施中使学生逐渐掌握思考问题、解决问题的能力。结合大学生创新项目，结合建筑环境与能源应用工程的专业特点，在指导学生大创项目时，将热力学第一定律、热力学第二定律和卡诺定律应用其中，使学生明白能源利用的守恒性，以及如何提高热力循环的效率，减少不可逆损失，这些都成为学生应用所学知识来解决实际问题的一种锻炼。学生在科研项目中，深化了对热力学知识的认识，同时提高了自己思考问题、解决问题的能力。同时，鼓励学生积极参加各类挑战杯、建筑节能比赛、机械创新设计大赛等，通过这些竞赛活动进一步提升自己的创新能力。
四、改进课后作业完成形式，增加分析报告
工程热力学课程是一门实践性很强的课程，其中很多理论已用于工业过程。因此，在课后作业中，需要对传统布置练习题来检验教学成果的方式进行改进，增加一些实际工业循环的实例，让学生通过分析其所应用的原理，提交分析报告，并指出该工业过程效率提高的方式和途径，以这样的方式来激发学生学习的兴趣，提高学生理论联系实际的能力。同时，精选一些课后习题，通过详解的方式，激发学生的创新意识和解决问题的能力，进一步促进创新型人才的培养。创新是实现社会持续不断向前发展的原动力，也是培养和造就一大批素质过硬、勇于创新的新世纪人才，保证国家高速发展的有力保障。创新能力的培养来自于理论和课堂，更在于理论和课堂之外的亲身体会和具体的实践操作。
本文从工程热力学教学与工程实例结合，与科研活动结合，改进课堂教学组织模式和课后作业完成形式等方面，探讨了以培养创新型人才为目标下的工程热力学教学改革与实践，希望能够进一步提高工程热力学的教学质量和效果。
作者:高蓬辉 张东海 王义江 黄 炜 单位:中国矿业大学力学与建筑工程学院建筑环境与能源应用工程系
参考文献：
[1]岳丹婷,吕欣荣,李青.深化热工教学改革加强学生创新能力培养[J].2002,(4):86-88.
[2]谭羽非.突出专业特点改革工程热力学课程教学的研究与实践[J].高等建筑教育,2004,(13):39-43.
1着重绪论讲述、激发学习兴趣
经过几年的实践教学、不断探讨，重新设计《化工热力学》课程绪论讲述，首先向同学们提问什么是化工热力学，问题提出之后就介绍化工热力学实际是包含化工过程和单元操作和热力学两方面，其本质就是介绍化工过程的能量利用和节能减排，这样介绍之后，同学们大致明白了该门课程的研究对象和内容。对于化工过程与单元操作，同学们已经通过化工原理和化工工艺学或精细化工工艺学的学习有了初步了解，并不陌生，拉近了同学们与这门课程的距离，为了进一步激发同学们学习兴趣，解答其疑惑，就需要抛出第二个问题化工热力学与物理化学的区别，这个时候要充分调动同学们讨论物理化学学习的内容，同学们通过讨论意识到物理化学基本学习的是理想气体和理想液体的热力学，对于真实气体和液体的介绍比较少。通过这样的讨论之后，老师再向同学们介绍化工热力学实际上就是解决实际气体和液体的热力学问题。从课程目标上来看，大多数同学将来都是化工方面的科技工作者，这从另一个方面提高了同学们学习该门课程的使命感和责任感。通过这样的讲解，取得了比较满意的教学效果，同学们既对该门课程有了初步认识，同学们觉得思路清晰，一环套一环，基本避免了空洞说教。
2注重章节横向联系、提炼章节要点
化工热力学内容较多，而教学时间有限，这就要求教师要打破传统的授课体系，注重各章节知识的横向联系，深入对教学内容加以研究，挖掘教学内容深层次内涵，将书本上的内容提炼出来讲给学生听。比如在讲述偏离函数的时候，要把偏离函数和状态方程以及对比态原理、常用热力学基础数据结合起来，推导合适状态方程下的偏离函数，并求取常数值，指导和鼓励学生们用临界温度和临界压力，对比温度和对比压力，偏心因子和基础数据估算热力学过程。这样整个课程通过偏离函数就可以形成有机统一。对于课程中的封闭系统和敞开系统，同学们在物理化学中并没有太多深刻认识，在课堂上我抛出化工工艺学中的氨合成，这样的问题使同学们感受到课程间的相互衔接。对于氨的合成，同学们都知道N2+3H2→2NH3，在反应平衡之前，组成都在发生变化，在反应之前和反应平衡之后，组成都是不变的，这几个状态下系统的研究和学习，有助于同学们对化学反应的整个过程的热力学性质的计算，包括均相封闭系统和均相敞开系统的联系与区别。
3多媒体教学和互动教学结合
多媒体教学是现代化教学手段，灵活有效使用多媒体教学可以使抽象的概念具体化，提高教学的有效性，在教学过程中，由于教学内容过多，如果采取大量板书教学，势必会影响教学进度，同时该门课程要向同学们展示大量化工设备图片，必须要采用多媒体教学。大学教学必须要师生互动，而师生互动教学的关键在于教师的提问，所以要设计多层次多方面适合教学内容的问题，问题设计有难有易，可以促进整个班上不同层次的学生的思考，问题都设计的简单，学的较好的同学就会无所事事，问题都设计的难，跟不上节奏的学生会一脸茫然失去学习兴趣，好的问题可以帮助同学们从多层次多角度思考问题，化工热力学的精髓实际就是能量利用和节能减排的时候，同学们对于能量利用还有基本的认识，因为在物理化学里面就谈到了反应的方向和限度。但是对于节能减排，却没有深刻认识。结合国家目前大力致力于关转停高耗能和高污染企业，并提倡绿色工业和绿色居住，同学们了解到能量利用和节能减排已经上升到国家战略高度。对于能量利用，要有实例，比如向大家介绍1摩尔水在气化完之后是水在液态的时候体积的1603倍，而体积增大正好做工，正是因为如此，蒸汽机才能带动火车，实现第一次工业革命。基于此，激发同学们想到汽油作为工质做工，让汽车跑的更快，让飞机飞的更远，让轮船遨游大洋。举一反三，这些都是同学们在日常生活中时时碰到，原来能量利用是如此重要。正是因为能源的普遍利用，国内自然环境正经历伦敦雾都在第一次工业革命的阵痛，节能减排和能量合理利用就尤为重要。
谈节能减排和能量合理利用很重要，这是同学们必须要慢慢接受的观点，要深入大脑，案例很重要。比如说煤矿的使用带来了大量粉尘和大量排放和地质危害，所以国内正在大力开发煤制油的技术以及更清洁的原料天然气。而石油的地下存量已经在减少，大庆油田已经进入老年，这也告诉同学们石油和煤矿，天然气这些能源都是不可再生，总有用完的一天，同时这些不可再生的能源都有一个害处，就是燃烧之后有二氧化碳和一氧化碳的排放，都臭氧层有很大的破坏，地球的温度在上升。那么有没有什么好的替代能源呢，同学们普遍感兴趣，而且也是科技工作者共同的难题。这个时候我会在适当时候抛出水制氢这样一个最简单的课题，作为老师是知道现在很多研究小组都在研究水制氢的课题，也是科技界的热点和难点。但是对于同学们而言，同学们会认为这是一个多么简单的问题，只要电解就可以实现。
我的问题是，当全球不可再生能源枯竭，而清洁能源风能和水能不够用的时候怎么办？需要解决的难题是怎么样实现用2度电制备得到的氢气实现的能量超过2度电，比如说3度电，那么这将就是一个全球能源的革命。同学们欢喜鼓舞，有同学马上发现问题了，用2度电的能量生成的氢气能转化为3度电，这不可能，不符合热力学第一定律，能量守恒。这个时候，说实话，我满心鼓舞，因为同学们进入角色了，对这样的有建设性的问题要在全班讨论，怎么办？然后我告诉大家，可以采用太阳能，如果实现了水在太阳下就可以电解为氢气，显然这就实现了能量守恒，而且氢气燃烧之后是水，全球就有了可大量再生能源，而且能源清洁，燃烧之后没有对环境产生影响。这样的问题进行讨论之后，同学们对新能源和热力学第一定律有了深刻印象，也让同学们真正认识到能量合理利用和节能减排的重要性。
通过案例的介绍和问题的设置，同学们的讨论，在笔者的引导下，同学们运用所学的知识得到如下结论：(1)现在地球能源大部分都是不可再生能源，除了风能和水能；(2)要学好知识，找到更好的替代能源，并且要注意节能减排。当然这些问题里面还有些知识点是没有结论的，这些没有结论的局部知识点可以让同学们下去思考，使得课堂教学和课外教学有机结合。
作者：王治国 何培新 单位：湖北大学化学化工学院
关键词：工程热力学；实验教学；教学改革
作者简介：江海斌（1975-），男，浙江温岭人，嘉兴学院建筑工程学院，实验师；吴晓艳（1980-），女，山东莱西人，嘉兴学院建筑工程学院，讲师。（浙江 嘉兴 314001）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0152-02
当前就业形势较为严峻，就业市场竞争很激烈，用人单位对大学生的素质要求越来越高，导致越来越注重学生的理论与实践相结合的综合能力。[1]嘉兴学院作为一所应用型本科院校，其教育是以培养高级应用本科人才为目标，这既不同于以侧重研究能力培养为目标的重点高校本科生教育，又与以单纯的技能培养为目标的高职院校教育有所区别，而是在强调基本理论知识重要性的同时，加强知识的应用和基本技能的培养。
“工程热力学”课程是工科热能动力类专业的一门重要的专业基础课，其实验教学作为理论联系实际的主要环节，是实践教学的重要内容，是学生巩固和深化理解理论知识的重要途径，也是学生掌握基本实验方法，养成实事求是、严谨的科学作风的重要途径。[2，3]因此，为适应人才培养的要求，应重视工程热力学的实验教学，积极探索和改革该课程的实验教学。
一、以往工程热力学实验教学中存在的问题
1.对实验课程重视不够
在中学阶段，很多初、高中学校为了提高学校的升学率，对理论课的重视程度远远超过实践课程，往往将实验课占用来上理论课，无形中使学生养成了重理论轻实践的习惯。进入大学后，学生本应该充分发挥自己的想象力和创新力，利用学到的知识，验证、设计和创新各种实验。然而受错误习惯的影响，很多学生轻视教学实验，认为实验课可上可不上，认为实验教学的作用最多只是帮助了解理论知识。也有一些教师对实验课程的重要性认识不足，特别是对验证型实验，认为在指导书上已经有了实验结果，只要记住结果就行，做不做以及如何做对学生掌握知识帮助不大。
2.实验教学内容不合理
“工程热力学”课程是一门专业基础课，理论概念复杂，公式繁多，要掌握这些概念与公式，非常需要通过实验来加深理解和巩固，但在教学过程中，该课程的实验课时设置较少，实验教学内容不合理。以嘉兴学院为例，设置了气体定压比热测定、二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定以及喷管实验等三个实验，共六个课时，实验的课时数较少，涉及的知识点较少，不能涵盖本课程的重点内容，并且这些实验大多是验证性实验，实验结论在相关资料中就能查到，不能充分激发学生探索创新的兴趣。
3.实验教学方法不合理
实验教学方法比较单调，实验教学时教师通常先讲解实验目的和原理，介绍实验设备以及实验步骤和实验过程中的注意事项，再演示实验过程，然后再让学生自己动手实验。在此过程中，学生被动地学习、模仿教师做实验，对实验过程中出现的各种疑问没有兴趣，往往是人在心不在。[4]当他们动手做实验时，还是不能独立进行实验，要么参考实验指导书做，要么请教教师。对于实验步骤只知道要如何做，不知道为什么要这样做，所以实验效果大打折扣，难以较快地提高学生的动手能力和创新能力。学生的实验数据经常出现错误，却不知道错在什么地方，数据处理的方法也不够科学严谨，而实验报告也常有抄袭现象。
4.实验考核方式不全面
“工程热力学”课程的成绩包括实验成绩和理论课成绩，通常实验成绩只占该课程成绩的20%左右。实验成绩通常由出勤纪律（10%）、实验操作（50%）、实验报告（40%）三部分组成。实验成绩占总成绩的分值较低，使很多学生认为只要学好理论课就能使课程成绩及格，甚至还可能拿到高分。由于过于强调实验操作与实验报告的重要性，学生在实验过程中因怕实验错误而被扣分，就会按部就班地按照教师讲解的或指导书上的步骤进行，不思考、探索和创新；为获得较好的实验报告成绩，个别同学抄袭其他学生的数据和问题讨论，甚至修改实验数据，以达到理论分析的预期结果。因此，现有的考核方式不能很好地促进学生的实践能力和创新能力的培养。
二、工程热力学实验教学改革的探索
1.重视实验教学
教师和学生都要将实验教学环节作为工程热力学教学中的重要环节来对待。实验教学的效果取决于能否激发学生对实验的强烈兴趣，实验教师和理论课教师需要认真细致地准备实验的各个环节，正确引导学生动手做实验。学生也要养成良好的实验习惯，实验前要预习实验目的、实验原理等，了解实验装置，以及查找相关资料，对本次实验的目的、原理、如何设计和进行实验以及可能得到的结果要有充分的认识。实验时要专心致志，边动手做边思考问题。实验结束时先整理和分析实验数据，再清理实验台，发现实验数据异常时能及时重做。做完实验后，要认真填写实验报告，进行必要的探讨和总结。对每个实验都要总结出实验成功之处和不足之处，使下次实验能做到扬长避短，得到满意的实验效果。
2.改革实验教学内容
原有工程热力学实验只有气体定压比热测定、二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定以及喷管实验三个实验，实验数量较少，实验时间较短，仅有一个综合型实验。在实验教学过程中发现，学生对实验的积极性不高，对学生加深掌握理论知识的帮助不明显。因此，需要增加实验课时数，优化实验教学内容，使实验目的、内容能覆盖重要知识点。实验教学内容应主要改革以下两方面：
一是增加一些设计型、综合型的实验项目。比如为加深对气体热力过程的理解，可以让学生设计一个闭口系统的实验，进行气体的定容、定压、定温以及定熵等基本热力过程，测量有关参数，掌握这些热力工程的变化规律。还可以增加热力学第一定律、热力学第二定律、动力循环和制冷循环等重要知识点的设计型、综合型实验。
二是将原来验证型实验改成设计型实验。比如将定压比热实验中的测温元件由温度计改成热电偶或热电阻元件，将采集到的数据输入到巡检仪中，应用VC或VB语言编写一个应用软件，将巡检仪上的测量数据输入到电脑中并显示这些数据，同时计算并显示出空气的定压含湿量、质量流量、水蒸气流量、水蒸气吸收的热量、干空气的定压比热等值，且画出比热随温度变化的曲线。学生在该过程中加深了对实验原理及方法的掌握，在学习中激发了学习兴趣，并且学会了使用VC或VB语言来解决专业知识的有关问题，提高了自己学习和解决问题的能力。
3.改革实验教学方法
（1）采用“启发式”实验教学，激发学生的发散性思维。不采用传统的教师讲解、演示实验，然后学生进行实验的方法，而是告诉学生实验的目的和原理，让学生自己探索合理的实验方案和步骤。学生可以以小组为单位开讨论会，根据实验的目的和原理提出几种实验方案，比较各种方案的优缺点，然后确定最优方案，根据最优方案讨论并确定实验的步骤。在小组确定最优方案和步骤后，再在班级里进行讨论，小组成员对教师和班级其他同学提出的问题进行解答，采纳建设性的建议，进一步完善实验方案和步骤。对于设计型实验，还要先进行可行性论证，再进行方案设计和步骤设计。实验过程中，学生是“主角”，自主进行讨论和设计，教师是“配角”，只对整个过程进行监控，对学生遇到的困难问题进行启发性指导。
（2）应用现代科学技术辅助实验教学，使学生加深对相关理论和实验知识的了解。主要采用以下两种方法：
一是制作实验视频。将每次的实验制作成视频，实验开始前播放相关视频内容，指导学生进行实验。视频内容可以涉及安全教育和实验注意事项、实验内容、问题与解答以及实验经验与教训等方面。安全教育和实验注意事项主要包括实验人身安全、设备安全和实验的相关注意事项等内容，比如在二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定实验中，要注意用电安全以防触电、压力的间隔为0.2～0.5MPa、加压过程要缓慢进行，施加的压力不得超过10MPa等内容。实验内容可以包括实验目的、原理、方案设计、步骤设计、实验结果等，也可以是以往学长们的实验内容，包括以往实验过程中出现的问题、讨论过程、问题的解答、实验结果等，以及评价他们的实验效果。最后将成功的实验成果和失败的实验结果显示出来，总结出经验和教训。
二是运用专业CFD软件，对部分实验进行数值模拟。工程热力学实验中气体定压比热测定实验、喷管实验和定容、定压、定温以及定熵等基本热力过程实验等可以进行数值模拟。将数值模拟的初始参数设置成与实验的参数相同后进行数值模拟，得出的模拟结果与实验结果进行比较，以检验数值模拟方法的正确性。改变不同的初始参数，然后使用验证后的数值模拟方法，可以方便地预测实验结果，获得比真实实验更丰富的结果，比如可以用动画形象地演示实验过程，帮助学生理解实验，还可以得到真实实验难以得到的数据，比如温度场、速度场、压力场、流线等。使用CFD软件进行数值模拟实验拓宽了学生的知识面，学生既学会了软件的使用，学到了研究问题的新方法，又初步掌握了专业理论知识的运用，加深了对专业理论和实验知识的理解。
4.完善实验考核方式
重视实验考核，建立更科学的考核体系。提高实验成绩在“工程热力学”课程成绩中的比重，并实现实验成绩“一票否决”，也就是说如果实验成绩不合格，“工程热力学”课程成绩也不合格。实验过程既是个人运用专业理论知识的过程，更是小组共同合作与创新的过程，因此以小组为单位进行考核比较合理。实验考核成绩由专业理论知识、实验过程中的问题回答、实验操作、实验设计以及实验创新、实验报告等几部分成绩组成。实验成绩要充分体现学生的动手能力和创新能力等，这有利于激发学生的学习兴趣、提高自己的能力。
三、结语
工程热力学实验是“工程热力学”课程教学的重要组成部分，也是“工程热力学”课程教学非常重要的实践性环节。实验教学应理论与实践相结合，引导学生拓展知识面，充分激发学生的学习兴趣，努力提高学生的动手能力和创新能力。培养学生养成实事求是、科学严谨的作风，提高独立分析问题、解决问题的能力。实验指导教师要完善知识结构，提高专业水平，转变教学观念，更新实验教学内容，改革实验教学方法和考核方式，切实提高实验教学质量，培养适应社会需求的专业人才。
参考文献：
[1]刘升，林希峰.实验教学改革中的创新项目[J].中国冶金教育，2012，（1）：57-59.
[2]崔磊，潘天泉，刘宏伟.工程热力学实验课程改革的探讨[J].教育与职业，2011，（23）：169-170.
【关键词】问题链；教学模式；工程热力学；教学功能
工程热力学是研究热能和机械能相互转换规律的一门学科，课程设计的内容面广、概念抽象、晦涩难懂，相对一部分学生学习起来有一定困难[1]。工程热力学课堂教学中，大部分教师采用的是“教师讲，学生听”的教学模式，这种传统的教学模式在高校是普遍存在的。这种教学方法忽略了学生的“问”，从而导致学生缺失应有的存疑、批判、想象和创造的学习过程。长此以往，就存在教师“灌”，学生“收”的单一被动接受的弊端，这样就是容易造成学生创新能力和解决实际问题的能力不足等问题，这往往与工程热力学的课堂教学效果背道而驰。英国哲学家波普尔说：“科学知识的增长永远始于问题，终于问题”[2]。那么，对于要讲授的课堂教学内容，如何重新设计，形成若干个未知的教学问题，以问题为中心展开教学，让问题贯通整个教学过程呢？笔者采用了问题链教学模式进行工程热力学教学研究与实践，并对各种不同的问题链加以运用。
1 问题链的教学模式
1.1 问题链教学模式的定义[3-4]
何谓问题？问题是一个障碍、一个有待完成的目标，即“问题=障碍+目标”。所谓“问题链”是教师根据课程教学目标，通过将教学内容进行提炼，并设计成一连串的问题，引导学生对课程知识点进行对比、分析、综合和概括，问题链就是这些像锁链一样的问题集合，问题链就是围绕某一个教学目标，开发出来的一连串层层深入的问题集合体。因此，开发出来的问题应该环环相扣、由浅入深，而且应该具有多元性、多角度，分层次等特点，问题的编制应宜粗不宜细，问题要少而精。问题链要能达到引导学生对旧知识点的回忆和重构，并对新知识点的探索和思考的目的，起到开发学生创造性思维的作用。
1.2 问题链的设计要求
问题链的设计不是随机的，任意的，必须具有一定的逻辑顺序，设计的问题链能方便教师引导学生。问题链的设计要求如下：
1）问题链应明确教学目标，突出本节课的重点、难点；
2）设计的问题链必须对学生有驱动性和启发性；
3）问题链的设计需要具有层次性、递变性、情境性、可行性；
4）问题链应具有趣味性、新颖性，能集中学生的注意力、激发学生的求知欲。
2 问题链教学模式的应用
“问题链”在功能和形式上多N多样，其设计也因“问”而异。工程热力学课程内容比较多、概念活，研究对象为气体，根据工程热力学教学环节，基于教学立意，围绕教学中心，从而设计不同的问题链类型[5]。根据教学环节和教学立意设计，笔者在工程热力学这门课设计的问题链主要有：引入性问题链、探索性问题链、情境性问题链、类推性问题链、总结性问题链等。
2.1 引入性问题链
传统的引入性方法是直接从前一节内容开门见山引入本节教学内容，方法往往枯燥乏味。引入性问题链就是教师将旧知识点直接平滑连接到后续的知识点上，引导学生的注意力，唤醒学生找出问题答案的求知欲而设计的问题链。
讲授水蒸气的热力性质时，教师可以以某一发电厂为出发点，引入教学内容，采用该教学模式实施课堂教学，具体教学设计如下：
问题1：同学们每天都用电，很多电都是由热能转变而来，那么你们知道热能是如何转变为电的吗？
问题2：发电厂有哪些主要的热力设备，各设备功能是什么样的？这些热力设备中的循环工作的工质是什么？这些工质是如何把热能转换成机械能发电的？
问题3：工质的热力状态发生了哪些变化，其变化过程中，工质发生了哪些基本的热力过程？
在教学中，教师先拿出一个大家都熟悉的发电厂发电的话题，让学生在开放的氛围中展开思考；接着通过展示热力发电厂的相关图片或播放录像，边看边向学生解释燃煤发电厂工作过程；然后通过PPT向学生展示蒸汽动力装置示意图，如图1所示。根据蒸汽动力装置流程简图向学生介绍水蒸气动力循环的系统组成、工作原理及循环在T-s图和p-v图上的表示方法。
2.2 探索性问题链
探索性问题链是设计一些具有探索性和趣味性的知识问题。这种教学方法能引导学生进行探索学习，同时能培养学生的创新能力和探索精神，探索性问题链能使学生从现象探索事物的本质。
在讲授“湿空气”时，教师先让学生思考简单的生活问题，由此提出探索性问题让学生展开讨论，通过教师对实例启发性的分析，把枯燥的理论变成具体的实际问题。由此，教师设计如下问题链：
问题1：为什么阴雨天晒衣服不容易干，而晴天则容易干呢？
问题2：什么是湿空气？什么是干空气？如何理解水蒸气的含量是变量这一问题？
问题3：未饱和湿空气和饱和湿空气有什么区别？水蒸气的分压力和温度有何关系？由此得出什么结论？
教师通过生活实例，向学生解释：“阴雨天环境空气湿度大，空气吸取水蒸气的能力差，所以阴雨天晒的衣服不容易干。晴天则恰恰相反，所以容易干”。教师让学生对湿空气相关概念进行理解、探究，引导学生去分析。留有足够时间和空间让学生去思考分析，争论探讨，提炼拓宽，训练学生思维的深刻性。
2.3 情境性问题链
情境性问题链就是教师设计或引入特定的生活情境，使学生产生一定的求知欲。精心设计的情境可以使学生从情境中挖掘出新知识点，从而帮助学生更好进入新知识点的学习。
为了让学生掌握压缩制冷循环这一知识点时，首先展示一幅错误安装空调室内机和室外机的的图片，如图2所示。针对这一生活情境，设计如下问题链：
问题1：同学们来看一下这幅图，图中，室内机和室外机的安装是否正确，为什么？那么这样安装会产生什么效果，为什么？
问题2，：压缩机制冷循环的是如何实现房间制冷的？压缩制冷循环的工作原理？各经历了哪些循环过程？
问题3：如何利用P-V图和T-s图来表示压缩机制冷循环过程？制冷系数如何确定？
教师利用这种贴近生活、富有吸引力的情境图片，让学生思考空调机安装存在的问题；接着向学生解释为什么该安装方式不正确。根据制冷循环的原理，空调内机吸热，外机放热，二者理想是相等的，实际算上管线电路损耗什么的是放热大于吸热的，因此安装该空调后产生的效果是房间只会越来越热；然后通过图3向学生解释压缩机制冷循环是如何实现房间制冷，其工作原理，具体的循环过程及压缩机制冷循环的P-V图和T-s图，制冷系数的计算。教学方法是通过情景图片演示、问题分析、问题探讨，引导学生追踪过程、发现规律、得出结论；从而到达使学生完全掌握这一知识点的目的。
2.4 类推性问题链
类推性问题链是指通过一类事物所具有的某种属性推测出与其类似的事物属性，由此所产生的一序列问题，此类问题链需要满足条件是两个问题或者现象具有一定的相似性。
在讲述工程热力学的熵增原理时，为了让学生掌握熵增原理的概念，列举了教材上一个实例，如图4所示，由此设计了如下问题链：
问题1：将隔板抽去后，气体将如何变化？若将A容器里面装满跳蚤，同样将隔板抽去后，跳蚤将如何变化？
问题2：对于问题1和问题2，若达到平衡后，能否自动恢复以前状态？这种现象说明什么问题？
问题3：熵增原理是什么？
为了让学生掌握热力学第二定律的熵增原理的方向性，教师引入贴近生活的跳蚤现象，利用熵增原理和跳蚤现象的类比，从而达到解释自然过程的方向性，即一切过程的发生都是沿着熵增加的方向进行，自然的过程是不可逆的。上述问题链是通过类推等方法使学生掌握课堂知识，从而达到理解科学知识的作用。
2.5 结性问题链
总结性问题链是教师在课堂快要结束时，采用逻辑方法把知识点串联起来从而形成知识系统的问题链。其目的是帮助学生总结知识和达到巩固知识的目的。通过问题链的设计，能够系统性归纳、总结那些分散和孤立的知识点，并对学生分散的知识进行了梳理，从而形成相互联系的整体。
在复习理想气体的热力过程时，有的教师会按照教材的顺序来复习概念、影响因素及其原因分析。而有经验教师会通过总结性的问题链展现出来。
问题1：工程中存在哪些主要的热力过程？
问题2：这几个热力过程各自有什么样的特点，过程方程形式是什么？
问题3：热力过程中的状态参数p、v、T、？驻u、？驻h、？驻s和过程量Q、W分别是如何计算的，上述过程如何用p-v 、T-s图表示？试着总结出多变过程原理。
上述的问题是依据总分总的形式策略归纳出理想气体的热力过程的内容的。这种问题链能激发学生归纳总结知识及发散学生的思维，教师经常设计总结性问题链能培养学生梳理知识、理解知识、归纳知识的学习习惯。
3 问题链教学模式的实施效果
问题链教学模式遵循“产生问题分析提出问题引申扩展提出新的问题分析解决问题”循环规律，以问题为中心，通过问题的层层递进，将知识变为教学问题。问题链教学模式的核心是激发学生思维活动，教师如何设计问题链，直接影响到模式的教学的效率和质量。笔者改传统的教学模式为问题链教学模式后，学生学习工程热力学的主动性和积极性都有所加强，主动参与学习的人数也明显增加。教学实践证明，问题链教学模式值得在工科院校中应用和推广。
【参考文献】
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关键词：化工热力学 教学 课程质量
中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0213-01
化工热力学是是化学工程一个重要的基础学科，是工程与工艺等各类化工专业的必修课程。该课程把热力学的基本原理应用于化工技术领域，结合表征实际体系特性的状态方程、活动系数模型进行各种热力学性质的计算。由于该课程相对于其他课程而言理论性强，概念多、公式多，学生往往觉得抽象不易掌握。大篇幅的公式推导也让学生望而生畏[1-2]。
如何引导学生掌握本课程的基本原理、应用及实验技能，了解学科发展动态，培养学习的严谨作风，也是本课程教学必须回答的问题。本文试从以下几个方面进行改进，以期提高化工热力学的教学质量。
1 理论联系实际，激发学生学习兴趣
对日常生活中一些常见的现象用专业的化工热力学知识给予科学的解释。这样可以使学生感受到该课程对生活实践的指导意义，从而激发学生的学习热情和兴趣，达到既掌握了化工热力学的知识又培养了学生分析问题和解决问题能力的目的。
例如：冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？空调与取暖器哪个更省电？将冰箱和空调的工作原理与第六章的制冷循环相联系。为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？在第二章PVT关系的应用当中着重介绍了超临界萃取技术以及萃取剂的选择[3-4]。在讲到相关的理论知识时，适时的把这些学生感兴趣的问题穿来，使理论知识不再那么枯燥。
比如说在讲第六章熵增原理的时候，可以做适度的延伸，将熵增原理与宇宙的变化过程联系起来。霍金[5]在《时间的方向》这一报告中，提出了热力学时间箭头、时间箭头和宇宙学时间箭头的一致性。根据热力学第二定律，事物总是向无序状态变化，称为“熵”的不断增大。因此，我们只能看见杯子打碎成碎片的过程，从来不会看见杯子的碎片复原成为杯子，相对来说，杯子是有序的状态，碎片是无序的状态。阿姆斯特丹大学理论物理学院埃里克.弗林德教授（Erik Verlinde）认为引力从本质上是一种熵力，如果一个物体在其它物体周围发生微小移动会改变周围的无序度，就会感受到引力。
通过这样一些理论的提出，让学生通过讨论，首先能培养学生勤于思考、开拓创新的精神；其次将热力学的理论与哲学、物理学等其他学科相联系，能让学生了解自然科学其实没有学科的边界，科学是相通的思想；三是介绍一些化工热力学在实际生活中的应用。例如在讲授范德华方程时，讲述了莱顿低温实验室的创始人著名低温物理学家卡末林-昂内斯如何利用范德华方程成功地把一种又一种“永久气体”（氧气、氢气、氦气等）液化，乃至作出对人类社会产生巨大影响的贡献—— 超导电性的发现。最后如何利用超导电性实现磁悬浮列车，让学生感受到化工热力学在实际生活中的重大指导意义。
2 与时俱进，借助计算机软件来辅助教学
在化工热力学教学过程中，公式多，计算复杂成为严重影响教学效果的主要因素。为了使学生在今后的工作实际当中能更好的运用化工热力学知识解决实际问题，我们在教学过程中，专门作了一个专题，介绍了目前应用较多的几种软件，包括Aspen Plus，Simulis Thermodynamics， HSC chemistry等。其中着重介绍了目前应用最广的Aspen Plus （Advanced System for P
rocess Engineering）。该软件美国AspenTech公司研制，由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发。是基于序贯模块法的稳态过程模拟软件，并附带有庞大的数据库，包含了丰富的状态方程和活度系数模型。在各章节的计算过程中，分别对这几种软件相关的热力学计算部分进行了演示。
3 尊重传统，培养学生严谨的学习作风
化工热力学是一门严谨的课程，有人称之为完美的学科，就是因为它的理论和公式都有严密的理论基础，都是通过层层推导得到的。而本课程中最主要的内容就是热力学性质的计算。尽管有相应的软件工具可以进行辅助计算，但在教学过程中还是不能忽视学生的计算和推理能力的培养。通过日常的作业和课堂上的习题演练，让学生在做题过程中领会化工热力学的精髓，培养其严谨的学习态度和作风。
4 把握主线，纵观全局，理清脉络
化工热力学课程主要由原理、模型和应用三部分所组成。原理是基础，应用是目的，模型是应用中不可缺少的工具[7]。如果把化工热力学比作一个大树，那么原理就是它庞大的根系，模型是它的主干和枝丫，而应用这是化工热力学所开出的花朵和果实。
因此在每一章学习之前，我们都会给学生提供两副结构图。一是本门课程所研究体系的框架图。二是每章之间的关系及联系图。使学生能全面把握化工热力学的整体框架，正确理解热力学概念，灵活运用热力学原理。在学习时能做到，“提起是一串，放下是一堆”的学习方式。
参考文献
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关键词：CDIO；工程热力学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）12-0108-02
CDIO教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果，该理论将构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）相结合，注重学生工程基础知识的掌握，以及个人能力、团队协作能力和工程系统能力的培养。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，注重启发式学习，重点放在“做中学”，是目前被广泛应用的一种教育模式。工程热力学研究热能与其他形式能量相互转化，是能源与动力工程专业（以下简称“能动专业”）必修的专业基础课程之一。在长期的教学过程中，师生大都有“难教难学”的感受，本文总结了在CDIO工程教育模式下开展工程热力学教学的实施方案。
一、工程热力学的课程特点及教学现状
1.课程内容抽象、难理解。工程热力学理论性与应用性并重，其基本理论是从工程实际出发，经过抽象、概括和简化的方法得出的，并用于指导解决工程实际问题。该课程概念多，且具有抽象性、多义性、模糊性。有些概念比较抽象，如焓与熵的意义，孤立系统熵增原理等，不易理解。
2.授课形式单一、缺乏互动环节。在授课形式上，大部分教师仍采用填鸭式教学法，学生在学习过程中处于被动地位。教师多根据自身对课程的理解及以往的教学经验设计安排整个教学过程，学生在学习中，缺乏提出意见和建议的机会和主动学习探讨的兴趣。
3.课程安排密集、任务重。在教学计划安排上，我校能动专业第1―4学期开设通识教育课程，第5学期开始，开设专业基础课程。工程热力学、流体力学和传热学三门专业基础课同时开设在第5学期，而学生刚由通识教育转为专业学习，在学习方式、思维模式的转换上还未成熟，如此繁重的学习任务势必将影响学习效果。
4.考核形式单一、局限性大。在考核方式上，目前采取平时成绩与考试成绩相结合的成绩评定模式，平时成绩与期末成绩的分值比例是3∶7。平时成绩主要包括学生的出勤、作I完成情况及学生的实验成绩，各占总评成绩的10%。在这种考核方式下，学生往往将学习精力集中于应对期末考试，对课程内容不求甚解，对于分值较小的实践操作不加重视，不益于学生综合能力培养。
二、CDIO教育模式下的工程热力学教学实施方案
我校依托航空航天领域，致力于建设机械类、能源类、电子信息类以及航空旅游类等专业为一体的综合性应用型本科院校，将培养应用型人才作为育人目标并贯彻始终，此培养理念与CDIO模式不谋而合。自2014年起，能动专业教学团队在2014、2015级课程教学中引入CDIO教育模式，实践证明这种以工程应用与能力培养为核心，以工程项目全周期为主线的教育思想适应应用型本科教育需求。
1.基于构思（Conceive）理念的启发式、散点式教学方式。CDIO模式的专业目标是把产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的环境。基于此理念，教师在课程编排构思上，应根据课程的特点，尽量地将理论系统化、实际化，将理论知识与实际相结合，列举工程实例以帮助学生理解。将知识化整为零，分解细化，突出重点，让专业基础课为专业服务，同时也能适当减轻学生的课业压力。在教学过程中，多采用提问式和启发式教学，鼓励学生自主学习，力求做到课程设计构思皆以学生为主体，以此为指导思想安排整个课程教学。
2.基于设计（Design）理念的多元化、阶段化的呈现形式。CDIO模式的核心思想是以产品为导向、受众为主体指导整个生产学习过程。基于此思想，教师在教学设计之初，应结合本校学生的实际情况，预测学生对课程的理解掌握程度，以此为基础设计教学进度及授课形式。在课程教学过程中，根据学生学习掌握的实际情况调整教学设计，达到最佳教学效果。在课程呈现方式上，工程热力学涉及大量的数学公式，且公式间联系紧密，应多采用多媒体与传统板书相结合进行。在教课课件的制作上，应多结合生产实习成果开发交互性好的多媒体资源，充分发挥多媒体授课的优势，在多媒体中多使用图表、插入音频、视频材料，直观展现相关知识点
3.基于实现（Implement）理念的实验性、任务性课程结构编排。CDIO模式倡导技术知识和能力的教学实践上以产品、过程或系统的生产周期作为工程教育的框架或环境。具体到本课程，以实验服务于理论、理论指导实践的教学思想为指导，将理论知识与实际热力学过程的有效链接。过去工程热力学的实践课比重小，且实践类型单一，不利于学生综合实践能力的培养。在新的教学中，增加了部分探索性及半开放性实验，由学生提出自行提出实验方案并进行实验设计，取得了良好的教学效果。
4.基于运作（Operate）理念的全方位、多指标考核模式。传统的成绩评定模式偏重于理论知识的考核而忽略对学生其他方面能力培养的引导，不益于学生综合能力的培养。CDIO模式要求基本个人能力、人际能力和对产品、过程和系统的构建能力在多大程度上满足专业目标并能够经过专业利益相关者的检验。对学生的基本个人能力和人际能力、产品、过程和系统构建能力以及学科知识应融入专业考核之中。为此，我们将考核重点转变为考查学生综合能力，将CDIO模式的运作理念融入到成绩评定中，采用多角度的复合标准，主要考查学生理论知识、实践能力、课程设计、作业完成、课程总结等方面，按照40%、20%、20%、10%、10%的成绩比例给定。
5.以CDIO模式为指导，注重教师自我能力提升。教师是学生学习的引路人，其个人能力、专业素养在很大程度将都将直接影响学生的学习效果。我校目前能动专业教师大都以中青年为主，专业能力、授课经验都有待提高，CDIO模式对教师基本个人能力和人际能力以及产品、过程和系统构建能力都有较高要求。在完成课业工作的同时，教师还应努力提升在一体化学习经验、运用主动和经验学习方法以及学生考核等方面的能力。为此，每年我校针对每个本科专业选送1名骨干教师去德国进修学习先进工程教育理念。为提升教师的工程能力，每年安排1―2名青年教师去企业参与相关的工程项目。
三、结束语
本文总结近年砦倚TCDIO教育模式下开展工程热力学教学的具体做法。从实际效果看，基于工程教育理念的课程教学成效明显，可适应于应用型本科人才培养目标需求。然而，在实际推行CDIO工程教学过程中，仍面临诸多方面的挑战，如工程教育强调教学过程的互动与协作，这要求实施小班教学，对于每届招收120人左右的学生规模，相比传统的大班授课，这无疑增加了教学成本。对于师资队伍相对薄弱的地方应用型本科院校，新的教学模式导致教师工作负荷显著增大，如何保证教师的工作热情和精力也是当前面临的主要困难。
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关键词：节能减排；全球气候变化；工程热力学；教学
作者简介：张昊春（1977-），男，河北万全人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，讲师；王洪杰（1962-），男，山东掖县人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，教授。（黑龙江 哈尔滨 150001）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）05-0052-02
一、欧美教学体系中的全球气候变化及节能减排教学
工业革命带来的现代经济增长，使人类的物质财富以史无前例的速度扩张。但是，由于这种经济社会发展模式是以使用化石燃料为基础，化石能源生产和消费排放的大量温室气体导致全球气候变化，引发了气候变暖、极端天气、气象灾难、海平面上升，危及整个人类的生存和发展。为遏制全球气候变化，人类必须大幅减少化石燃料的使用，减少温室气体排放。未来的经济社会发展模式必须建立在低碳基础之上，通过低碳发展，研发和推广低碳能源技术、增加碳汇、发展碳吸收技术，以及节能减排、产业升级、消费模式更新和制度创新，大幅提高单位碳排放的生产效率，推动应对气候变化取得新的重大进展。这种变化代表着一种新发展模式的出现，必将深刻地改变人类的生产和生活方式。
应对全球气候变化，加强节能减排事业是国家基本国策，也是当代高等工程教育中必然要深入和强化的教学内容。但是，目前没有将其全面而系统纳入现有的高等教育培养体系中，在教材、课堂教学和素质培养过程中并没有占有相应的重要地位，如何在现有的教学体系中整合这部分内容成为教育者共同关注的问题。
2007年，受美国自然科学基金会的资助，美国Connecticut大学举办了名为“Frontiers in Transport Phenomena Research and Education：Energy Systems，Biological Systems，Security，Information Technology and Nanotechnology（传输现象研究和教育前沿：能源系统、生态系统、国家安全、信息技术和纳米技术）”的研讨会。国际工程热力学领域著名学者，美国内华达大学机械工程系的Yunus Cengel教授做了题为“Green Practices into Engineering and Non-Engineering Education to Combat Climate Change（工程中引入绿色实践及挑战气候变化的非工程教育）”的特邀报告，加拿大皇后大学的Patrick Osthuizen教授做了题为“Some Factors to Consider in Teaching Renewable Energy in an Undergraduate Engineering Program（在工科本科生教学计划中讲授可再生能源的一些考虑因素）”的报告，旨在改进现有的工程教学体系，从而保证发达国家在可再生能源领域的全球领导力[1]。
实际上，长期以来，与气候变化、能源高效利用、可再生能源开发与利用相关的教学和素质拓展内容在欧美的《工程热力学》教材与教学体系中一直得到很好的整合，涉及现实中与能源相关的经济、设计及国家安全问题，既学以致用，又帮助学生提高对工程实践及安全的意识，还提高了学生的环境保护意识，代表了当前国际领域内工程热力学教学的最高水平。如美国内达华大学（里诺校区）Yunus A. Cengel教授和北卡罗来纳州立大学教授Michael Boles合著的《Thermodynamics：An Engineering Approach》一书[2]，是全球范围内最为畅销的工程热力学教材，迄今为止已更新至第7版，其中关于能源与环境、气候变化及能源有效利用的非传统经典内容在书中所占的比重越来越大，彰显了在前言中作者谈到的著书宗旨：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（直接与未来的工程师以一种简单而精确的方式对话，鼓励创新性思维，让学生读起来感兴趣并有热情）。另一个例子是国际工程热物理界著名学者Heniz Herwig教授所著的《Technische Thermodynamik（工程热力学）》教材[3]，包含了温室效应及核能、太阳能、风能、生物能等可再生能源在德国的实际应用案例。
二、教学内容的重新分配与系统整合
工程热力学是研究热能和机械能相互转换规律及热能有效利用的科学。“工程热力学”课程是热工、市政、航空航天等多个工程类专业的重要技术基础课之一，课程的教学目的和主要任务是使学生掌握能量转换的基本规律，并能正确运用这些规律进行热工过程和热力循环的分析计算[4]。本课程的学习不仅为学生学习专业课程提供必要的基础理论知识，而且为学生毕业后解决生产实际问题和参加科学研究工作打下一定的理论基础。以提高能源转换效率为核心内容的“工程热力学”课程与该主题有着天然的紧密联系，可以在传统的教学内容中纳入现代元素，课程教学内容的重新分配与系统整合如表1所示。
三、实践性环节
在实践性环节中，[5]结合工程专业的科技创新活动，通过课程设计和课程论文，让学生自己查阅资料，自己动手分析和解决问题，从而培养创造性思维能力和独立研究能力，论文题目有中国可再生能源利用现状调研、日常生活节能方案、教室照明用电浪费情况调查、航天系统能源设备调研等。
表2给出了一位2006年本科生完成的《个人节能计划与实践》的主要内容。
四、总结
应对全球气候变化，节能减排是当代高等工程教育中必然要深入和强化的教学内容，但是目前尚未在教材、课堂教学和素质培养过程中占据相应的地位，在现有的教学体系中全面而有效整合这部分内容，业已成为国际工程教育界所共同关注的问题。欧美大学《工程热力学》的教学体系中有效整合了气候变化、能源高效利用、可再生能源开发与利用的内容，代表了当前国际领域内工程热力学教学的最高水平。
笔者在宽专业和多学时“工程热力学”教学实践中，将与应对全球气候变化与节能减排密切相关的国家政策、全球能源利用与环境污染现状、能源的高效利用和新能源技术与工程热力学各教学章节环节相整合，并指导学生开展实践活动，取得了良好的教学效果，为“工程热力学”课程教学与气候变化与节能减排的整合进行了有效的探索和实践。
参考文献：
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关键词：工程热力学；教学改革；教材；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）38-0199-02
《工程热力学》是高等院校机械工程类、能源与动力类等专业的一门必修专业基础课程。该课程主要研究热能与机械能相互转换的规律，以及合理有效利用热能的基本理论，对培养学员科学素养、创新性思维和实践能力，以及专业课程学习都将起到奠基的作用。通过《工程热力学》课程的学习，使学员掌握热力学的基本概念和基本规律，并能正确运用这些规律进行热力过程、热力循环分析和计算；培养学员科学分析和逻辑思维能力。养成实事求是的科学态度和勇于探索、刻苦钻研的科学作风。经过数十年的持续建设，《工程热力学》课程在教学内容、教学方法和手段、实验保障设施、师资队伍建设等方面进行了大量的建设和改革，取得了显著的效果。
一、教材和教学内容改革
在教材和教学内容方面，课程组近年来开展了《工程热力学》“立体教材”体系的建设工作。以课程教学为基本形式，以综合能力的培养和提高为基本目标，利用多种教育化教育手段，构建新颖教材、网络课程、多媒体课件、教学辅导书等组成的内容丰富、功能齐全的《工程热力学》综合性立体化教学资源。从而使教学质量和教学效率大为提高。在人才培养方面，取得了丰硕的教学成果。多年来不断更新选取适合本科人才培养和专业需求的高水平教材，以满足课程标准的要求。《工程热力学》目前采用华自强等主编的《工程热力学》第四版，由高等教育出版社2009年11月出版。该教材是国家“普通高等教育十一五国家级规划教材”，被众多院校广泛采用。该教材还有配套习题，方便学员进行课后复习和自测。此外，课程还指定了多部教材和教学辅导书，供学员学习和研究使用，包括清华大学出版社2011年6月出版，朱明善主编的《工程热力学（第2版）》；高等教育出版社2007年6月出版，童钧耕主编的《工程热力学学习辅导与习题解答》；McGraw-Hill2005年出版的由Yunus A.Cengel主编的《Thermodynamics An Engineering Approach the 4th edition》等。针对授课专业增多，内容增加，学时减少及面向装备扩大和发展的实际，在对后续专业课程需求和部队需求深入调研的基础上，着眼当前需要和未来发展，从以下三个方面入手进行了课程内容体系的优化重组。
1.突出重点内容，贴近装备实际，针对装备特点突出与动力系统工作原理密切相关的热力学知识。弱化蒸汽的热力性质及其动力循环方面的内容。
2.以计算机网络为平台，结合《工程热力学》理论在武器装备上的具体应用和实验室发展，引入了计算机编程求解和虚拟实验等现代教学实践内容。
3.利用自主研制的和虚拟实验软件，以及课程组成员科研项目多的优势，引入了创新实验等研究性教学内容。优化重组后的新课程内容体系，以经典《工程热力学》内容为主体，科学处理了经典与现代的关系，引入了新知识和新技术，强调了知识的综合运用和实践训练，保持了课程教学内容的系统性、科学性和前沿性。
二、教学设施建设
《工程热力学》课程在教学设施方面取得了明显的进步。特别是近年来，本校充分利用各种科研项目成果，进一步完善本课程实验设备，更新了多套空气定压比热测试设备。对喷管流动演示实验的硬件平台进行改造，设计编制了具有虚拟实验和在线分析的分布式喷管流动演示实验网络平台。保障实践环节均能以实物操作为教学的主要手段，实验教学水平达到国内先进水平。为使学员在课堂以外能够及时的复习和总结，补充课堂教学内容的不足，针对课程的特点设计并完成了《工程热力学》的网络课程。该网络课程集教学指导、教学实施、自主学习、测试考试等功能于一体。目前已经完成本课程的网络课程建设，学员可以在校园网上观看课程授课的视频录像，课程内容的在线学习和测试，该网络课程的建设丰富了学员的学习途径，对于促进学员的学习积极性，提高教学效果发挥了积极的作用。通过多年来的建设，课程网络教学环境建设成效显著，形成了以教材、多媒体为主和网络教学环境为辅，集理论教学和实践教学于一体的课程网络教学特色。从毕业学员反馈的情况来看，利用网络教学环境，不仅显著地增加了课堂的信息量，而且有效改善了教学效果。利用新技术更新了实验平台，培养学员实践、创新能力的新做法。通过自主设计、研制的喷管流动演示虚拟实验软件平台，该虚拟实验平台具有良好的开放性、自主性、综合性，而且突破了实验受设备、场所、环境、时间的限制，有效提高了学员的实践创新能力和综合素质。
三、教学方法改革
教学改革是提高教学水平和教学质量的根本保障，多年来课程组一直十分注重加强和深化教学改革，并取得了一定的成果，具体做法如下。
1.课堂教学采用启发交流式，实现单向知识传输模式向师生交互模式的转变。利用自主研制的功能完备，界面友好，集授课、自学、测试、管理等功能于一体的《工程热力学网络课程》，依托校园网和多媒体教室等，构建了教学互动，适合自主学习、协作学习、相对宽松的双语多媒体网络教学环境，实现了教员主导作用和学员主体作用的和谐统一，在提高教学效果的同时，培养了学员主动、有效地获取知识的意识和能力。
2.在教学方法上，改进课堂讲授方式，采用“研究型”的教学模式。针对课程特点，强调培养学员掌握理论、应用和试验三个方面的知识与能力：《工程热力学》的理论，《工程热力学》基本理论和概念的掌握，培养理性思维和分析能力；《工程热力学》的应用，面向装备和工程实践，熟悉了解实际《工程热力学》问题，培养应用原理解决问题的能力；《工程热力学》的实验，通过综合性试验培养学员的动手能力和科研工作素质。
3.注重学生创新能力培养。结合课堂教学，开展科技创新活动，使学生综合素质能力获得提高。
4.根据学员的反馈不断完善教学文件。对已有的教学计划、教学大纲、优秀的教材进行及时的更新和完善，并作为素材之一放在教学网站上，作为学习的参考资料供学员下载学习使用。总结：笔者经过多年的教学实践，对《工程热力学》进行综合的教学改革，收效明显。教学质量和教学效率得到很大提高，在培养新型专业人才方面，取得了丰硕的教学成果。
参考文献：
[1]谭羽非，赵金辉.工程热力学立体化教材建设与实践[J].吉林建筑工程学院学报，2010，（2）.
关键词：热力学第二定律；诘难；佯谬；辨析
热力学第二定律是大学物理化学课程的重要教学内容，是整个课程知识体系的理论基础之一。在教学实践中，这一部分的学习被本科学生认为是本课程中最困难的任务。除了公式多、数学推导繁杂等原因外，对热力学第二定律的科学本质的理解和把握难度较大是主要另一个原因，造成了教学效果难以提高。正确认识这个问题并采取必要措施，对提高物理化学教学质量是有重要意义的。热力学第二定律是19世纪自然科学发展所取得的伟大成果之一，它揭示了自然界宏观过程的方向和限度问题。热力学第二定律有多种不同但等效的表述方式。克劳修斯表述和开尔文表述是最常见的两种。克劳修斯表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他任何变化。开尔文表述为：不可能从单一热源取出热使之完全变为功而不发生任何其他变化。熵增加原理表述为：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。热力学第二定律自从产生就不断地受到诘难和质疑，目前这些诘难和质疑都已经得到解答。但是回顾并且理解这些诘难和质疑仍然能促进我们科学认识热力学第二定律，特别是在物理化学的教学中更能促进学生从正反两方面加深对热力学第二定律的认识和理解，提高其独立思维能力和科学思辨水平。下面对这几种诘难逐一进行简单分析和讨论。
一、“热寂说”
热力学第二定律的奠基人克劳修斯最早提出了“热寂说”。认为整个宇宙是朝着单一的方向变化的，一切运动形式终将转化为热运动，热总是自发地由高温部分流向低温部分，最终达到温度处处相等的平衡状态。这种观点认为宇宙最终将进入一个死寂的永恒状态，如果真是这样的话，就对热力学第二定律提出了严峻的挑战。
在19世纪，能够认识到“热寂说”谬误的科学家寥寥无几，当然更不可能科学揭示其实质了。玻耳兹曼曾经注意到生物的生长过程与熵增加相违背的事实，还曾进一步提出“微观起伏”说来反驳“热寂说”，但是“微观起伏”远远不足以与宇宙中极其巨大的熵增加过程（例如恒星的衰老死亡和宇宙本身的膨胀）相抗衡。麦克斯韦也模糊意识到，自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制，但他无法清晰地说明这种机制。“热寂说”成为19世纪的自然科学留给20世纪的一大疑难问题，曾经困扰了物理学界和哲学界100多年，而没有解决。
宇宙是无限的，不是一个孤立系统，这不符合热力学第二定律的条件。现代观测表明，所有的天体都正在离开我们，离开速度与距离成正比，大约每增加106 l・y，离开的速度约增加15 km/s（哈勃常数），宇宙处在不断地膨胀之中。宇宙处于动态、非稳定状态或远离平衡的非平衡态，与克劳修斯所说的热寂状态没有任何共同之处。这是克劳修斯和他的批判者都没有想到的。
引力这个物理因素对宇宙有重要的影响。在考虑了引力之后，物质的均匀程度和等温分布不再是依据最概然分布，及不再与熵最大相对应，万有引力使宇宙根本没有平衡态。“热寂说”的要害就在于忽略了引力场在宇宙演化中的作用。宇宙的膨胀和引力出乎前人意料地攻破了“热寂说”。现在，人们清楚地知道，宇宙不但不会死亡，反而可以从早期的“热寂”充满生机地复生。“热寂说”作为困扰科学界的疑难问题，已经作为历史过去了。
二、麦克斯韦妖
假定一个体积不变的绝热容器，其中充满温度和压强处处恒定的气体。将容器分割为A、B两部分的隔板上有一个小孔，装配了一个极端灵巧的阀门。将一个敏于观察、动作灵巧的精灵安置在小孔旁。精灵具有高超的本领，能够及时开闭小孔的阀门，让速度较快的分子从A进入B，而让速度较慢的分子从B进入A。这样不是无需作功就产生温度差了吗？该精灵是麦克斯韦将它送进物理学的，因此被称之为麦克斯韦妖。如果真是这样的话，麦克斯韦妖就对热力学第二定律提出了严峻的挑战。令人惊奇的是，非常严谨的麦克斯韦本人竟然也没有发现自己理论的瑕疵。
精灵拥有分析气体分子位置的能力，拥有记忆、存储和运行信息的能力，可以获得分子位置的信息，并运行信息对阀门作及时操作，确实能使系统变得有序，得到负熵。实际上，精灵具有的特殊能力都与熵不可分割地联系在一起。妖为了看到分子，必须拥有一盏能照亮分子的灯，从而获得有关分子位置的信息，得到负熵。同时，灯丝的点亮，将导致整个系统的熵增加；妖吸收被分子散射的光波将导致整个系统的熵增加；妖打开阀门做功将导致整个系统的熵增加。把所有这些因素计算在内，系统总熵一定是增加的，这是符合热力学第二定律的。可见，麦克斯韦妖之所以在表面上与热力学第二定律相矛盾，是由于它的条件并不符合要求。熵增定理要求体系是孤立的，而麦克斯韦妖只有在体系是开放的情况下，才能工作。
三、“吉布斯佯谬”
对等量的两种不同理想气体A、B，在体积、温度、压力都相等的条件下，混合前总熵
S=SA+SB
根据吉布斯定理，混合后总熵等于两种气体的分熵之和，即
S′=S′A+S′B
混合熵ΔS=S′-S=nRln2 （1）
混合熵与气体的性质无关。即使两种气体性质无限接近，只要存在差别混合熵就由（1）式给定。但是，当两种气体的性质完全相同时，（1）式不再成立，这时ΔS=0。依据我们的经验，这里的ΔS突变似乎不应出现，这好像是一个理论上的谬误。这就是“吉布斯佯谬”。
两种气体的分子，只要存在差别，总可以把它们分辨开来。因而在混合前后，我们可以探测到两种分子的数密度都发生了变化，各减小为原来的二分之一。但是，一旦过渡到同种气体，“混合”前后分子数密度不变。因此，ΔS的突变来源于不同于相同的突变，或者说来源于分子数密度的改变的突变，这是客观存在，“吉布斯佯谬”并非谬误，所以称为“佯谬”。
四、洛施密特诘难
洛施密特于1876年对熵增定理提出诘难。设想一个容器中有N个分子，在不停地做热运动。由于分子服从的运动规律是可逆的，如在某一个时刻所有分子一齐就地向后转，则他们表现出来的宏观历程必然也逆转了。如果原来熵在增加，运动逆转后就必然在减少，这就违反了熵增定律。现在使用计算机模拟分子运动，证实了严格的时间反演确实会使系统向初始态回归。
但是，在现实世界中世界总是有随机性的，会引入或多或少的误差。因此在反演过程中，熵总是有一点回降，随之就会上升。而且随着误差的加大和碰撞次数的增多，系统对初始态的“记忆”更加模糊，熵的降低过程会更加微弱。在系统分子足够多时，任何微不足道的误差都足以使熵减少过程不会实现。可见，只有从随机的初始条件出发，熵增定理才是正确的。
事实上，熵不是单调增加的。对于宏观系统，增加的概率远大于减少的概率。即使热平衡态，熵也会有一定的涨落。涨落的幅度是非常小的，幅度越大，出现概率越小。
五、策尔梅洛诘难
1892年庞加莱提出始态复现定理：孤立的、有限的保守动力学系统在有限的时间内回复到任意接近初始组态的组态。
1896年策尔梅洛引用庞加莱的始态复现定理对热力学第二定律提出诘难。认为热力学和动力学不兼容。玻尔兹曼认为始态是靠涨落来复现的，具有1018个粒子的系统，庞加莱复现时间要用1018位数来表示。而宇宙的年龄是1010年，用来表示，只有18～19位数。对于宏观系统，庞加莱始态复现理论没有现实意义。
综上所述，经过精细的分析、论证，所有的诘难都没有驳倒热力学第二定律，反而使它逐渐完善起来，人们对它的理解也逐渐全面、客观了。热力学第二定律有严格的涵义，有严格的应用范围。这个范围就是有限的时间和空间，不能用于微观世界，也不能用于时间或空间无限的系统特别是宇宙。在课堂教学中，适度引入上述内容有利于学生深入正确理解和把握热力学第二定律的科学本质，建立更加牢固的科学世界观，从而提升物理化学的教学质量，为我国科技事业发展培育更多更优秀的人才。
参考文献：
1.王季陶.现代热力学基础简介[J].物理.2000， 29：9.
2.王季陶.现代热力学基础简介[J].物理.2003， 69：1.
3.郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，1993.
4.赵凯华.新概念物理教程：热学[M].北京：高等教育出版社，1998.
5.傅献彩，沈文霞等.物理化学[M].高等教育出版社，2001.
6.李如生.非平衡态热力学和耗散结构[M].清华大学出版社，1986.
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.
关键词：化学反应速率；化学平衡；调查研究
文章编号：1005C6629（2017）3C0021C05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
化学反应原理是中学化学中逻辑性最为缜密的一个部分，而最令学生头痛的则是其中的化学平衡部分。化学平衡还包括下位的弱电解质的电离平衡、盐类的水解平衡、沉淀溶解平衡等内容。化学平衡的基本原理是上述所有理论的基础，学生只有真正掌握了化学平衡，才能认知其他特殊条件下的各类平衡问题。
1 “速率”和“平衡”的教学误区
1.1 尽管课标“隔离”了“速率”和“平衡”，但教学中往往混为一谈
化学反应动力学和热力学的基础内容是高中化学反应原理模块的重要组成部分。课程标准要求学生对动力学的认识主要有：（1）知道化学反应速率的定量表示方法，通过实验测定某些化学反应的速率；（2）知道活化能的涵义及其对化学反应速率的影响；（3）通过实验探究温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响，认识其一般规律。而对热力学的要求包括以下两个方面：（1）能用焓变和熵变说明化学反应的方向；（2）描述化学平衡建立的过程，知道化学平衡常数的涵义，能利用化学平衡常数计算反应物的转化率[1]。
很明显，课标对动力学和热力学这两个理论作了明确的“隔离”，即内容上分开来阐述，强调了速率相关内容的过程性以及平衡相关内容的状态性。例如课标要求用焓变和熵变两个状态函数去判断反应进行的方向，要求利用化学平衡常数去计算反应物的转化率等等。动力学和热力学有着不同的研究对象，前者关注的是反应的过程，后者只关涉体系的状态。两者有着本质的差异，而教材往往通过速率来建立平衡，且通过速率的改变来讨论平衡的移动，从而教师往往将两个理论混为一谈，时而“速率”，时而“平衡”，导致学生误以为速率的改变是平衡移动的原因，事实上焓和熵才是影响平衡的关键因素。
在教学实践中，教师往往这样总结：“在一定的条件下，当一个可逆反应的正逆反应速率相等且不等于零时，该反应就达到了动态的化学平衡状态。这种状态的建立需要一定的条件，当条件改变时，导致正逆反应速率改变，从而平衡状态被打破。如果正反应速率大于逆反应速率，那么反应向正方向移动，最终达到一个新的平衡。”这样的表述乍看起来很正确，有条理。但仔细分析其逻辑关系时会发现存在很多问题。比如这样的表述认为速率不变导致了平衡建立，速率的改变引起了平衡的移动，即化学反应速率是化学平衡的原因。这种将热力学和动力学归结为简单的因果关系的错误做法，势必导致学生思维紊乱，因此从源头上区分动力学和热力学才能消除这种认识误区。
1.2 相P研究“隔靴搔痒”，没有涉及教学中如何有效“分离”动力学和热力学
很遗憾的是，相关教学研究并没有关注到教学实践中如何从源头上消除这种混淆，而主要集中在以下三个方面：一是学科本体知识的推导。主要是从学科本体知识层面出发去辨析和论证化学反应速率、化学平衡状态、化学平衡移动等核心概念的内涵和实质，探讨各概念间的联系和区别。该讨论建立在大学物理化学的纯理论知识之上，没有涉及到具体的教和学，缺乏操作性。
二是教学策略与方法的探讨。这类研究一般都起源于教师在实际授课过程中遇到的困惑或者问题，针对某一节课或者某一单元的内容，通过尝试新的教学理念或者改进教学设计和方法来提高教学的实效性，然后分析比较改进后的成果和不足，为其他教师提供参考。但以上研究极少触及学生在本部分产生认知障碍的本质原因：即将混淆了的热力学和动力学作为建构知识的基础。
三是学生学习障碍点的分析。这部分研究主要从教学重难点出发，调查分析学生存在的认知障碍和迷思概念以及形成原因，旨在探讨如何避免学生在认知建构中出现矛盾。但这类研究的关注点集中在教学过程中的策略和方法是否恰当，很少触及到学科本体知识框架的科学性。
1.3 教学误区的实践表征：“以其昏昏，使人昭昭”
在真实的教学情境中主要存在两个方面的问题：一是教师本身理论知识紊乱、逻辑不清，不清楚化学反应速率和化学平衡之间的联系和区别。因此在教学实践中也就无法将这个问题有层次、结构化地呈现给学生。导致学生在认知建构的起始阶段就存在误区，失之毫厘谬以千里，最后无法认清动力学和热力学的本质。
二是学生在学习这一块内容时只考虑速率和平衡的关系，错误地使用速率去推断一切平衡问题，混淆了两个理论不同的适用范围，不能区分过程性问题和状态性问题，导致问题解决时思维混乱，甚至出现分别从“速率”和“平衡”的角度去分析同一个问题，居然得到截然相反答案的情形。如有学生学完速率和平衡之后提出一个问题，“有固体做反应物的可逆反应达到平衡状态后，将固体由块状粉碎成粉末状后，正反应速率增大，逆反应速率没有变化，为何平衡没有移动呢？”学生这种问题出现的根本原因在于学生没有理解化学平衡移动的能量本质。
2 “速率”和“平衡”教学的实证研究
本研究对北京市一所普通学校的高二学生进行调查研究，发放问卷240份，回收有效问卷194份，有效回收率为80.8%。
研究工具分为问卷和访谈两部分。（1）问卷测试。问卷包括对速率及其影响因素的理解、对平衡及其影响因素的理解、对平衡和速率关系的理解三个维度。每个维度均包括两个判断题，每个问题后均要求学生写出判断的原因。（2）半结构性访谈。对6位教师进行深度的半结构性访谈，主要从教师的角度关注教学实践中速率和平衡问题的处理。测试总体结果如图1所示。
学生对于化学平衡的表征、速率表征及速率与平衡的关系掌握较好，正确率在80%以上。但在平衡与状态的关系、速率与平衡的移动等方面表现一般，正确率50%左右。由于相应的理论知识掌握不扎实，导致绝大多数学生在实际问题解决时束手无策，得分率非常低，仅有26%的学生能够很好地解释工业合成氨中的相关问题。图1充分说明了以下几个问题：一是大部分学生能从较低层次理解速率和平衡及二者关系，但未能上升到速率微观变化机理的高度，孤立地考虑速率的各影响因素，没有形成系统；二是接近一半的学生对于化学平衡状态的实质认识有欠缺，不能理解平衡状态只与系统的各状态函数（焓、熵、温度等）有关而与达到平衡的途径无关；三是绝大多数学生对平衡和速率的关系极少能从本质上区分，几乎都停留在各种规律的机械记忆上，化学平衡常数仅仅被作为计算的工具，没有意识到平衡的热力学实质（K与Q的关系）。
2.1 对平衡及其影响因素的理解：半数学生不清楚“平衡只与体系的状态有关，与建立的途径无关”
数据分析结果表明，87%的学生能够正确判断“化学平衡发生移动，但化学平衡常数不一定改变”，其中62%的学生能够指出化学平衡常数仅与温度有关，仅16%的学生能够同时指出化学平衡受多种因素（浓度、温度、压强等）的影响。学生总体的25.7% 在解释这一判断时出现了错误。主要的错误解释有三类，每类约占1/3，具体数据见表1。
有54%的学生能够正确判断“平衡只与体系的状态有关，与建立的途径无关”，其中39.5%的学生能够答出“在等温等压下，固定容积时，1mol N2和3mol H2达到的平衡状态与2mol NH3达到的平衡状态是等同的”或者“以上两种情况是等效平衡”。学生总体中有51.4%在解释原因时出现了错误，没有从热力学的研究角度去看待平衡状态，仍然试图从变化过程推断平衡结果，将动力学套用到热力学问题的解决中，从而导致科学性错误。主要也是三类，具体情况见表1。
2.2 对速率及其影响因素的理解：大部分学生忽视速率的定量特征
数据分析结果表明，82.9%的学生能够正确判断“速率大，现象并不一定越明显”，其中58.6%的学生认为“无明显现象的化学反应即使速率大现象也不显著”。学生总体的24.3%在解释判断原因时出现了错误，主要错误有两种，一是认为速率是物质的量的变化，没有考虑单位时间。数据表明大部分学生对于化学反应速率的意义认识比较清晰，但绝大多数学生仅基于化学反应的某种现象来考虑化学反应速率的大小，忽视速率的定量特征。有研究者指出，“化学反应速率”的广义定义可以表_为“参与反应的物质的‘量’（如质量、物质的量、物质的量浓度等）随时间的变化量”，这一定义是“化学反应速率”普遍的表达方式[3]；二是学生错误地认为只有观测到宏观实验现象才能讨论速率，如果没有气泡或者颜色变化等则无法测量速率。事实上，眼见不一定为实，有时现象明显可能速率并一定大。
2.3 对速率和平衡关系的理解：几乎没有学生理解“速率所属的动力学及平衡所属的热力学虽然两者相关，但并不互为因果关系”
有81.4%的学生正确判断“反应速率变化，平衡并不一定移动”，其中68.4%的学生能够举出反例如“催化剂可以改变化学反应速率，但并不能使平衡移动”来证伪该命题，3.5%的学生想到了“对于反应前后气体的物质的量相等的反应压强的改变同等程度地改变反应速率，平衡不移动”；学生总体的38.6%不能正确清楚地表述原因。判断错误的学生原因主要有两点：其一是化学反应速率决定平衡；其二是认为加热等会使速率增大，但平衡有可能不移动。50%的学生能正确判断“平衡正向移动，正反应速率可能变大、变小或者不变”，其中34.3%的学生表示“正反应速率和逆反应速率有可能同时增大或减小，但只要正反应速率大于逆反应速率，平衡即向正反应方向移动”。判断错误的学生主要认为“只有正反应速率增大，且逆反应速率减小，平衡才能正向移动”。
速率是动力学概念，平衡是热力学的概念，属于不同的范畴，两者相关，但并不互为因果关系。因此，应基于能量的视角来理解化学平衡的本质，热力学中的平衡状态是一种体系中所包含的能做功的热量（焓）和分子功（熵）之间的特殊稳定状态。这种状态的存在用平衡常数K和Q的相对大小来衡量，而正逆反应速率相等是化学平衡建立后的一种外在表现形式，使用正逆反应速率的大小变化去推论平衡的相关问题存在科学性错误。
化学热力学认为对任意的封闭系统，当系统有微小变化时，
总之，通过上述讨论，无论是平衡的建立过程还是平衡的移动过程，热力学基础上建立的关于化学反应问题的结论，与反应速率之间没有任何的联系。
3 澄清“速率”和“平衡”教学误区的建议3.1 教师要深刻把握热力学、动力学的联系与差异
化学反应动力学与化学反应热力学是综合研究化学反应规律的两个不可缺少的重要组成部分。由于二者各自的研究任务不同、研究的侧重点不同，因而化学反应动力学与化学反应热力学既有显著的区别又互有联系。因此，教师要从源头上对它们作本质的区分。
化学反应热力学，特别是平衡态热力学，是从静态的角度出发研究过程的始态和终态，利用状态函数探讨化学反应从始态到终态的可能性及变化过程的方向和限度，而不涉及变化过程所经历的途径和中间步骤。所以化学反应热力学只回答反应的可能性问题，不考虑时间因素，不能回答反应的速率和历程。热力学方法不依赖于物质的结构和过程的细节，旨在预示和指出途径而不是解释，因此它只能处理平衡问题而不能说明这种平衡状态是怎么达到的，只需要知道体系的最初和最终状态就能得到可靠的结果[7]。
一般来说化学反应动力学的研究对象包括以下三个方面：化学反应进行的条件（温度、压强、浓度及介质等）对化学反应速率的影响；化学反应的历程（又称机理）；物质的结构与化学反应能力之间的关系。化学动力学最重要的是研究化学反应的内因（反应物的结构和状态等）与外因（催化剂、辐射及反应器等存在与否）是如何影响化学反应的速率及过程；揭示化学反应机理；建立总包反应与基元反应的定量理论等[8]。
在对化学反应进行动力学研究时总是从动态的观点出发，由宏观的研究进而到微观的分子水平的研究，因而将化学反应动力学区分为宏观动力学和微观动力学两个领域，但二者并非互不相关，而是相辅相成的。平衡是对过程结果的描述，速率变化则是对反应过程的描述。它们的解机制是两个不同学科的不同问题，既非化学平衡移动决定反应速率的变化，也非反应速率的变化导致了化学平衡的移动，它们属于各自独立的学科体系问题。
3.2 教学顺序可以尝试调整，按照大学顺序先平衡后速率，有利于中学与大学衔接
我们发现，传统教学基本按照人教版教材顺序安排，先讲“化学反应速率”部分，然后通过速率的讨论来研究平衡的建立问题。笔者通过教师访谈发现，他们认为“速率”较为贴近学生的生活经验，且已有认知中的物理概念“速度”易于迁移，所以没有觉得这种教学顺序存在问题。但由于速率的影响因素和平衡的影响因素非常相似，这种教学安排导致前者对后者的学习产生了干扰，学生在后期平衡移动的判断过程中把正逆速率的改变看成平衡移动的本质原因。
教师应当对学生的认知障碍有一定的判断，认识到速率部分的学习对学生认知同化造成矛盾，因此合理调整教学顺序，选择比较合适的教学素材，可以克服这一困境。例如可以采取鲁科版《化学反应原理》中的编排顺序，将化学反应方向和限度放在化学反应速率之前教学。笔者对鲁科版教材编写专家进行访谈，发现该版本教材之所以将“平衡”置于“速率”之前，就是为了避免以往教学中先讲速率的弊端，让学生分清热力学和动力学这两个不同的问题。这样的教学顺序也符合大学化学中的授课顺序，有利于中学到大学的教学衔接。
3.3 引导学生厘清平衡和速率，从热力学的角度解决平衡问题
为了使学生能从本质上理解反应速率的影响因素，教师要使学生将速率的宏观影响因素（浓度、温度、催化剂）和微观机理（碰撞理论和活化能理论）结合起来，只有让学生能从能量角度（活化分子数和活化分子百分数的改变）推理出浓度、温度、催化剂对速率的影响，学生才能不浮于表面的死记硬背。针对化学平衡移动这一学生认知困难的部分，教师应当深刻把握平衡的本质，即将平衡的影响因素归于化学平衡常数K与浓度商Q的不相等，温度改变了平衡常数K的数值，而压强或浓度改变的则是浓度商Q的数值，平衡会向使浓度商Q趋近于平衡常数K的方向移动。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.
[2][5][6][7]傅献彩等.物理化学（第五版）（上册）[M].北京：高等教育出版社，2006：343～347，348～349，362～365，64
文章编号：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
医用化学是面向医学、药学和生物学等专业的学生讲授现代化学基本概念、基本原理及其应用知识的一门重要基础课程[1]，它将为学生日后相关领域的深入学习打下较坚实的基础。尤其现代生物医学进入了分子生物学时代，而化学在这一时代中体现出与现代医学之间越来越密切的联系。因此，医用化学的学习对于生命医学等相关专业学生的发展起到至关重要的作用。然而，由于医用化学课程内容本身较庞杂和枯燥，所以如何扩充课堂教学内容，调整教学方式，进而激发学生兴趣，一直是个具有挑战性的课题。
科学家的光辉成就及其艰辛研究历程的介绍是扩充和丰富教学内容的重要素材[1-2]。阿伦尼乌斯[2-3]和能斯
特[2，4-5]分别是1903年和1920年的诺贝尔化学奖得主，他们两人的工作都涉及多个领域，在医用化学课程的电解质溶液、化学反应热及反应方向和限度、化学反应速率、氧化还原反应与电极电位等章节中都有其相关工作。因此，笔者从教学内容体系安排和教学方式两方面考虑，将两位化学家的研究工作历程及成果编排到课堂的教学中，以期实现对教学内容的扩充、对学生学习兴趣的激发及对学生自信心的培养。
1 科学家阿伦尼乌斯
阿伦尼乌斯（Svante August Arrhenius）是瑞典著名的物理化学家，创立电离学说，提出酸、碱的定义，为化学特别是物理化学的开创作出极大的贡献；提出阿伦尼乌斯公式，为现代化学动力学奠定基础，构成物理化学学科的重要组成部分。由于阿伦尼乌斯在化学领域的卓越成就，因而被授予1903年诺贝尔化学奖。
医用化学教材中的电解质溶液和化学反应速率章节中都涉及阿伦尼乌斯的工作。结合几年来的教学经验，笔者认为可以在电解质溶液章节中重点介绍阿伦尼乌斯的电离理论发现和提出的科研历程及其被普遍公认所经历的曲折和波澜，从中让学生体会到科学问题的提出、解决和被认可不是想象中的一帆风顺，而有着艰辛的历程。从阿伦尼乌斯的电离理论还可以让学生感受到科学问题并不那么神秘莫测，科学家也不是那么遥不可及，所以大家要相信自己，每个人都是可以有所作为的。这部分内容可以主要以故事论述的形式开展。而对于阿伦尼乌斯在化学动力学方面的介绍，可以更侧重于介绍他的博学和兴趣广泛，可以在课堂上引入一些视频，或是通过布置课外兴趣阅读的形式，让学生更多地了解科学家阿伦尼乌斯的科学贡献和成就。
电解质溶液中酸碱电离理论的介绍 电解质在溶液中以何种形式存在，这种存在形式又是如何产生的，这是19世纪科学工作者关注的课题之一。尽管已经有人提出电解质在溶液中可能是以离子形式存在，但就其产生过程，科学界一直普遍认同法拉第（M.Faraday）的观点，即溶液中的离子是在电流的作用下产生的。
阿伦尼乌斯在研究电解质溶液的导电性时发现，气态的氨是根本不导电的，但氨的水溶液却能导电，而且溶液越稀导电性越好；氢卤酸溶液也是有此特点。对于其他的电解质体系，他也做了大量的实验，都发现浓度影响着许多稀溶液的导电性。那么如何揭开这些实验现象和数据背后的秘密呢？阿伦尼乌斯开始了实验之后的思考，他首先想到的是浓溶液和稀溶液本身的差别在哪呢？应该是可以通过加水将浓溶液稀释为稀溶液，可水起到什么作用呢？阿伦尼乌斯顺着这个思路深入思考：纯净的水不导电，纯净的固体食盐也不导电，把食盐溶解到水里，盐水就导电了，这是为什么呢？水到底起了什么作用？他觉得这是决定问题的关键。
基于法拉第的观点，阿伦尼乌斯想是不是食盐溶解在水里就电离成为氯离子和钠离子了呢？这个想法在当时是相当超前和相当大胆的，毕竟当时的学术界一致认同法拉第的观点。阿伦尼乌斯随后提出假定电解质在溶液中具有分子形态和离子形态两种存在形式，当溶液被稀释时，电解质的部分分子就分解为活性的离子，而另一部分仍是以非活性的分子形态存在。因此，溶液稀释时，活性的离子数量增加，导电性也就增强了。就此，阿伦尼乌斯提出全新的电解质中离子的产生原因，即电解质自动电离的新观点。
然而，当阿伦尼乌斯带着全新的观点向他的博士导师克莱夫（P.T.Cleve）教授详细地解释电离理论时，这位作为化学元素钬和铥的发现者的著名实验化学家对此理论并不感兴趣，只说了一句：“这个理论纯粹是空想，我无法相信。”这无疑给满怀信心的阿伦尼乌斯巨大打击，而且他也意识到博士论文能否通过出现问题，虽然他认为自己的观点和实验数据并没有错，但要得到当时观念保守的教授们的认可谈何容易？答辩过程相当艰难，尽管阿伦尼乌斯精心准备，材料和数据都无可挑剔，但经过四个小时的答辩，答辩委员会的教授们仍然认为论文不是很好。但考虑到阿伦尼乌斯大学读书时所有的成绩都很好，尤其是生物学、物理学和数学的考试成绩非常优异，答辩委员会最终以及格的成绩，让阿伦尼乌斯勉强获得博士学位。
著名的化学反应速率的指数定律――阿伦尼乌斯公式 阿伦尼乌斯不但提出了在化学发展史上占据重要地位的电离学说，他还深入研究了温度对化学反应速率的影响。他发现对于大多数反应而言，温度对反应速率的影响要比浓度更为显著。阿伦尼乌斯注意到化学反应体系的温度每升高1度，反应速率约增加12%～13%。若从传统的观点来看，对反应速率的影响无外乎是对反应物分子的运动速率、碰撞频率、浓度及反应体系的黏度等物理性质产生影响，然而温度的这种巨大的影响不能从这些传统的认识中得到圆满的解释。因此，阿伦尼乌斯设想，在反应体系中是一些高能量的活化分子直接参与到化学反应中，非活性分子吸收一定能量后可转化为活化分子，而反应进行的速率取决于活化分子的数量及活化分子之间相互碰撞的次数；当反应体系的温度升高时，活化分子的数量会随温度升高而上升，而且活化分子间的碰撞次数也随温度升高而增加，因此导致化学反应的速率也随温度的上升而增大。
1889年，阿伦尼乌斯在上述观念的基础上提出著名的阿伦尼乌斯公式，也就是著名的化学反应速率的指数定律：
其中，k为速率常数，A为指前因子（也称频率因子），Ea称为化学反应的活化能，也就是非活化分子转化为活化分子所需要的能量，R为摩尔气体常量，T为热力学温度。阿伦尼乌斯公式的提出为现代化学动力学奠定了基础，是物理化学学科的重要组成部分。
此外，阿伦尼乌斯还从事天体物理学、气象学和生物学等方面的研究，曾较早提出大气中的二氧化碳对地球温度影响的论点，还著有《天体物理学教科书》《免疫化学》《生物化学中的定量定律》等著作。
2 科学家能斯特
能斯特（Walther Hermann Nernst）是德国卓越的物理学家、物理化学家和化学史家，在化学热力学和电化学方面作出了开创性的工作，特别是因为其在热力学第三定律方面的杰出贡献而被授予1920年的诺贝尔化学奖。
热力学第三定律的介绍 19世纪末，化学热力学的研究也已取得相当进展，其中的热力学第一定律和热力学第二定律已趋于完善，但不足的是化学平衡常数仍未有任何热力学参数进行推算，还只能借助实验进行测定。19世纪末至20世纪初，研究发现已推断出，体系在低温状态时，反应自由能改变值（?G）与焓的改变值（?H）趋于相等。
能斯特对低温下的化学反应体系进行了研究，通过测定比热和反应热来预测化学反应过程，研究发现当反应是吸热的，那么所吸热量将随温度下降而下降，而达到绝对零度时吸热量将变为零。随后，他在论文中指出，当体系温度趋近于零时，不仅反应自由能改变值（?G）与焓的改变值（?H）趋于相等，反应熵的改变值（?S）也趋近于零。这就是化学史上所称的“能斯特热定理”。他推断，所有固体的熵值在接近绝对零度时都是相等的。
能斯特热定理是一个大胆的实验假说。此后，德国物理学家普朗克（M.Planck）依据统计力学原理指出，能斯特热定理只有对于纯物质的完美晶体才成立。后来的实验事实和统计热力学对熵的讨论表明，有些纯物质（如过冷液体和有些固态化合物）在趋近绝对零度时能存在一个正的熵值。因此，1923年，美国物理化学家路易斯等人对普朗克的表述进行了修改，提出具有完美晶体的各种物质在绝对零度时，体系的熵等于零。至此，完善的热力学第三定律最终被提出。
电化学中的电极电位的计算――能斯特方程 除了在化学热力学方面的开创性工作外，能斯特还提出了描述电池可逆电动势的能斯特公式。他将化学热力学中的自由能变化与电池电动势联系起来，从而将化学热力学规律成功地应用于电化学体系。
1889年，能斯特根据范特霍夫的渗透压理论和阿伦尼乌斯的电离理论提出，在溶解压力的作用下，原电池中的金属进入了溶液，并以离子形式存在；与此同时，溶液中的金属离子又在渗透压的作用下，使金属离子回到金属表面。这是两种方向相反的力，当其达到平衡时，便产生了原电池中的电极电位。在此基础上，能斯特导出电极电位与溶液浓度的关系式，即电化学中著名的能斯特方程：
其中，E为电池的电动势，ε为标准电极电位，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，c1和c2分别为溶液中氧化态和还原态的浓度。能斯特方程表明，电极电位的大小不仅取决于电极本身的性质，还与电池的反应温度、物质氧化态与还原态的浓度、压力等因素有关。能斯特方程为热力学函数值测定提供了一种全新的方法，而且此电化学方法不但为热化学数据提供了最精确的测量方法，还是化学热力学规律的最精确的验证手段。电化学方法将化学反应转变成可控的可逆电池反应，进而获得可控调节下极为精确的测定结果。
