熱力學數(shù)據(jù)測定計算案例教學研究

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摘要：案例教學在熱力學數(shù)據(jù)測定與計算教學的應(yīng)用，促進教師教學方法和學生學習方法改革，從根本上提高課堂教學水平，取得良好教學效果。學生不僅掌握冶金反應(yīng)過程相關(guān)體系熱力學性質(zhì)的測定與計算方法，還能結(jié)合熱力學軟件助力課題科學研究，有效提升研究生工程實踐能力和行業(yè)競爭力，為成為適應(yīng)新時期冶金行業(yè)需要的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱力學數(shù)據(jù)測定與計算；案例教學；冶金工程；應(yīng)用型人才

金屬冶煉為多相反應(yīng)過程，包括物理變化和化學反應(yīng)，涉及冶金熱力學及動力學等多學科。鑒于冶金過程的復(fù)雜性及高溫性，冶金動力學研究為冶金領(lǐng)域的難點，冶金熱力學數(shù)據(jù)庫的建立和計算相圖的出現(xiàn)，使冶金熱力學進入了運用現(xiàn)代測試方法及計算機進行深入研究的新領(lǐng)域。熱力學數(shù)據(jù)與計算作為本科專業(yè)必修課物理化學、冶金物理化學在研究生教學階段的延續(xù)，旨在獲得有關(guān)冶金反應(yīng)過程相關(guān)體系的熱力學性質(zhì)測定與計算方法，為開展冶金過程熱力學分析打下基礎(chǔ)，并應(yīng)用熱力學軟件進一步分析和研究具體的金屬冶煉過程。熱力學數(shù)據(jù)測定與計算是將材料生產(chǎn)過程和產(chǎn)品性能數(shù)字化，基于理論算法，利用大數(shù)據(jù)，應(yīng)用于實際冶煉過程。某種程度上，該課程可以視為傳統(tǒng)制造業(yè)中的人工智能，這也是科學研究的大勢所趨。

一、存在問題

（一）計劃學時與教學內(nèi)容不匹配熱力學數(shù)據(jù)測定與計算要求學生掌握冶金過程主要熱力學數(shù)據(jù)測定與計算的基本方法，包括反應(yīng)熱、標準吉布斯自由能、活度、相圖等，理論性較強，內(nèi)容抽象且豐富。課程僅有28學時，在限定的時間不可能詳細講解。若泛泛而談，學生難以深入理解知識本質(zhì)，僅停留在應(yīng)對考試的淺顯層面；若將具體知識點深入剖析，計劃學時難以滿足課程內(nèi)容需求，加劇學生知識點的碎片化程度。另外，該課程緊隨學科前沿，引入國際通用的綜合熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)FactSage（本校已購買使用版權(quán)）進行相關(guān)熱力學數(shù)據(jù)計算，而受到軟件加密狗數(shù)量有限的限制，學生對熱力學軟件的操作機會不多，部分內(nèi)容難以及時消化。

（二）教學方式與教學效果欠佳采用傳統(tǒng)的“以教師為中心，以教材為核心”的單向灌輸方式，逐章逐節(jié)講解教材，雖知識系統(tǒng)性強且容量大，但學生認可度、課堂參與度及知識接受度不高。難以培養(yǎng)運用熱力學理論解決實際問題的能力，不能助力后期課題研究，僅實現(xiàn)修滿學分的目標。

（三）理論教學與實踐應(yīng)用脫節(jié)工程學科的學習與認知，建立在對現(xiàn)場感性認識的基礎(chǔ)上。由于與現(xiàn)場接觸少，學生感性認識不足。雖掌握熱力學數(shù)據(jù)測定與計算的基本原理及方法，卻知其然不知其所以然，且不能深入了解其在工程實際中的應(yīng)用，不適應(yīng)冶金行業(yè)發(fā)展的需求[1-4]。

二、案例教學重要性

對于工程型學科，應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重點在于將所學理論知識應(yīng)用于解決實際問題[5]。為助力培養(yǎng)獨立解決冶金工程復(fù)雜技術(shù)問題能力，引入案例教學，基于工程實際，以工程問題為導(dǎo)向，將課程內(nèi)容模塊化。結(jié)合熱力學理論及軟件，通過案例探討、翻轉(zhuǎn)課堂等教學方式，把重點和難點知識案例化，激發(fā)學生自主性及積極性，有利于培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。

（一）理論知識精簡化和模塊化鑒于本科階段已經(jīng)學習了相關(guān)熱力學基礎(chǔ)知識，對教學內(nèi)容進行模塊化劃分、梯度化梳理、層次性建設(shè)，著重圍繞目前本學科的科研熱點展開案例教學，其余部分以自學的方式進行考察，將理論知識精簡化和模塊化。通過舉一反三，加深學生對于基本概念與計算方法的理解，培養(yǎng)運用理論體系分析與解決實際問題能力，實現(xiàn)了理論與實踐的結(jié)合。

（二）調(diào)動學生主動性和積極性案例能使教學更貼合工程實際，一定程度上反映行業(yè)和科研最新成果，具有實用性及綜合性。引導(dǎo)學生充分認識課程及案例對課題研究及日后工作的重要指導(dǎo)意義，學生學習主動性和積極性普遍高漲，課堂教學成效大幅提升。

（三）培養(yǎng)應(yīng)用型人才案例教學改變了單向的知識與技能傳授方式，學生能夠主動參與分析案例中的實際問題，激發(fā)思維能力和創(chuàng)新潛能。案例可以作為校企之間聯(lián)系的橋梁和紐帶，師生可以通過案例了解企業(yè)需求，有助于促進教師和學生科研水平提高。同時，在仿真實驗室建立個人服務(wù)器，讓所有學生連接教學電腦，進行熱力學軟件FactSage的實時操作，培養(yǎng)學生成為能有效采用相關(guān)熱力學數(shù)據(jù)測定及計算方法解決實際工程問題的應(yīng)用型人才。

三、案例設(shè)計及實施

好的案例是案例教學的前提[6]。案例設(shè)計遵循完整性、層次性、典型性和一致性原則[7]。該課程包括反應(yīng)熱、標準吉布斯自由能、活度、相圖等熱力學性質(zhì)測定與計算，案例設(shè)計應(yīng)涵蓋所有重點教學內(nèi)容，形成完整的體系。案例選用注意普及性案例和知識性案例相結(jié)合，各章各節(jié)引入案例具有層次性。通過典型案例的強化分析，加深學生對課程重點知識的理解，并學以致用。案例設(shè)置與教學內(nèi)容相呼應(yīng)，避免出現(xiàn)跑題現(xiàn)象，助力學生實現(xiàn)熱力學數(shù)據(jù)測定與計算方法的熟練掌握。基于以上原則，該課程建設(shè)了案例庫，部分案例清單如表1所示。

四、結(jié)語

案例教學在熱力學數(shù)據(jù)測定與計算教學中的應(yīng)用，促進教師教學方法和學生學習方法改革，從根本上提高課堂教學水平，有效提升了研究生工程實踐能力和行業(yè)競爭力。通過案例教學，學生能有效采用熱力學數(shù)據(jù)測定與計算方法，助力課題研究。此外，師生可以通過案例了解企業(yè)需求，有效促進校企合作。

作者：吳婷 雷杰 李娜 孔輝 單位：安徽工業(yè)大學