熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定計(jì)算案例教學(xué)研究

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摘要：案例教學(xué)在熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算教學(xué)的應(yīng)用，促進(jìn)教師教學(xué)方法和學(xué)生學(xué)習(xí)方法改革，從根本上提高課堂教學(xué)水平，取得良好教學(xué)效果。學(xué)生不僅掌握冶金反應(yīng)過(guò)程相關(guān)體系熱力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定與計(jì)算方法，還能結(jié)合熱力學(xué)軟件助力課題科學(xué)研究，有效提升研究生工程實(shí)踐能力和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為成為適應(yīng)新時(shí)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(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算；案例教學(xué)；冶金工程；應(yīng)用型人才

金屬冶煉為多相反應(yīng)過(guò)程，包括物理變化和化學(xué)反應(yīng)，涉及冶金熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科。鑒于冶金過(guò)程的復(fù)雜性及高溫性，冶金動(dòng)力學(xué)研究為冶金領(lǐng)域的難點(diǎn)，冶金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和計(jì)算相圖的出現(xiàn)，使冶金熱力學(xué)進(jìn)入了運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)試方法及計(jì)算機(jī)進(jìn)行深入研究的新領(lǐng)域。熱力學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算作為本科專(zhuān)業(yè)必修課物理化學(xué)、冶金物理化學(xué)在研究生教學(xué)階段的延續(xù)，旨在獲得有關(guān)冶金反應(yīng)過(guò)程相關(guān)體系的熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定與計(jì)算方法，為開(kāi)展冶金過(guò)程熱力學(xué)分析打下基礎(chǔ)，并應(yīng)用熱力學(xué)軟件進(jìn)一步分析和研究具體的金屬冶煉過(guò)程。熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算是將材料生產(chǎn)過(guò)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(shí)際冶煉過(guò)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(xué)研究的大勢(shì)所趨。

一、存在問(wèn)題

（一）計(jì)劃學(xué)時(shí)與教學(xué)內(nèi)容不匹配熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算要求學(xué)生掌握冶金過(guò)程主要熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算的基本方法，包括反應(yīng)熱、標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能、活度、相圖等，理論性較強(qiáng)，內(nèi)容抽象且豐富。課程僅有28學(xué)時(shí)，在限定的時(shí)間不可能詳細(xì)講解。若泛泛而談，學(xué)生難以深入理解知識(shí)本質(zhì)，僅停留在應(yīng)對(duì)考試的淺顯層面；若將具體知識(shí)點(diǎn)深入剖析，計(jì)劃學(xué)時(shí)難以滿足課程內(nèi)容需求，加劇學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的碎片化程度。另外，該課程緊隨學(xué)科前沿，引入國(guó)際通用的綜合熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FactSage（本校已購(gòu)買(mǎi)使用版權(quán)）進(jìn)行相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算，而受到軟件加密狗數(shù)量有限的限制，學(xué)生對(duì)熱力學(xué)軟件的操作機(jī)會(huì)不多，部分內(nèi)容難以及時(shí)消化。

（二）教學(xué)方式與教學(xué)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(shí)系統(tǒng)性強(qiáng)且容量大，但學(xué)生認(rèn)可度、課堂參與度及知識(shí)接受度不高。難以培養(yǎng)運(yùn)用熱力學(xué)理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力，不能助力后期課題研究，僅實(shí)現(xiàn)修滿學(xué)分的目標(biāo)。

（三）理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)工程學(xué)科的學(xué)習(xí)與認(rèn)知，建立在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。由于與現(xiàn)場(chǎng)接觸少，學(xué)生感性認(rèn)識(shí)不足。雖掌握熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)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(shí)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(xué)重要性

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

（一）理論知識(shí)精簡(jiǎn)化和模塊化鑒于本科階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(xué)科的科研熱點(diǎn)展開(kāi)案例教學(xué)，其余部分以自學(xué)的方式進(jìn)行考察，將理論知識(shí)精簡(jiǎn)化和模塊化。通過(guò)舉一反三，加深學(xué)生對(duì)于基本概念與計(jì)算方法的理解，培養(yǎng)運(yùn)用理論體系分析與解決實(shí)際問(wèn)題能力，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。

（二）調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性和積極性案例能使教學(xué)更貼合工程實(shí)際，一定程度上反映行業(yè)和科研最新成果，具有實(shí)用性及綜合性。引導(dǎo)學(xué)生充分認(rèn)識(shí)課程及案例對(duì)課題研究及日后工作的重要指導(dǎo)意義，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性普遍高漲，課堂教學(xué)成效大幅提升。

（三）培養(yǎng)應(yīng)用型人才案例教學(xué)改變了單向的知識(shí)與技能傳授方式，學(xué)生能夠主動(dòng)參與分析案例中的實(shí)際問(wèn)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(guò)案例了解企業(yè)需求，有助于促進(jìn)教師和學(xué)生科研水平提高。同時(shí)，在仿真實(shí)驗(yàn)室建立個(gè)人服務(wù)器，讓所有學(xué)生連接教學(xué)電腦，進(jìn)行熱力學(xué)軟件FactSage的實(shí)時(shí)操作，培養(yǎng)學(xué)生成為能有效采用相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定及計(jì)算方法解決實(shí)際工程問(wèn)題的應(yīng)用型人才。

三、案例設(shè)計(jì)及實(shí)施

好的案例是案例教學(xué)的前提[6]。案例設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能、活度、相圖等熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定與計(jì)算，案例設(shè)計(jì)應(yīng)涵蓋所有重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，形成完整的體系。案例選用注意普及性案例和知識(shí)性案例相結(jié)合，各章各節(jié)引入案例具有層次性。通過(guò)典型案例的強(qiáng)化分析，加深學(xué)生對(duì)課程重點(diǎn)知識(shí)的理解，并學(xué)以致用。案例設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容相呼應(yīng)，避免出現(xiàn)跑題現(xiàn)象，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算方法的熟練掌握?；谝陨显瓌t，該課程建設(shè)了案例庫(kù)，部分案例清單如表1所示。

四、結(jié)語(yǔ)

案例教學(xué)在熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算教學(xué)中的應(yīng)用，促進(jìn)教師教學(xué)方法和學(xué)生學(xué)習(xí)方法改革，從根本上提高課堂教學(xué)水平，有效提升了研究生工程實(shí)踐能力和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)案例教學(xué)，學(xué)生能有效采用熱力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算方法，助力課題研究。此外，師生可以通過(guò)案例了解企業(yè)需求，有效促進(jìn)校企合作。

作者：吳婷 雷杰 李娜 孔輝 單位：安徽工業(yè)大學(xué)