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工程热力学是动力工程、机械工程、能源工程等专业的一门传统的技术基础课程,是资源利用率最大化的一种技术,是我们国家高等教育的重要组成版块。目前,我们国家对能源利用率的要求越来越高,对环境保护质量也相对提高,工程热力学课程教学改革对提高能源的利用效率起着至关重要的影响作用。尤其是面对未来生产的发展对能源动力需求迅速增加的趋势,许多相关联的热力工程技术、环境保护技术都需要工程热力学作为其研究的理论基础。工程热力学是一门综合性比较强的学科,并且在实际的生产与生活中其应用价值极高。在课程教学与实践过程中教师不容易清晰明了的讲授清楚工程热力学的相关理论知识,学生也不易掌握基本的公式、概念与相关方面的条件。不仅如此,在实践活动中学生不能够灵活的运用所学的课堂教学知识进行实验,这就大大降低了工程热力学的实际运用价值,削弱了工程热力学的课程教学质量。工程热力学是一门比较基础的课程,也是建筑环境与设备工程等相关专业学生应当掌握的基础学科,同时也是学生进行研究创新的基本前提。工程热力学是研究动能、机械能与热能的基本学科,也是研究三者之间关系的重要理论知识,主要讲述三者之间能量的转换趋势与规律。
建筑、机械与其他工业产业利用工程热力学来提高生产效率,提高资源利用率,以此实现降低成本得目标,这也是经济可持续发展的重要保证。目前我们国家的工程热力学的教学质量亟待提高,教学方式与课程教学内容急需改革,并且其实践过程中的运用效率偏低,这就需要我们针对工程热力学的特征与现状进行课程教学改革,提高其实践效率。课程教学改革是指在教育体制改革的背景下,课程内容与课程教学方式也应当发生相应的变化。课程改革的重点应当放在课程实施工作之上,课程的实施依赖课程的教学质量,因此我们必须充分重视课程教学改革的重要性。随着我国新一轮基础教育课程改革的推进,如何在新课程理念的指导下改革工程热力学课堂教学,把先进的教学理念融入到日常的教学行为之中,已日益成为工程热力学教师和教学研究人员关注和探讨的热点问题。工程热力学课程教学实践是指教师在讲授工程热力学知识的时候应当充分的结合其实际情况,将实践活动与课堂理论知识讲授充分的融合,这样才能够提高学生的课程学习质量,帮助学生掌握更加丰富的工程热力学知识。课程教学实践是提高学生实际操作能力的平台,也是提高工程热力学课程教学质量的重要基础,关系到教学质量与国民经济的发展速度。实践是检验真理的唯一标准,因此在工程热力学课程教学改革过程中应当将其改革的内容付诸实践,这有这样才能够检验其改革的内容是否符合教育体制改革发展的总目标。在实际的课程教学过程中,教师、研究者与学生应当提高实践活动的强度,改善当前的现状,为提高工程热力学课程教学改革质量奠定基础。
2工程热力学课程教学改革与实践的过程中存在的主要问题
当前我们国家的高等院校和高职院校对工程热力学课程教学的重要性认识不足,没有充分的认识到工程热力学教学质量与工业生产、环境保护、资源利用率提高等之间的关系。工程热力学对学生综合能力的提高有着不可或缺的作用,因此我们必须充分的探析在工程热力学课程教学改革与实践过程中存在的主要问题,这样才能够详细的了解其改革现状,为提高课程改革质量奠定良好的基础。
(1)国家教育部门与高等院校、高职院校等教育机构对工程热力学课程教学改革与实践工作的重视程度偏低,没有充分的认识到工程热力学课程教学改革与实践对提高教学质量、促进教育体制改革进程、提高经济发展质量与速度之间的关系。工程热力学是一门综合性比较强的学科,并且也是建筑专业、环境保护与机械设计等专业的基础课程,关系到这些工程热力学相关专业的发展前景。相关的教育部门与组织在资金投入、技术支持、人才引进等方面相对短缺,严重的影响了工程热力学课程教学改革与实践的进程,没有投入更多的基础设备让学生参与实践。这样下去就会严重的泯灭学生的学习积极性和创新性,不利于提高工程热力学课程教学改革的质量与效率。
(2)在工程热力学课程教学改革过程中重点不明确,相关方面的制度和政策不够完善。虽然我们国家正在实行新一轮课程改革,在教育体制改革方面的力度比较大,但是仍然没有彻底改变当前应试教育的局面,没有完全的实现从应试教育向素质教育过渡的目标。在课程教学改革的过程中教师没有积极创新,对课程教学改革与实践认识不清,导致在理论教学与实践教学时教学方式不当,没能完全激发学生的潜力,这为后来的工程热力学改革埋下隐患。不仅如此,相关的教育部门与学校在课程设置方面没有考虑市场的发展需要,在课时、教学内容、教学形式以及考核方式等方面存在着严重的问题。
(3)工程热力学课程教学改革过程中的教学方法不符合实际的情况,不能够很好的提高课程教学改革与实践的质量。许多教师仍然沿用传统的教学方式,在教学内容上没有较大的突破与创新,被陈旧与古板的方式与内容所束缚。在改革的过程中,其课程改革教学目标不够明确,与工程热力学相关的课程体系不够完善与健全。不仅如此,在工程热力学课程设置等方面没有突出课程的专业特色与个性,不利于提高工程热力学的地位与重要性。这样学生的学习积极性与热情会大大降低,无益于实现课程教学改革的目标。
3提高工程热力学课程教学改革与实践质量的相关对策
(1)国家教育部门与高等院校、高职院校等教育机构要不断提高对工程热力学课程教学改革与实践工作的重视程度,充分的认识到工程热力学课程教学改革与实践对提高教学质量、促进教育体制改革进程、提高经济发展质量与速度之间的关系。相关方面的教育部门与教育组织要加强政策支持与资金支持,为提高工程热力学课程教学改革提供良好的条件,引进先进的设备与基础设施为开展实践活动提供良好的平台,从而提高学生的理论知识水平与实践操作能力。目前人们对生活与生产的要求越来越高,对环境的保护意识也越来越深厚,因此我们必须加强相关方面的教学质量,培养全面型与综合型的人才,以此来适应经济社会的发展趋势。伴随着社会现代化进程的加快,社会各界对人才的素质和质量标准也越来越高,因此教育制度改革迫在眉睫。
(2)明确工程热力学课程教学改革的重点,逐渐完善与健全相关方面的课程教学改革体制,为高等院校和高职院校的课程教学改革与实践提供指导性方案。相关的教育部门与学校在课程设置方面要充分考虑市场的发展需要,在课时、教学内容、教学形式以及考核方式等方面要积极创新。保持学科基本理论的严密性和系统性,逐渐强化工程热力学相关专业所必须的教学内容,不断的优化课程教学的内容。在教学的时候要让学生充分的理解相关的工程热力学的理论知识、公式与条件等等,这样学生才能够有足够的理论知识进行实践操作。不仅如此,还要培养学生查图、查表的能力,要求学生学会用抽象、简化和假设的热力学方法去求解制冷、供暖等实际问题。
(3)工程热力学课程教学改革过程中的教学方法要不断适应市场的发展需要,这样才能够逐渐提高课程教学改革与实践的质量。工程热力学课程教学的相关教师和研究者应当积极创新,改变传统的教学方法,摒弃陈旧的教学方式,提高工程热力学课程教学改革与实践的质量。不仅如此,教学研究者还要积极改变教学方式,教师应当根据课堂教学情况与学生的学习情况来改进教学方式,以此来激发学生的学习热情。因为工程热力学属于一种理论性比较强的学科,学生在学习的过程中容易产生消极情绪,这样就会严重阻碍课程教学改革的进展,不利于全面提高学生的综合实力。教师要注重诱导式教学方式,提高学生的发散思维能力,贯彻创新意识。教师要根据课程教学内容和学生的差异性来帮助学生树立正确的学习观念,让学生掌握符合自己实际情况的学习方式。这样学生在学习工程热力学知识的时候就会比较容易上手,在理解相关概念和理论知识的时候也会更加容易。教师在讲解理论知识与进行实践操作教学的过程中要灵活运用比较式指导方法,将相关的理论知识进行比对,加深学生的理解程度。同时也要积极使用相关方面的图表,让学生快速的理解抽象理论知识。教师在教学的过程中要积极采用多媒体教学与网络教学,这也是充分利用教学资源的体现。由于学科本身具有的特性决定了工程热力学的理论知识、定义、概念、公式等比较复杂抽象,学生不易理解,利用多媒体能够帮助学生理解记忆,加深对工程热力学原理的理解。网络教学能够促进学生与教师之间的交流,提高课程教学改革的质量。
4结论
课程要求学生应掌握金属热处理基本的理论知识,了解金属热处理工艺设计的基本依据,熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、性能与应用及环境之间的关系,根据零件技术要求,能正确地选择材料和制订工艺,并初步具备热处理操作的基本能力。对培养学生综合分析问题的能力和工程应用能力很重要,在整个专业人才培养方案中,对培养应用型创新人才的目标具有重要作用。
2课程设计的理念与思路
高职学生在学习基本专业知识的基础上,如何把知识转化为技能,技能转变为职业素质是我们需要破解的难题。金属热处理生产工艺是金属材料及热处理技术专业必修的核心主干课程,是培养金属材料热处理专业实用型人才的重要组成部分。在金属热处理生产工艺精品课程建设中,坚持以金属热处理生产典型工作任务为载体,培养学生掌握金属热处理生产的基本知识和基本技能,初步形成分析问题和解决问题的能力,熟练掌握金属热处理生产的工艺设备和机械设备的相关知识,使学生毕业后能在金属热处理生产企业进行生产和解决实际操作技术问题,成为高级技术技能型的专门人才。通过对本课程的学习,学生应具备以下主要技能:①掌握常规金属材料热处理的基本知识,能编制钢铁件的典型热处理工艺;②能对热处理设备、常用的工装及辅助设备、热处理炉的温度进行测量与控制;③会典型零件热处理的基本操作;④能进行表面改性热处理的工艺制订;⑤能进行化学热处理的工艺制订;⑥掌握复杂工件的畸变规律与矫正方法,掌握分析判断工件变形的原因及预防工件畸变的方法;⑦能借助金相检验报告判断材料及热处理质量的方法,能分析工件淬火产生常见缺陷的原因并提出预防和补救的方法;⑧能对金属材料进行常规检验及对常见的热处理缺陷进行分析。
3教学内容的改革
3.1根据热处理典型的工作任务,组织教学内容,改革教学方法
在教学内容的选择上,以《金属热处理工国家职业标准》为依据,确定热处理工的岗位职责、工作任务和技能要求,在教学的实施过程中把典型的工作任务转换为学习情境,制定课程标准,围绕热处理设备操作、热处理工艺的编制、典型零件热处理的操作技能等典型工作任务,遵循由浅入深、由简单到复杂的原则,设置了8个学习情景:①热处理工艺准备;②热处理设备与操作;③退火与正火;④淬火与回火;⑤表面改性热处理;⑥化学热处理;⑦复杂工件的畸变规律与矫正方法;⑧质量检验与缺陷分析。通过对8个教学子领域的学习让学习者能在金属热处理生产企业进行生产,并具备编制热处理工艺的能力和热处理操作技能。同时编制实训指导书,完成实训室实训项目的开发,在教学过程中聘请企业技术人员担任实践指导教师,使课程体现工学结合的特点。在本课程8个学习情景中,以典型的工作任务为载体,以项目为导向,按“理实一体化”展开教学。在课程教学中根据不同要求的教学内容的不同特点,采用讲授教学法、项目教学法、任务驱动教学法、分组讨论法、以实践技能为导向的课题式教学法等教学方法,引导学生积极思考、乐于实践,提高教学效果。表1列出了8个教学情景所须学习的内容、项目和使用的教学方法。
3.2教学内容的针对性与适用性
课程教学内容选取针对热处理岗位群的职业标准,以就业为导向,以金属材料热处理人才培养目标为标准,以满足就业岗位对所学人才能力的要求为宗旨,进行面向岗位的教学内容设计。充分体现教学内容来源于企业、服务于企业的教学宗旨,密切联系生产实践,做到学以致用。通过对热处理生产各岗位知识、能力、素质要求进行分析,以学习内容和工作过程为导向的原则,课程设计创设“三结合”的学习情景:学习内容与工作内容相结合,学习过程与工作过程相结合,学习情景与工作情景相结合。按照热处理生产岗位的需求,以热处理工的职业标准为依据,设计了8个学习情景。课程内容在设计过程中参考热处理岗位群多工种的职业标准,归纳出典型的工作任务作为教学情景,每个情景由若干项目任务组成,形成8个教学情景。各情景教学内容以热处理工国家职业标准中初级工—高级工的知识和技能要求为依据选取教学内容,设计实训项目,进行单元考核。由于教学内容考虑了工种职业资格的需要,不仅适合教学,还可作为企业员工培训教材使用。
3.3教学方法的多样性
传统的教学模式具有其自身的优势,如传授的知识系统、严密,较好地发挥了教师的主导性,但弊病也十分明显:其一,教材抽象,体系严密,学生难以学习;其二,学生的主体地位难以体现;其三,重理论轻实践,学生动手的能力比较差,与素质教育的要求不相适应;其四,以教师为中心,只强调教师的“教”而忽视学生的“学”。在这样的教学模式中,学生参与教学活动的机会少,动手更少,大部分时间处于被动接受状态,学生的学习主动性很难发挥,更不利于创新、创造型人才的培养,不利于学生的发展[3]。为此,在课程教学中针对不同要求的教学内容既采用了传统的讲授教学法,又采用了任务驱动教学法、项目教学法、分组讨论法、以实践技能为导向的课题式教学法等教学方法,引导学生积极思考、乐于实践,提高教学效果。
4课程的特色与创新
4.1采用任务驱动式教学法,实现“理实一体化”教学模式
金属热处理生产工艺课程实践性强,为了加强实践性教学的效果,教学中注重理论与实践相结合,在教学中以典型工作任务为载体,以任务为导向,突出“练”,边讲基础知识,边应用到典型的工作任务中。实现“理实一体化”教学模式,提高学生学习的积极性和能动性,当下发了项目任务书后,学生必须积极学习基础知识,才能完成相关的项目任务。本课程以提高学生分析、发现、解决工程实际问题的能力为重点,强调学生个性发展。深化教育改革的关键,是改变以往单一的课堂讲授的教学形式,改变传统的系统式学科教学体系,提倡进行“教、学、做”一体化改革,使学生在专业理论知识方面以“够用”为主,更多突出技能的培养。采用任务驱动式教学法,就是要兼顾理论知识与技能的合理配置。任务的设计很重要,它是为实现一定的教学目标,依据课程内容主题,为学生策划学习资源和学习活动的过程。教学任务设计的最终目的是使学生掌握实际工作岗位对本课程所要求的知识和技能[4]。通过项目任务和专题设计等自主学习方式,体现学中做、做中学,活学活用,注重了学生的实践能力、创新能力及团队协作能力等综合素质培养。金属材料热处理技术校内实训基地的建设及实训项目的开发应用,解决了困扰热处理技术专业进行生产性实训所面临的困难和矛盾,实现了课堂与实习地点一体化的行动导向教学。通过系统实训,不断训练,极大地提高了学生岗位操作能力,同时也促进了学生的学习方式由个人竞争学习模式向团队协作学习模式的重要转变,提高了学生对企业生产组织方式的适应能力,实现与企业的“零距离”接触。以“淬火与回火”学习情景为例,任务驱动教学模式如表2、3所示。
4.2遵循了由浅入深、由简单到复杂的原则
遵循了职业成长的规律。以学习情景4的淬火与回火为例,设计了2个项目任务,项目8与项目10虽然都是淬火与回火工艺,但前者是试样的淬火与回火,后者是零件的淬火与回火,项目任务书如表4所示。2个项目任务中,1个是实验室试样,1个是轴,在编制淬火工艺时,淬火方法、加热温度、冷却介质、加热设备的选择都有差异。20钢、45钢、T10钢制试样按AC3或AC1±(30~50)℃的原则选择加热温度,按t=αkD选择保温时间,在箱式炉中进行加热后,以水作为介质进行冷却即可获得马氏体组织,硬度达到55~63HRC。对于轴,从技术要求上看,心部和表面硬度不同,在选择淬火方法和加热设备时需要充分考虑。结合材料65Mn淬透性曲线,可采用水-油双液淬火的方法进行处理。操作时掌握好在第一种淬火剂中的停留时间,同时注意上下移动工件。2个项目遵循了由浅入深、由简单到复杂的原则,通过反复训练,使学生工艺编制和操作技能由生疏到熟练,遵循了职业成长的规律。
4.3构建了TEST评价系统
评价的实质在于肯定学生的学习过程,重视学生学习中的知识积累和实践能力的发展,培养科学的思维方法,这是评价学生的理论依据,也是学生学习过程的目标导向[5]。传统课程的考试都是在课程结束后进行一次闭卷考试,这对该课程的学习来说是有局限性的,它难以测试学生综合性分析问题的能力,故此在精品课程建设中构建了TEST评价系统。新评价系统构建思路重视考核评价学生学习的过程及过程的动态化、评价内容的多元化。TEST评价系统是指课程总成绩由教师评价(T)、企业工程师评价(E)、学生评价(S)、总评价(T)组成。教师评价主要对学生的学习行为过程(包括学习态度、学习意识、精神、态度、价值观、行为习惯等)进行相应的评价。企业工程师评价主要根据项目任务从加热温度、加热设备、保温时间、冷却介质的选择进行考核评价,学生评价是对各组查阅资料、PPT的效果、汇报表现、实训准备和完成情况进行互评,使评价触及到学生的内心深处,使评价产生教育意义。总评价(T)由项目考核(40%)、期末考核(30%)、过程考核(30%)组成。其中项目考核由教师评价(T)(15%)、工程师评价(E)(15%)、学生评价(S)(10%)3部分组成。为方便不同角色对课程进行评价,开发了昆明冶金高等专科学校金属材料与热处理技术专业教学资源库,在这个网络平台上,教师、企业工程师、学生以不同角色进行登录,即可完成T、E、S的评价,理论考试课由网络系统根据考试大纲生成不同的试题,可进行在线测试,最终由系统按不同角色的权重自动生成总成绩(T)。在金属材料与热处理教学资源库社会评价系统中,用人企业登录后可对毕业生进行评价,教师根据企业的评价对教学进行改进,校企合作不断提高教学质量,共同培养出大批社会需求的高级技术技能型人才。
5教学效果
昆明冶金高等专科学校金属热处理工生产工艺课程于2012年获批云南省精品课程建设立项,如图1所示。金属热处理生产工艺的教学改革从2010级金属材料与热处理专业开始实施,为了对比教改前后的教学效果,分别对采用传统教学法、多媒体教学法、项目教学+任务驱动教学法的学生成绩进行统计分析,结果见表4。由表4可知,在试卷难度基本不变的情况下,采用项目教学+任务驱动教学法后,学生成绩优良率和平均分均明显高于传统教学,不及格率明显下降。通过4年的教学实践,学生反映项目教学+任务驱动教学法能调动学习的积极性:每次课都有不同任务,带着任务查阅资料,互相讨论,完成项目任务,把任务完成的结果上传到教学网络系统进行评价,得到项目考核的成绩。最终成绩中,项目考核占40%,期末考试占30%,过程(作业和考勤)考核占30%。在项目+任务教学过程中,教师的主导地位没有动摇,以项目和任务作为载体,运用网络平台提供的学习资源,引导学生自主学生,不断培养学生分析问题和解决问题的能力,提高学生专业综合素质和创新能力,构建学生知识、能力、素质协调发展的合理结构,并得到用人企业的好评。
6结语
关键词:创新能力;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)16-0133-02
创新能力由多种能力构成,主要包括学习能力、分析能力、综合能力、想象能力、创造能力、解决问题的能力与实践能力等多种能力。创新能力的培养是一项系统工程,贯穿人才培养的全过程,渗透教学过程的各个方面。在当前的教学活动中,一般将课程设计、实验和毕业设计(论文)等环节,作为创新能力培养的主要途径。但对于工程热力学之类的基础课,如何在专业课程的教学中实现对学生创新能力的培养成为专业课教师深入思考的问题。笔者结合自己多年来的教学实践,对工程热力学教学活动中学生创新能力的培养进行了如下一些探讨。
一、采用激励启发方式组织课堂教学
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。
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.
关键词:工程热力学 课程建设 教学质量
中图分类号:G642 文献标识码:C DOI:10.3969/j.issn.1672-8181.2013.15.093
《工程热力学》是研究与热能工程有关的热能和其他形式能量(特别是机械能)相互转换规律以及提高能量转换效率的一门学科[1],作为我校飞行器系统与工程专业的主干课程之一,为学好专业核心课程《导弹发动机原理》打下必备的理论基础。该专业最终目标是培养适应科技发展和军队建设需要、能胜任初级专业技术职务岗位工作的导弹发动机工程类干部,因此,与军内外同类课程相比,《工程热力学》具有明显的工程使用特色。
课程建设作为高校可持续发展的生命线,是最基本的教学建设,也是提高教学质量、抓好专业与学科建设的关键。工程热力学课程组以深化教育改革、切实提高教学质量[2,3]、突出专业应用特色、激发学生学习兴趣、培养高素质人才为目的,有计划、有步骤地从师资队伍、教学条件、教学内容及教学实施等方面进行了建设,效果明显。
1 加强师资队伍建设,提高教师业务水平
建立一支高水平和稳定的师资队伍是各项教学工作开展的基本保证。为满足教学要求,形成了一支年龄、职称、学历和学缘结构相对合理,人员相对稳定的高水平课程教学梯队[4]。从课程建设开始,教研室通过调研摸底,根据每个人的专业方向,选择表达能力和逻辑思维能力强的教师作为一线授课教师,组成包括1名正高、2名副高和2名讲师(4名博士、1名硕士)的教学梯队,年龄从28岁到45岁,毕业院校包括国防科技大学、第二炮兵工程学院和西北工业大学。
实行主讲教师负责制。为提高教学质量,主讲教师必须严过教案关、试讲关和课堂质量督导检查关,针对主讲教师的自身特点,根据专家教授的建议,听课检查落实教师业务素质和授课水平的提高情况。
加强交流学习,提高业务水平。选送部分教师到部队锻炼,了解部队实际需求,在授课过程中能够进行针对性教学;派送任课教师到具有相应精品课程的地方高校进行教学观摩和进修学习,以提高授课质量。
2 改善教学条件,保障教学顺利开展
2.1 精心选用教材
为了切合火箭发动机的专业特点和部队建设的实际需要,经过任课教师的精心挑选,选取了内容和难度适中、华自强编写的第四版《工程热力学》作为授课教材,该教材融合了化学热力学的基础内容,使教学内容体系更加完善合理。辅导教材则选择美国M.C.波特尔编著的《Engineering Thermodynamics》,学生反响良好,认为该书英文通俗易懂,既提供了一个阅读外文文献的实践锻炼平台,又能从中学习了解国外学者表述热工知识的思维方式。
2.2 制作多媒体课件
利用现代教学手段,提高教学效果。以二维FLASH动画技术制作了内容生动的《工程热力学》典型动力装置和典型热力过程的动画演示软件,包括35种不同理论模型的动画。利用多媒体教室播放不同理论模型的动画、结合教师理论讲解,学生可以较好理解实际工程中热能和机械能相互转换的抽象过程,增强学生的感性认识。
2.3 开发网络教学平台
充分利用校园网络优势实现教学资料的上网,开发网上答疑系统进行在线讨论,让网络教学作为辅助教学手段提高教学质量。制作渐缩喷管和状态参数测定的虚拟实验,学生可以在开放的网络平台上进行交互的虚拟实验。按照教学大纲开发课程练习题库,为学生提供一种通过习题强化加深对所学知识理解的手段。题库包括5种题型共1000余道试题,系统随机组题,学生可以进行在线测试。
2.4 搭建《工程热力学》实验平台
结合现有实验条件,编著适合我校实际的《工程热力学实验指导书》,通过与西安重点院校的交流协商,搭建了在西安交通大学开展《工程热力学》实验的教学平台,开展了喷管内气体流动的热力过程与性能参数测定实验,使学生深刻理解了喷管设计和环境压力对喷管流动影响中涉及的理论知识。
3 优化教学内容,体现专业特色
考虑到专业特色,将传统的热力学理论列为重点内容讲述的同时,把火箭发动机工作过程中涉及的化学热力学理论列为重点内容讲述。在内容安排上,结合二炮院校的专业特点和部队实际需求,增加火箭发动机的动力循环知识点和导弹测试时用到的湿空气相关内容。并且把湿空气的性质安排在理想气体混合物的性质之后,这样可以把湿空气当做理想气体混合物的一个特例加以介绍,使学生能够从抽象到具体、从一般到特殊,既能理解理想气体混合物和湿空气理论知识,又能在发动机相关操作中学以致用。
4 激发学生学习兴趣,强化创新能力
在本课程学习中,主要从两方面激发学生兴趣、促进创新能力发展。
一是善于设疑提问,促其思考。在绪论介绍中强调“热”与人类文明进步的联系,热能的利用渗透在社会的方方面面。怎样描述热能与其他形式能量的转换?怎样做到节能减排、提高能量转化效率?工程热力学基本理论、定律是如何体现在我们日常生活当中?通过上述启发式提问,极大地启迪学生的思维,激发他们学习工程热力学的兴趣。
二是注重学以致用,在创新中深化知识的理解和运用。在课程学习中,引导学生运用《工程热力学》基本理论去指导专业应用。拟定课题“温度、湿度对固体火箭发动机气密性检查的影响分析”,要求从理论上分析环境温度和气体湿度变化可能对阵地测试项目造成的影响。该课题紧密结合部队实际,学生兴趣大,研究热情高,成为历届学生本科毕业设计的选题热门。在研究过程中,大大加深学生对《工程热力学》知识的理解,在此基础上指导教师与学生共同撰写并发表了相关学术论文。既强化了学生的创新能力,又促进了教师科研学术水平的提高。
5 重视教学全过程,提高教学质量
课程组监管教学全过程,旨在全方位提高工程热力学教学质量。①教学准备:在教研室的指导和帮评下,主讲教师认真备课、撰写教案,进行课前实讲。②课堂教学:教学采用理论授课、讨论、观看工程及实验录像、动手实验等多种教学形式,灵活采用研讨式、启发式等多种教学方法,按基本概念、理论分析、工程应用的顺序进行。教研室组织听课帮评加强对教学过程的监控管理和全程评价。③课后总结:在课堂授课后及时将本次授课的经验得失进行总结。④课程考核:采取平时学习表现与期终考试相结合的考核方法。⑤问卷调查:对学生进行不记名问卷调查,对调查结果进行总结分析,对照反思,有针对性地改进,力求本课程的教学水平达到新高。
6 结束语
《工程热力学》经过近五年的建设,课堂教学质量和教师教学水平得到明显提高,在学校有很高的教学评价。工程热力学先后在学校第五批重点课程建设和第二炮兵首批优质课程建设中评为优秀。
针对我校没有工程热力学实验室的现状,在学校领导和课程组的共同努力下,“2110”三期建设规划在今年正式启动热工基础实验室的新建工作,热工基础实验室建成及投入使用必将为学生提供《工程热力学》实验平台,缩短抽象概念和具体工程应用之间的距离;为学生提供实践和自主创新的场所,使工程热力学的教学质量再上一个新的台阶。
参考文献:
[1]华自强,张忠进,高青等编.工程热力学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]周丽萍,蔡康旭.关于《工程热力学》课程教学改革之浅见[J].时代教育(教育教学版),2009,(1):191.
[3]李文杰,余晓平,彭宣伟.工程热力学课程教学现状与改革思考――以重庆科技学院工程热力学课程为例[J].重庆科技学院学报(社会科学版),2012,(13):350.
[4]艾春安.《工程热力学与传热学》第二炮兵优质课程建设评审材料(内部资料)[Z].2011.
作者简介:李红霞(1979-),女,博士,讲师,主要从事工程热力学教学工作,研究方向为含能材料合成、性能分析和模拟计算,第二炮兵工程大学601室,陕西西安 710025
艾春安,第二炮兵工程大学601室,陕西西安 710025
平衡为基础的分析法。本文定性分析了两种方法的区别,并通过对某电厂锅炉系统的热力学分析,定量得出能分析和分析的区别。文中详细论述了进行系统热力学分析的意义,归纳了热力学分析的方法、内容及步骤。
关键词:能分析 分析 能效率 效率 损失
0 引言
随着人们节能意识的不断提高,为了获取更大的经济效益,人们将热力学原理应用于工程实际各能量系统的分析中。能量系统的热力学分析是根据热力学原理对各种能量系统进行研究分析,以明确系统各部位的能量损失状况,求取各种性能指标,对所研究的系统进行客观评价。
1 热力学分析的方法、内容
热力学分析的方法主要包括两种:以能量平衡为基础的叫做能分析法,它是传统的分析方法,依据热力学第一定律,建立在能量“量”的守恒上,对热力系统进行分析。而以平衡为基础的叫做分析法,是近些年发展起来的一种方法,依据热力学第二定律,是对能量“质”的分析[1][2]。
1.1 能分析法
能分析法是以热力学第一定律为基础,应用热平衡原理,并以热效率为基本评价准则,分析、评价系统能量有效利用状况的方法。它依据能量系统建立热力学模型,进行能量平衡计算,得出系统的热效率和各项热损失,得到系统热损失的分布,从而找出系统中热损最大的薄弱环节和部位,为改进设备和系统的用能状况提供技术依据。
1.2 分析法
分析法是以热力学第二定律为基础的热力学分析法。它是依据能量中的平衡关系,列出平衡方程并求解,通过分析,揭示能量中的转换、传递、利用和损失的情况,确定出该系统或装置的利用效率。
分析法的主要内容有[3]:
①进行物流、热量衡算,确定输入、输出体系中各种物流量、热流量、功流量以及各物流的状态参数(如温度、压力、组成等)。
②流计算。
③由平衡方程确定过程的损失。
④确定效率。
参与用能系统的流,可以分为三类,即输入流、输出流和系统内流。
①输入流类:是指由外界的源,物流穿过系统边界而进系统的。
②输出流类:是指由系统通过边界向外输出的。
③系统内部类:是指系统的输入于输出之差的部分。
1.3 两种热力学分析法的比较
两种热力学分析方法都是通过输入输出,有效利用能和损失的平衡,求解系统的总损失,进而确定损失的分布。并通过计算出的效率有效利用率来评价系统的完善程度。但能分析法只是从不同质的能量在数量上的守恒来计算损失,因而只计算外部损失而忽视了内部损失,其评价指标也只是计算了被利用部分能的数量和输入能的数量而忽略了其质量的变化,即忽略了过程的不可逆性所带来的损失。而且能效率的分子分母常常是不同质的对比,不能准确地表征能量的利用程度,而效率和分析法正好能解决上述缺陷,所以分析法要比能分析法更科学、更深入也更全面,它能准确地揭示损失的原因、部位以及指出改进方向等。分析方法既可以进行系统分析,又可以进行优化综合,它可以很便捷地进行系统优化,与经济因素结合后还可作设备全寿期成本统计等[4]。
随着节能工作的一步步深入,分析方法在能源管理、热能动力、制冷技术、石油化工和冶金等许多领域得到了广泛的应用。目前,有些国家已经将方法用于热力系统的热经济分析当中,而我国火电机组热力系统的分析方法实际上都是基于热力学第一定律的分析方法,其存在的缺点是不能揭示内部不可逆性大小,不能反映能质的蜕变情况,不能体现不可逆性对经济性造成的影响。因此对热力系统进行研究分析,根据分析结果所提出的问题采取相应的措施提高热力系统的热经济性,具有十分重要的现实意义[5][6]。
2 锅炉系统的热力学分析
2.1 原始数据
某电厂锅炉,其出口蒸汽压力为p=13.72MPa,温度为330℃,给水温度tw=215℃,尾部排烟温度为135℃,过热蒸汽量为410t/h,空气预热器出口空气温度为226℃,炉膛过剩空气系数为1.1。理论空气量为4.907m3/kg,每小时燃煤量为58298kg,其燃煤的低位发热量QL=18636
kJ/kg,全水分ω=4.9%。环境温度为19℃,依据上述数据分别对此锅炉系统进行能分析和分析。
2.2 分析计算
设图中mf、ma、ms、mg和mw分别为燃料、空气、蒸汽、烟气和给水的质量流量;而ha、hs、hg分别表示相应物质的焓,QL为燃煤的低位发热量,QB是损失的热量;ef、ea、es、eg和ew表示相应各物质流的比,IQ为向环境散失热量而引起的损失。由题设得:mf=58298kg,ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg,ms=410000kg,不考虑锅炉排污损失mw=ms=410000kg,由已知温度查表得:
ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/(kg・k) hs=3469.8kJ/kg,ss=3.5449kJ/(kg・k),hw=598.4kJ/kg,sw=2.4747kJ/(kg・k),ha=292.25kJ/kg,so=6.6732kJ/(kg・k)
图1 锅炉的能量平衡
图2 锅炉的平衡
按照图1所示的锅炉能量平衡关系,得出能量平衡方程:
mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB (1)
其中QB、mghg为损失的能量,而mshs-mwhw=ms(hs-hw)为有效利用的能量,则该锅炉的能效率为:
η=
=
=1.91(2)
按照图2所示的锅炉平衡关系,可以写出下面的平衡方程:
mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB(3)
式中IB表示整个锅炉内部过程总的损失。考虑到mw=ms,则锅炉内部过程总损失为:
IB=mfef+maea-ms(es-ew)-mgeg-IQ(4)
该锅炉的目的效率η应为:
η= (5)
由于es=(hs-h0)-T0(Ss-S0),ew=(hw-h0)-T0(Sw-S0)两式相减得:
es-ew=(hs-hw)-T0(Ss-Sw) (6)
用(5)对应除以(2)可得:
η=η (7)
将(6)式代入上式,则有:
η=η(1-T0) (8)
代入数据得:
ea=(ha-h0)-T0(sa-so)
=(509.4kj/kg-292.25kj/kg)-292.3(7.2245-6.6732)
=56.01
η=η(1-T0)
=0.91(1-)
=0.69
3 结论
从以上的计算结果可以看出,虽然是对同一台锅炉进行效率计算,但能效率和效率相差很大,能效率为91%而效率仅为69%,能效率的计算主要取决与锅炉排烟向外界散热的多少,主要考虑的是能量“数”的变化。但效率则不同,它不仅考虑了锅炉燃烧过程中的外部损失,而且考虑了燃烧、传热等锅炉内部各个过程所造成的不可逆损失。实际上,蒸汽锅炉的损失中最大的一项就是燃料燃烧和传热造成的损失,所以虽然从能效率即能量的数量上来看锅炉损失的不多,但这部分能量都是高品位的能量,价值都很高[7][8]。
由此可见,效率比能效率更能完善地反映锅炉的热经济性。所以,通过系统分析计算,找出损高的部位,采取相应措施进行改善。对目前我国火电机组热力系统分析具有十分重要的意义。
参考文献:
[1]郑体宽.热力发电厂.中国电力出版社,2001.
[2]郭民臣,魏楠.电厂热力系统矩阵热平衡方程式及其应用[J].动力工程,2002,22(2):1733-1738.
[3]杜亚荣.600MW机组热力系统的热力学分析与优化.硕士学位论文,保定:华北电力大学动力系,2007.
[4]朱明善.能量系统的分析.清华大学出版社,1988.
[5]林万超.火电厂热系统节能理论.西安:西安交通大学出版社,1994.
[6]孙实文,林万超.火电厂热力系统定量分析通用模型[J].西安交通大学学报,1996,30(5):123-125.
【关键词】学习兴趣;研究性教学;能力提高
随着时代的变迁、社会的进步和高等教育的发展,我国高等教育教学改革过程中不断出现新的问题,期中课程的教学改革是核心,而改革重中之重是如何调动学生的学习积极性和促进学生综合实践能力的提高,本文结合多年的化工热力学教学改革情况,谈几点体会以共勉。
1 引用研究性教学模式,创造主动学习氛围
化工热力学课程专业性比较强,内容比较枯燥,基本原理概念抽象、公式推导多、工程计算更是繁琐,学生上课往往表现学习兴趣不高。针对这一实际情况,教师首先需要对热力学的基本知识进行梳理,按照教学计划和要求对教学内容模块进行划分,并对教学内容外延知识体系进行补充,为课堂教学创造必要条件。化工热力学的课堂教学要求教师用科学恰当的方法把自己所掌握的精确的专业知识教授给学生,为达到人才培养的目标,提高化工热力学教学的时效性,部分引入以教师为主导、学生为主体的研究性教学模式,能够充分调动学生学习的积极性。
研究性教学是指老师以课程内容和学生的知识积累为基础,引导学生创造性地运用知识和能力,自主地发现问题、研究问题和解决问题,在研讨中积累知识培养能力和锻炼思维的新型教学模式。这种教学模式带动学生积极地投入到课程学习中去发现问题、研究问题和解决问题,并在研究过程中获取知识、提高技能、培养能力[1]。为此,在热力学教学中,我们尝试了“设定内容情境-启发思考-交流探究-总结提升”教学环节,将复杂的热力学知识体系,和学生先前学过的基本物理、化学、数学等知识紧密联系起来,应用于实际,营造自主或团体进行讨论和探究,和传统的教学模式相比,大大提高了学生的学习积极性,并达到了能力培养的目的。
在实际教学过程中,曾尝试选择几节内容,采取学生进行讲课。教师布置任务范围,提出要求,学生以团队为单位首先学会读懂教材内容,查找所需资料,再设计教学课件,最终在讲台上进行展示讲解。从学生到老师角色的转变,从自己学明白到讲解清楚,激发出了学生对热力学学习的兴趣,加强了对知识的理解深度,与此同时活跃了课堂的气氛,教师也可以从中观察到学生的学习心理,寻找到教和学的突破口,对于课堂教学的创新和学生能力的培养具有重要意义。
2 利用多媒体和网络教学手段,提高自主学习能力
针对化工热力学知识体系和内容的具体特点,在教学方式上,发挥多媒体优势进行教学,可以大大提高学习的时效性和增强学生学习的积极性。
多媒体技术应用文本、图象、动画、声音等运载信息的媒体结合体,以图文并茂的形式为化工热力学教学充实供了多样化、多维化的教学信息空间,使化工热力学的教学内容、教学模式得到了很大的充实和改进[2]。结合化工热力学自身的特点设计生动、立体、直观性强的教学软件,与公式推导的板书相结合,加快和加大课堂教学的信息量,吸引学生的注意力,提高了教学效果。
在多媒体内容的展现方式上,除了课堂教学外,充分利用互联网,拓展网络教学。学生反映平时在化工热力学学习中,经常会遇到疑难问题,课堂时间又极其有限,往往会造成问题堆积。针对这一情况我们建立了化工热力学网络教学辅导平台,可以师生交流、学生间交流,利用网络的开放性、交互性、共享性的特点,传递与化工热力学相关的前沿信息和资料,将教学内容在网上公开,实现资源共享,并及时为学生答疑解惑,随时提出新问题,在网上进行自由讨论,师生间共同研究,从而既迅速有效的解决了问题,又提高了学生的学习效率。
3 结合实验实践教学,培养工程实践能力
化工热力学的实验教学是对化工热力学基础知识的综合运用与实践,意在培养学生建立独立思考、观察分析、解决问题、验证结果的思维体系,培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力;让学生明确化工热力学在工业生产中、科学研究和工程设计中的重要性,有一个比较完整的感性认识和理性认识,也是进行产品生产和科研开发的必要准备。在实验教学的过程中,指导教师根据教学内容,详细制订系统完整的实验过程,建立了“做什么实验-为什么做实验-怎么做实验-如何提高实验数据可靠性”思维引导方式,注重挖掘学生的内在潜能和启发学生的智慧,在巩固和深化专业理论知识的基础上,要强化实验中出现的各种现象,再把实验过程中遇到的具体问题放入化工热力学的课堂教学当中,在相互融入讲解的过程中潜移默化的传授给学生,使其印象深刻,充分理解。
化工热力学所研究和解决的都是化工生产中的实际问题,因此实践教学环节非常重要,在热力学的应用章节的教学中,指导教师可以带领学生直接参与到企业的生产之中,结合课堂教学实例,按照“装置设想-实验室开发-工程设计-生产操作运行-工艺改进”主线,在现场指导学生运用所学的化工热力学基本理论联系实际,完成一定的实习任务,同时使学生在真实的生产环境中获取初步的职业训练和积累简单的生产操作经验,逐步提升工程意识和理论联系实际的能力;在企业实习实践活动中,学生开始涉入企业的先进理念和特色文化的信息,增强了参加工程实践活动的兴趣,为将来走向工作岗位、立足企业打下良好的基础[3]。
4 完善考核方式,促进培养目标达成
为了更好地评价学习的效果,必须进一步完善公平、公正、公开的考核体系,制定适应上述教学的评分标准,准确的反映学生的学习情况和能力发展水平,使学生在为成绩而努力学习的过程中,能够完成知识体系的建立和能力的提高。为此,教师应从培养学生学习思维和提高全面创新能力出发,逐步减轻期末理论考试的分量,倾向于平时的学习态度,如课堂表现情况,作业、实验、实结情况都占一定的考核比例,坚持课内与课外相结合、考试与考评相结合的原则。评分的等级和标准要进一步细化,从激发学生的学习热情出发,科学、有效、灵活的进行化工热力学的考核评分工作。如在考核的过程中,我们不考核学生对化工热力学公式的死记硬背,而是考核学生是否掌握了公式理论的应用场合条件,理解了各种符号的含义,能否明白推导步骤和过程,考核学生的推理、演绎能力等。
总之,从以上几方面入手,对化工热力学的教学工作有了更进一步的认识,以培养高素质化工人才为目的,通过不同教学方法的体验,激发了学生的学习兴趣,灵活运用化工热力学的理论知识解决实际问题的综合实践能力。
【参考文献】
[1]郑贵华.大学研究型教学的理论构想与实践探索[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士),2005(07).
关键词:素质教育;课堂教学;思考;实践
一、关于素质教育的思考
1.素质教育是培养高素质创新人才、科教兴国和教育为人民服务的必由之路
(1)我国要全面建设小康社会,实现中华民族的伟大复兴,为人类和世界做出较大的贡献,必须走人才强国之路,必须把培养高素质创新人才摆在突出的优先的战略地位。
(2)高素质创新人才只有通过长期地科学地教育和培养才能造就,而大学正是培育这样人才的摇篮和基地。大学的本质是培养和造就知识宽厚、能力突出、品德高尚、素质全面的健全和谐的人而不是一般意义的专家。尤其是国家重点建设的“名牌”大学,要承担起为国家和社会培养一大批拔尖创新人才的历史重任,更应当将素质教育摆在首要的地位。
(3)党的十六大报告指出教育既要为“社会主义现代化服务”又要“为人民服务”。以人为本的科学发展观强调发展既要“实现经济和社会的全面进步”又要“实现人的全面发展”。面对知识剧增的信息时代,面对着学生走向社会后职业和岗位的多次选择,学生阶段充其量所吸取的只是知识海洋中的几滴水。那么,我们培养出来的学生只有靠在校期间打下的良好知识基础、锻炼出来的自学能力与创新能力和培养出来的全面素质,才能胜任选择,永立不败之地。要知道各行各业的竞争,争到最后,争的不是学历,也不完全是知识,而是能力和素质。学校最终给予学生的应该是能力和素质。
2.课堂教学是素质教育的主渠道,教师是素质教育的主力军
学校实施素质教育,必须依靠教师、政工人员和后勤人员三支队伍,必须在课堂教学、课外活动和社会实践三维空间中合力推进才能奏效。其中,课堂教学是素质教育的主渠道,而课堂教学的主导者――各科任课教师则是关系到素质教育优劣成败的主力军。由于教师的特殊身份、渊博的学识和学术成就,决定了教师对学生有一种其他人员无法比拟的信任感和影响力。教师为人师表、言传身教、教书育人的教学活动,往往起到事半功倍的效果。只有我们每位任课教师都深刻认识自身的责任、自觉地充分发挥自身优势和作用,素质教育才能在课堂教学中真正落实。
3.落实素质教育,课堂教学必须改革
(1)必须更新教育教学观念,树立新的教师观、学生观和教育观。摒弃只要科研水平高就是好教师,教学好是没水平的观念;树立教学科研相互促进,共同进取才是好教师的观念;摒弃教师只管教书而育人是政工人员的事的观念,树立教书育人是教师天职的观念;摒弃教书只是传授知识的观念,树立以知识传授为载体,知识、能力、素质并重的观念;摒弃只有学习好,才是好学生的观念,树立德、智、体全面发展才是好学生的观念。一名合格的教师要敬业爱生、耐住寂寞、勇于探索、坚持不懈,在素质教育的课堂上发挥聪明才智,在教书育人的舞台上建功立业。
(2)必须优化课程设置。要扩展视野,面向世界、面向未来,围绕培养高素质创新人才这个中心,不断完善培养方案,构建科学合理的课程体系,减少陈旧过时的课程,增加课程的基础性、综合性、人文性和时代性。
(3)必须更新教学内容。要在筛选保留传统经典基础性的知识的同时紧紧跟上科技发展的步伐,增加新知识。把反映科技进步的新成果、新理论、新方法及时引入到教学中来,让学生学到鲜活实用的新知识,掌握新本领,适应新需要。
(4)必须大力推进课堂教学方法的改革。改变充斥课堂教学中“填鸭式”、“满堂灌”、教师一人唱“独角戏”的现象。大力提倡“启发式”、“探究式”、“师生互动式”等教学方法。教师要改变只重现知识本身的讲授,忽视知识产生过程,忽视学生思维能力、创新能力培养,忽视学生良好品德熏陶的陈旧教学模式。着力激发学生学习兴趣和求知欲望,着力激发学生乐学爱学,刻苦自学的内在驱动力,着力培养学生的独立思考能力、批判性思维和良好品德。
(5)必须科学地运用先进教学技术手段。充分发挥优秀课程软件和多媒体技术形象直观和信息量大等优势,提高课堂教学的生动性、趣味性、现场感和效率。需要强调指出的是,多媒体等现代教学技术手段只是一种辅教学工具,要特别注意电子教案和课程软件的制作质量、适用对象和使用方式,防止泛用。
二、在“工程热力学”课堂教学中实施素质教育的实践
1.画好一张蓝图――精心设计课堂教学
“凡事预则立,不预则废”,要把素质教育真正融入课堂教学,我对“工程热力学”课堂教学进行了精心设计,做到了课程全局在胸,每堂课具体步骤有序实施。这种设计包括“课堂教学设计框图”和“工程热力学课堂教学设计教案”两部分。前者是课堂教学的总体思路和程序设计,后者是每一次课的具体实施方案。“课堂教学设计框图”包括:前次课内容回顾与作业讲评,本次课内容提出,本次课内容提要,核心知识点、重点、难点讲授,知识点、能力点训练(例题、提问、讨论),课堂总结,布置作业,本章知识结构框图,下次课内容提示,填写教学评估卡以及大、小循环反馈等内容。
课堂教学设计遵循如下三个原则:
(1)紧紧围绕“工程热力学”课程的基本概念和基本定律这个中心,通过教师讲授与师生交流互动,让学生掌握本课程最基本、最重要、最有用的鲜活知识,首先给学生打下能力与素质的知识基础。课堂教学设计必须牢牢抓住知识传授这一主线,带动全局,使全面提高学生的素质的理想目标具备坚实的基础。我们强调素质教育同样必须重视知识传授,“不能在倒洗澡水的时候把孩子一起倒掉”。我们反对的是知识中心主义,反对把让学生“知道”作为教育的最高目标,不仅向学生传授知识,而是教会获得知识的方法,教会学生运用知识进行判断性、创造性的思考,促进其全面充分自由的发展。
(2)深入挖掘工程热力学科学理论的知识价值、能力训练价值和素质培养价值,力争做到知识、能力、素质三者并重与有机结合,相互渗透,共同施教,力争使学生获得真知、提高能力、升华人格。
(3)总体上要求整个课程达到传授知识、培养能力和提高素质三维教学目标。具体到每一次课还要实事求是,并不苛求面面俱到,知识与能力或知识与品德可能只侧重在二维目标,而不是都要达到三维目标。
2.施力于两个着力点――爱国、创新
一个人才应具有的素质一般包括;思想品德素质、科学文化素质、专业素质、身体素质和心理素质五个方面,其核心是爱国主义和创新精神两个方面。这也是课
堂素质教育应着力培养的两种最基本、最重要的素质。本人讲授的“工程热力学”是自然科学知识基础课,既不能讲成脱离知识传授的一般的创新理论课,更不能讲成说教式的思想品德教育课。要特别讲究方法,要特别注重效果。为此确定的原则是:潜移默化,润物无声,重在渗透,重在熏陶,适时适度,努力做到“好雨知时节,当春乃发生,随风潜入夜,润物细无声”。
(1)培养学生爱国主义精神的具体做法是:
在绪论课中,通过热能利用在整个能源利用中地位的阐述使学生认识研究热能利用和学习工程热力学的重要性,向学生进行爱课程、爱专业的教育;通过对我国能源利用现状的分析增强学生对我国能源的忧患意识和责任意识,激发学生为解决我国能源问题而努力学习的爱国热情。
在讲授热力循环等章节时,通过国内外热能动力设备循环热效率的对比,让学生了解我国用能效率低下、环境污染严重的现实,激励学生为改变落后现状,赶超世界先进水平,为国争光的雄心壮志。激发学生们为中华民族崛起而发愤读书的爱国情怀。
(2)培养学生创新精神的具体做法是:
紧密结合教学内容,注重对学生进行发散思维、逆向思维、批判性思维的培养。例如在讲如何提高循环热效率时,首先从数学上分析,提高热效率集中体现在状态坐标图上循环封闭线内的面积越大越好,则必须从这个面积出发向上下左右四周扩展开来才能达到。从基本蒸汽动力循环――朗肯循环开始向上可从提高初温、初压入手;向下可从降低背压,减少循环热损失起步;向左可引出抽汽回热循环;向右可引出再热循环。通过这样的讲解,学生不仅掌握了蒸汽动力循环的全貌及内在联系,而且也受到发散性思维的训练和培养。又如在讲范德瓦尔状态方程时,着重分析范德瓦尔如何从逆向思维出发,从原来的理想气体模型不考虑分子自身体积、不考虑分子间作用力到反其道而行之,考虑分子自身体积、考虑分子间作用力,从而建立起范德瓦尔实际气体状态方程,开创了实际气体状态方程研究的先河,使范德瓦尔摘取了诺贝尔奖的桂冠。这样的讲解,使学生受到了逆向性思维的启发和勇攀科学高峰的教育。
紧密结合热力学基本概念,基本定律,适当介绍热力学发展史和科学家的生平轶事,借此让学生们了解科学理论的创新方法以及渗透于其中的科学家的科学精神。并进而引伸我们从中应获得的创新方法的启示、科学精神的熏陶以及人生感悟。
紧密结合热力学中尚未解决的理论问题和实际问题,引导学生们来思考、研究和创新。我常常向同学们讲任何真理都是相对真理,同样,我讲授的热力学理论知识,也只不过是真理长河中的一段溪流,而不是热力学的终极真理。这好比一个完整长句子中间停顿的逗号而不是句子最后的句号。热力学理论尽管是一门比较古老、比较完善的学科,但是它也在不断发展进化之中。从纵向来说,从可逆过程热力学到不可逆过程热力学,从线性不可逆过程热力学到非线性不可逆过程热力学乃至到耗散结构理论;从横向来说,从理论热力学到工程热力学、化学热力学、生命热力学等等。基于这种认识,我讲课的时候,总是实事求是地讲到某种“逗号”的程度,而不总是讲到“句号”完结,力争讲到“问号”的程度,讲出问题来。我体会,一个会讲课的老师讲的课,不只是要让学生学得有趣、有用、还要有疑有思,这个思就是要培养学生思维能力,特别是批判性思维能力。
我经常给同学们列举热力学中尚未解决的难题:如微观可逆性与宏观不可逆性的矛盾问题、平衡状态的局限性问题、普适精确状态方程的研究问题,热动装置中能量利用率最有效提高的途径问题、传统能量利用方式与环境相容问题以及参数直接测量仪器研制问题,等等。我列出上述问题的目的在于让同学们认识到热力学本身的不完整,有很多难题等待我们去解决,让同学们破除对真理的神秘感,给学生留下足够的独立思考空间,诱导和触发学生的创造冲动,让学生们大胆去质疑、探究、想象、发明和创造,去攀登科学高峰。
3.抓住三个环节
(1)了解学生,因材施教。老师只有真正了解学生,才能因材施教,收到好的效果,我采用三个具体作法:
①通过《学生情况调查表》了解每一个学生的全面状况。解掌握学生的家庭背景,学习经历,接受能力,学习现状,专业思想,特长爱好与不足,人生志向与理想,便于老师有的放矢的组织教学活动,真正做到因材施教,帮助每个学生更好地成长成才。对于学习基础差、生活困难的学生,给予更多的关心和帮助。
②通过每次课后让学生填写《工程热力学课堂教学评估卡》,了解教与学的情况。为节省学生填卡时间,评估卡只调查三个方面情况:a.在今天课堂上,你学到的最重要的东西是什么(包括知识、能力、素质)?b.你心里仍旧存在的最大问题是什么?c.我今天的讲授中最模糊的是什么?通过评估卡我既可及时改进自己的教学工作,又能及时了解学生思想动态。三年来我收上来的教学评估卡有三千多张,对改进我的教学帮助很大。
③与每个学生谈心,努力走进学生心里,做学生的益友良师。我不仅努力做到育人寓教书之中,我还努力做到师爱于课堂内外。我坚持与每个学生促膝谈心,真诚地与学生交流,谈学习、谈理想、谈生活……并且在谈心中不失时机地对学生加以引导和点拨。
关键词飞灰;熔融; Pb;Zn;迁移;
中图分类号 X799.5文献标识码:A 文章编号:
一.前言
焚烧法己成为发达国家处理城市生活垃圾、工业有害废弃物、医院废弃物以及市政废水处理后污泥的主要技术途径之一。
焚烧技术因可对垃圾进行有效减容及资源利用而获青睐,目前在国内得以积极推广。但垃圾焚烧炉渣和烟气富含有机氯、重金属等有毒有害物质,给环境带来二次污染,必须对其进行有效处理。处理焚烧炉渣及飞灰的方法主要有固化、酸提取、熔融等。由于熔融过程中二恶英去除率可达到99%以上;飞灰经熔融后可减容2/3;高沸点重金属被稳固的包裹在SiO2所形成的Si-O网状结构中,熔渣浸出毒性大大降低,可作为建筑材料得以资源利用等优点,熔融处理技术逐渐成为当今研究热点。为了掌握重金属在熔融过程中的迁移分布规律,以指导熔融工艺条件优化,以Pb、Zn元素为例,利用FACT 软件对其进行热力学模拟计算分析。
二.分析方法
以重庆市同兴垃圾焚烧厂为例,其焚烧炉温为950℃左右,其焚烧飞灰中铅、锌、硫、氯元素含量组成如表1所示:
表1 飞灰中铅、锌、硫、氯元素含量(%)
Table1the contents of Pb、Zn、S、Cl in fly ash(%)
采用FACT 软件[6]进行化学热力学平衡分析。该软件的理论计算模型如下:
(1)
(2)
(3)
FACT软件数据库存储了比容随温度变化的系数(a、b、c),
(4)
通过(4)可计算出
(5)
中的系数,从而获得单一物质在不同温度下的吉布斯自由能;以最小吉布斯自由能为理论基础,认为体系达到热力学平衡的充要条件为:
or (6)
从而预测出体系平衡时可能出现的产物。
文章计算分析了200-2000℃温度范围内 ,0.1MPa 压力条件下不同系统中铅、锌的迁移分布。
三. 模拟计算结果与讨论
2.1 直接熔融飞灰体系
模拟飞灰熔融过程, 以同兴垃圾焚烧厂飞灰的主要化学组成(见表2)作为输入数据,分析其中Zn、Pb的迁移分布规律,结果见图1、图2。
表2飞灰主要化学组成(除Zn、Pb、S、Cl外%)
Table 2 the main components of fly ash (beside Zn、Pb、S、Cl% )
由图1-图2可以看出,在模拟实际的飞灰熔融体系中,在900℃以下Zn、Pb主要以其固态硫化物存在,1000℃左右才开始以其氯化物挥发至气相中,并随温度的不断升高,其气态单质及硫化物的量有不断上升的趋势。
图1飞灰体系中Zn的分布图2飞灰体系中Pb的分布
Fig.1 the distribution of Zn in the fly ash system Fig.2 the distribution of Pb in the fly ash system
2.2 铁浴熔融飞灰体系
模拟飞灰铁浴熔融过程,生铁与飞灰的比例为1:1,铁的输入值为17.857mol,生铁的含碳量为2% (1kg生铁中含碳量为1.667mol),分析铁浴熔融飞灰体系中 Zn、Pb的迁移分布规律,结果见图3、图4。
图3 铁浴熔融飞灰体系中Zn的分布图4铁浴熔融飞灰体系中Pb的分布
Fig.3 the distribution of Zn in the iron melting bath system Fig.4 the distribution of Pb in the iron melting bath system
由图3-图4可以看出,Zn受铁浴的影响,较直接熔融提前在800℃即从固态ZnS形态全部转变为ZnCl2挥发至气相。Pb在低温段(500℃以下)以其单质态取代PbS存在于渣相中;在600℃到1000℃温度段,Pb几乎全部进入铁相,随温度的不断上升,铁相中的Pb逐渐以PbCl2 、PbCl形态进入气相;并于1200℃时在铁水相中的分布达到一个峰值50%左右,可推测在1200℃铁浴熔融分离Pb的效果最佳。
四. 结论
根据重庆同兴垃圾焚烧飞灰的理化性质,通过模拟飞灰熔融过程的条件,对Zn、Pb在不同系体系中不同条件下进行热力学计算,可以得到以下结论:
1)熔融温度一般为1300℃左右,在此范围内,焚烧飞灰中的Zn、Pb均以氯化物形态挥发至熔融烟气中,Zn、Pb的主要形态为ZnCl2、PbCl2,伴有少量PbCl;
2)通过模拟计算,验证了铁浴熔融分离重金属的可行性。模拟预测在1300℃左右Pb在铁水相中分布率可达35.9%,对现实铁浴熔融工艺具有指导意义。
基金项目:“十二五”国家科技重大专项2011ZX05041-004
作者简介:姚成林(1981~),男,学士,工程师,主要从事煤矿安全与煤层气利用技术方面的研究
参考文献:
[1] 徐杰英.煤燃烧过程中痕量元素铅的反应机理研究.华中科技大学硕士学位论文,2004.4
[2] 张衍国,武俊,李清海等.垃圾焚烧重金属迁移特性及其影响因素.环境污染治理技术与设备,2005,6(12)
[3] 薛文颖,李薇,申勇峰.镍精炼过程中Pb和Zn的热力学探讨.矿冶,2007,16(2):35~37
[4] 薛浩栋.危险废弃物重金属迁移和控制机理研究.浙江大学硕士学位论文,2006,1
[5] 王学涛,金保升,仲兆平.垃圾焚烧炉飞灰熔融特性及重金属的分布.燃料化学学报,2005
英文名称:Journal of Engineering Thermophysics
主管单位:中国科学院
主办单位:中国工程热物理学会;中国科学院工程热物理研究所
出版周期:月刊
出版地址:北京市
语
种:中文
开
本:大16开
国际刊号:0253-231X
国内刊号:11-2091/O4
邮发代号:2-185
发行范围:国内外统一发行
创刊时间:1980
期刊收录:
CA 化学文摘(美)(2009)
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中国科学引文数据库(CSCD―2008)
核心期刊:
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊荣誉:
中科双效期刊
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期刊简介
《工程热物理学报》(月刊)创刊于1980年,是由中国科学院主管、中国工程热物理学会 中国科学院工程热物理研究所主办的技术科学学术性刊物。由已故世界著名的工程热物理学家、叶轮机械三元流动通用理论的创始人、中国科学院院士、原中国工程热物理学会理事长、原中国科学院工程热物理研究所所长吴仲华教授创办。主要读者对象为工程热物理专业科技人员及相关高校师生。
像介绍表面张力时,就与学生一起做一个熟悉的肥皂膜游戏,边做边提问并讲解,让学生自己发现力的存在和力的方向,之后再让学生画出滴定管下端的液滴、水面下拉环或向下压面时所形成的弯曲液面的表面张力的方向时,学生快速准确地画了出来;在引出微小液滴的饱和蒸汽压与平液面的蒸汽压的关系,即开尔文公式时,就以冬天路边的雪堆,环卫个人是怎么处理的为题,分析原因,得出结论,再从热力学原理推导出开尔文公式,并和学生一起讨论农民为何天旱时锄地,“三北防护林工程”植树利用了物理化学哪方面的原理。这样在课堂教学中设置一些和生活实际相关的有趣的问题,让学生带着疑问和好奇去学习,使学生感到物理化学就在他们身边,生动而具体,从而激发了学生的学习兴趣。
二、使学科发展前沿的新技术和新成果渗透到课堂
物理化学作为一门化学专业的基础课,在本科生的培养过程中,不仅具有为其它课程服务的作用,更重要的是培养学生的创新能力。这就要求物理化学的教学内容也需在原有课程体系的基础上,精简一些次要内容,而把学科发展前沿的新技术和新成果渗透进来,让学生感受到物理化学课程不完全是一些枯燥乏味的概念和公式,而是活生生的现实。另外,物理化学与其他学科相互渗透、相互结合,形成了许多边缘学科,拓宽了物理化学的研究领域。像光化反应与环境科学,生命科学,材料科学及信息科学的关系十分紧密,而光化反应在化学动力学中仅占很小比重,常被忽略,但在讲课时介绍光催化在环境净化和生命过程的应用,开拓学生的视野。在介绍表面活性剂时,引入学生比较关心的石油开采过程,扼要介绍一次开采、二次开采、三次开采等概念,使学生既掌握了表面活性剂的作用原理,又拓展了知识面;在讲解电化学时介绍燃料电池,在讲解真实气体时介绍超临界萃取技术等。教学大纲中虽然没要求这些内容,但可以增加学生的信息量,引起学生学习的兴趣,激发学生的学习积极性。
三、注重教学内容与教师科研的相互渗透
将教师的科研课题或成果直接转化为教学资源或综合性、设计性实验的内容,学生根据自己的专业和兴趣参加到教师的科研中,也可参加大学生创新创业项目,早期介入科研。例如,讲到活度的概念时,就向学生介绍一位研究生的硕士论文的部分内容;讲到接触角时,又给学生介绍我们测定金属溶液与不同种类固体接界时的接触角的过程和结果;讲到langmuir吸附和BET公式时,给学生推出了测定固体比表面的常用仪器-ASAP2020物理吸附仪,并给学生详细讲解测定分析过程。我们还将教师的科研项目二甲醚重整和甲烷重整用的催化剂的制备部分,转化成综合性、设计性实验,要求学生从查阅文献资料开始,自己设计全套实验方案,经指导教师审核后即可进行制备,所得产品直接用于后续的重整反应。对于部分参与科研活动实验结果较好的学生,我们积极鼓励学生整理数据,撰写论文并发表在国家级学术刊物上,曾先后在表面技术、天津化工、辽宁化工、化学工程师等期刊上5篇。这样将教学内容与科研课题相互渗透,提高了学生的科研创新能力,还学到了科技论文写作方法,增强了学生的自信心,激发了学生的学习兴趣,调动了学生的学习积极性。
四、采用设问教学法活化物理化学课堂教学
所谓设问教学法,就是从人们公知公认的现象中提炼问题或困惑入手,设计一些与所讲授课程内容相关的问题,引导学生仔细思考分析,展开广泛讨论等解决这些问题。在教学过程中,我们始终坚持一个原则,就是教学的目的绝非是向学生灌输多少知识,学会推导多少个公式,完成多少种计算,而在于激发学生如何去思考与创造,授人以“渔”,而不授人以“鱼”。精心设计问题成为物理化学课堂教学常用的组织形式。通过采用设问教学法,让学生带着问题学,不仅激发学生的学习兴趣,积极参与教学,也让学生学到有关的基础知识,同时还培养了学生的科学思维能力、自学能力和运用所学知识解决实际问题的能力。例如,引出Kelvin公式时,先通过密闭容器中放置的大小不等的汞滴的变化情况,提问学生饱和蒸气压都与哪些因素有关?然后再从热力学角度进行公式的推导,加深了学生对公式的理解,也调动学生积极参与到教学环节中,教师与学生互动,活跃了课堂气氛。
五、建立物理化学教学的知识框架,注重学生的思路和知识点的衔接
【关键词】水合物 相平衡模型 气体分离
1 前言
利用水合物进行气体分离是一门新颖的学科。水合物法分离气体是基于各种气体形成水合物的压力差别很大,控制压力使易生成水合物的组分发生相态变化(从气态到固态),因此通过形成水合物易进行某些气体分离,如甲烷和乙烷、甲烷和乙烯等。与超临界萃取、深冷分离和冷冻结晶分离相比,水合物的生成条件温和、能耗低、分离效率高而且对环境无害,具有广阔的应用前景。
利用水合物进行气体分离就必须对水合物的相平衡条件进行深入的研究,气体水合物相平衡热力学主要解决气体水合物形成和存在的温度、压力条件,预测已知状态系统是否可形成水合物。其理论依据主要是多相系统相平衡理论,而这要涉及到水合系统所有相中每一组分化学势(逸度)的计算。因此,建立所有物质在每一相中的化学势(逸度)模型是气体水合物相平衡热力学的主要任务。
2 热力学预测模型的分析
根据相平衡准则,平衡时多元混合物体系中的每个组分在各相中的化学势相等,采用水(W)作为考察组分,即:
由上式可知,预测水合物生成条件的理论模型可分为水合物相和富水相的热力学模型两部分。
范德瓦尔-普朗特根据水合物晶体结构的特点,应用统计热力学方法结合兰格缪尔气体等温吸附理论,推导出如下的表达式:
C为客体分子j在i型空穴中的兰格缪尔常数;
NC为气体混合物中可生成水合物的组分数目。
以后针对ijC的计算,又提出了多种对此模型的改进,主要有:Parrish-Pransnitz模型,Holder-John模型,Ng-Robinson模型和Du-Guo模型等。
Chen-Guo模型
1996年陈光进和郭天民提出了一个完全不同于范德瓦尔-普朗特模型的全新的水合物模型。
Chen-Guo认为水合物的成核过程同时进行着以下两种动力学过程。
准化学反应动力学过程:气体分子和水络合生成化学计量型的基础水合物。
吸附动力学过程:基础水合物存在空穴,一些气体小分子吸附于其中,导致整个水合物的非化学计量性。
在第一个过程中,溶于水中的气体小分子与包围它的水分子形成不稳定的分子束,分子束的大小取决于气体分子的大小,一种分子只能形成一种大小的分子束。分子束实际上是一种多面体,它们缔合过程中为保持水分子四个氢键处于饱和状态,不可能做到紧密堆积,缔合过程中必然形成空的胞腔,称其为连接孔,这就是水合物中另一种大小不同的空穴。这一过程可由下面的反应表示:
对范德瓦尔-普朗特模型的改进主要集中于兰格缪尔吸附常数计算方法的改进,但结果始终不能令人满意,笔者认为,这是因为这些模型都是以统计吸附理论为基础,范德瓦尔和普朗特在最初提出该模型时,假设水化物生成过程服从兰格缪尔等温吸附理论,但事实证明这种假设过于简单,水合物生成机理极其复杂。这也正是Chen-Guo模型优于范德瓦尔-普朗特模型的原因。ChenGuo认为水合物生成过程同时存在着两个动力学过程,以此理论为基础得到的模型其计算结果与实验数值符合得较好。上述七种理论模型的精确度依次为:Chen-Guo>DuGuo>NR>HJ>PP>VDW。
更重要的是。Chen-Guo模型形式更为简单,避免了较难直接计算的化学位,因此也就避免了去选择一些易于造成混乱的基本参数,计算更为简便,总之,比起范德瓦尔-普朗特系列模型,Chen-Guo模型更适用于工程技术人员进行工业计算。
4 气体水合物热力学模型的修正与改进
综合上述各种模型的优点,结合实际工业需要,本文以Chen-Guo模型为理论基础,引用Nasrifar的混合规则,并且考虑了气体溶解度的影响,对Chen-Guo模型进行了改进。
由前述可知,对混合气体而言,ChenGuo模型的相平衡准则为:
该模型假设液相中的电解质、醇类和溶解气三者相互之间没有影响。
5 模型考核
为了证明本模型的预测能力,应该用本模型的预测结果和实验数据相比较,本模型即可预测平衡温度又可预测平衡压力,当考核预测温度的准确性时,采用温度的统计平均绝对误差(AATD)来表示。AATD按下式给出定义:
式中NPTS代表所取的点数。
压力的平均误差百分数(AAPE)由下式给出:
本文首先利用该模型预测甲烷在电解质(NaCl、KCl、CaCl)溶液中生成水合物的能力,然后将计算值与实验值相比较,见下表2,从表中可以看出计算值与实验值符合的比较好。
6 结论
本文对水合物相平衡热力学模型进行了总结和改进,将测试温度以冰点为分界点划分为两个区域,在不同的区域采用不同的方法计算水的活度。可以预测含醇或/和电解质溶液水合物的相平衡条件,考虑了气体在水中溶解度对水合物相平衡条件的影响。论文还对水合物气体分离技术进行了阐述。
参考文献
[1] Van der Waals,J.H..Clathrate solutions. Advances Chenical Physics,1959
[2] 陈光进,马庆兰,郭天民.气体水合物生成机理和热力学模型的建立[M].化工学报,2000,51(5)626-630
与基础英语相比,专业英语的教学内容大都不固定,但目前专业英语的教材有限[5]。目前我校采用的是由化学工业出版社出版的大学英语专业阅读教材编委会组织编写的《化学工程与工艺专业英语》[6],比较欠缺清洁能源生产方向的高质量有针对性的教材,因此化工专业英语的教材的改编和建设成为此课程教学改革中的关键。教与学的方法在一定程度上取决于教材内容[7]。然而目前没有关于清洁能源生产方向的专业英语教材,也没有与煤化工或者石油加工方向的教材,只有中国石化出版社出版的与石油化工类相关的教材—《石油加工专业英语》,教材涉及的加工工艺都比较旧,教材的前沿性不够强。因此,目前迫切需要一本涵盖最新加工工艺和学科前沿的清洁能源生产方向的专业英语教材。对于化工专业主要的基础课程,比如《化工原理》,《化工热力学》,《化工设备设计基础》,《化学反应工程》与化工专业英语的结合,对化工专业课程《石油炼制工程》,《洁净煤技术》,《天然气加工工程》,《化工工艺学》,《化工分离工程》,《化工流程模拟机优化》等课程中涉及到到典型生产和加工工艺以及化工流程模拟软件的介绍,与专业英语课程进行整合并进行内容上的优化,以编写适应实际化工清洁能源生产的专业英语教材,为即将走出学校步入社会的化学工程与工艺专业的毕业生奠定一定的基础。在此基础上加入一些原版英文的科技报告及科技简报,对提高学生的专业阅读和写作水平有很大的帮助,也可以加入一些科技英语写作初步入门的材料,专业英语不同于大学基础英语,内容更多地侧重于阐述化工专业的理论知识、学科发展,典型工艺和新工艺、前言工艺技术水平的发展等。化工专业英语涉及大量的化工领域的专业性词汇,在新教材中此归结为化工工程项目、工艺流程、化学物质及特性、化工设备和管道工程等五部分。这样,分成具体的模块来展开词汇的讲解,专业性更强,有利于学生的对于专业词汇的掌握。从教材的主体内容来说,教材主体内容分成以下四个重要的模块:化工专业基础模块,化工专业模块,流程模拟软件简介和化工科技英语写作。其中,化工专业基础模块主要结合物理化学,化工热力学,化学反应工程和化工原理,介绍化工生产中的典型单元操作的基本原理和主要设备;化工专业模块,主要结合现修的专业课程,介绍煤化工(煤制甲醇、煤制烯烃、煤制天然气等)、煤层气综合利用、清洁油品生产、生物质能转化、稀土洁净化生产以及其它加工业等领域的基础知识和典型的工艺流程,迫在内容上更加丰富,能够体现出现代化工行业在各个方面的发展特色和基本概况,能够带领学生更细致体会化工专业发展前沿,有助于培养学生的工程实践意识和专业素质。
2化工专业英语教学实践改革的方案——专题报告教学模式
在教材中完善的同时,及时更新化工专业英语的教学大纲和课程教授内容的PPT制作。在此主要强调PPT的模块式教学,将课程的教授分成八个系列专题报告,每一个专题可以论述一个具体领域的概况,便于学生更全面地认识化学工程与工艺专业究竟是一个怎么样的行业。结合学生已修过的《化工热力学》、《化工原理》、《分离工程》、《洁净煤技术》、《化工设计》、《石油炼制工程》专业课,尤其是煤化工(煤制油、煤制天然气、煤制甲醇、煤制烯烃)、煤层气综合利用、清洁油品生产、生物质能转化、稀土洁净化生产等领域发展,列举出各个领域中典型的工艺进行介绍,可以更加深刻理解各个工艺过程。比如,专题报告五主要介绍聚丙烯聚丙烯产品的特点和用途,生产工艺的具体流程和特点,以及催化剂的特性。专题报告教学模式(图2)的教学更能提高学生对于前言工艺和典型的认识和熟悉,为学生步入社会和工作岗位奠定一定的基础。
3科技论文写作的初步入门
通常情况下,科技英语论文文章结构严谨,文体形式多样化,如论文、论述、实验报告、教材、专利、说明书等,文章尊重客观事实,多以叙述原理,描述自然现象为主,用词严谨、理论推导多、表达明确、逻辑性强。为此,从化工领域的期刊中(比如,Industrial&EngineeringChemistryResearch.,AIchE,Energy&Fuel等)中选取几篇文章,每篇论文的大体框架基本为题目、作者及地址、摘要、前言、实验部分、结果与讨论、结论、致谢、参考文献等九个部分,然后进行阅读讲解,着重介绍阅读过程中如何迅速把握论文的重点,哪些需要精读,哪些需要略读,在此基础上才能有效提高阅读论文的效率。在熟练阅读的基础上,针对以上的论文框架,展开具体每个部分应该怎样去写,并进行举例说明。每讲完一部分,需要给出一个题目,要求同学们一起来讨论并给出一个具体的写作方案,这些全部都要求学生在课堂上完成,这样便于及时消化内容,达到趁热打铁的效果。在学期末组织学生模拟参加一次国际学术会议,将课上的同学分成几个大组,各组的学生可以在课下利用课余时间搜集一些针对化工领域的相关材料,亲自动手组织和编写材料,制作PPT,并与其它组的学生进行交流和讲解,这样既能使学生及时了解当今世界最新科技动态,又能将本人在专业领域研究的新成果和新思路直接与同行进行交流。这样也可以打破传统的以教师为主的劣势,充分发挥学生的主观能动性和团队协作能力,从读、写、讲上突破自我,更加适应专业英语对于化工专业人才的培养。
4结语
关键词: 化工计算 教学内容 教学方法 改革实践
物理化学是高职化工工艺类专业的一门非常重要的核心专业课程,其学习效果直接影响到学生对后续专业课程(如化工原理、毕业论文与设计)的学习,更间接地影响到学生毕业以后的岗位适应能力和发展能力。从总体上讲,高职学生数理逻辑能力是明显的弱项,大部分学生对本课程存在不同程度的学习障碍。如何推动物理化学课程教学改变,一直是基础化学课程授课教师面临的一个悬而未决的老大难问题。
一、删繁就简
从教材与教学内容改革入手调动学生积极性。从内容上看,若干教材版本基本上由绪论、气体、热力学第一定律、热力学第二定律、化学平衡、相平衡、胶体与表面化学、电化学、动力学基础构成。教材理论色彩浓厚,缺少鲜活的行业实践案例,对其进行增删取舍是非常必要的。笔者的主要做法可概括为单元化、模块化改革,突出实践性教学内容。首先将教学内容划分为五个单元:热力学基础单元、化学平衡单元、物质分离提纯单元、电化学单元、动力学单元。五个单元按照由简单到复杂的逻辑方式递进,既遵循专业知识学习的内在逻辑规律,又考虑到删繁就简,以适应高职学生的偏好。每个学习单元设置数量多少不一的学习模块或任务,这些学习模块之间既有相互之间的内在联系,又各具独立性特点。对高职化工工艺类学生而言,重在如何应用所学到和掌握的专业知识、技能解决现实化工生产问题,而不应过于强调课程知识的系统性。因此,笔者对本课程内容删减最多的要数热力学基本定律。教学实践表明,热力学基本定律能解决两个问题:能量衡算和方向判断,而这一直是一个几乎令所有课程师生伤脑筋的问题。解决的办法是大幅删减具有相当难度、师生都厌烦的理论内容,突出具有实用性、行业实战性的内容。
二、高度重视案例教学和情境教学的巨大作用
物理化学是一门理论性很强的、比较枯燥乏味的专业基础课程,教学过程与方法策划不当,教学双方的主体性均不可能得到充分发挥,效果不言自喻。通过案例的引入,开展研讨式教学,充分调动学习的主动性,学生显然能提高学习兴趣。例如,在化学平衡单元教学中,笔者引入我院生产实训装置――乙苯脱氢反应案例,学生现场学习,迅速理解了温度、压力、催化剂、惰性气体-水等工艺参数的重要性及原则性的操作步骤与方法,活跃了课堂气氛,发展了发散思维能力和综合能力。此外,从教学过程来看,企业鲜活现实再现于课堂,企业生产经营中现实的策划、规划、设计、作业管理决策的再现,能使学生掌握发现问题、诊断问题成因、解决现实问题的思路、方法技能,持之以恒,逐步养成创造性思维和灵活运用理论知识的习惯,提高分析、综合能力和创造性,从根本上内化理论知识,巩固学习效果。
三、注重引导好学生的研究性学习
所谓研究性学习,从广义上理解,泛指学生主动探究的学习活动,是一种学习的理念、策略、方法,适用于学生对所有学科的学习。从狭义看,是指教学以问题为载体,创设类似科学研究的情境和途径,让学生通过自己收集、分析和处理信息实际感受和体验知识的生产过程,进而学会学习,培养分析问题、解决问题的能力和创造能力。毫无疑问,研究性学习给老师留下了很大的创造空间,但也增加了课程实施中的大量的不确定因素:课程的实施模式、价值判断、切入口、推行步骤、资料来源、研究结果及呈现方式,等等,几乎每一个环节都需要因地制宜、因人而异、因现存条件而决定。针对物理化学课程,研究性学习中“问题”的呈现可以是多种多样的。笔者主张这些问题来源于化工生产实际过程比较妥当,也可以与问题情境教学配合进行。在老师的引导下,学生通过课程知识整合,合作研究,逐步明晰了解决这一问题的逻辑思路,最终内化专业知识与技能。
四、充实反映科学前沿的内容,拓宽学生的知识面
例如:光化反应在动力学内容占很小比例,常被忽略,但光化反应与环境科学、生命科学、材料科学反应及信息科学紧密相关,在讲课时结合科研内容介绍光催化在环境净化的应用,开阔学生的视野,引起学生的兴趣,同时鼓励学生参与到部分科研工作中,调动学生学习积极性,争取近年内开设若干高层次应用物理化学基础理论的选修课程,如界面与胶体化学,表面活性剂物理化学、生物物理化学。这些课程不仅可以弥补课内学时的不足,加深学生应用与掌握物理化学的基本理论,而且与前沿科技均有密切关系,可以扩大学生的知识面。
五、提高实验课起点,组织综合型的实验
第一,删减部分和整合陈旧简单的实验,提高实验课的起点。如恒温槽与其性能测定这一实验内容过于单一,应与以后涉及使用恒温槽实验整合,“化学平衡常数及分配系数测定”和“中和热-电离热测定”两个实验所用仪器设备和操作过于简易,显得落后陈旧,应当删减,或与无机分析实验整合,动力学章节涉及速率常数测定的实验有3个,显得重复,应删减或增加新的内容,如增加流体黏度及表面张力的测定等内容。第二,扩充和加深实验内容,组织开发性、综合型的实验。例如电化学实验中“电动势的测定和应用”实验可与绿色化学结合,对含Cr+6废水进行处理,不仅拓宽了基础知识面,还让同学们了解了学科间知识交叉与渗透,又如二元气-液相图实验中可增加高难度非均相气液平衡内容。同时准备开设综合性实验光催化氧化处理高浓度有机废水,这一实验不仅涉及物理化学中的光化反应,速率常数的测定,反应级数的求法,还涉及反应器的设计,催化剂的筛选和工艺改造,以及计算机对实验数据的处理等多方面知识,可以充分发挥学生的创造能力,自行改造与设计。
教学改革是摆在我们面前的新问题,对许多问题的认识还很肤浅,有待进一步认真地研究和探讨。
参考文献:
[1]金若水,吴性良,谢高阳.大学本科化学专业课程体系改革方案[J].大学化学,1998,(6):12.
本书共有46章:1.云层状况对太阳辐射质量的比较研究;2.以满足基本负荷为目标的可再生能源集成系统探索;3.可变混合物的有机朗肯循环性能研究4.以双地热为基础的集成制氢系统测评;5.基于两种可再生能源的多能源系统遗传算法优化;6.综合能源系统的性能评估;7.两段式热泵干燥系统的性能评估;8.基于核能的混合硫循环和使用HEEP方法的高温蒸汽电解系统比较评估;9.固体氧化物燃料电池和基于生物质气化微型燃气轮机的热力学分析;10.工作液可变的朗肯循环能量分析;11.热化学储能系统:设计,评估和基于充电温度的参数研究;12.季节性分层热能储藏系统的热力学评估;13.基于太阳能的微型热电发电系统发展;14.单效吸收式储能器的瞬态过程分析;15.全球变暖与建筑物形貌对地源热泵系统性能的影响;16.拉贾斯坦邦的聚光太阳能发电现状;17.带有贮热水箱的太阳能喷射式制冷系统动态性能分析;18.宿舍供电用光伏太阳能电池和燃料电池联合系统;19.低能耗示范用住宅的空气源热泵和太阳能热联合供暖系统研究;20.零下低温区的太阳能热水器;21.恒定输入功率的定日镜场中央接收器系统建模;22.无吸收器单通道太阳能空气集热器;23.带有短距散射器的太阳能发电站;24.甘油水相化可再生能源制氢与水滑石衍生物提取铜镍催化剂的利用;25.混合结构成分与官能团的热解条件;26.阿尔及利亚太阳能分布图;27.带有真空管太阳能集热器并集成加湿和除湿功能的太阳能海水淡化系统研究;28.海上风电场的选址优化;29.小型风力发电机叶片设计;30.基于液体浸没等离子体的笼形水合物变形制氢方法;31.伊朗家用、商用和农业部门中基于风能的便利分布式发电选择系统;32.麦克默里堡住宅楼地热空间加热系统的综合监测;33.地热系统中的热传输特性分析;34.阿尔及利亚地热应用前景分析;35.垂直地埋管换热器的季节性热流变化分析;36.面向家庭供暖与供冷的垂直管道地热泵系统;37.地源热泵系统中能源桩热响应试验分析;38.纵向和横向片式散热器的性能比较;39.新加坡能源系统的建模分析;40.低温热源驱动的发电供热集成系统分析;41.压缩天然气和柴油功能的垃圾收集车可靠性评估;42.厌氧混合堆中垃圾渗滤液的厌氧处理和沼气生产系统;43.对帕多瓦城市热岛的实验调查;44.微波增强型橡胶树热解;45.提高水电双供厂的装机容量和效率;46.水电双供厂的建模仿真分析。
本书第1作者Ibrahim Dincer是安大略理工大学机械工程系教授,也是工程和应用科学学院的项目负责人。他独自撰写或合作撰写过几十本书,发表过的期刊和会议论文被引用超过1000次,还发表过很多技术报告。他曾多次主持国内与国际会议、担任会议主席。他还参与了很多国际知名会议的初创工作,包括国际能源与环境专题讨论会等。他曾经担任过300余次主题演说,还担任着多种国际期刊的主编和编辑,如《国际能源研究期刊》,《国际燃烧热力学期刊》,以及《全球变暖研究》等。
本书采用独特的方式,融合了最新的技术信息、研究成果和成功示范应用,旨在吸引大量工程师、学生、工程实践人员、科学家和研究人员,为他们展现可持续能源技术的最新发展。
宁圃奇,博士,研究员
(中国科学院电工研究所)
Puqi Ning,Associate Professor
(Institute of Electrical Engineering,CAS)Giovanni Petrecca
Energy Conversion and
Management
2014
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10.1007/978-3-319-06560-1
热学在19世纪便已发展成为一门比较完备的科学,随着人们对客观世界的了解深入,关于热学的知识也在不断扩展。热学是物理学科的一个重要组成部分,是研究与热现象有关的规律的科学。课程教学的目的是掌握热现象规律,了解热现象作为“大数”粒子无序运动的本质,为大学阶段其他课程的学习打好理论基础,是本科物理专业学生必修的一门专业基础课。我们使用的热学教材是经典的李椿等编著的《热学》教材,通过几年的教学实践,对热学课程的教学内容及教学方法做了一系列的探索和总结。
一、热学课程的结构及特点
热学课程的主要内容分为三大部分:宏观理论部分,称为热力学,是通过直接观察和实验测量,再用严密的逻辑推理方法总结出来的有关热现象的规律,研究的方法是宏观法,所得出的热力学基本定律是自然界中的普适规律,具有可靠性与普遍性,但是它只适用于粒子数很多的宏观系统、主要研究物质在平衡态下的性质、把物质看成为连续体,不考虑物质的微观结构,没有解释事物的微观本质;微观理论部分,称为统计物理学,是从物质内部的微观结构出发,即从物质分子、原子的运动及它们之间的相互作用出发,用统计的方法来研究系统的热学性质,它可以揭示热现象的微观本质,但由于它在数学上遇到很大的困难,由此做出的简化假设(微观模型)后所得的理论结果与实验不能完全符合;物性学部分,即热学理论的应用,利用前两部分的理论说明物态的性质及其相互变化的规律,包括液体、固体、相变的基础理论[1]。前两部分是课程要求的重点,宏观部分学生掌握起来较容易,但统计物理学部分涉及到微观领域及统计的方法,理解起来较难一些。
二、热学内容的表述方式
关于内容的表述,不外乎有文字表述、数学表述及图像表述等,而在热学中这三种表述在一个概念中可能都会出现。比如说热力学第一定律的应用,涉及到四个等值过程,其中在这些过程中会有过程的图示,即P-V图,也会有能量的转换关系的描述,当然不同的能量也可以由数学表达式表示出来。
1.文字表述。科学内容的表达力求严谨,文字力求精确、简洁,例如,平衡态的定义,“孤立系统宏观性质不随时间变化的状态”,定义简洁明了,其中的关键词是“孤立”二字,也说明了平衡态的特性,如没有这二字,也就不能称其为平衡态了。另外,在热学的表述中,很多地方用到了否定的语言,体现最为明显的是热力学第二定律,涉及到的定律的两种表述,开尔文表述和克劳修斯表述都是用“不可能”这样否定的词开头叙述内容,之后两种表述的等效性的证明也同样采用了反证法,而不是直接证明。还可以用反证的方法证明两条绝热线不能相交、绝热线和等温线不能相交于两点等类似的题目。
2.数学表述。对于热力学中的概念,文字的描述要多一些,内容也很好理解,学生一般接受也较容易,但对于统计物理中的概念,文字就变得比较抽象,不好理解,所以在微观方面,相比文字,数学更直观、更容易理解记忆。相比于物理专业中的其他课程,热学中涉及到的式子并不是很多,学生也可以根据内容体系,用数学表述的形式把学习到的知识串接在一起,进行系统、有对比、有条理的学习。
3.图像表述。在热学中也运用到了非常多的物理图像表述,相比于前两种表述,图像表述更形象、直观、容易理解。例如,在讲解气体分子按速率分布时,速率分布函数的概念较抽象,物理意义不好理解,但通过利用速率分布曲线图,从图中曲线的形状、曲线下包围的面积、曲线的峰值对应的速率等方面可以充分理解分子按速率分布的物理意义,使抽象的问题变得形象生动。所以,可以通过作图,把物理概念、数学计算变得简单化,直观化。
三、热学教学的方法
在热学课程教学中,怎样才能把学生认为枯燥的、难懂难记的知识内容变为有趣的、易于理解的内容呢?这就需要我们充分了解这门课程,注意每一个细节内容,把零散的看似不关联的内容整合起来,达到融会贯通、心中有数,这样讲给学生时才能有的放矢、游刃有余,学生学习的目标也会变得明确、理解透彻。在课程的讲解中,可采取以下几种教学方法。
1.归纳总结的方法。教师在讲完每一部分后要对内容做一个总结,把重点内容用一条主线串连起来,便于学生的理解和掌握。例如,在热力学第一定律这一部分,可以用几个字把这一部分的主要内容概括出来:一个定律、两个循环、三个物理量、四个过程,即热力学第一定律,热机循环和制冷循环,内能、功、热量三个物理量,等体、等压、等温、绝热四个过程。这样的总结使学生既了解了所学知识的重点,也更容易地掌握了所学的知识点。另外,在习题的讲解中,也应善于总结和归纳,学生在中学时习惯了大量的题目练习,即所谓的题海战术,通过熟练的做题来达到掌握知识的目的。在大学的学习过程中,教师应引导学生如何去学习,怎么去做总结,怎样用最短的时间掌握最多的知识。首先,课堂上教师针对所讲知识点应选取一两个例题进行讲解,对用到的知识及所用的解题方法进行归纳总结,学生学习之后对这类题目的解题思路、技巧、用到的知识点等非常熟悉,而且能够做到举一反三,提高了学习的效率及解题的准确性。
2.类比的方法。类比法是指一类事物具有某种属性,可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理的方法。通过类比,可以用熟知的知识引出未知的知识,节约学习时间,也使认知变得简单易懂。例如,在讨论热力学过程及其涉及到的内能、热量、功的转化时,可以在P-V图中进行描述,之后,在热力学第二定律中引出熵的概念后,可以通过T-S图表述理想气体的性质,特点。通过类比,会发现P-V图和T-S图有很多相似的地方,例如,我们用P-V图示法表示系统在准静态过程中做的功,即示功图,而用T-S图示法表示系统在准静态过程中吸收的热量,即示热图;在这两类图中,每一个点代表一个平衡态,每一条曲线代表一个可逆过程;闭合曲线所包围的面积等于系统经历一个可逆循环过程后从外界净吸收的热量,也等于系统对外做的功。通过这样的对比学习,会发现原来枯燥的内容也很有趣,在学习中发现物理中的相似的美。再如,在学习气体的输运过程时,粘滞、热传导、扩散三类输运现象也可以进行类比学习,它们分别对应当气体各处的流速、温度、密度不均匀时发生的过程,得出的宏观规律的表达式及微观解释都很相似。通过这样类比的学习,很容易掌握了新的内容,也对所学的内容有了更深刻的理解。
3.讨论学习的方法。目前,在教学中提倡贯彻“学生为主体,教师为主导”的教学原则[2],教师给学生提供机会使学生积极地参与到教学活动中,调动学生学习的主动性、积极性。我们可以结合重要的知识点,课堂上让学生到讲台上参与问题的讨论及讲解,也可以以作业的形式布置下去所要讨论的问题,学生下去查资料、写小论文等,之后在课堂上以学生为主体进行讨论。例如,在讲解熵的概念时,不妨先让学生自己先查一些关于熵的内容,比如熵这个物理名词的提出、熵的概念的建立、熵增加原理、熵的应用等。学生通过调研,对熵这个抽象概念就有了一个初步认识,在课堂上讨论时,学生也把他们自己查到的资料讲解出来,既可以增加信息量,又可以使学生更深刻准确地认识熵。所以,通过这样的讨论学习,可以使每一位学生都在思考,互相启发,找出正确解决问题的方法,在这样的教学中,学生不但学习、积累了知识,而且锻炼了学生提出问题、解决问题的能力,对其综合能力的培养也起到了很好的作用。所以,教师在课堂上不能一味的自己在讲解,要加强与学生的交流,结合内容提出问题,引导学生参与到课堂教学中,培养学生的主体意识,激发学生主观能动性,使学生更好地掌握所学内容。
虽然热学课程只是一门专业基础课,学时也比较少,但是它是学生进入物理专业后最先学习到的一门课程,学习好这门课程会为后续专业课程的学习打下良好的基础。在教学中,充分掌握课程特点,采用合适的教学方法,使学生喜欢上这门课程,发现学习中的乐趣,进而学习好这门课程,增强探索求知和解决问题的能力。
参考文献:
[1]李椿,章立源,钱尚武.热学[M].第二版.北京:高等教育出版社,2008.
[2]黄秀雯,梁永丰.教师身份的确认:作为教育主体[J].教育教学论坛,2013,(22):20-23.