時間：2023-06-07 09:28:18
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇化工熱力學(xué)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
論文關(guān)鍵詞：MCR，WebService，架構(gòu)模式，數(shù)值計算，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫
1引言
隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展?；跒g覽器/Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型（即B/S結(jié)構(gòu)模型）的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫得到了廣泛的應(yīng)用。在這種結(jié)構(gòu)模型下，一部分事務(wù)邏輯在客戶端瀏覽器實現(xiàn)，大部分事務(wù)邏輯在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端實現(xiàn)。然而，由于在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用中涉及到大量的數(shù)值計算，會大量消耗服務(wù)器CPU和內(nèi)存資源，從而導(dǎo)致熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負載加重，增大響應(yīng)時間，因此，如不能很好地解決數(shù)值計算的速度問題，系統(tǒng)整體性能將受到較大的影響。
同時，在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中，開發(fā)人員不僅要集中精力將熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計算機控制代碼，而且還需要花費大量精力去實現(xiàn)、驗證、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中所涉及的數(shù)值計算方法。從而加大了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)周期和難度。
本文針對Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算的特點和對性能的要求。使用面向服務(wù)的架構(gòu)思想，提出了基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，實現(xiàn)了Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計算模型控制與數(shù)值計算過程的分離，大大提高了系統(tǒng)數(shù)值計算能力和速度，同時簡化了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)值計算方法的過程。
2Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式研究
隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫已成為當(dāng)前熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的主流并得到廣泛應(yīng)用。但是圍繞著提高Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的研究依然沒有停止。這些研究主要集中在兩個方面，一方面是對熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型的理論研究[1][2]，目的在于建立解決特定熱力學(xué)問題的正確、高效的數(shù)學(xué)模型。另一方面是對Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式的研究[3][4]，目的在于降低系統(tǒng)開發(fā)難度和縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)計算性能，提高應(yīng)用系統(tǒng)的效率和共享能力，在這類研究中，普遍采用了多層架構(gòu)模式思想，將系統(tǒng)不同類型的工作任務(wù)分配到不同的層中執(zhí)行，這樣不僅便于網(wǎng)絡(luò)用戶使用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，同時也便于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)，提高了系統(tǒng)代碼的復(fù)用性，便于業(yè)務(wù)邏輯的共享、重組和系統(tǒng)的維護。
2.1 三層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫
圖1. Architecture ofthree-tiers
在圖1所示的三層架構(gòu)模式中，客戶端采用瀏覽器作為的系統(tǒng)界面訪問工具。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供高效、安全的數(shù)據(jù)存儲操作。WebServer則實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。
三層架構(gòu)模式主要解決了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯控制與數(shù)據(jù)存儲控制的分離，實現(xiàn)了“瘦客戶端”訪問，便于用戶使用，系統(tǒng)部署簡單，維護成本低。從圖1可以看出，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作負載主要集中在Web Server，從而導(dǎo)致WebServer負載過重，成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸。
2.2 n層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫
圖2. Architecture of n-tiers
為了減輕三層架構(gòu)模式下Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Web Server的工作負載，系統(tǒng)架構(gòu)師們提出了如圖2所示的n層架構(gòu)模式。其中，業(yè)務(wù)邏輯層負責(zé)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的核心功能----計算模型控制和數(shù)值計算。表示層負責(zé)用戶界面控制，數(shù)據(jù)訪問層負責(zé)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的訪問并屏蔽使用數(shù)據(jù)庫的細節(jié)信息。
采用n層架構(gòu)模式使整個系統(tǒng)的工作負載分布到不同的服務(wù)器中，避免因某臺服務(wù)器負載過重而成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸，也便于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)和維護，增加了系統(tǒng)部署的靈活性。例如，能夠在業(yè)務(wù)邏輯層利用負載均衡技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)器集群，解決復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯控制和大量用戶并發(fā)訪問的性能問題，在數(shù)據(jù)訪問層引入中間件技術(shù)，解決高效訪問數(shù)據(jù)庫的問題。
3基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式
雖然n層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫具有很多優(yōu)勢，但是在具體實現(xiàn)架構(gòu)模式中的核心層----業(yè)務(wù)邏輯層時，面臨兩個比較棘手的問題。
一是如何實現(xiàn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)學(xué)模型中的數(shù)值計算，例如積分、方程組求解等，這需要熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員耗費大量的時間和精力去編程實現(xiàn)各種相關(guān)數(shù)值計算求解程序。如果能夠在系統(tǒng)中直接引用目前成熟的科學(xué)計算軟件來解決數(shù)值計算求解問題，將大大簡化數(shù)值計算實現(xiàn)過程[5][6]。
二是如何提高數(shù)值計算的效率。數(shù)值計算往往會消耗計算機大量的內(nèi)存和CPU資源，加重應(yīng)用服務(wù)器的負載，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)時間增長，成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸。如果能夠?qū)?shù)值計算過程從業(yè)務(wù)邏輯層中分離出來，將其轉(zhuǎn)移到專用的數(shù)值計算服務(wù)器中，不僅能夠減輕應(yīng)用服務(wù)器的負載，而且專用的數(shù)值計算服務(wù)器能提供更好的執(zhí)行效率，從而改善系統(tǒng)的性能[7][8]。
本文提出的基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式能夠很好的解決以上兩個問題。該架構(gòu)模式的核心思想是利用MCR框架構(gòu)建高性能的、易于使用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算引擎，避免了在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中直接編程實現(xiàn)數(shù)值計算算法，同時使熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計算模型控制與熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算過程分離，從而達到簡化熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程和提高系統(tǒng)性能的目的。
MCR（MATLAB CompilerRuntime）是建立在MATLAB基礎(chǔ)上的一個獨立的應(yīng)用框架，能夠執(zhí)行MATLAB文件和函數(shù)。而MATLAB是世界上公認的功能強大、應(yīng)用廣泛的科學(xué)計算軟件,具有豐富的數(shù)值計算工具和高效的數(shù)值計算效率，占據(jù)世界上數(shù)值計算軟件的主導(dǎo)地位。利用MATLAB提供的MATLAB Builder NE編譯工具，能夠?qū)ATLAB數(shù)值計算函數(shù)轉(zhuǎn)換成MCR組件（.net類）。因此，在.net框架中安裝MCR就能夠?qū)崿F(xiàn).net應(yīng)用調(diào)用MCR組件（.net類），進而可以在程序中直接使用MATLAB強大的數(shù)值計算功能。為此，本文擴展了n層架構(gòu)模式，構(gòu)建了如圖3所示的基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式。
圖3. Architecture of Basedon MCR
從圖3可以看出，數(shù)值計算引擎將數(shù)值計算功能從業(yè)務(wù)邏輯層中獨立出來，數(shù)值計算引擎的構(gòu)建采用了Service-OrientedArchitecture（面向服務(wù)體系架構(gòu)）的思想，利用Web Service技術(shù)實現(xiàn)SOA。SOA 是一種IT體系結(jié)構(gòu)樣式，支持將業(yè)務(wù)作為鏈接服務(wù)或可重復(fù)業(yè)務(wù)任務(wù)進行集成，可在需要時通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些服務(wù)和任務(wù)。SOA將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的基于XML的語言（也稱為Web服務(wù)描述語言，Web Services Definition Language，WSDL）定義的，它獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得不同類型的業(yè)務(wù)邏輯層可以以一種統(tǒng)一和通用的方式與數(shù)值計算引擎進行交互，便于各種異構(gòu)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)值計算引擎的集成和復(fù)用，同時也能夠利用服務(wù)群集技術(shù)構(gòu)建數(shù)值計算引擎集群，動態(tài)均衡數(shù)值計算負載，滿足網(wǎng)絡(luò)高并發(fā)、高密集的數(shù)值計算需求，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，大大提高了Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算引擎的計算能力和速度。
1)數(shù)值計算引擎接口
對外提供統(tǒng)一的熱力學(xué)數(shù)值服務(wù)接口，例如焓、熵計算等。只要通信雙方定義好服務(wù)契約，數(shù)值計算引擎可以為各種同構(gòu)或者異構(gòu)系統(tǒng)提供熱力學(xué)數(shù)值計算服務(wù)，從而使數(shù)值計算引擎能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成和復(fù)用。
2)數(shù)值計算類
實現(xiàn)數(shù)值計算引擎接口定義的具體的熱力學(xué)數(shù)值計算方法，這些方法封裝了各種熱力學(xué)基本計算公式的求解過程，例如求解焓、熵的基本積分公式等。并在方法中調(diào)用MCR組件（.net類）利用MATLAB完成具體的數(shù)值計算過程。例如定積分運算或矩陣運算等。此外，數(shù)值計算類還要負責(zé)本地調(diào)用語言數(shù)據(jù)類型與MATLAB數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，以及錯誤處理等輔助工作。
3)MCR
根據(jù)數(shù)值計算類的調(diào)用請求，執(zhí)行相應(yīng)的MATLAB函數(shù)。
4基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式的優(yōu)點
在基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式中，建立數(shù)值計算引擎將數(shù)值計算功能從熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯層中分離出來，具有以下優(yōu)點。
1)采用SOA思想，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)值計算引擎之間的松耦合，便于各種異構(gòu)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫共享數(shù)值計算引擎服務(wù)。
2)采用SOA思想，能夠使用服務(wù)器集群技術(shù)建立數(shù)值計算服務(wù)器群，通過負載均衡技術(shù)分擔(dān)各個數(shù)值計算引擎的工作負荷，支持高密集數(shù)值計算，可靈活的增減系統(tǒng)數(shù)值計算能力。
3)減輕了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)器的負載，有利于提高系統(tǒng)的整體性能。
4)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)邏輯層只關(guān)注如何使用數(shù)值計算服務(wù)，而不關(guān)心如何實現(xiàn)數(shù)值計算，簡化了業(yè)務(wù)邏輯層的實現(xiàn)過程，提高了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)效率。
5)能夠充分利用MATLAB豐富的數(shù)值計算工具，屏蔽了使用MATLAB的復(fù)雜的過程。同時借助于MATLAB卓越的數(shù)值計算性能提高了數(shù)值計算效率。
6)可對數(shù)值計算引擎做進一步的優(yōu)化。如直接利用MATLAB并行計算功能構(gòu)建多核、多處理器并行計算服務(wù)器。或利用MATLAB分布式并行計算功能構(gòu)建MATLAB分布式計算計算機集群。進一步提高數(shù)值計算引擎的數(shù)值計算速度。
5結(jié)束語
在冶金、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)和研究中，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫作為基本工具得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的計算性能要求也越來越高，而系統(tǒng)的架構(gòu)模式是影響熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，是熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。本文分析了三層和n層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫所存在的問題，根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算的特點，在n層架構(gòu)模式的基礎(chǔ)上，提出了基于MCR框架的、多層、分布式計算的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，可以方便的實現(xiàn)對MATLAB計算功能的調(diào)用而無需了解具體的技術(shù)細節(jié)，從而大大簡化了Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程中實現(xiàn)數(shù)值計算功能過程，同時也為Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫在重負載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用和異構(gòu)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫共享熱力學(xué)數(shù)值計算服務(wù)提供了一種可行方案。
參考文獻
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關(guān)鍵詞：逆流換熱器熱力學(xué)優(yōu)化溫差場均勻性因子火用效率熵產(chǎn)
1．引言
換熱器作為一種各工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)備，它的研究倍受重視。目前關(guān)于換熱器的研究大致有兩個方向，一是研究換熱器傳熱強化，主要目的是提高換熱器流體和固壁間的對流換熱系數(shù)，進而提高換熱器的效能。二是從可用能的角度研究換熱器的熱力學(xué)優(yōu)化，包括換熱器的熵產(chǎn)分析、火用效率分析等，從使換熱過程不可逆性最小的角度來優(yōu)化換熱器。其中過增元提出的換熱器溫差場均勻性原則，一方面可以指導(dǎo)新的提高換熱器效能的方法，另一方面也可以對換熱器熱力學(xué)優(yōu)化做分析。本文是從溫差場均勻性原則出發(fā)，將其應(yīng)用于逆流換熱器的優(yōu)化過程，并對各種優(yōu)化方法進行分析比較。
2．換熱器溫差場均勻性原則
過增元在1992年《熱流體學(xué)》[1]一書中定義了溫差場不均勻因子，應(yīng)用于順流、逆流和叉流換熱器，發(fā)現(xiàn)在相同的傳熱單元數(shù)NTU、熱容量比W和流體進口溫度的條件下，逆流換熱器溫差場最均勻，效能也最高，熵產(chǎn)也最小。進而在1996[2]年定義溫差場均勻性因子，提出了換熱器熱性能的溫差場均勻性原則：在NTU和W一定時，換熱器的溫差場越均勻，其效能越高。并采用數(shù)值方法對13種換熱器的溫差場和效能進行了分析，驗證此原則的正確性。通過熵產(chǎn)分析指出此原則是以熱力學(xué)第二定律為理論依據(jù)的。同時針對叉流換熱器，提出了分配換熱面積來改善換熱器性能的新方法。過先生又在2002[3]年給出了簡單順流、逆流、叉流換熱器溫差場均勻性因子的解析表達式，同時通過實驗的方法對此原則進行了驗證，針對多流程叉流換熱器，舉例說明用改變管路連接的方法來改變溫差場均勻因子，進而改變換熱器的效能。在2003[4]年提出基于溫差場均勻的場協(xié)同原則，同時將此原則應(yīng)用于多股流換熱器中，提出換熱器傳熱性能的高低取決于冷熱流體溫度場的協(xié)同程度，而不是流動方式。
從上述溫差場均勻性原則的提出、驗證和發(fā)展歷程來看，這一理論已經(jīng)比較成熟，也是從傳熱物理機制方面優(yōu)化換熱器的新探索，可以利用它比較實際換熱器的換熱性能。很多換熱器大都是復(fù)合型流動方式的換熱器，基本上沒有解析表達式；尤其對于叉流換熱器，應(yīng)用此原則，可以在NTU和W給定時，改變傳熱面積的分布或是管路連接方式，來改變換熱器的效能。溫差場均勻性原則前提條件是NTU和W值恒定。對于換熱方式（逆流）已定的換熱器，在W和NTU變化時，應(yīng)該如何應(yīng)用此原則是本文討論的主要內(nèi)容。
3．溫差場均勻性原則在逆流換熱器熱力學(xué)優(yōu)化中的應(yīng)用
過先生[3]將溫差場均勻性原則用于指導(dǎo)叉流換熱器的優(yōu)化，并對優(yōu)化效果進行了分析驗證。溫差場均勻性原則，是從研究對流換熱的物理機制出發(fā)[5]，用于指導(dǎo)各種形式換熱器的優(yōu)化。本文目的就是應(yīng)用這一原則來指導(dǎo)逆流換熱器優(yōu)化方法的選擇。
3.1逆流換熱器已有熱力學(xué)優(yōu)化方法比較分析
以目標(biāo)函數(shù)區(qū)分的優(yōu)化方法大概有兩類：一是傳熱過程熵產(chǎn)分析，二是定義火用效率分析。
關(guān)于熵產(chǎn)，徐志明、楊善讓[6]等人定義熵產(chǎn)生數(shù)Ns：單位換熱量的熵產(chǎn)。以Ns最小為目標(biāo)，通過泛函求極值求得換熱器溫度和熱流的最優(yōu)分布，得到結(jié)論：使W略大于1實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)分布。他們從溫度分布的角度來優(yōu)化換熱器，提供了一種從換熱內(nèi)部的細節(jié)研究問題的思路。能大曦[7]等人在分析換熱器的熵產(chǎn)時得到了類似的結(jié)論：在W為1時，換熱器的Ns最小。同時指出徐志明等人研究得到的W略大于1的結(jié)論，是因為他們定義的NTU與常規(guī)的定義不同。綜合分析前二者可以得到：當(dāng)NTU一定W變化時，使W為1，換熱器性能最佳。對于逆流換熱器，W為1就意味著溫差場均勻，符合溫差場均勻的原則。當(dāng)W不變NTU變化時，對于Ns的變化，能大曦[7]等人的研究得到：對于逆流換熱器，W不變，隨著NTU的變化，Ns單調(diào)減小。
關(guān)于火用效率分析，徐志明、楊善讓[8]等人，給出考慮阻力的火用效率取極大值的方法。通過定義火用效率：
分析火用效率隨NTU和W的變化，下圖是他們分析的結(jié)果。從上述結(jié)果看出：對于逆流換熱器，W不變，NTU較大時，隨著NTU的變化，η會越來越低，NTU不變，W變化時，η在W近似為1時取得最大。
比較熵產(chǎn)和火用效率兩種方法的結(jié)論可以得到，NTU不變，W變化時，二者結(jié)論基本一致。而對于W不變，NTU變化的情況，隨著W增大，Ns單調(diào)減小，而也降低了。兩種方法出現(xiàn)了矛盾。下面通過溫差場均勻性原則對兩種方法比較選擇。
3.2逆流換熱器熵產(chǎn)和溫差場均勻性分析
3.2.1逆流換熱器W變化時，看換熱器的效能、Ns、溫差不均勻因子變化規(guī)律。
分析中采用文獻中已有的表達式：
(a)換熱器的效能[8]：
(b)換熱器的熵產(chǎn)[7]：
(c)熵產(chǎn)生數(shù)[7]：
其中：。
的解析表達式見文獻[7]，換熱器的表達式見[3]，圖1給出W從0.1變到0.9時，、以及變化結(jié)果。其中
由圖中得到：隨著熱容量比接近于1，換熱器溫差場均勻性因子增加了，熵產(chǎn)減小了。同時結(jié)合徐志明[8]等人分析火用效率的結(jié)論，綜合得到：在NTU不變，W越接近于1，換熱器溫差場均勻性因子越大，熵產(chǎn)生數(shù)越小，火用效率越高。即熵產(chǎn)分析和火用分析均符合溫差場均勻性原則。另外從圖中看出效能隨著溫差場的均勻而降低了，用效能來評價換熱器性能和熱力學(xué)分析結(jié)論出現(xiàn)了矛盾。當(dāng)NTU一定，如果要求不同的W得到相同的換熱量的話，那么W小的流體，熱側(cè)流體的流量很大，保證如此高的流量也要有代價，同時由于流量大，通過換熱器時阻力損失也大，與之相對應(yīng)的火用損失也大，火用效率[7]降低了。因此同時得到單純用效能來評價換熱器是不可靠的結(jié)論。
3.2.2W一定，NTU變化時，溫差場均勻性因子、熵產(chǎn)生數(shù)以及效能的變化。為便于和火用效率[7]分析的結(jié)果作對比，取熱容量比：
得到結(jié)果如下：
圖2Ns－NTUφ-NTU和ε-NTU曲線
由上圖可見，當(dāng)W不變時，隨著NTU的增加，Ns變小了，效能增加了，但溫差場變得不均勻了。結(jié)合徐志明[8]的結(jié)論，火用效率變小。發(fā)現(xiàn)此時火用效率判據(jù)符合溫差場的均勻性原則，而熵產(chǎn)分析卻和原則相反了。Bejan[10]曾把逆流換熱器傳熱過程的熵產(chǎn)分為不平衡流動即熱容量不匹配的熵產(chǎn)和由于傳熱面積有限引起的熵產(chǎn)。能大曦[7]等人對兩部分熵產(chǎn)比較得到：兩部分的熵產(chǎn)隨NTU的變化，趨勢是相反的。由于換熱面積有限引起的熵產(chǎn)隨NTU增加而減小，由于不平衡流動的熵產(chǎn)隨NTU增加而增大。對于逆流換熱器，溫差場均勻與否只取決于W是否為1。不難理解只有由熱容量不匹配引起的熵產(chǎn)變化趨勢能用溫差場均勻性原則來解釋。換句話說，熵產(chǎn)生數(shù)來做判據(jù)包含了換熱的物理機制之外的部分，在對換熱器做優(yōu)化時，應(yīng)怎樣用它還有待進一步的分析。從這個角度考慮，基于換熱的物理機制建議選擇火用效率作為換熱器熱力學(xué)優(yōu)化的判據(jù)。
4．結(jié)論
（1）針對逆流換熱器，比較已有優(yōu)化方法，發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)分析和火用效率分析在W一定，NTU變化時得到的結(jié)論出現(xiàn)了矛盾。
（2）應(yīng)用溫差場均勻性原則，對比溫差場均勻性程度變化的趨勢和熵產(chǎn)生數(shù)、火用效率的變化趨勢，得到火用效率和溫差場均勻程度變化趨勢相協(xié)調(diào)，選用火用效率來做優(yōu)化更能反映換熱的物理機制。因此建議用火用效率來優(yōu)化換熱器。
參考文獻
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關(guān)鍵詞：熱經(jīng)學(xué)分析；以煤氣化為核心；多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)；應(yīng)用
中圖分類號：F4文獻標(biāo)識碼：A
一、引言
立足于我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，在發(fā)電行業(yè)里發(fā)展了多種清潔煤技術(shù)，其中以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是解決我國未來可持續(xù)發(fā)展的方向之一。
多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，主要的產(chǎn)品輸出有兩種形式：化學(xué)品和電力資源。化學(xué)品的化學(xué)能與輸出電力的電能，品位不同，單位(火用)價格不同。如果將兩者等同起來可能只會得到盡量提高系統(tǒng)熱力學(xué)效率的片面結(jié)論，為此需要將(火用)與經(jīng)濟結(jié)合進行分析――(火用)經(jīng)濟學(xué)分析。(火用)經(jīng)濟學(xué)分析的依據(jù)是熱力學(xué)與經(jīng)濟學(xué)結(jié)合的原理，在合適的熱力學(xué)量度（熱效率、(火用)效率）與資金支付方面尋找一種最佳關(guān)系，使產(chǎn)品的能耗最低，單位成本最小，經(jīng)濟效益最佳。
二、熱經(jīng)濟學(xué)分析在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用
本文輸入輸出的(火用)分析表明：氣化爐單元的(火用)效率為85.27%；凈化、變換與甲醇合成單元的(火用)效率為85.08%；發(fā)電單元的(火用)效率為42.41%。其中，入口單元煤的化學(xué)(火用)為27，557.7kJ?kg-1coal。
在甲醇合成單元中，提高未反應(yīng)氣的循環(huán)率可以提高系統(tǒng)的(火用)效率。然而，在合成甲醇單元中，未反應(yīng)氣的循環(huán)率的提高勢必增加甲醇合成單元及其后續(xù)單元中各設(shè)備的負荷，導(dǎo)致設(shè)備裝置增大，投資成本和運營成本增加。從熱力學(xué)角度分析多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，只能得到系統(tǒng)能量利用的合理性，但系統(tǒng)(火用)效率高并不代表經(jīng)濟上的最佳。因此，需要熱力學(xué)分析與經(jīng)濟學(xué)分析結(jié)合起來的(火用)經(jīng)濟學(xué)分析法，分析甲醇合成單元中分流器分流值f對系統(tǒng)經(jīng)濟性和(火用)效率的影響，尋求最優(yōu)值。
為了分析工藝參數(shù)（循環(huán)率f）對系統(tǒng)各單元的影響，在保持多聯(lián)產(chǎn)進料煤不變的情況下，通過改變f值對甲醇合成單元進行模擬。其中，f=0表示合成氣一次通過，而f=0.6表示合成氣通過合成塔后未反應(yīng)的原料氣60%返回合成塔，以提高甲醇產(chǎn)量。隨著f值的增加，氣體流量也相應(yīng)的增加。若其他操作條件保持不變，為了保證循環(huán)物流的輸送和甲醇合成的轉(zhuǎn)化率，甲醇合成單元中的設(shè)備也相應(yīng)增大。本文通過多項式回歸，以合成氣一次通過（f=0）甲醇的產(chǎn)量為準(zhǔn)，然后將不同f值時的氣體流量與之相比，得到裝置放大倍數(shù)與f值的代數(shù)關(guān)系式為：
F1＝326.576×f5-662.539×f4＋471.843×f3-134.908×f2+13.939×f+0.9184
裝置放大（縮小）倍數(shù)主要是涉及非能量費用（主要包括初投資折舊費、運行管理費及維修費）?？梢哉f，循環(huán)率f越大時增加了設(shè)備的損耗，從而放大了非能量費用；但對發(fā)電單元卻正好相反，循環(huán)率越大，未反應(yīng)氣體通過分流器繼續(xù)循環(huán)，進入發(fā)電單元的合成氣相應(yīng)減少，從而減少了設(shè)備的損耗，縮小了非能量費用。而發(fā)電單元的發(fā)電量與f值的代數(shù)關(guān)系式為：
F2＝－105.132×f5＋317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
改變甲醇合成單元中分流器循環(huán)率f的值，甲醇產(chǎn)量會隨著f值的升高而增加。合成氣的(火用)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物甲醇的轉(zhuǎn)化率隨f值的變化關(guān)系式為：
F3＝6.9413×f5-20.1406×f4+22.419×f3-11.9558×f2+3.1119×f+0.4456
同理，隨著f值的增大甲醇單元排放出來的燃氣（未反應(yīng)氣）量降低，未反應(yīng)氣的(火用)值占進料合成氣的百分比隨f值的變化關(guān)系式為：
F4＝－105.132×f5+317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
本文參照產(chǎn)品的市場價格，計算產(chǎn)品的單位(火用)成本，然后以系統(tǒng)的利潤最大化為目標(biāo)，用mathematica建立多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的(火用)優(yōu)化方程。通過優(yōu)化求解，尋找系統(tǒng)(火用)效率和經(jīng)濟效益的最佳關(guān)系，使產(chǎn)品的能耗最低，單位成本最小，經(jīng)濟利益最大。按照成本方程和(火用)平衡方程，該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化方程，如下所示。
目標(biāo)方程為：max profit=Exc-Exc-Z
式中，Ex為系統(tǒng)輸出的第i種產(chǎn)品(火用)；Ex為系統(tǒng)輸入的第j種燃料(火用)；c和c分別表示輸出產(chǎn)品和輸入產(chǎn)品的單位(火用)價格；Z為系統(tǒng)中初投資折舊費、運行管理費及維修費等各項費用的總和；profit為該系統(tǒng)的利潤。
上述目標(biāo)方程的約束方程為：
①EX3=F3×EX2
②EX4=F4×EX2
③EX5=0.4241×EX4
④EX2=0.8527×EX1
⑤EX1=27557.7×6×107
⑥Y甲醇=F1
⑦Y發(fā)電=F2
⑧Z甲醇=Z甲醇0×（Y甲醇）0.62
⑨Z發(fā)電=Z發(fā)電0×（Y發(fā)電）-0.62
式中，EX1表示年投入煤化學(xué)(火用)；EX2表示氣化爐單元出口的(火用)值；EX3表示甲醇合成單元甲醇的(火用)值；EX4=表示甲醇合成單元未反應(yīng)氣體的(火用)值；EX5=表示發(fā)電單元電的(火用)值；Zi0表示f=0時第i單元的設(shè)備投資折舊費、運行管理費及維修費等各項費用的總和，為了簡化經(jīng)濟計算，假定設(shè)備的殘值率15%，設(shè)備折舊費按25年直線折舊計算，年度設(shè)備維修費占設(shè)備初始投資的0.5%，設(shè)備管理費占設(shè)備初始投資的1%。原料煤的(火用)價C1為6.5317×10-6元/kJ，產(chǎn)品甲醇的(火用)價C3為2.368×10-4元/kJ，產(chǎn)品電的(火用)價C5為1.6651×10-5元/kJ。Shell氣化爐日處理煤250～400t，若取300t/天，每年按200個工作日計算，則年處理煤共6×107t。合成氣單元、甲醇合成單元和發(fā)電單元設(shè)備的初始投資分別為39，705萬元，77，866萬元，發(fā)電設(shè)備的單位造價1，400元/Kw。具體的計算過程可從下面的計算得出。把上述計算代入各方程，通過運籌學(xué)的線性規(guī)劃求解可求算出目標(biāo)方程的最優(yōu)值。
從前面的(火用)分析可知，要增加化學(xué)品甲醇的產(chǎn)量或提高系統(tǒng)的(火用)效率，必須加大甲醇合成單元尾氣的循環(huán)率，即提高f值。然而，提高尾氣的循環(huán)率，則會增加甲醇合成單元及其后續(xù)單元中各設(shè)備的負荷，導(dǎo)致投資成本和運營成本增加。本文建立的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱經(jīng)濟優(yōu)化模型是在mathematica中實現(xiàn)，通過調(diào)用mathematica的求最大值函數(shù)，得到最優(yōu)的f值為0.7173，此時系統(tǒng)的利潤額最大，為22，860萬元。
三、結(jié)論
熱經(jīng)濟學(xué)分析是將系統(tǒng)用能的合理性和經(jīng)濟效益綜合起來評價的方法，具有很強的實際應(yīng)用意義。本文將(火用)分析與經(jīng)濟分析相結(jié)合，建立多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟優(yōu)化模型，通過模型的優(yōu)化求解，得出甲醇合成單元中循環(huán)率f的最優(yōu)值為0.7173，此時系統(tǒng)的利潤額最大，為22，860萬元。
（作者單位：北京化工大學(xué)）
主要參考文獻：
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論文關(guān)鍵詞：孔隙熱彈性地基，移動周期載荷，周期性條件，微分求積法(DQM)，動力學(xué)響應(yīng)
0 引言
半空間體受移動載荷作用的問題是交通運輸、土木工程以及地震工程中最基礎(chǔ)的一類課題。例如，由高速火車或者地鐵引起的噪聲和振動是現(xiàn)代城市結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須要考慮的重要因素。對移動車輛或者地鐵引起的微振動的評估，以確保精密儀器的正常運行，對于土木工程設(shè)計部門來說同樣重要。研究運動荷載作用下地基的動力響應(yīng)，對于我國，尤其是對于在南方軟土之上發(fā)展新型高速鐵路，開發(fā)磁懸浮列車也具有重要的理論和工程意義。
在文獻[1-3]中，人們研究了在移動載荷作用下彈性或者粘彈性半空間的動力學(xué)響應(yīng)。但是，利用單相介質(zhì)來模擬由土顆粒和水組成的二相飽和介質(zhì)會產(chǎn)生一定的誤差。為了進一步探討在移動載荷作用下由二相飽和介質(zhì)組成的地基的動力學(xué)響應(yīng)，基于多孔飽和介質(zhì)的Biot理論[4]，金波等[5-7]用Fourier變換研究了受勻速移動簡諧力作用的多孔彈性半平面問題，發(fā)現(xiàn)多孔飽和彈性固體在移動荷載下的動力響應(yīng)與單相彈性固體的動力響應(yīng)明顯不同，多孔飽和彈性半平面的應(yīng)力和孔隙水壓力都隨振動頻率或載荷移動速度的增加而增加。
雖然，用Biot理論成功地解決了許多工程實際問題，然而當(dāng)?shù)貙咏橘|(zhì)中的孔洞不含液體時，用Biot理論來描述流體飽和多孔介質(zhì)顯得不夠準(zhǔn)確。為了彌補這一不足，同時考慮溫度的影響，Goodman，Cowin和Iesan等人[8-11]發(fā)展了一種較為完善的孔隙熱彈性理論。該理論的基本假設(shè)為：材料的體積密度是兩個場，即基體材料密度場和體積百分比場的乘積物理論文，這樣，材料體積密度的表達式可由一個獨立的動態(tài)變量表示，這個變量就是孔隙體積百分比。然后由熱力學(xué)第一、第二定律導(dǎo)出各向異性孔隙線性熱彈性材料的基本方程。
由于孔隙熱彈性材料兼具結(jié)構(gòu)和功能雙重用途，具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優(yōu)點，它們多見于天然多孔材料、人造多孔材料和生物工程材料等，不但在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、機械、醫(yī)藥和環(huán)保等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而且相比其他理論也更適合用于研究特殊的連續(xù)體和地質(zhì)材料，如巖石，砂土等的力學(xué)特性。
本文基于孔隙熱彈性線性理論，首先建立了在移動周期載荷作用下二維孔隙熱彈性地基動力響應(yīng)問題的數(shù)學(xué)模型，其中包括動量平衡方程、平衡力的平衡方程、能量方程、周期性邊界條件、初始條件等。在此基礎(chǔ)上，分別采用微分求積法(DQM)和有限差分法(FDM) 在空間和時間域內(nèi)對控制方程進行離散，并求解。作為算例，首先研究受移動諧載荷作用下孔隙熱彈性地基的動力學(xué)響應(yīng)。然后，分析了在極限車載作用下孔隙熱彈性地基的動力學(xué)特性，考察了車速對沉降、孔隙體積百分比和溫度的影響。通過計算和分析看到，本文提出的用于處理周期性問題DQM，具有精度高、收斂性好，計算效率高等特點。對于求解各種土質(zhì)條件下地基的動力學(xué)響應(yīng)具有獨到之處。
1問題的數(shù)學(xué)描述
考察圖1所示厚為，寬為無限長的孔隙熱彈性二維介質(zhì)，其所占的區(qū)域，在頂端受移動周期性外載荷或周期性溫度的作用。任取一個周期性區(qū)域來進行分析，是周期載荷的波長。令為區(qū)域左右兩側(cè)的周期性邊界，其邊界方程為：。
關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；物理學(xué)史；課堂教學(xué)；興趣激發(fā)
作者簡介：李玲（1980-），女，湖北荊州人，長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，講師。（湖北 荊州 430020）
基金項目：本文系長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教研基金項目（項目編號：JY201112）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0122-02
一、大學(xué)物理課程的意義
物理是自然科學(xué)的基礎(chǔ)性學(xué)科，它的知識體系和思維方法貫穿人們學(xué)習(xí)自然科學(xué)知識的始終，培養(yǎng)人的科學(xué)精神，陶冶人的科學(xué)思維，教會人應(yīng)用科學(xué)方法解決具體問題。大學(xué)物理是工程技術(shù)學(xué)院（以下簡稱“我院”）相關(guān)系部許多專業(yè)課的理論基礎(chǔ)，但因有些學(xué)生認識不到這門課的重要性，經(jīng)常在課程中期出現(xiàn)畏難厭學(xué)現(xiàn)象?，F(xiàn)通過改革課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，以期提高教學(xué)質(zhì)量。
物理學(xué)史上的許多名人軼事及其主要研究成果的研發(fā)過程都對今人有積極的指導(dǎo)作用，如光學(xué)波粒二象性對立統(tǒng)一的認知發(fā)展過程。若能結(jié)合教學(xué)內(nèi)容將物理學(xué)史中有代表性的知識體系發(fā)展融入教學(xué)過程，既可激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，改變滿堂灌的理論推導(dǎo)，又可有機地將物理知識要點與科學(xué)的世界觀及哲學(xué)發(fā)展理論結(jié)合起來，有利于學(xué)生知識底蘊的累積和眼界的開闊。
表1 大學(xué)物理全模塊教學(xué)內(nèi)容及課時分配
我院經(jīng)過數(shù)年的大學(xué)物理模塊化教學(xué)改革[1]后，將學(xué)科內(nèi)容分為六個模塊（表1），參考課時分配，本文討論如何在課堂教學(xué)中將物理學(xué)發(fā)明史、名人史等容易激發(fā)學(xué)生興趣的內(nèi)容導(dǎo)入，以及導(dǎo)入后其對課題教學(xué)可起到的積極作用，課程內(nèi)容以我院現(xiàn)在使用的大學(xué)物理教材[2]為準(zhǔn)。
二、大學(xué)物理全模塊教學(xué)內(nèi)容
1.力學(xué)
力學(xué)部分的講授內(nèi)容比較多，是物理學(xué)實踐探索方法與思想體系建立的基礎(chǔ)。質(zhì)點運動學(xué)有兩次課，第一次課緒論開端討論物理學(xué)科的研究范圍，介紹從古人對自然的樸素的感性認知，到近代利用微積分等數(shù)學(xué)工具歸納推導(dǎo)大量天文觀測數(shù)據(jù)及實驗室數(shù)據(jù)而獲得的經(jīng)典物理學(xué)基本定理與定律，再到近現(xiàn)代的量子物理和相對論，物理的發(fā)展史即人類文明的發(fā)展史。這兩次課中要將大學(xué)物理用到的微積分、矢量等數(shù)學(xué)知識進行系統(tǒng)化介紹，而微積分的發(fā)明者之一牛頓正是近代物理的標(biāo)志人物。
牛頓定律部分由于學(xué)生熟悉內(nèi)容，在理論講授部分很容易分散注意力，因此，介紹相關(guān)物理學(xué)史知識可以有效地激發(fā)學(xué)生興趣。如被稱為近代物理學(xué)之父的伽利略，其著名的比薩斜塔落體實驗、斜面實驗皆入選最美麗的十大物理實驗，[3]其物理思想如慣性、力與運動的關(guān)系等，是牛頓定律得以建立的基石。而牛頓在1687年發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經(jīng)典力學(xué)的基石。質(zhì)點動力學(xué)的最后一節(jié)非慣性系略有些抽象。以科里奧利命名的旋轉(zhuǎn)參考系中的慣性力有許多常見實例，很容易激發(fā)學(xué)生探究興趣，如臺風(fēng)氣旋、下水方向、河道兩邊的不對稱沖刷，以及著名的列入十大最美物理實驗之一的傅科擺。[3]
剛體力學(xué)三次課相對來講較難較抽象，需要用到微積分、空間立體幾何及矢量叉乘知識，質(zhì)點的角動量守恒可以將開普勒第二定律的反向證明作為計算實例，而歷史上牛頓正是由開普勒第二定律推導(dǎo)定義角動量的概念。在大段相對沉悶的概念講解和定理推導(dǎo)之后，第谷與開普勒師生的歷史故事以及他們對物理學(xué)發(fā)展的貢獻很容易引起學(xué)生的興趣。
2.振動與波
由于簡諧振動的振動方程、平面簡諧波的波動方程等都比較抽象，其對應(yīng)物理量的計算和轉(zhuǎn)換多，所以此處學(xué)生最易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。
機械振動兩次課，第一節(jié)課可用中國2013年6月太空課堂的單擺實驗導(dǎo)入；第二次課的利薩，及其后的阻尼振動及共振在生活中的應(yīng)用及歷史中的實例就更多了，例如著名的18世紀(jì)拿破侖士兵齊步過橋致橋塌事件。在西方，波動現(xiàn)象的本質(zhì)首先是由達芬奇發(fā)現(xiàn)的。機械波致質(zhì)點受迫振動也可舉共振的例子，如中國古代戰(zhàn)場上利用共振器判斷敵軍多寡和方位、唐朝寺廟鐘磬聲波共鳴等事例。第二次課中可以用1842年多普勒在散步時的“多普勒效應(yīng)”導(dǎo)入，目前該效應(yīng)應(yīng)用很廣。
3.熱學(xué)
熱學(xué)部分我院僅勘工和化工類專業(yè)需要學(xué)習(xí)。氣體動理論部分的兩次課中涉及到微積分的計算不太多，學(xué)生們對克拉伯龍方程也有一定基礎(chǔ)，總體難度不大。第二次課講自由度及麥?zhǔn)纤俾史植悸蕰r，由于涉及到統(tǒng)計學(xué)，相對比較枯燥且理論公式冗長?？梢栽谇捌谝延^察到學(xué)生狀態(tài)及接受水平的基礎(chǔ)上，淡化理論，介紹一下科學(xué)家麥克斯韋生平。麥克斯韋被譽為牛頓與愛因斯坦之間最偉大的物理學(xué)家，其一生對物理學(xué)的卓越貢獻不僅表現(xiàn)在對后世產(chǎn)生巨大影響的電磁學(xué)上。他在熱力學(xué)方面提出的麥克斯韋速率分布式也是應(yīng)用最廣泛的科學(xué)公式之一，在許多物理分支中起著重要的作用。同時代的科學(xué)家玻爾茲曼將麥克斯韋速率分布式應(yīng)用到保守力場中，提出了玻爾茲曼速率分布律，在熱力學(xué)研究中也具有重要地位。玻爾茲曼把物理體系的熵和概率聯(lián)系起來，闡明了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計性質(zhì)并引出了能量均分原理。
熱力學(xué)基礎(chǔ)三次課，可聯(lián)系科學(xué)發(fā)展史上對永動機的探索導(dǎo)入。如第一類永動機不可能被創(chuàng)造出來是違背了能量守恒定律，但其探索過程為熱力學(xué)第一定律的建立提供了實驗基礎(chǔ)；第二類永動機則違背了熱力學(xué)第二定律。此外，熱機的發(fā)明是工業(yè)革命的標(biāo)志之一，第二次課的循環(huán)過程可借此話題導(dǎo)入。
4.光學(xué)
光學(xué)是一個古老而充滿活力的學(xué)科。[4]從十七世紀(jì)中葉牛頓和惠更斯分別提出光的微粒學(xué)說和波動學(xué)說之后，對于光的本質(zhì)的討論一直是科學(xué)界熱點話題，直到二十世紀(jì)愛因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落。牛頓對光學(xué)的研究可視為近代光學(xué)的開端，其棱鏡分解白光實驗入選十大最美物理實驗，[3]而牛頓環(huán)實驗至今仍是大學(xué)普通物理實驗室經(jīng)典必選實驗之一。因牛頓的權(quán)威，光的微粒學(xué)說在科學(xué)界占主導(dǎo)地位達一個多世紀(jì)。光的干涉第一次課以十九世紀(jì)初托馬斯楊的雙縫干涉實驗導(dǎo)入，這一實驗揭開了近代波動光學(xué)的序幕，亦是十大最美麗的物理實驗之一。[3]第二次課薄膜干涉可以用牛頓環(huán)導(dǎo)入。第三次課中介紹在物理學(xué)史上有重要地位的邁克爾遜（1907年獲諾貝爾獎）干涉儀。
在衍射部分，將菲涅爾等實驗證明的著名泊松亮斑在第一次課中作簡單介紹，可以很好激發(fā)學(xué)生的討論熱情，因泊松亮斑的相關(guān)歷史很多學(xué)生都有所了解。第二次課的X射線衍射的發(fā)現(xiàn)過程亦十分有趣，倫琴（1901年獲諾貝爾獎）夫人戴婚戒的手骨底片是第一張X光照片。
光的偏振總體上是介紹性質(zhì)的講授，重點是1808年發(fā)現(xiàn)的馬呂斯定律和1815年布儒斯特定律，不作重點但比較有趣的雙折射現(xiàn)象則是早在1669年就被人們發(fā)現(xiàn)的，其在生活中可作為辨別晶體與非晶體的一種方式。
5.電磁學(xué)
經(jīng)典電磁學(xué)理論是大學(xué)物理中的必修模塊，雖然理論推導(dǎo)多、微積分計算多，但現(xiàn)在電磁學(xué)在生活中的應(yīng)用無處不在，且名人輩出，將課上得生動有趣并不困難。如靜電學(xué)部分的庫侖定律是1785年的庫侖扭秤實驗確立的，電荷的不連續(xù)性是由1909年密立根油滴實驗證明，該實驗是十大最美物理實驗之一。[3]第三次課講授的靜電場高斯定理因“數(shù)學(xué)之王”高斯得名。高斯生平傳聞軼事很多，尤其是其研究生時期，誤將懸留兩千余年未解的尺規(guī)作正十七邊形問題作為導(dǎo)師布置的課后作業(yè)一夜解決的故事，與學(xué)生們發(fā)散討論其心理學(xué)與教育學(xué)意義，對于學(xué)生打破心理設(shè)限努力鉆研學(xué)習(xí)很有意義。
穩(wěn)恒磁場八次課，第一次課可介紹中國古人在磁學(xué)方面的發(fā)現(xiàn)，司南和指南針的意義；1820年近代磁學(xué)標(biāo)志性的奧斯特實驗等，也是學(xué)生們熟悉且有興趣的內(nèi)容。第二次課的畢奧-薩伐爾定律，可介紹其定律的得出與安培、拉普拉斯等在數(shù)學(xué)上的幫助密不可分，再次強調(diào)大學(xué)物理學(xué)習(xí)中高數(shù)知識的重要性。安培是一位在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)領(lǐng)域都有很高造詣的科學(xué)家，約第四、五次課中學(xué)習(xí)的磁場安培環(huán)路定理、安培定律都由他發(fā)現(xiàn)，被稱為“電學(xué)中的牛頓”。
電磁感應(yīng)部分則由著名科學(xué)家法拉第的故事導(dǎo)入。被譽為電磁學(xué)領(lǐng)域的平民巨人，著名的自學(xué)成才的科學(xué)家法拉第，生于英國一個貧苦鐵匠家庭，僅上過小學(xué)。1831年，他作出了關(guān)于力場的關(guān)鍵性突破，永遠改變了人類文明。[4]法拉第是一位無以倫比的實驗物理學(xué)家，在電磁學(xué)、化學(xué)、電解、氣體液化等實驗方面都做出了巨大貢獻。而且法拉第十分幸運地在晚年遇到了既能理解他的物理思想，又長于數(shù)學(xué)的麥克斯韋，第三、四次課中的感生電場和位移電流假設(shè)都是由麥克斯韋提出。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著《電磁理論》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論，這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。1888年，赫茲經(jīng)反復(fù)實驗，終于發(fā)現(xiàn)了人們懷疑和期待已久的電磁波，由法拉第開創(chuàng)、麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，得以完美的證明。
6.相對論與近代物理
這部分內(nèi)容我院只有全模塊的勘工和建環(huán)專業(yè)按十六課時教學(xué)并考試，其他專業(yè)都只作為了解內(nèi)容，用物理學(xué)史的故事串講主要內(nèi)容即可：
（1）被譽為20世紀(jì)最偉大物理學(xué)家的愛因斯坦，其狹義相對論的兩個重要結(jié)論：時間延緩和長度收縮效應(yīng)，及物理學(xué)史上著名的雙生子佯謬已被實驗證明，而為愛因斯坦贏得1921年諾貝爾獎的是光電效應(yīng)的研究。
（2）光電效應(yīng)方程中的普朗克常數(shù)對描述光的量子性非常重要，因研究黑體輻射而提出該常數(shù)的普朗克（1918年諾貝爾物理學(xué)獎）是量子力學(xué)的創(chuàng)始人。有趣的是，普朗克本人并不認同量子理論的許多觀點，直到愛因斯坦利用能量子假設(shè)完美地解釋了光電效應(yīng)。
（3）被戲傳一舉拿下諾貝爾獎（1929）的德布羅意也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，以物質(zhì)波假設(shè)理論最初的確是在其博士論文中提出的，因德布羅意是法國公爵兼德國王子，使其曾被傳聞是一位花花公子，事實上德布羅意終身獻身于科學(xué)，深居簡出，是個標(biāo)準(zhǔn)的工作狂。
（4）提出氫原子能級假設(shè)的天才玻爾是著名的哥本哈根學(xué)派創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。
（5）概率波動力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤，提出著名假設(shè)“薛定諤的貓”。
三、結(jié)束語
本文按長江大學(xué)使用的《大學(xué)物理》教材[2]中各章節(jié)先后順序列出各章可能提及的名人軼事，希望對執(zhí)教于大學(xué)物理的同仁們在課堂教學(xué)中有所助益。
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論文摘 要:在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，化工技術(shù)已滲透到科學(xué)技術(shù)的各領(lǐng)域，對科學(xué)技術(shù)的進步、國民經(jīng)濟和現(xiàn)代社會生活的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用?；I(yè)課程的特點是論文性強、概念抽象、原理復(fù)雜，對成人學(xué)生來說是比較困難的。筆者在教學(xué)過程中結(jié)合成人的特點，結(jié)合專業(yè)課程特點，有針對性的提出幾點意見和建議，以期提高成人化工專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量。
成人教育在我國的高等教育中占有越來越重要的地位，這充分體現(xiàn)了我國高等教育的“終身化”、“大眾化”和“綜合化”。成人學(xué)生大部分是已工作的在職人員，雖然他們具有豐富的實踐經(jīng)驗，但對化工專業(yè)理論知識的掌握和理解存在著很大的差異，另成人學(xué)生畢業(yè)較早、年齡偏大，因此，這決定了成人教育與全日制本科教學(xué)有著許多不同。作為化工專業(yè)從業(yè)人員，面對科技，文化，經(jīng)濟全球化的激烈競爭，我們必須接受新的知識，不斷提高自己的工作能力和專業(yè)水平，對我國化工行業(yè)的迅速發(fā)展添磚加瓦。我國成人教育的辦學(xué)規(guī)模越來越大，學(xué)員人數(shù)越來越多，在提高廣大在職化工人員的專業(yè)水平上發(fā)揮著重要的作用。但目前，我國化工成人教育也存在著“普教化”傾向，缺乏成人特點，不能很好地滿足社會對化工成人高等教育所培養(yǎng)的人才在知識和技能等方面的更高要求。為此，筆者結(jié)合成人教育特點和教學(xué)實踐，就化工專業(yè)成人的教學(xué)方法進行探討，以適應(yīng)化工成人教育發(fā)展的需求。
1 掌握成人學(xué)生特點，因人施教
成人學(xué)生的來源不同于全日制本科生，學(xué)生來源主要是已經(jīng)參加工作的具有一定社會實踐能力、獨立人格的在職人員，他們畢業(yè)較早，受外界干擾多，精力不易集中，但對知識的追求欲很強，重視接受教育對自身價值的提升。他們的學(xué)習(xí)是一種充電，是對知識更新與補充，也是對專業(yè)理論和技術(shù)的提高。又由于每個成人以前所受教育不同，對專業(yè)知識的掌握參差不齊，這就要求教師必須針對成人的特點，因勢利導(dǎo)、因人施教。成人學(xué)生有實際工作經(jīng)驗，多數(shù)來自生產(chǎn)第一線，如來自化工廠化驗室的學(xué)員，他們對常規(guī)的分析方法和分析手段比較熟悉，但對近代分析儀器手段比較陌生，且充滿興趣，所以在講授這部分內(nèi)容時，我們盡可能講述每一種儀器分析方法最新進展，以滿足成人學(xué)生對知識的求新心理。例如，在講述光譜分析部分時候，側(cè)重介紹熒光、紅外光譜，波譜學(xué)等的工作原理及分析手段，加以動漫和化工軟件演示，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性，滿足他們求實創(chuàng)新的需求。
成人學(xué)生的年齡一般較大，記憶力遠不如全日制學(xué)生，但他們對知識的理解性和邏輯性的記憶較強。針對這一特點，加強理解性記憶，具有重要意義。為此，在授課內(nèi)容中注重用通俗的語言結(jié)合成人的實踐經(jīng)驗來把枯燥、乏味的理論知識傳授給學(xué)生。例如，化工生產(chǎn)中溫度、壓力是如何確定的？需用到物理化學(xué)中的化學(xué)平衡的知識，直接講述化學(xué)平衡學(xué)生難以理解記憶，我們結(jié)合學(xué)生在實際操作中的情況，如合成氨的生產(chǎn)，為什么條件是高溫、高壓？把實際和理論結(jié)合起來，進行對比講解，提出在實際操作中如果溫度低了，會出現(xiàn)什么情況，對產(chǎn)率有何影響？當(dāng)溫度高了又有何影響？學(xué)生把自己的實踐和理論結(jié)合馬上就理解了溫度、壓力等操作條件是如何影響生產(chǎn)的，進而知道了溫度、壓力等是如何確定的。又如在無機化學(xué)中講到原子軌道理論，分子軌道理論和雜化軌道理論時，我們可以把這幾個知識放在一起，進行對比，找出它們的差異，同時以動漫演示這幾種理論的變化過程，相信成人學(xué)生對這種復(fù)雜、抽象的概念理解也不會太難了，加深了學(xué)生對知識的理解記憶。
2 采用多種教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
由于成教學(xué)生大多數(shù)基礎(chǔ)較差，且對這門學(xué)科缺乏正確認識，有些學(xué)生甚至覺得學(xué)習(xí)理論在實際中沒有多大的用處，因此缺乏學(xué)習(xí)積極性。要激發(fā)成人學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在教學(xué)中就應(yīng)針對成人學(xué)生特點，采用多種教學(xué)方法。
2.1 啟發(fā)式
啟發(fā)式教學(xué)是一種注重發(fā)揮學(xué)生主體能動性的一種學(xué)習(xí)方法，比較適合成人學(xué)生獨立思維、積極主動地去獲取知識的特征。啟發(fā)式教學(xué)是指教師從學(xué)生的實際出發(fā)，采用各種有效的形式去調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，指導(dǎo)他們動腦、動口、動手，經(jīng)過自己的思考去獲得知識，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題，使之生動活潑、有興致地學(xué)習(xí)。有人提出了啟智的七把鑰匙:第一，質(zhì)疑;第二，引趣;第三，勤學(xué);第四，改難;第五，動情;第六，求變;第七，務(wù)本。教師在教學(xué)中采用滿堂罐式的教學(xué)，只能使學(xué)生覺得乏味，最后完全失去學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)中如果教師善于應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)，不但使學(xué)生想學(xué)、愿學(xué)，而且提高了學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。例如，我們在講授硫酸這門課時，可以提出“生產(chǎn)硫酸的原料有哪些？”“原料不同對后面的工序有何影響”、“由于原料的不同生產(chǎn)硫酸的工藝有何不同？”“為什么硫酸的凈化工序差別較大？”等一系列問題，要求他們認真思考后再回答，這樣就能使他們的思維活動變得非常積極而主動，講授的有關(guān)知識也就很快掌握了。這樣不僅可以啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的自覺性，而且對培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新意識大有裨益。
2.2 對比式
化工專業(yè)有些課程的內(nèi)容比較相似，要想?yún)^(qū)別并理解記憶這些內(nèi)容，對比法是一種行之有效的講授方法。例如，有機化學(xué)中的雙分子親核取代、單分子親核取代和雙分子消除反應(yīng)、單分子消除反應(yīng)非常相似，很容易混淆，而這部分內(nèi)容既是重點又是難點，在講授過程中我們把這四個內(nèi)容放在一起進行列表找出相同點和不同點，并且抓住幾個關(guān)鍵詞取代、消除，單分子、雙分子進行講解，再從反應(yīng)機理進一步對比，這樣就使學(xué)生對這幾個概念有一徹底的理解，從而達到了對理論知識的掌握。又如物理化學(xué)中有一些公式十分相似，如范特霍夫公式、克—克方程和阿累尼烏斯方程外在形式的相似隱含著它們之間一定有內(nèi)在聯(lián)系，只要我們分析一下上述關(guān)系式的來蹤即可發(fā)現(xiàn)它們相似的內(nèi)在原因。這些公式相似的內(nèi)因是由于它們都反映著某種平衡關(guān)系及體系從一個平衡態(tài)變到另一個平衡態(tài)的條件。推廣開來，對任何一個可用平衡表示的熱力學(xué)體系，用有關(guān)平衡理論去討論總可以得到某個物理量隨溫度的變化為該類形式相似的公式。這種相似性為我們掌握熱力學(xué)量間的關(guān)系及熱力學(xué)方法處理問題的特點，進行一些物理量的計算或一些公式的理論推導(dǎo)提供一定的方便。通過對幾個相似公式的分析，我們把不同章節(jié)的公式聯(lián)系在一起，通過挖掘教材內(nèi)容和各知識點的結(jié)合，使學(xué)生易于理解及記憶。有利于成人學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容記憶得更深刻。
2.3 比喻式
化工專業(yè)課的理論性較強，在教學(xué)過程中常常會遇到一些較難理解的理論和概念，如果只用專業(yè)語言去講，成人學(xué)生由于專業(yè)基礎(chǔ)普遍較差，很難聽懂，此時就可以運用比喻的方法把一些理論問題形象化去講，可達到事半功倍的效果。例如，我們在講授表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)時，可以將其比喻成火柴，火柴的大頭是表面活性劑分子的極性基部分，火柴桿是表面活性劑分子的非極性基部分，這樣形象化的比喻就能使學(xué)生很輕松地接受表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)并能牢牢地記住。又如在物理化學(xué)中講授熵的物理意義時，我們可以把熵比喻成一個小孩，孩子天生好動，這是一個自愿過程，熵是增大的，無序度也是增大的;而想讓孩子不動，則必須束縛他，這是一個非自愿的過程，熵是減小的，有序度是增大的。這樣把一個抽象的概念形象化，使學(xué)生很容易理解。
2.4 總結(jié)式
一堂課講完以后，都必須留十分鐘左右的時間，對這堂課進行總結(jié)、歸納。成人學(xué)生理解問題、分析問題的能力強，因此，可以用準(zhǔn)確簡練的語言，提綱挈領(lǐng)地對一些重點、難點進行總結(jié)。這樣學(xué)生可以牢牢抓住本節(jié)本章的重點、難點，加快了對知識的掌握，除此總結(jié)式還可以提高學(xué)生對知識的概括能力，不會出現(xiàn)眉毛胡子一把抓的結(jié)果，更有利于學(xué)生更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。
3 利用現(xiàn)代技術(shù)手段，完善教學(xué)環(huán)節(jié)
化工專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，如有機化學(xué)中的有機化合物的分子結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)抽象、復(fù)雜，很難用語言描述清楚。化工專業(yè)的專業(yè)課程，如無機化工工藝學(xué)教材中有許多的工藝流程圖和眾多的配方，用常規(guī)方法進行教學(xué)，既難板書，又費時間，一堂課下來講不了多少內(nèi)容，難以完成大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)。針對上述情況采用現(xiàn)代的、高技術(shù)的、大容量的現(xiàn)代化教學(xué)方法如多媒體教學(xué)，借助計算機技術(shù)將圖像、聲音、文字、動畫等相結(jié)合，形成“動靜結(jié)合、聲形并茂”的教學(xué)情境，使微觀世界變得直觀、明了，非常有助于學(xué)生對知識的理解和掌握。利用多媒體課件教學(xué)可以使有機化合物的結(jié)構(gòu)一目了然;可以使各流程中物料的流向、產(chǎn)物的分離、設(shè)備的結(jié)構(gòu)形象生動。
4 根據(jù)教學(xué)實際強化理論基礎(chǔ)
成人學(xué)生多數(shù)離校已久，知識結(jié)構(gòu)相對老化，基礎(chǔ)理論較為薄弱，對抽象的、邏輯性較強的理論知識的學(xué)習(xí)困難較大。針對這種情況，教師必須全面了解課本，深入研究教學(xué)大綱，做到心中有數(shù)。在講解過程中對較易掌握的知識可以一帶而過，碰到理論性強的難點和重點時，例如，無機化學(xué)中的能斯特方程、法拉第定律等的數(shù)學(xué)表示式含義及其各種符號的意義和公式應(yīng)用的條件和范圍，有機化學(xué)中的各反應(yīng)的反應(yīng)機理、特點，提出來講深講透，可以重復(fù)多次的講解，重點一定要突出，難點一定要強調(diào)，使這些知識在學(xué)生大腦中扎根，而達到學(xué)生對知識的熟練理解和掌握。
5 結(jié)語
隨著專業(yè)改革的不斷深入，在成人化工專業(yè)的教學(xué)過程中，不斷的探討適合成人學(xué)生能力培養(yǎng)的課程教育方式和方法是有必要的。通過教師在教學(xué)中的不懈努力，相信一定能完成課程教學(xué)改革的任務(wù)，為社會培養(yǎng)合格的化工人才做出貢獻。
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材料工程(專業(yè)代碼085204)：接收專業(yè)型碩士研究生
化學(xué)(專業(yè)代碼：070300)：物理化學(xué)、無機化學(xué)方向接收學(xué)術(shù)型碩士研究生
二、研究方向
1、能源環(huán)保功能晶態(tài)材料
本方向以面向能源環(huán)保領(lǐng)域的晶態(tài)材料為研究對象，以宏觀性質(zhì)(光、電、能源氣體存儲、太陽燃料(產(chǎn)氫、溫室氣體轉(zhuǎn)化)光催化材料、光電轉(zhuǎn)化和污染物去除)與微觀結(jié)構(gòu)、形貌之間的內(nèi)在關(guān)系為主線，開展研究工作，為晶態(tài)材料功能導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)設(shè)計、可控制備和性能調(diào)控提供新理論、新方法與新材料體系，重點實現(xiàn)其在新能源利用、環(huán)境治理、能源存儲和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的應(yīng)用。
目前主要研究方向有：
1、孔性晶態(tài)材料：儲氫、捕獲溫室氣體、污染物去除、氣敏、綠色催化;
發(fā)光晶態(tài)材料：熒光、化學(xué)傳感器、光電轉(zhuǎn)化;
新型高效催化材料：太陽燃料(分解水、CO2轉(zhuǎn)化)光催化、電催化等。
聯(lián)系人：趙君
聯(lián)系方式：13507206810，[email protected]
2、動力與儲能電池材料
本方向長期致力于鋰離子電池等儲能電池新型電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、合成和電化學(xué)性能研究。以宜昌地區(qū)豐富的磷礦、石墨礦及鐵礦等礦產(chǎn)資源為原料，積極開展高附加值鋰離子電池正/負極材料和超級電容器用復(fù)合材料方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。現(xiàn)有博士生導(dǎo)師2人，碩士生導(dǎo)師4人，在讀研究生13人，已畢業(yè)研究生均在國內(nèi)著名能源材料企業(yè)或研究機構(gòu)(如上海杉杉科技、東莞新能源、深圳貝特瑞、億緯鋰能等)從事研發(fā)工作。本方向在研國家自然科學(xué)基金5項，其它省部級及企業(yè)橫向課題6項。研究成果在國際權(quán)威刊物上發(fā)表SCI論文90余篇，獲得授權(quán)發(fā)明專利6項，并被評為湖北高校十大科技成果轉(zhuǎn)化項目提名獎。
聯(lián)系人：楊學(xué)林
聯(lián)系方式：13972604202，[email protected]
網(wǎng)頁：newenergy.ctgu.edu.cn
3、能量轉(zhuǎn)換材料與器件
本方向長期致力于能量轉(zhuǎn)換材料與器件的研究，結(jié)合國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及宜昌市無機功能材料聚集中心的發(fā)展目標(biāo)，以揭示材料設(shè)計、合成、制備及器件組裝與性能的依存關(guān)系為主線，探索提升材料及器件性能的新工藝和新途徑。本方向主要圍繞Si基及C/Si基薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和超級電容器材料的設(shè)計、可控合成、器件表面界面調(diào)控及性能優(yōu)化開展系統(tǒng)研究工作。
聯(lián)系人：孫盼盼
聯(lián)系方式：13618682465
4、光伏材料與器件
光伏材料與器件團隊所在的太陽能研究所實驗室主要致力于各類太陽能電池的研發(fā)、超級電容器的制備及光伏發(fā)電電力系統(tǒng)相關(guān)問題的研究?，F(xiàn)有博士生導(dǎo)師1人，碩士生導(dǎo)師4人，在讀研究生14人。本方向主持有國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金、湖北省教育廳青年基金、湖北省科技廳中小型企業(yè)創(chuàng)新基金以及與企業(yè)合作橫向項目十余項。實驗室擁有從材料制備、電池組裝到性能分析的整套設(shè)備，有研究光伏發(fā)電及電力變換想問題的分布式發(fā)電系統(tǒng)及基于新能源微電網(wǎng)研究的2011省級協(xié)同創(chuàng)新科研平臺。相關(guān)研究成果曾獲湖北省自然科學(xué)獎二等獎、三等獎各1項，獲國家發(fā)明專利12項。
聯(lián)系人：譚新玉，肖婷
聯(lián)系方式：15872592999，18986817550，[email protected]
5、金屬陶瓷材料
金屬基/陶瓷基復(fù)合材料是我校較早開展的研究領(lǐng)域之一，主要研究方向：金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬材料?；A(chǔ)研究以材料熱力學(xué)、動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代材料制備技術(shù)，研究材料成分、組織、性能之間關(guān)系;工程應(yīng)用面向切削刀具、模具耐磨材料、汽車超高強度用鋼、高溫合金和新型建筑材料。實驗室擁有較為完善的材料制備、測試和表征設(shè)備。近年來形成了以博士為主體的研究隊伍，現(xiàn)有導(dǎo)師7名，其中教授4人，在讀研究生21名。研究工作先后得到國家自然科學(xué)基金委、省部級部門和企業(yè)的資助，承擔(dān)縱、橫向項目30余項，三大檢索論文150余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利9項，部分科研成果已轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用。研究成果獲得湖北省科技進步三等獎3項，市科技進步一等獎2項。
聯(lián)系人：豐平，戴雷
聯(lián)系方式：13997700627，13197326390
論文關(guān)鍵詞：鍋爐原理 實踐訓(xùn)練 教學(xué)
論文摘要：為適應(yīng)創(chuàng)新型國家發(fā)展戰(zhàn)略，教育創(chuàng)新應(yīng)貫穿大學(xué)課堂理論教學(xué)和課程實踐訓(xùn)練教學(xué)。針對“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)，重點探討了華北水利水電學(xué)院“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練的目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和實施方法，以期對電廠熱能與動力工程專業(yè)實踐能力訓(xùn)練方面起到一定的推動作用。
鍋爐是用以生產(chǎn)熱水或蒸汽的設(shè)備，在國民經(jīng)濟中具有異乎尋常的重要作用，電站鍋爐是火力發(fā)電系統(tǒng)三大主機之一，對火電的高效、潔凈和安全生產(chǎn)及其重要，因此，“鍋爐原理”是熱能與動力工程專業(yè)最核心專業(yè)課程之一。“鍋爐原理”課程主要講授鍋爐的基本工作原理，包括鍋爐的爐內(nèi)燃燒原理及燃燒設(shè)備、鍋爐的傳熱過程、鍋內(nèi)水動力、受熱面外部工作過程和先進鍋爐技術(shù)的發(fā)展等內(nèi)容，要求學(xué)生掌握鍋爐工作過程的基本理論及鍋爐設(shè)備的相關(guān)知識，并培養(yǎng)學(xué)生分析工程問題、鍋爐設(shè)計計算和鍋爐試驗的實踐能力。
為適應(yīng)創(chuàng)新型國家發(fā)展戰(zhàn)略，高等教育要實現(xiàn)從知識型向創(chuàng)新型培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)變，具體到“鍋爐原理”的課程教學(xué)中，創(chuàng)新應(yīng)貫穿課堂理論教學(xué)和課程實踐訓(xùn)練教學(xué)。對“鍋爐原理”課程的理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)手段、教學(xué)方法等方面已有較多的探討和實踐研究，[1-4]本文從“鍋爐原理”課程實踐能力的培養(yǎng)出發(fā)，重點討論華北水利水電學(xué)院（以下簡稱“我?！保板仩t原理”課程實踐訓(xùn)練的目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和實施方法。
一、“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)的定位
“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)的定位必須符合我校熱能與動力工程專業(yè)定位，應(yīng)全面貫徹黨的教育方針，遵循大學(xué)教育教學(xué)規(guī)律，秉承我校辦學(xué)理念，實施“基礎(chǔ)、實踐、創(chuàng)新”三位一體的培養(yǎng)模式，在教育教學(xué)中，堅持夯實基礎(chǔ)、強化實踐、注重創(chuàng)新的思想，培養(yǎng)吃得苦、下得去和用得上的專業(yè)技術(shù)人才。應(yīng)以“寬基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”為培養(yǎng)人才的宗旨，注重學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識與能力的培養(yǎng)，加強實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，優(yōu)化教學(xué)方法與教學(xué)手段。專業(yè)實踐能力培養(yǎng)始終圍繞“強化實踐教學(xué)、提高學(xué)生素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、重在實際應(yīng)用”的教學(xué)指導(dǎo)思想，從人才培養(yǎng)目標(biāo)、實驗教學(xué)體系、實驗教學(xué)內(nèi)容和方法、實驗教學(xué)隊伍、實驗環(huán)境條件和實驗室管理體制等方面進行了全方位的改革與建設(shè)，探索實現(xiàn)基礎(chǔ)性驗證實驗、測定試驗、創(chuàng)新性科研訓(xùn)練實驗和拓寬知識面的演示實驗的“四級實驗”教學(xué)體系，實現(xiàn)教育創(chuàng)新。“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)應(yīng)實施從理論到實際、從傳統(tǒng)到創(chuàng)新、從課堂到工程項目的工程化實踐教學(xué)思想，圍繞動腦想方案、動手做試驗、動嘴講成果、動筆寫報告等“四動”能力，達到加深理論知識的掌握和應(yīng)用，在實踐訓(xùn)練中切實培養(yǎng)學(xué)生處理工程問題，進行鍋爐設(shè)計計算和鍋爐試驗的實踐能力。
二、“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計
“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容尚無可參考材料，根據(jù)我校熱能與動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)和“鍋爐原理”課程大綱的要求，基于我校的專業(yè)師資、實驗室和實習(xí)資源以及用人單位和歷屆畢業(yè)生的建議，科學(xué)制定“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容。
1.“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容設(shè)計原則
對我?！板仩t原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計時，實行“工程化”設(shè)計思路，并遵循四個原則，即實踐訓(xùn)練內(nèi)容以“鍋爐原理”為中心、內(nèi)容進程科學(xué)有序化、內(nèi)容設(shè)計層次化和實施方式多元化。
（1）以“鍋爐原理”為中心，多課程之間緊密聯(lián)系化。鑒于“鍋爐原理”是熱能與動力工程專業(yè)的最重要專業(yè)課，處于前期的專業(yè)基礎(chǔ)課程以及后續(xù)課程之間的中心地位，因此在設(shè)計“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容之前，先對我校“流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”和“燃燒學(xué)”等基礎(chǔ)課以及后續(xù)專業(yè)選修課程比如“大型鍋爐運行”、“單元機組集控運行”和“循環(huán)流化床燃燒技術(shù)”等課程的教學(xué)大綱、實驗大綱、知識點講授情況以及實踐實驗訓(xùn)練情況進行詳細調(diào)查、分析和總結(jié)，做到了然于胸，確?！板仩t原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與前期專業(yè)基礎(chǔ)課程及后續(xù)專業(yè)選修課程的緊密聯(lián)系，力求通過該課程實踐訓(xùn)練，既可以鞏固和加深學(xué)生對前期專業(yè)基礎(chǔ)課的理解，加強對所學(xué)基礎(chǔ)知識的實踐應(yīng)用，將所學(xué)的熱工學(xué)知識、燃燒學(xué)知識在電站鍋爐中加以應(yīng)用，達到學(xué)生對鍋爐原理中爐內(nèi)燃燒、鍋內(nèi)傳熱及水動力和煙風(fēng)阻力知識融會貫通、舉一反三，為靈活應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)選修課程的欲望和熱情，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程的好奇心、主動性和積極性。
（2）實踐訓(xùn)練課程內(nèi)容進程科學(xué)有序化。“鍋爐原理”課程本身知識點之間的順序決定了課程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計次序，要由淺入深、層層推進、由易到難，脈絡(luò)清晰。因此，訓(xùn)練內(nèi)容應(yīng)嚴(yán)格按照鍋爐原理本身的發(fā)展進行設(shè)計。內(nèi)容主要包括客觀認識實踐、原理性演示驗證實踐和工程實踐訓(xùn)練三大內(nèi)容。
客觀認識實踐主要是對鍋爐實物、鍋爐機組整體模型、鍋爐重要設(shè)備的直觀認識，如在開設(shè)“鍋爐原理”課程前進行電廠認識實習(xí)，對鍋爐的實物直觀認識，在“鍋爐原理”課程第一節(jié)緒論課和鍋爐組成課講解后進行模型實驗，通過模型參加實驗、拆裝模型和動畫模型模擬鞏固加深鍋爐機組系統(tǒng)及組成知識。
原理性演示驗證實踐。筆者通過幾年的“鍋爐原理”教學(xué)發(fā)現(xiàn)，鍋爐的水循環(huán)內(nèi)容是該課程的難點之一，學(xué)生往往難以理解和掌握，通過課程原理性演示和實踐可以幫助學(xué)生理解和掌握水循環(huán)等難點。該部分主要是對自然循環(huán)原理、直流鍋爐原理等的演示驗證實踐內(nèi)容。
工程實踐試驗主要是對鍋爐的三大計算能力的訓(xùn)練實踐，包括鍋爐輔助計算、熱力計算、水動力計算、煙風(fēng)阻力計算和強度計算的實踐訓(xùn)練、鍋爐熱平衡的實驗和鍋爐機組運行仿真實驗訓(xùn)練。
（3）實踐訓(xùn)練課程內(nèi)容設(shè)計層次化。內(nèi)容設(shè)計要貫穿層次化的思路，內(nèi)容的難易程度要進行層次化設(shè)計，對訓(xùn)練中的每一個內(nèi)容根據(jù)其在課程中的總體地位和重要程度按照“了解、理解、掌握”等不同層次進行分級定位；同時，根據(jù)學(xué)生個體水平的差異，對同一內(nèi)容也要進行層次化設(shè)計，在滿足分級定位要求和大部分學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，對那些學(xué)有余力的學(xué)生進行進一步的拓寬設(shè)計。比如鍋爐的計算，對于普通的學(xué)生則只要會進行鍋爐的輔助計算、各受熱面熱力計算和簡單的水循環(huán)計算即可，而對于部分學(xué)有余力的學(xué)生，則可更進一步進行較復(fù)雜的水動力計算、強度計算和煙風(fēng)阻力計算，并完成一些計算程序的編制。 轉(zhuǎn)貼于 ?。?）實施方式多元化。課程實踐訓(xùn)練教學(xué)是實踐性課程，因教學(xué)學(xué)時、實驗室資源等多方面的因素，決定教學(xué)實施的方式必須多元化，即課堂、實驗室和企業(yè)生產(chǎn)三位一體，課堂演示、實驗室參觀驗證實踐和電廠實踐構(gòu)成全方位多層次的實踐訓(xùn)練。傳統(tǒng)與現(xiàn)代先進技術(shù)結(jié)合，實踐訓(xùn)練中采用比如計算機程序模擬、動畫設(shè)計模擬實踐、鍋爐事故仿真模擬等先進技術(shù)手段實施實踐訓(xùn)練。
2.“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)具體內(nèi)容設(shè)計
我?！板仩t原理”課程計劃學(xué)時64學(xué)時，其中實驗6學(xué)時。其前期基礎(chǔ)課程包括“流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)和燃燒學(xué)”，還開設(shè)了后續(xù)課程“鍋爐運行”和“單元機組集控運行”?！板仩t原理”課程內(nèi)容多、難點多、實踐性強，“鍋爐原理”課程通常設(shè)置有鍋爐原理課程設(shè)計，我?！板仩t原理”課程設(shè)計時間為1.5周。實際上，僅靠課程設(shè)計和6學(xué)時的實踐訓(xùn)練難以達到學(xué)生牢固掌握鍋爐原理理論知識、靈活運用所學(xué)解決實際問題的目標(biāo)。“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)包括鍋爐原理6學(xué)時實驗課、1.5周課程設(shè)計、16學(xué)時單元機組集控運行實驗，但主要利用學(xué)生的課余時間進行。教學(xué)過程貫穿第5至第8學(xué)期，延續(xù)2年時間，實踐訓(xùn)練教學(xué)包括13個內(nèi)容，90小時。具體內(nèi)容和建議學(xué)時如下。
電站鍋爐機組實物模型和虛擬模型實踐，2學(xué)時。標(biāo)準(zhǔn)煤樣工業(yè)分析驗證性實驗，4學(xué)時?；旌厦汗I(yè)分析測試實驗，4學(xué)時。煤的發(fā)熱量測定實驗，2學(xué)時。自然循環(huán)鍋爐工作原理實驗，1學(xué)時。多管水循環(huán)驗證實驗，1學(xué)時。直流鍋爐工作原理實驗，1學(xué)時。鍋爐綜合測試項目設(shè)計實驗，13學(xué)時。鍋爐原理課程設(shè)計訓(xùn)練，32學(xué)時。鍋爐水循環(huán)計算訓(xùn)練，10學(xué)時。鍋爐煙風(fēng)阻力計算訓(xùn)練，6學(xué)時。鍋爐啟停仿真訓(xùn)練，8學(xué)時。鍋爐運行仿真訓(xùn)練，8學(xué)時。
三、“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)實踐
我?！板仩t原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)課題在2008提出，在2006、2007和2008年級開始實施，實踐證明，通過“鍋爐原理”課程實踐訓(xùn)練教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的熱情，鞏固和加深了鍋爐原理知識的理解，提高了學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生動腦想方案、動手做試驗、動嘴講成果、動筆寫報告等“四動”能力。我們對2006和2007年級的學(xué)生進行鍋爐實踐能力的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，無論是研究生復(fù)試（鍋爐及鍋爐相關(guān)知識的筆試和面試），還是就業(yè)面試（熱工學(xué)和鍋爐等口試）過程中，學(xué)生對鍋爐相關(guān)考題從容自如，安之若素。當(dāng)然，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方面還需進一步改進，實施的方式還需更科學(xué)合理。
參考文獻
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在山東大學(xué)化學(xué)院辦公室，筆者見到了剛剛被聘為“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授的郝京誠。他給人的第一印象是很陽光，也很陽剛小平頭、休閑裝，思維敏捷，性格爽直，快言快語。說起來有些令人難以置信，這位長期從事膠體與界面化學(xué)研究，取得一系列創(chuàng)新性成果的杰出學(xué)者，當(dāng)年竟差一點成為一名專業(yè)運動員。
郝京誠天運動，也具有很好的運動天賦。籃球、排球和田徑都技藝不俗。少年時曾有許多專業(yè)隊看中他，希望作為后備力量帶走培養(yǎng)，只因是家中獨子，父母不舍得他遠離才沒有成行。1983年，作為高水平運動員，他考取山東師范大學(xué)體育系?；瘜W(xué)系發(fā)現(xiàn)一個體育生的文化課成績竟然高出很多普通系學(xué)生，便毫不客氣地“挖”了過來，從此改變了郝京誠的生活軌跡。憑著突出的運動成績，郝京誠贏得過很多榮譽，曾經(jīng)獲得山東省第五屆大學(xué)生運動會中長跑冠軍，山東師范大學(xué)800米記錄保持了近10年。
扎實苦干 不好高騖遠
1990年，郝京誠考取山東大學(xué)化學(xué)系沈靜蘭教授的碩士研究生。在這里，他經(jīng)?？吹嚼蠋焸兟耦^工作，不知疲倦的身影。統(tǒng)計熱力學(xué)是一門比較難學(xué)的課程，蔡政亭老師、馮大誠老師的課卻講得特別精彩。“要是仔細記錄下來，簡直就是一部非常清晰、完整的教科書?！崩蠋焸冞€鼓勵他業(yè)余時間閱讀英文版的《統(tǒng)計熱力學(xué)》，這成為他英語水平迅速提高的一個關(guān)鍵階段。而高自立和孫思修老師扎實的文字功底、繪圖技藝和解釋實驗結(jié)果的超強水平對郝京誠產(chǎn)生了深刻的影響。“還有楊孔章、李干佐、劉成卜、徐桂英等老師……他們在做人、做學(xué)問，教書育人方面值得我們上個世紀(jì)60年代、70、80年代出生的學(xué)生很好地學(xué)習(xí)。”
郝京誠在德國做洪堡學(xué)者時，德國人對待工作的嚴(yán)謹(jǐn)認真，一絲不茍，給他留下了極為深刻的印象。他的導(dǎo)師是世界公認的著名膠體與界面科學(xué)家，經(jīng)常為工作忙碌到深夜。剛到德國時，他的語言還不夠熟練。有一次，導(dǎo)師看完他的論文，對文章內(nèi)容頗為欣賞，但也直言不諱地說，“你的英文論文寫作還需要提高。”郝京誠深知從事化學(xué)研究，英文不好寸步難行。沒有捷徑可走，只能一步步追趕。他放棄了很多休息時間，拼命工作學(xué)習(xí)。
追求卓越 不輕言放棄
從碩士階段起，郝京誠就確立了膠體與界面化學(xué)這一研究方向。膠體與界面現(xiàn)象是日常生活中普遍存在的一種化學(xué)現(xiàn)象，如泥沙、珍珠、面包、蛋糕、牛奶等都是膠體分散體系。作為膠體與界面化學(xué)基礎(chǔ)研究的前沿，涉及到的領(lǐng)域非常廣泛，比如囊泡作為藥物釋放體系、特異形貌納米材料的模板控制合成和囊泡作為生命細胞的模擬研究等等，其理論在生產(chǎn)生活實際中發(fā)揮著重要指導(dǎo)作用，如油田化學(xué)品在三次采油、驅(qū)油體系中的應(yīng)用等。郝京誠所在的膠體與界面化學(xué)教育部重點實驗室，自1996年通過驗收并正式對外開放以來，已經(jīng)發(fā)展成為我國膠體與界面化學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)和人才培養(yǎng)的重要基地，承擔(dān)著包括國家“973計劃”、“863計劃”、國家自然科學(xué)基金等許多國家級重點項目，先后取得一系列高水平研究成果，獲得過國家科技進步獎等多個獎項，研究所的很多老一輩科學(xué)家為國民經(jīng)濟的發(fā)展作出過重要貢獻。
郝京誠先后在《德國應(yīng)用化學(xué)》、《美國化學(xué)會志》、《歐洲化學(xué)》等在內(nèi)的高水平國際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI論文86篇，其中影響因子大于3的研究論文56篇。近5年所發(fā)表的論文他人引用388次(2007年5月18日檢索)，其中合作發(fā)表在JACS上的研究結(jié)果被《自然》以“一個鋁荷葉”作了亮點報道。作為主席組織國際會議一次，被國內(nèi)外國際學(xué)術(shù)會議邀請作大會或邀請報告15次，并擔(dān)任Colloid ＆ SurfaceA和《化學(xué)學(xué)報》等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊編委。
談到科研方面的體會，郝京誠強調(diào)，對研究的方向和內(nèi)容要有全面的了解，每一項研究的科學(xué)意義都要經(jīng)得起論證，每一個結(jié)果都要能在實驗室重復(fù)，每一個結(jié)論都必須有數(shù)據(jù)作為支撐。發(fā)表文章不僅要注重數(shù)量更要注重質(zhì)量。當(dāng)付出巨大心血完成的論文，經(jīng)過專家們的評審，期刊編輯的認可，反復(fù)修改到最終得以發(fā)表，其中的酸甜苦辣，更值得回味咀嚼，非親身經(jīng)歷者難以體會。他舉例說，2006年6月，他有篇文章投往德國的《應(yīng)用化學(xué)》，這是化學(xué)學(xué)科頂尖的雜志。不久，編輯反饋意見說，文章內(nèi)容太多，不適合讀者的興趣，很快把文章退回了。郝京誠并沒有放棄，而是加深研究，擴充了研究結(jié)果，又將文章投了出去。等了很久，文章再次有了反饋，只好再修改。就這樣，反反復(fù)復(fù)，不斷修改完善，直到2007年8月份才登出來。一年多的時間，郝京誠在焦急中等待，也在等待中經(jīng)受著嚴(yán)格的學(xué)術(shù)歷練，他感到非常有價值。他說：“作為科研工作者，得到的數(shù)據(jù)要對別人有借鑒，要給別人提供重要的信息才有意義。我們應(yīng)當(dāng)注重SCI數(shù)量，但更要注重質(zhì)量。”
薪火相傳 培養(yǎng)學(xué)術(shù)精神
“我在學(xué)術(shù)上取得的一點成績，首先應(yīng)當(dāng)感謝自己周圍以及國際上的老師、朋友的支持與幫助。”郝京誠始終不忘老師們對自己的辛勤培養(yǎng)，并希望通過自己的努力，使學(xué)術(shù)薪火代代相傳。
作為博士生導(dǎo)師，郝京誠目前帶著6名碩士研究生、11名博士研究生和1名博士后，自回國的第二年就堅持給本科生上《物理化學(xué)》課。他欣慰地說，回國四五年一直沒有間斷。他說不僅自己如此，在整個化學(xué)院，教授給本科生上課率也是非常高，達90％。郝京誠講的《物理化學(xué)》課，是專業(yè)基礎(chǔ)課，非常重要也具有相當(dāng)難度。雖然學(xué)術(shù)研究、院里工作非常繁忙，本科生的每周四節(jié)課，他從不馬虎。堅持認真?zhèn)湔n，“前兩年用手寫，這兩年用PPT課件?！?/p>
2003年，有個從濟南某重點中學(xué)考來的學(xué)生，言行舉止一看就透著股聰明勁兒。上課按時來，下課按時走，卻從來不帶書本，不聽課。郝京誠一問才知，那個學(xué)生自己對化學(xué)沒興趣，是父母做主硬讓他進了化學(xué)專業(yè)。郝京誠一邊勸導(dǎo)他既來之則安之，一邊憑著自己對專業(yè)的深刻理解，用知識本身的魅力吸引他領(lǐng)略化學(xué)王國的無窮奧妙。那位學(xué)生從郝老師的講述中，逐漸迷戀上化學(xué)，后來成績非常好。郝京誠認為，這個過程是一個教學(xué)相長的過程。做基礎(chǔ)研究肯定很
忙，但備課、講課、上課過程中會有很多靈感、想法，每年把基礎(chǔ)理論從頭到尾捋一遍，受益匪淺，會增加自己的科研自信心，很多老教師都是多年堅持給本科生上課。他說：“作為一個教師，如果不承擔(dān)本科生的課，就是當(dāng)了教授心中也不安!”。
溝通合作 促進學(xué)院發(fā)展
作為山東大學(xué)化學(xué)院副院長，郝京誠分管學(xué)科建設(shè)，而他坦誠開朗、善于合作溝通的性格，也有助于他的工作。他相信：“實實在在對人，踏踏實實做事，心底無私無地寬。”
談到學(xué)科建設(shè)，他說經(jīng)過多年努力，2007年，化學(xué)院的“物理化學(xué)”被確認為國家重點學(xué)科，今年初，“山東大學(xué)化學(xué)國家基礎(chǔ)學(xué)科和教學(xué)理科基地”通過專家評審?；瘜W(xué)院今年將面臨膠體與界面化學(xué)教育部重點實驗室的評估和國家教學(xué)示范中心的申報，并有望與中國石油管理局合作建設(shè)國家工程中心，經(jīng)過在未來8―10年的建設(shè)，如果立項，可以在國家的經(jīng)濟發(fā)展中承擔(dān)更大的重任，也可以使學(xué)科建設(shè)上一個大的臺階。同時，學(xué)院的學(xué)科建設(shè)目標(biāo)是經(jīng)過3～5年的發(fā)展，爭取成功申報國家重點實驗室?！安还苡龅绞裁蠢щy，只要腳踏實地干，總有一天會得到同行的認可，新化學(xué)學(xué)科的發(fā)展是必然的?！焙戮┱\充滿信心地說。
多年來，化學(xué)院非常注重引進年輕人才，郝京誠也是受益者之一。目前已經(jīng)形成一支比較整齊的老中青學(xué)術(shù)梯隊?！氨热缃暌M的丁軼和占金華等上個世紀(jì)70年代出生的青年學(xué)者，很年輕，有學(xué)術(shù)思想，工作基礎(chǔ)非常好，經(jīng)過3～5年鍛煉，將來肯定會成長為學(xué)術(shù)的領(lǐng)軍人物?！?/p>
[關(guān)鍵詞] 濕蒸汽； 凝結(jié)式干度儀； 燃煤測量
1 引言
燃煤蒸汽鍋爐安裝流程及控制要求燃煤蒸汽鍋爐是一種強制循環(huán)高壓單管直流鍋爐。其生產(chǎn)中包括三個同時進行的工藝流程：燃料的燃燒過程、煙氣向水的傳熱過程和水吸熱后的汽化過程。燃煤蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使煤粉燃燒的熱量能適應(yīng)蒸汽負荷變化和干度的要求。將蒸汽干度和蒸汽壓力保持到一定范圍內(nèi)，同時努力提高蒸汽鍋爐的熱效率。調(diào)節(jié)量鼓風(fēng)、引風(fēng)、給煤量、給水量，使它們之間隨時保持適當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系。此外，還需實現(xiàn)鍋爐的自動點火控制及鍋爐吹灰等過程的自動控制。
國內(nèi)燃煤鍋爐設(shè)計中，使用的蒸汽干度測量方法是化學(xué)滴定法，人工因素造成測量的不一致性和不確定性，導(dǎo)致注汽干度管理相對粗放，并由此可能產(chǎn)生能源的浪費和注汽質(zhì)量的不穩(wěn)定，不連續(xù)的人工測量無法為自動控制蒸汽干度提供實時數(shù)據(jù)；為降低熱采成本、提高效率，從監(jiān)測、管理角度，濕蒸汽的干度在線檢測控制勢在必行[1-2]。
由于濕蒸汽干度是汽液兩相流特有的參量，它與注汽鍋爐多個運行參數(shù)有復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，同時檢測的噪聲很多，所以不能像壓力和溫度那樣直接測量。雖然在實際應(yīng)用中很重要，但由于兩相流型的復(fù)雜性和汽液之間的相變，使得干度的測量成為國際上一直沒有很好解決的一個難題。
目前，蒸汽干度測量的主要控制和測量方法有數(shù)學(xué)模型類、現(xiàn)場人工化驗法、熱力學(xué)類和非熱力學(xué)類[3-8]（如表1所示）。
2 凝結(jié)式干度儀測量原理
凝結(jié)法測量濕蒸汽干度的方法是將抽取的待測濕蒸汽和冷卻水引入到一個絕熱的間壁式換熱器中。在換熱器內(nèi)，冷卻水冷卻待測濕蒸汽并使蒸汽降溫相變?yōu)槟Y(jié)水。根據(jù)能量平衡原理求解出待測濕蒸汽的干度x[9]。干度儀的示意圖如圖1所示。從圖1中可以知道，假定濕蒸汽管道中入口焓值為h0，換熱后焓值為h1，取樣流量為W0，二次側(cè)冷卻水入口焓值為h2，出口焓值為h3，流量為W1。在考慮熱量損失的情況下，盡管間壁式換熱器采取了良好的保溫，但也不可避免會對外界有少許散熱。在實驗之前，先通過單相水和單相汽對干度儀進行熱平衡測試，獲得熱效率ηx。根據(jù)能量守恒方程：
從上式中可以看到，二次側(cè)出口溫度T3的變化量？駐T3是？駐x的函數(shù)，而且？駐T3隨？駐x的變化關(guān)系主要取決于k值（即一、二次側(cè)的流量之比）和一次側(cè)濕蒸汽出口焓值的變化量？駐h1。當(dāng)W1遠遠大于W0（即k非常大）時，或者當(dāng)？駐h1非常大時，同時？駐x變化較小時，二次側(cè)出口溫度的變化量？駐T3會非常的小，導(dǎo)致干度計不能靈敏地測量出鍋爐出口濕蒸汽的干度變化。所以，進行凝結(jié)式干度測量儀必須確保即使樣品濕蒸汽的干度發(fā)生微弱變化時，二次側(cè)冷卻水的出口溫度明顯變化較大，能夠被熱電偶準(zhǔn)確測量。
3 干度測量裝置優(yōu)化設(shè)計
針對上述情況，需要開展凝結(jié)式干度儀的優(yōu)化設(shè)計[10]。優(yōu)化的路線如圖2所示。首先確定優(yōu)化目標(biāo)，指的是濕蒸汽干度的變化量對二次側(cè)冷卻水出口溫度的影響程度。例如，本次優(yōu)化的目標(biāo)是確保？駐x=0.02時，？駐T3≥2℃；其次，設(shè)定濕蒸汽出口焓值不變，即？駐h1=0，根據(jù)能量守恒，計算得到一次側(cè)與二次側(cè)之間的流量比，該流量比是影響？駐T3的關(guān)鍵參數(shù)；最后根據(jù)確定的一、二次側(cè)流量，結(jié)合其他位置的熱工參數(shù)以及一些約束條件就可以確定干度儀間壁式換熱器的最小換熱面積。約束條件主要包括兩個，第一個是一次側(cè)濕蒸汽出口溫度要低于對應(yīng)壓力下的飽和水溫度，第二個是二次側(cè)冷卻水出口溫度要低于對應(yīng)壓力下的飽和水溫度。這兩個約束條件是為了確保熱電偶對上述兩處的流體溫度測量的準(zhǔn)確性。
上述優(yōu)化計算過程在Excel表格中實現(xiàn)，重要的參數(shù)列于表1中。從表中可以看出，在濕蒸汽含汽率變化0.02時，冷卻水出口溫度變化量為1.91℃，這樣的變化量級能夠被熱電偶準(zhǔn)確測量。通過能量守恒計算，得到濕蒸汽流量與冷卻水流量之比為0.5。假設(shè)抽取的樣品濕蒸汽流量為100kg/h，要保證上述冷卻水出口溫度變化量，冷卻水流量必須小于或等于200kg/h。在假定兩個流量已知，冷卻水流量按最大流量200kg/h取值，根據(jù)對流換熱經(jīng)驗公式求得了換熱器所需最小換熱面積。可以看到，隨著濕蒸汽含汽率下降，所需的最小換熱面積也下降。但是在最終換熱面積要以樣品濕蒸汽中可能出現(xiàn)的最大含汽率為準(zhǔn)，這樣才能始終保證濕蒸汽出口溫度處于飽和溫度以下。通過給定換熱管的管徑尺寸，根據(jù)最小換熱面積確定了換熱管的最小長度。
4 測量實驗結(jié)果
為了驗證上述優(yōu)化設(shè)計思路的合理性，需要相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)給予支撐，為此根據(jù)上述設(shè)計思路研制了凝結(jié)式干度測量裝置，并將其應(yīng)用于實驗回路中進行了相應(yīng)的測量實驗。
實驗回路由屏蔽泵、預(yù)熱段、雙文丘里干度測量裝置、穩(wěn)壓器、混合器、回路輔助設(shè)備以及相應(yīng)管道、閥門等主要設(shè)備構(gòu)成?；芈妨鞒倘鐖D3所示：屏蔽泵提供一定壓力的水工質(zhì)，通過閥門TV1和TV2調(diào)節(jié)實驗支路流量，經(jīng)文丘利流量計后進入預(yù)熱段加熱，以獲得設(shè)定工況下的濕蒸汽，濕蒸汽接著依次進入雙文丘里管，從雙文丘里管的出口出來后與主回路冷流體在混合器中混合，再經(jīng)換熱器冷卻后回到屏蔽泵入口，完成了一次循環(huán)?；芈穳毫σ揽糠€(wěn)壓器進行調(diào)節(jié)。凝結(jié)式干度儀的濕蒸汽取樣的位置是在預(yù)熱器與雙文丘里管之間。雙文丘里管也是一種干度測量裝置。
實驗在壓力為6MPa，總流量為350kg/h下進行，干度在0.4-0.8之間變化。實驗數(shù)據(jù)見表2。從表2中可以看出，當(dāng)取樣蒸汽的含汽率變化0.02時，冷卻水出口溫度變化接近3℃。說明凝結(jié)式干度儀具有較高的測量靈敏度，同時也說明根據(jù)第三節(jié)中所述的設(shè)計思路開展凝結(jié)式干度儀設(shè)計工作是合理可行的。
5 結(jié)論
（1）凝結(jié)式蒸汽干度測量方法具有測量原理簡單、受待測蒸汽參數(shù)影響小、干度測量范圍寬的特點，并能在工程實時測量中應(yīng)用。
（2）為了提高凝結(jié)式蒸汽干度測量的準(zhǔn)確性和靈敏度，提出了一種優(yōu)化設(shè)計凝結(jié)式蒸汽干度儀的方法。
（3）根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的思路，設(shè)計研制得到了凝結(jié)式蒸汽干度儀，并通過測量實驗，驗證了該蒸汽干度儀達到了設(shè)計目標(biāo)，具有較高的準(zhǔn)確度和靈敏度。
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關(guān)鍵詞:精品課程;無機及分析化學(xué);課程建設(shè);實踐
無機及分析化學(xué)是我校首批校級精品課程,2008年被批準(zhǔn)為四川省精品課程。該課程是材料、環(huán)境、食品、生物、生技、制藥、農(nóng)學(xué)、園藝、動科、安全和輻射等專業(yè)非常重要的一門基礎(chǔ)課,它是根據(jù)無機化學(xué)與分析化學(xué)兩門課程聯(lián)系緊密的特點,將無機體系和分析體系進行有機融合,既繼承了無機化學(xué)理論知識的系統(tǒng)性,又突出了分析化學(xué)實際操作的應(yīng)用性,減少了教學(xué)中的重復(fù)和脫節(jié)內(nèi)容,有利于教與學(xué)。該課程涵蓋了無機化學(xué)與分析化學(xué)的主要內(nèi)容,用熱力學(xué)、動力學(xué)的知識揭示無機反應(yīng)的方向和歷程;把最新的量子力學(xué)成就作為闡述元素和化合物性質(zhì)的理論基礎(chǔ),從而拓展到重要元素及其化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律;運用溶液中四大平衡原理進行滴定分析,確定物質(zhì)中各組分的含量。
一、無機及分析化學(xué)課程系列教材的建設(shè)實踐
教材是教學(xué)思想、培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和課程體系的載體,是教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的主要標(biāo)志,是精品課程建設(shè)的重要組成部分。在深化教學(xué)改革中,實現(xiàn)教材建設(shè)的創(chuàng)新是有效解決教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法存在問題的關(guān)鍵。根據(jù)非化學(xué)化工類專業(yè)本科生對化學(xué)基礎(chǔ)知識的要求,以少而精、精而新的原則,將傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代新知識相結(jié)合,對無機化學(xué)、分析化學(xué)、普通化學(xué)內(nèi)容進行整合、革新和優(yōu)化,注重對學(xué)生進行素質(zhì)教育,編寫出版了21世紀(jì)高等院校教材《無機及分析化學(xué)》。該教材注重處理傳統(tǒng)學(xué)科與新興交叉學(xué)科知識的關(guān)系,在闡述基本原理和知識的基礎(chǔ)上注重內(nèi)容的更新,體現(xiàn)了材料、環(huán)境及生物類學(xué)科與化學(xué)學(xué)科的交叉與融合。將化學(xué)熱力學(xué)知識融入全書有關(guān)章節(jié),并將四大平衡和四大滴定分析法有機結(jié)合。理論教學(xué)以化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、四大平衡為重點,適當(dāng)簡化四大滴定分析法,而使其在實驗教學(xué)中加強,簡化分子軌道理論、晶體場理論等過于難深的內(nèi)容。編寫了綠色化學(xué)概論、材料與化學(xué)、生命與化學(xué)、環(huán)境與化學(xué)等作為培養(yǎng)學(xué)生興趣和擴大知識面的閱讀材料。教材把知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高融為一體,體現(xiàn)了教育思想、教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變。編寫教材力求使量和單位在體系上、名稱和符號上系統(tǒng)化,科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤从钞?dāng)代學(xué)科的發(fā)展,使基本概念更為科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、清晰,編寫結(jié)構(gòu)層次更加合理。通過閱讀材料部分的學(xué)習(xí),既可使學(xué)生了解本專業(yè)的發(fā)展動態(tài),擴大知識面,又能使學(xué)生了解化學(xué)基礎(chǔ)理論在相關(guān)學(xué)科中的重要地位,激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)知識的興趣和熱情。編寫中力求使本教材簡明扼要、概念準(zhǔn)確、重點鮮明、深入淺出、通俗易懂、理論聯(lián)系實際,適用于材料、環(huán)境、生物等主要專業(yè)大類。
由于無機及分析化學(xué)課程的內(nèi)容多,課時相對較少,教學(xué)進度快,教師在課堂上難于列舉足夠數(shù)量的例題,教材因篇幅限制,例題數(shù)量有限;同時該課程一般在大學(xué)一年級的第一學(xué)期開設(shè),學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)較吃力,學(xué)習(xí)時也感到基本概念多、重點難于掌握、計算題解題困難等。為適應(yīng)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)和練習(xí)的需要,啟迪科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力,我們編寫了配套的《無機及分析化學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》。學(xué)習(xí)指導(dǎo)書主要解決學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課程時抓不住重點的問題,對每一章知識的重難點進行了梳理和總結(jié),精選了例題;通過對教材后的習(xí)題解答,旨在引導(dǎo)學(xué)生如何審題和解題,以鞏固和掌握本課程的基本原理和基本知識;通過自測習(xí)題可檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,提高學(xué)生的解題能力;模擬試題及研究生入學(xué)試題,力求題目典型,覆蓋面廣,使學(xué)生既能盡快地適應(yīng)大學(xué)的學(xué)習(xí)方法,又能較好的掌握課本的內(nèi)容,同時也是學(xué)生期末考試和考研生復(fù)習(xí)的好參考。
因?qū)W習(xí)指導(dǎo)書編寫了教材所附習(xí)題的詳細解答過程,再布置書上的習(xí)題就失去了意義。為了使學(xué)生有更多的練習(xí)機會,并了解學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況,我們把章節(jié)內(nèi)容分板塊,按試卷格式編寫了8個單元練習(xí)題,包括選擇題、判斷題、填空題、簡答題、計算題,這給學(xué)生交發(fā)作業(yè)和教師批改等帶來了極大的方便,同時也有助于學(xué)生參加期末考試。另外,我們還編寫了無機及分析化學(xué)實驗指導(dǎo)書,主要內(nèi)容包括:化學(xué)實驗安全知識、基本操作、基本技能實驗、綜合應(yīng)用實驗和設(shè)計實驗。
二、無機及分析化學(xué)課程網(wǎng)站建設(shè)
按照國家精品課程的要求對本課程進行了全面建設(shè),建立了無機及分析化學(xué)精品課程網(wǎng)站。本課程已上網(wǎng)的資源包括課程負責(zé)人及主講教師(基本信息、教學(xué)情況和學(xué)術(shù)研究),教學(xué)隊伍(人員構(gòu)成、隊伍結(jié)構(gòu)、教學(xué)改革與教學(xué)研究、師資培養(yǎng)),課程描述(歷史沿革、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法與手段、教學(xué)效果),自我評價(課程主要特色、課程地位、存在的不足),課程建設(shè)規(guī)劃,學(xué)校的政策與措施,支撐材料等欄目內(nèi)容。課程網(wǎng)站(jpkc.swust.省略/c270/Course/Index.htm)包括課程簡介,教學(xué)方法,有關(guān)課程的管理規(guī)章制度(包括教師教學(xué)工作規(guī)范、師資隊伍建設(shè)規(guī)劃與措施等10項),各層次教學(xué)大綱與教學(xué)要求,各章的教案與講稿,電子課件,實驗教學(xué)(實驗規(guī)章、實驗考核、安全知識、實驗操作、實驗指導(dǎo)、實驗測試、視頻資料、實驗環(huán)境與條件),授課錄像,教學(xué)互動(各章的學(xué)習(xí)指導(dǎo)、習(xí)題解答、自測試題),考試導(dǎo)航(單元測試、課程試卷、模擬試題、考研試題),在線交流,在線考試,知識拓展,化學(xué)用表,參考文獻等欄目。現(xiàn)在無機及分析化學(xué)理論教材、實驗教材、學(xué)習(xí)指導(dǎo)書、電子教案、精品課程網(wǎng)站等學(xué)習(xí)資源已經(jīng)形成了全方位、立體化的課程教學(xué)體系。學(xué)生的學(xué)習(xí)幾乎不受時間和空間的限制,無論何時何地都有一個無形的老師,學(xué)生完全可以掌握自己的學(xué)習(xí)過程。
在教學(xué)理念方面,我們把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神放在第一位,把無機及分析化學(xué)課建設(shè)成為既是學(xué)生學(xué)習(xí)科技知識的基礎(chǔ)課,又是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的基礎(chǔ)課。理論課教學(xué)以無機化學(xué)基本原理為主,以物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為依據(jù),以四大平衡原理為重點,以重要元素及其化合物的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)、變化規(guī)律及其含量測定為目標(biāo),以指導(dǎo)學(xué)生自我學(xué)習(xí)為方法。實驗教學(xué)以化學(xué)分析技術(shù)和技能訓(xùn)練為核心和重點,強化基本技能訓(xùn)練、強調(diào)系統(tǒng)分析問題和解決問題,重視系統(tǒng)性、綜合性、設(shè)計性實驗。材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等諸學(xué)科的研究和發(fā)展都離不了無機化學(xué)、分析化學(xué)原理和技術(shù)的進步與發(fā)展,我們建立了材料類、環(huán)境類、生物類3個模塊相關(guān)專業(yè)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容。
三、改革教學(xué)方法,加強師生互動
現(xiàn)代化教學(xué)方法和手段是精品課程建設(shè)的重要途徑。盡管傳統(tǒng)的講授方法在傳授大量知識方面是有效的,但單靠傳統(tǒng)的講授方法卻不能很好地調(diào)動學(xué)生的積極性,不利于鼓勵學(xué)生對超越課堂知識的記憶,并以此對這些內(nèi)容進行反思。學(xué)分制的改革,作為基礎(chǔ)課的無機及分析化學(xué)的學(xué)時數(shù)也在降低,這對教學(xué)內(nèi)容和教師的教學(xué)水平提出了更高的要求,必須不斷進行教學(xué)內(nèi)容更新,教學(xué)方法、教學(xué)手段及考試方法的改革。無機及分析化學(xué)內(nèi)容廣泛,涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)、化學(xué)反應(yīng)基本原理、溶液平衡、化學(xué)分析、元素化學(xué)、部分儀器分析等內(nèi)容。課程講授不可能面面俱到,要在吃透教材的基礎(chǔ)上分層次合理安排講課內(nèi)容,注重難點和重點引導(dǎo),精講與對比分析討論,如四大平衡與四大滴定,同時注意引入學(xué)科前沿知識。在教學(xué)方法方面,主要是講重點、講難點、講思路、講方法、講應(yīng)用,形成了“課內(nèi)講授+課外講座+輔導(dǎo)答疑+考核評估”教與學(xué)一體化的互動教學(xué)模式,既注重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力,又注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和自主學(xué)習(xí)的能力。
精品課程的教學(xué)應(yīng)為學(xué)生創(chuàng)造條件,讓學(xué)生對所講的內(nèi)容進行反思,提出問題并思考對問題的解決方案,教師重視通過提問和課堂討論讓學(xué)生對課堂上的信息進行分析。因此,課堂講述的主要功能不再是對書本知識的灌輸,而應(yīng)是理論與實際相結(jié)合地對知識進行系統(tǒng)化的闡釋。教師首先要抓好備課一關(guān),同時要提高講演水平和駕馭課堂的能力,脫離講稿以增加感染力,進行啟發(fā)式教學(xué)。互動教學(xué)法是充分發(fā)揮教師和學(xué)生二者主觀能動性的教學(xué)方法,其常用的方式有答問式、問答式、討論式等多種形式?！按饐柺健薄皢柎鹗健薄坝懻撌健比N方式中的每一種方式都有其特點和特定的適用范圍,教師必須有選擇地加以靈活運用。課堂教學(xué)中注重學(xué)生自學(xué)能力和學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng),興趣是學(xué)習(xí)的動力,創(chuàng)造的源泉。無機及分析化學(xué)的學(xué)習(xí)在大學(xué)一年級進行,該課程的學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生在知識上有所積累,而且在學(xué)習(xí)能力上也應(yīng)得到較大的提高,我們要求學(xué)生做到課前預(yù)習(xí)、課中互動、課后小結(jié),學(xué)會學(xué)習(xí)的方法。在教學(xué)中針對部分內(nèi)容,要求學(xué)生自學(xué),對有些延伸內(nèi)容,要求學(xué)生查閱有關(guān)學(xué)術(shù)期刊,并撰寫小論文、課堂討論,最后教師總結(jié)。同時充分運用現(xiàn)代教育技術(shù),將傳統(tǒng)的教學(xué)方式與現(xiàn)代化教學(xué)手段相結(jié)合,大大提高課堂效率。此外,課程組制作了大量的圖片、圖表、動畫、錄像等素材和資料,用以表現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容,并將多種形式的課程教學(xué)資源上網(wǎng)。
不斷進行考試方法的改革。鼓勵學(xué)生撰寫讀書報告和科技“小論文”,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的意識、習(xí)慣和能力,有助于學(xué)生對化學(xué)的知識的深入理解及綜合運用。期末成績由考勤、平時作業(yè)、課堂提問、單元測驗、期末考試等成績綜合評定,撰寫的讀書報告和科技小論文實行額外加分,根據(jù)撰寫的質(zhì)量在總成績中加0～10分,若能達到公開發(fā)表的水平最多可以加10分,但課程總成績最多為100分。
四、無機及分析化學(xué)實驗課的改革
實驗改革的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的實驗教學(xué),加強基本訓(xùn)練,著重能力培養(yǎng),強化創(chuàng)新意識。創(chuàng)造性教育要求對學(xué)生既要有寬的基礎(chǔ)知識和新的專業(yè)知識的傳授,又要有自學(xué)能力、獨立思考能力、動手能力的培養(yǎng),尤其是現(xiàn)代意識、競爭意識的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)方式是所有學(xué)生做同樣的實驗,教師從最基本的原理講到實驗中的每一個細小點,學(xué)生完全處于一種被動接受狀態(tài),這樣既限制了學(xué)生的思維、學(xué)習(xí)的積極性與主觀能動性,又影響教學(xué)效果。實踐“一體化、多層次、開放式”實驗課程教學(xué)模式,構(gòu)建了符合我校培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)校特點的實驗課程體系。本著“化學(xué)教育既傳授知識和技術(shù),又訓(xùn)練科學(xué)方法和思維,還培養(yǎng)科學(xué)精神和品德”的全面化學(xué)教育準(zhǔn)則,自2004年起,根據(jù)我校實際情況和學(xué)生不同層次、不同專業(yè)的培養(yǎng)要求,對原實驗課程體系、教學(xué)內(nèi)容和方法進行改革,建立和完善了無機及分析化學(xué)實驗課的教學(xué)內(nèi)容,按照基礎(chǔ)實驗―綜合實驗―設(shè)計實驗3個層次推進教學(xué)進程。建立了以實驗技術(shù)要素為主線的實驗教學(xué)體系,開出了適合我校不同學(xué)科學(xué)生的多層次實驗教學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生提供個性發(fā)展,開發(fā)其潛能以及為優(yōu)秀學(xué)生脫穎而出創(chuàng)造了條件。針對生源及學(xué)生的實際水平,采取分層次教學(xué);針對專業(yè)及學(xué)時,實驗內(nèi)容分必做和選做,對學(xué)時太少的專業(yè)重在基本技能訓(xùn)練,要求獲得過硬的操作能力。開放實驗室,使一些不能在課堂上完成的實驗得到補充,同時學(xué)生也可以自己設(shè)計一些感興趣的實驗,在教師的指導(dǎo)下進行實驗,從而使學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力得到進一步提高。無機及分析化學(xué)實驗形成了多層次的實驗教學(xué)體系、多模塊的實驗教學(xué)內(nèi)容、預(yù)約開放式教學(xué)模式。為此,無機及分析化學(xué)實驗課程教學(xué)采取了以下改革措施:
1.對無機及分析化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容進行了刪減與重組,并進行綠色化改造。本實驗課注重在繼承傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上創(chuàng)新,增加設(shè)計性實驗,加強綜合性實驗,減少驗證性實驗。通過對原有實驗項目的整合,實現(xiàn)了實驗教學(xué)內(nèi)容體系的整體優(yōu)化。在教學(xué)過程中注重對學(xué)生環(huán)境保護意識的培養(yǎng),為學(xué)生灌輸綠色化學(xué)思想,積極開展綠色化學(xué)實驗研究,并推進化學(xué)實驗教學(xué)的綠色化。根據(jù)無機及分析化學(xué)實驗的特點,用綠色化學(xué)的觀念對傳統(tǒng)化學(xué)實驗進行了改造,建立了“性質(zhì)實驗點滴化、制備實驗小量化、分析實驗減量化”。如滴定分析實驗,將標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度由0.1mol/L降至0.01～0.02mol/L,滴定管使用25ml,錐形瓶改用100ml。試劑用量大大減少,提高了實驗的安全性;產(chǎn)生的“三廢”量很少,改善了實驗環(huán)境條件,極大地減少了對環(huán)境的污染。這樣在常規(guī)儀器中完成無機及分析化學(xué)的實驗教學(xué),不僅大量減少了化學(xué)試劑和藥品的消耗,節(jié)約了實驗消耗費用,而且也加強了學(xué)生的環(huán)保意識,收到了良好的效果。
2.正確認識理論課教學(xué)與實驗課教學(xué)的關(guān)系。在無機及分析化學(xué)實驗教學(xué)中,學(xué)生應(yīng)始終處于主置,教師則處于為實驗教學(xué)服務(wù)的主導(dǎo)位置。作為實驗教學(xué)主體的學(xué)生,在繼承傳統(tǒng)知識和技術(shù)的基礎(chǔ)上,重點進行知識和技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新;作為主導(dǎo)的實驗教師,在搞好實驗教學(xué)引導(dǎo)工作的同時,加強自身知識和技能的擴展和更新,達到知識豐富,技術(shù)熟練和教學(xué)方法科學(xué)而實用的要求。
3.多媒體輔助教學(xué)和開放實驗室緩解實驗課時少、內(nèi)容多的矛盾。隨著單一、驗證性實驗向綜合性、設(shè)計性實驗的轉(zhuǎn)化,實驗教學(xué)內(nèi)容不斷豐富,往往一個連續(xù)的系統(tǒng)的試驗中涉及好幾個相關(guān)的實驗技術(shù),由學(xué)生自己動手設(shè)計并完成整個實驗,由此開設(shè)綜合實驗面臨著如何在有限時間內(nèi)讓學(xué)生掌握更多實驗技術(shù)的難題。對于無機及分析化學(xué)實驗課,使用多媒體技術(shù)輔助教學(xué),利用錄像演示實驗技術(shù)的操作要點,再現(xiàn)實驗進程和結(jié)果,增強學(xué)習(xí)效果。建立了仿真實驗室,學(xué)生可以在計算機上進行無機及分析化學(xué)實驗等課程的仿真實驗,同時可進行相應(yīng)的預(yù)習(xí)。
4.形成了基礎(chǔ)―提高―揚優(yōu)―介入科研4層次的開放實驗教學(xué)模式和管理方法,完善了對不同層次學(xué)生因材施教的實驗教學(xué)方法。在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)、研究、分析和解決問題,這對于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力有著不可替代的作用。無機及分析化學(xué)實驗室成為大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的基地,幾年來西南科技大學(xué)啟動“大學(xué)生創(chuàng)新基金項目”等多項大學(xué)生科技創(chuàng)新資助計劃,開放無機及分析化學(xué)實驗室,為其高質(zhì)量完成項目提供條件保證。
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Practice on the construction of the provincial classic course inorganic and analytical chemistry
Zhong Guoqing
Southwest university of science and technology, Mianyang, 621010, China
關(guān)鍵詞：環(huán)境化學(xué)；農(nóng)業(yè)院校；土壤學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)建設(shè)
中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）24-0224-03
環(huán)境化學(xué)作為環(huán)境科學(xué)與工程類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究有害化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的存在、化學(xué)特性、行為和效應(yīng)及其控制的化學(xué)原理和方法，重點考察巖石圈、水圈、生物圈、外層大氣圈的化學(xué)組成及其發(fā)生過程，特別是界面上的化學(xué)組成與過程，是環(huán)境科學(xué)的核心組成部分。作為新興交叉學(xué)科，我國高校環(huán)境科學(xué)最初多立足于本校強勢學(xué)科和優(yōu)勢專業(yè)，進一步發(fā)展成為綜合學(xué)科，這也使環(huán)境科學(xué)在某一方面的特色和優(yōu)勢得以體現(xiàn)，環(huán)境化學(xué)的發(fā)展亦如此。土壤學(xué)是農(nóng)業(yè)院校發(fā)展的重要學(xué)科和研究方向，與環(huán)境科學(xué)的交叉日益增強。目前，土壤學(xué)已突破傳統(tǒng)理念，開始關(guān)注地球表層系統(tǒng)中土壤與其他各圈層之間的物質(zhì)能量交換，研究土壤全球變化及土—水—氣—生物界面的環(huán)境過程與機理，而環(huán)境化學(xué)多為關(guān)注污染物在此界面反應(yīng)過程，兩個專業(yè)方向具有互促共進的關(guān)系。針對農(nóng)業(yè)院校具有土壤學(xué)科背景，在環(huán)境化學(xué)理論教學(xué)與實踐過程中，我們在師資隊伍建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和實驗實習(xí)等方面進行了探索，期望建設(shè)具有農(nóng)業(yè)院校特色的環(huán)境化學(xué)課程。
一、建設(shè)師資隊伍
新世紀(jì)優(yōu)秀人才的培養(yǎng)離不開一支理論功底深、學(xué)術(shù)造詣高、教學(xué)能力強的師資隊伍。為充分體現(xiàn)農(nóng)業(yè)院校環(huán)境化學(xué)課程的教學(xué)特色，我們組建了一支有環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)和化學(xué)專業(yè)背景的教師隊伍。在課程建設(shè)過程中，授課經(jīng)驗豐富的資深教授對年輕教師開展“傳、幫、帶”活動，自覺履行培養(yǎng)青年教師的職責(zé)，向青年教師傳授知識、教學(xué)經(jīng)驗和方法，并以高尚的人格魅力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神感染青年教師。在觀摩學(xué)習(xí)、交流過程中，努力做到環(huán)境化學(xué)與土壤學(xué)專業(yè)知識的有效融合，使學(xué)生全面掌握污染物在各個圈層之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。如講授含硫化合物在大氣和水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程，除一般教材涉及的大氣硫化物種類、來源及硫酸煙霧形成機理外，還增添土壤學(xué)相關(guān)知識，進一步闡明土壤中硫的含量、形態(tài)及其轉(zhuǎn)化與循環(huán)過程。為貫徹“寓教于研、以研促教、教學(xué)相長”的教學(xué)理念，課程組教師積極開展環(huán)境化學(xué)和土壤學(xué)方面相關(guān)的科研工作，共主持和參加科研項目20余項，公開發(fā)表SCI收錄的科研論文百余篇?？蒲谢顒犹矫魑廴疚锏倪w移轉(zhuǎn)化機理及其影響因素，并將其作為案例在教學(xué)過程中進行講解，更為生動具體，學(xué)生更易接受。為了提高教學(xué)質(zhì)量及教研效果，課程組成員承擔(dān)了環(huán)境化學(xué)校級優(yōu)質(zhì)課程的建設(shè)，參編了環(huán)境化學(xué)教材一部，努力打造精品課程。逐步形成梯隊合理、思維活躍、勇于進取、團結(jié)創(chuàng)新的教學(xué)科研團隊。
二、豐富教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合土壤學(xué)背景，運用土壤學(xué)相關(guān)理論深化對環(huán)境化學(xué)知識點的理解。污染物在大氣圈、水圈和土壤圈間遷移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)，在講述前兩圈層內(nèi)污染物的化學(xué)行為時，將土壤圈作為環(huán)境的關(guān)鍵帶聯(lián)系在一起。在分析影響酸雨的形成因素時，闡明大氣顆粒物酸度及其緩沖能力，比較不同城市大氣顆粒物對酸雨的影響，考慮到不同區(qū)域揚塵的化學(xué)組成與相應(yīng)土壤組成的基本特點，補充說明我國南北土壤組成及性質(zhì)差異，強化土壤學(xué)與環(huán)境化學(xué)知識的融合。在水環(huán)境中，氧化還原反應(yīng)平衡影響和決定變價元素或污染物的形態(tài)、遷移和轉(zhuǎn)化過程，以土壤錳氧化物、鐵氧化物及層狀硅酸鹽礦物對有毒金屬離子Pb、Cr和As等形態(tài)及其轉(zhuǎn)化過程的影響作具體案例進行說明。這些相關(guān)內(nèi)容，課程組教師已在實驗室開展了大量的研究工作，可娓娓道來，豐富了授課內(nèi)容，也能激發(fā)學(xué)生的科研熱情。文獻調(diào)研也是擴充教學(xué)內(nèi)容的重要方法。在完成教學(xué)大綱規(guī)定內(nèi)容之外，在課堂或課后適當(dāng)補充土壤學(xué)相關(guān)知識，擴展學(xué)生視野。補充內(nèi)容涉及環(huán)境化學(xué)熱點和前沿，也超出一般土壤學(xué)教材的深度和廣度，有的需要查閱新近文獻才能完成。環(huán)境化學(xué)中提及溫室氣體和溫室效應(yīng)，一般認為礦物燃料燃燒是大氣中CO2的主要來源，而往往忽視了土壤中碳的貢獻，不同農(nóng)業(yè)利用土壤中碳素的微小變化也會對大氣中CO2濃度產(chǎn)生重要影響，可能加劇溫室效應(yīng)。為讓學(xué)生了解實際情況，布置課后文獻調(diào)研，了解有關(guān)土壤碳形態(tài)、分布、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其影響因素（如植被、氣候、施肥和土地利用類型等）。這些課程改革使環(huán)境化學(xué)與土壤學(xué)得到有機結(jié)合，進一步明確了農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響，強化學(xué)生的農(nóng)業(yè)環(huán)境保護意識。最新科研進展也是我們關(guān)注的教學(xué)內(nèi)容，多以專題形式進行講述。為了說明環(huán)境化學(xué)研究新進展，結(jié)合教師專業(yè)背景，我們就污染土壤的電化學(xué)修復(fù)和綠色化學(xué)的基本原理與應(yīng)用作為專題進行授課。雖然教材對相關(guān)內(nèi)容有所介紹[1]，為詳細說明相關(guān)進展，任課教師查閱了國內(nèi)外大量文獻資料，進行全面闡述。如污染土壤電化學(xué)修復(fù)專題中提及土壤顆粒類型對修復(fù)效果的影響，更是加深了對土壤基本特性的認識。專題報告主題不多，所占學(xué)時少，卻能讓學(xué)生了解環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域最新科研動態(tài)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣與動力。另外，專題文獻報告也是重要手段之一，如為了用實例說明并區(qū)分微生物對有機污染物的降解是生長代謝還是共代謝，安排學(xué)生課后查閱有關(guān)土壤微生物降解有機污染物的最新文獻，并適時安排學(xué)生報告所閱讀文獻。文獻調(diào)研還可有效提高學(xué)生的思辨和創(chuàng)新能力，樹立對待科研論文的正確態(tài)度。
三、完善實驗實習(xí)
實驗課是環(huán)境化學(xué)重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、提高動手能力、增強創(chuàng)新能力的重要途徑之一。較環(huán)境科學(xué)專業(yè)其他課程實驗內(nèi)容，環(huán)境化學(xué)實驗偏重于污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的過程和原理，所以實驗項目應(yīng)由驗證型向綜合型、設(shè)計型和研究型轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有環(huán)境化學(xué)實驗教材較多關(guān)注環(huán)境中某些污染物含量測定或者某些工藝過程的模擬，與《環(huán)境監(jiān)測》、《儀器分析》和《污染控制化學(xué)》等實驗課有部分重復(fù)或雷同之嫌。為了深化對污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化過程的認識，也結(jié)合土壤學(xué)相關(guān)知識，除常規(guī)環(huán)境化學(xué)實驗外，還新設(shè)計并安排了三個實驗，分別為土壤對重金屬離子鉛的等溫吸附實驗、氧化錳對Cr（III）氧化量的測定和鐵（III）—草酸鹽配合物對橙黃II的光降解動力學(xué)。在實驗?zāi)康纳?，我們更偏重于探明污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過程。前兩個實驗讓學(xué)生深化對土壤吸附氧化重金屬離子機理的認識，明確作為土壤的重要組成部分的錳氧化物影響變價金屬離子的存在形態(tài)與遷移轉(zhuǎn)化過程，了解土壤對有毒金屬離子熱力學(xué)吸附氧化研究的原理和一般方法，掌握分光光度法和原子吸收法測定重金屬離子濃度、制作吸附等溫線等方法。后一個實驗可認識光解動力學(xué)基本方法及其在環(huán)境化學(xué)中的應(yīng)用，熟悉有機污染物的消除方法。上述實驗內(nèi)容既屬于環(huán)境化學(xué)教學(xué)范疇，又深化了土壤學(xué)知識，更體現(xiàn)出農(nóng)業(yè)院校的教學(xué)特色。為增強學(xué)生科研意識、提高學(xué)生創(chuàng)新能力，我們鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生走進實驗室獨立開展科研活動。課程組教師研究課題主要集中在土壤環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域，為學(xué)生進入實驗室開展土壤環(huán)境化學(xué)相關(guān)的課題研究提供了便利。學(xué)生自愿組團，在老師指導(dǎo)下，課余時間獨立開展科研活動。該活動可得到國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃、校級大學(xué)生科技創(chuàng)新基金的資助，也可用指導(dǎo)教師科研經(jīng)費支出。課程組教師已指導(dǎo)3項國家大學(xué)生科技創(chuàng)新實驗計劃，10余項校級大學(xué)生科技創(chuàng)新基金，且前者結(jié)題驗收均被評為優(yōu)秀。多名本科生以第一作者發(fā)表核心期刊論文，并參與部分研究生實驗工作，作為共同作者發(fā)表多篇SCI論文?？蒲谢顒蛹ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境化學(xué)的熱情，體會到土壤學(xué)的奧妙，也鍛煉了學(xué)生的科研思維和創(chuàng)新潛能，還可為高素質(zhì)研究生儲備有生力量。為讓學(xué)生早日走向社會，認識自然環(huán)境演化過程和人類活動對環(huán)境造成的影響及工廠企業(yè)如何從源頭上控制污染物的排放，我們與多家不同規(guī)模的企業(yè)進行了交流與合作，安排實踐基地。很多污染控制問題的解決都離不開環(huán)境化學(xué)研究的理論方法與技術(shù)，環(huán)境化學(xué)對于環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域特別是解決環(huán)境問題有著十分重要的地位與作用。通過實地參觀學(xué)習(xí)活動，學(xué)生現(xiàn)場認識了生活廢水、工業(yè)廢水、固體廢棄物、廢氣的來源及處理過程。如在株洲化工廠學(xué)生參觀生產(chǎn)車間，了解單個生產(chǎn)車間及整個化工企業(yè)清潔生產(chǎn)過程和污染物排放控制細節(jié)，明確環(huán)境化學(xué)理論與技術(shù)在這些方面的應(yīng)用。在校內(nèi)還建有人工濕地實習(xí)基地，讓學(xué)生真實認識到水體自凈化過程及水資源的重要性。這些活動豐富了環(huán)境化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，開闊了學(xué)生視野，也增強了學(xué)習(xí)動力。環(huán)境化學(xué)教學(xué)和實驗內(nèi)容非常豐富，要在有限學(xué)時內(nèi)對環(huán)境化學(xué)有一個較為全面的認識，又要盡量少與環(huán)境監(jiān)測、儀器分析、環(huán)境生態(tài)學(xué)和污染控制化學(xué)等內(nèi)容重復(fù)，且能夠讓學(xué)生綜合運用所學(xué)到的知識與實驗技能，提高分析問題和解決問題的能力。在專業(yè)教師隊伍、授課內(nèi)容和實驗實習(xí)上合理安排，結(jié)合農(nóng)業(yè)院校現(xiàn)有資源配置和相關(guān)知識背景及課程體系，建設(shè)有農(nóng)業(yè)院校特色的環(huán)境化學(xué)課程，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生知識體系、科研創(chuàng)新能力和動手實踐能力；實踐也證明取得了良好的教學(xué)效果，以期為促進環(huán)境化學(xué)教學(xué)發(fā)展和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)作出貢獻，同時還望對其他課程教學(xué)改革提供一定借鑒作用。
參考文獻：
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