構(gòu)建探索性學(xué)習(xí)環(huán)境 提高“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)效果

王澤生，顏愛斌，代 乾

(天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系，天津 300384)

“工程熱力學(xué)”是能源與動力類學(xué)科的核心基礎(chǔ)課，其基本概念和基本理論內(nèi)容抽象，邏輯性強(qiáng)，而且公式較多，學(xué)生在理解和掌握上，尤其是在工程實(shí)際應(yīng)用方面存在一定的難度.多年來，各高校教師不斷探索和實(shí)施課程教學(xué)改革[1-5]，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)方法與手段的創(chuàng)新以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，注重充分調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，不斷提高教學(xué)效果.筆者在多年的“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐中，吸取他人的經(jīng)驗(yàn)，采取多方面的教學(xué)改革措施，尤其是采取了以“系統(tǒng)分析法”作為教學(xué)內(nèi)容主線等措施，為學(xué)生創(chuàng)造探索性的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生較好地掌握了課程的基本概念和基本理論，并初步具備了在工程實(shí)際中靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力.

1 探索性學(xué)習(xí)教學(xué)模式

近年來，認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的一個重要分支——建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論正愈來愈顯示出強(qiáng)大的生命力，其出發(fā)點(diǎn)可以概括為“知識不是被動接受的，而是認(rèn)知主體積極建構(gòu)的”，其中既強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用，又不忽視教師的指導(dǎo)作用[6].學(xué)生是信息加工的主體，是意義的主動建構(gòu)者，而不是外部刺激的被動接受者和被灌輸?shù)膶ο?；教師是意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者，而不是知識的傳授者與灌輸者.探索性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)通過發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)查研究、動手操作、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、表達(dá)與交流等探索性活動，獲得知識與技能，這正體現(xiàn)了建構(gòu)主義的主要思想.

探索性學(xué)習(xí)教學(xué)模式是指在教師指導(dǎo)下的學(xué)生探索性學(xué)習(xí)[7]，即以學(xué)生所學(xué)的課本知識為未知事物，在教師的指導(dǎo)、啟發(fā)下，通過閱讀、收集、分析、加工資料，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、邏輯等方法，探索真理，發(fā)現(xiàn)真理，獨(dú)立獲取知識，并能運(yùn)用所獲得的知識分析解決學(xué)習(xí)中的問題和指導(dǎo)生活.其具體模式為：創(chuàng)設(shè)問題的情景—探索問題的答案—知識的綜合運(yùn)用.探索性學(xué)習(xí)教學(xué)模式為學(xué)生的主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立學(xué)習(xí)創(chuàng)造了有利條件.

2 構(gòu)建探索性學(xué)習(xí)的環(huán)境

在“工程熱力學(xué)”的課程教學(xué)實(shí)踐中，從教學(xué)環(huán)節(jié)的多方面有意識地為學(xué)生構(gòu)建探索性學(xué)習(xí)的環(huán)境.

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“工程熱力學(xué)”課程內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)理論(熱力學(xué)基本定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)、熱力過程及熱力循環(huán))及在能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程的實(shí)際應(yīng)用.為使教學(xué)內(nèi)容組織得結(jié)構(gòu)清晰、知識系統(tǒng)完整、邏輯性強(qiáng)、枝干分明，按照經(jīng)典熱力學(xué)研究方法——“系統(tǒng)分析法”作為主線，緊緊圍繞尋求有效利用能量的基本途徑，將課程內(nèi)容重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了如圖1所示的教學(xué)內(nèi)容框架.課程的教與學(xué)就是逐步掌握課程知識，同時也是系統(tǒng)分析法逐步深入的全過程.這個過程不僅使學(xué)生可以掌握各部分課程知識及相互間的關(guān)系，更能不斷深化對工程熱力學(xué)理論的理解，并逐步掌握和提高應(yīng)用“系統(tǒng)分析法”分析實(shí)際熱力過程(循環(huán))能量傳遞與轉(zhuǎn)換規(guī)律的能力，從而保證學(xué) 生在課程學(xué)習(xí)的全過程始終處于探索性的學(xué)習(xí)中.

圖1 教學(xué)內(nèi)容框架

另外，課程中公式較多，相似的公式也易混淆，學(xué)生掌握起來較為困難.但可以從最基本的理論和規(guī)律入手，加上對基本熱力學(xué)參數(shù)物理意義的理解，在理解和探索的過程中逐步熟練掌握公式本身及其應(yīng)用.例如，對熱力學(xué)第一定律各類表達(dá)式的教學(xué)，可采用如圖 2所示的框架來組織教學(xué)內(nèi)容.可以看出，由熱力學(xué)第一定律普遍表達(dá)式可以衍生出至少27個公式(如果考慮熱量 q表達(dá)式的變化，其數(shù)量會更多)，但涉及到的熱力學(xué)參數(shù)表達(dá)式僅有 5個，如式(1)—式(5).

圖2 熱力學(xué)第一定律各類表達(dá)式的教學(xué)內(nèi)容框架

技術(shù)功

可逆過程技術(shù)功

可逆過程膨脹功

理想氣體比定容熱容比熱力學(xué)能的變化

理想氣體比定壓熱容比焓的變化

教師按照圖2內(nèi)容框架，引導(dǎo)學(xué)生依次分析實(shí)際現(xiàn)象的系統(tǒng)類型、過程的類型和特征、工質(zhì)的性質(zhì)，由熱力學(xué)第一定律普遍表達(dá)式及熱力學(xué)參數(shù)的表達(dá)式即可推導(dǎo)出所有衍生公式.如此，將使學(xué)生不僅依據(jù)實(shí)際問題推導(dǎo)出適用的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式，還更加深了對基本概念及理論、基本熱力學(xué)參數(shù)以及系統(tǒng)分析法的理解和掌握.

2.2 問題式的教學(xué)方式

為了實(shí)施探索性學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，采取了“每課一題”的問題式教學(xué)方式，即針對每次課的教學(xué)內(nèi)容，從工程實(shí)際、日常生活或最新發(fā)展技術(shù)中提煉出能引起學(xué)生濃厚興趣，且能夠加強(qiáng)學(xué)生對重點(diǎn)或難點(diǎn)知識理解的一個課題，在課上結(jié)合教學(xué)內(nèi)容指導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生展開對課題的思考、分析和研究，使學(xué)生在每一堂課上都在探索中“聽”課、學(xué)習(xí).舉例說明，在熱力學(xué)第一定律一節(jié)中設(shè)計(jì)“冰箱能否作為空調(diào)使用”作為研究課題.課堂教學(xué)時，在講授熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)及其表達(dá)式后，按照如圖 3所示思路，帶領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)分析法分析冰箱能量傳遞和轉(zhuǎn)換規(guī)律，強(qiáng)化學(xué)生對熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)的理解，同時通過研究不同的系統(tǒng)選擇對能量方程式的影響，進(jìn)一步明確合理選擇系統(tǒng)在系統(tǒng)分析法中的重要作用.

圖3 問題式教學(xué)方式實(shí)例

其他如：在理想氣體狀態(tài)方程一節(jié)，以“為什么剛裝有溫水且擰緊瓶蓋的空軟塑料瓶，放置在冷環(huán)境中一段時間后會發(fā)生‘癟’的現(xiàn)象？”；在熱力過程及熱量和功量一節(jié)，以“拳擊比賽中KO方式獲勝和計(jì)點(diǎn)方式獲勝，與熱力學(xué)中可逆過程功量和不可逆過程功量的對比分析”；在水蒸氣性質(zhì)一節(jié)，以“超臨界動力循環(huán)中水及水蒸氣的性質(zhì)有何特點(diǎn)？”等等為討論課題.從實(shí)施效果看，“每課一題”的問題式教學(xué)方式為學(xué)生提供了探索性的學(xué)習(xí)環(huán)境.

2.3 部分開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對課程教學(xué)，乃至人才培養(yǎng)都具有重要的意義.開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括時間、內(nèi)容、教學(xué)方法和手段以及成績評定等各方面的全方位開放[8].其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容從項(xiàng)目上可分為人才培養(yǎng)計(jì)劃內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新探索實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按實(shí)驗(yàn)性質(zhì)又可分必做、選做和自擬三種類型.能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新探索實(shí)驗(yàn)一般屬選做和自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)探索與科學(xué)研究和社會實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)他們解決實(shí)際問題的能力和提高創(chuàng)新意識具有積極意義.

結(jié)合課程性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，采取了部分開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué).在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上，將“流體力學(xué)”“工程熱力學(xué)”“傳熱學(xué)”“熱工測量”四門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)單獨(dú)開設(shè)了“熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程，精心選擇了多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，綜合性實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則采用以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，同時注重解決好實(shí)驗(yàn)室開放、學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)等方面的管理問題.幾年來的實(shí)施效果表明，部分開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生提供了一個促進(jìn)思考和探索的環(huán)境，創(chuàng)造出主動學(xué)習(xí)動手的條件和機(jī)會，充分發(fā)揮了學(xué)生的能動性，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中由被動地位轉(zhuǎn)為主動地位.

2.4 豐富的教學(xué)輔助資料

充分利用課程教學(xué)網(wǎng)站、教學(xué)專用 FTP等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，為學(xué)生提供了教學(xué)基本材料(課程教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、網(wǎng)絡(luò)教材、課堂教學(xué) PPT、物性查詢軟件等)、教學(xué)輔導(dǎo)材料(作業(yè)參考答案、課程內(nèi)容階段總結(jié)、典型題分析及解、自我測試題等)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料(實(shí)驗(yàn)教材及指導(dǎo)書、經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件、主要測量儀器設(shè)備說明書等)、教學(xué)拓展材料(熱力學(xué)發(fā)展史、專家前沿科學(xué)講座、英文原版教材等).另外，還提供了已有工程熱力學(xué)國家級或省(市)級精品課資源，尤其是全程課程教學(xué)視頻資源的鏈接.這樣，學(xué)生在課余時間學(xué)習(xí)中，可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)方法和實(shí)際情況，從上述大量的教學(xué)輔助資料中選擇自己需要的素材，從而為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件.

3 結(jié) 語

教學(xué)實(shí)踐表明，按照經(jīng)典熱力學(xué)研究方法——“系統(tǒng)分析法”作為主線，將教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的全過程始終處于探索性學(xué)習(xí)中，問題式的教學(xué)方法保證了學(xué)生每堂課在探索中學(xué)習(xí)，部分開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生有機(jī)會親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并探索現(xiàn)象的客觀規(guī)律，同時豐富的教學(xué)輔助資料為學(xué)生課余時間的探索性學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件.

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