“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

□天津城市建設(shè)學(xué)院 代乾 王澤生 李偉 顏愛斌

“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

□天津城市建設(shè)學(xué)院 代乾 王澤生 李偉 顏愛斌

在工程熱力學(xué)課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，通過創(chuàng)造探索性的教學(xué)模式，運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)工具及手段，在一定范圍內(nèi)實(shí)施雙語教學(xué)，加強(qiáng)課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，為學(xué)生搭建了良好的學(xué)習(xí)平臺，教學(xué)效果明顯提高。

工程熱力學(xué)；教學(xué)改革；雙語教學(xué)

熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個分支，它主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，是熱能與動力工程、車輛工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程等學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課。當(dāng)今世界，關(guān)于能源與環(huán)保問題的爭辯非常激烈，知識越來越成為提高綜合國力和國際競爭力的決定性因素，這就更突顯了工程熱力學(xué)這門學(xué)科的重要作用和地位。國外高校在熱工課程教學(xué)中注重強(qiáng)化學(xué)生的興趣和主動性，教學(xué)方法一般采取強(qiáng)化基本理論的內(nèi)涵滲透、將研究型教學(xué)融入課堂、注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)、建立靈活多樣的課程考試方法等措施。而國內(nèi)高?，F(xiàn)行的教學(xué)模式在某些方面無法適應(yīng)教育技術(shù)快速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源日益豐富的實(shí)際情況，使得學(xué)生無法處理好課堂學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外自主學(xué)習(xí)的關(guān)系。多年來，各高校教師對工程熱力學(xué)課程不斷探索和實(shí)施教學(xué)改革[1-4]，特別是關(guān)于教學(xué)模式的改革實(shí)踐已漸成趨勢。

一、創(chuàng)造探索性教學(xué)模式

探索性教學(xué)模式是指在教師指導(dǎo)下學(xué)生探索性學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，即以學(xué)生所學(xué)的知識為未知事物，在教師的指導(dǎo)下，通過閱讀文獻(xiàn)、收集材料、運(yùn)用實(shí)驗(yàn)等方法獨(dú)立獲取知識，并能運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決課本和現(xiàn)實(shí)中的問題。本課程內(nèi)容包括熱力學(xué)基本定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)、熱力過程、熱力循環(huán)以及這些基礎(chǔ)理論在工程實(shí)際中的應(yīng)用。為了使教學(xué)內(nèi)容組織的結(jié)構(gòu)清晰、知識系統(tǒng)完整，本課程以經(jīng)典熱力學(xué)的研究方法“系統(tǒng)分析法”為主線，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，并形成了圖1所示的教學(xué)框架。為了實(shí)施探索性的教學(xué)模式，采取了問題式的教學(xué)方法，將工程實(shí)際、最新技術(shù)或日常生活中的實(shí)際問題加以提煉，引申出使學(xué)生感興趣的話題，結(jié)合每堂課的教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生懷著對問題的思考去學(xué)習(xí)，并對問題加以分析和研究。例如，在熱力學(xué)第一定律教學(xué)中，將“冰箱能否作為空調(diào)使房間降溫”作為一個問題，在講授熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)及能量方程的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)分析法分析冰箱能量轉(zhuǎn)換及傳遞規(guī)律，強(qiáng)化學(xué)生對方程實(shí)質(zhì)的理解，同時通過研究不同的系統(tǒng)選擇對問題解決方式的影響，進(jìn)一步明確了合理選擇系統(tǒng)對正確解決問題的重要作用。隨著課程的深入，使學(xué)生可以掌握各知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，對基本定律和定理有更深入的理解，逐步掌握“系統(tǒng)分析法”分析實(shí)際熱力過程和循環(huán)中能量轉(zhuǎn)換與傳遞的能力，從而使學(xué)生處在探索性的學(xué)習(xí)環(huán)境之中。教學(xué)實(shí)踐證明，這種探索性的學(xué)習(xí)模式為學(xué)生創(chuàng)造了自主和獨(dú)立的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

圖1 教學(xué)內(nèi)容框架

二、探索混合式學(xué)習(xí)與教學(xué)模式

對于混合式學(xué)習(xí)與教學(xué)的設(shè)計與實(shí)施，Donovan等[5]指出：開發(fā)混合式學(xué)習(xí)方案的關(guān)鍵因素在于確定在適當(dāng)?shù)臅r候，使用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞?，為適當(dāng)?shù)膶W(xué)生施行教學(xué)。而運(yùn)用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞叫枰紤]學(xué)習(xí)地點(diǎn)的設(shè)置、信息傳輸技術(shù)及時間的安排、教學(xué)策略和績效援助策略等。Rebecca Launer[6]提出，要使混合式學(xué)習(xí)發(fā)揮真正的效用，必須正確認(rèn)識混合式學(xué)習(xí)的經(jīng)濟(jì)價值和教育價值，用課程理念來設(shè)計學(xué)習(xí)過程，根據(jù)學(xué)習(xí)需求選擇學(xué)習(xí)工具，綜合考慮教學(xué)元素，幫助學(xué)生和教師做好新角色的準(zhǔn)備。黃榮懷等[7]則對混合式學(xué)習(xí)理論與實(shí)踐進(jìn)行了全面描述。而王利等[8]設(shè)計了混合式學(xué)習(xí)模式在經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方式，為經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了一種新的參考。

目前，混合式學(xué)習(xí)與教學(xué)并沒有一個統(tǒng)一的設(shè)計模式，但其設(shè)計過程一般可分為前期分析、教學(xué)設(shè)計（包括課堂教學(xué)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)活動設(shè)計及環(huán)境建設(shè)等）、教學(xué)實(shí)施（課堂教學(xué)和在線學(xué)習(xí)相結(jié)合的實(shí)施過程）以及教學(xué)評價等四個階段?；旌鲜浇虒W(xué)模式既可以發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，又可以滿足學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位的需要，這種有效融合以往教學(xué)模式優(yōu)點(diǎn)，且具有開放性、個性化的混合式教學(xué)模式尤其適用于專業(yè)課程的教學(xué)。

緒論這部分內(nèi)容以前都以講述為主，為了讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識到學(xué)習(xí)本課程的必要性，筆者嘗試著以記錄片《難以忽視的真相》代替緒論部分。此片獲得第79屆奧斯卡金像獎最佳紀(jì)錄片，由美國前副總統(tǒng)戈爾策劃并主演，揭露了氣候變遷的資料并對此做出預(yù)測，通過巡回全球的簡報發(fā)表，戈爾指出全球變暖的科學(xué)證據(jù)及討論全球變暖對經(jīng)濟(jì)和政治層面的影響，并闡述他相信人類制造的溫室氣體若沒有減少，在不久后全球氣候?qū)l(fā)生重大變化。通過觀看這部片子，學(xué)生們對于如何尋找新能源，優(yōu)化目前的能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用率，樹立節(jié)能意識有了更深刻的認(rèn)識，對學(xué)生們主觀上樂于努力學(xué)好工程熱力學(xué)有較大促進(jìn)作用。

由于在有限課時內(nèi)難以講授更多的內(nèi)容，因此我們制作了工程熱力學(xué)教學(xué)網(wǎng)站供學(xué)生們課下學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)的功能對于混合式教學(xué)來說不應(yīng)當(dāng)只是教學(xué)內(nèi)容的發(fā)布，而更多的應(yīng)該是支持教學(xué)交互、教學(xué)評價和教學(xué)管理，教學(xué)交互、教學(xué)評價和教學(xué)管理是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。需要有一個集教學(xué)內(nèi)容發(fā)布與管理、課堂教學(xué)、在線教學(xué)交互、在線教學(xué)評價、基于項(xiàng)目的協(xié)作學(xué)習(xí)、發(fā)展性教學(xué)評價和教學(xué)管理等功能于一體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺來支撐課堂與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同教學(xué)。教學(xué)資源設(shè)計與開發(fā)是混合式教學(xué)改革實(shí)踐成敗的關(guān)鍵因素之一。筆者依據(jù)各個階段的教學(xué)目標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)默F(xiàn)代信息技術(shù)（如文字、視頻、動畫、虛擬仿真軟件、在線測試等形式），在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺為學(xué)生提供了豐富的熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)資源。網(wǎng)站按照省部級精品課程的要求制作，表1為課程教學(xué)網(wǎng)站導(dǎo)航，網(wǎng)上內(nèi)容非常充實(shí)，包括課程的概況、教學(xué)文件、習(xí)題及答案、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)等各種資源。學(xué)生們通過瀏覽網(wǎng)站學(xué)習(xí)更多的知識，一定程度上使教學(xué)網(wǎng)站成為課堂教學(xué)的有力支撐，形成對課堂教學(xué)非常有益的補(bǔ)充。

表1 課程教學(xué)網(wǎng)站導(dǎo)航

三、實(shí)行雙語教學(xué)

雙語教學(xué)是使用漢語和英語進(jìn)行授課的教學(xué)方式，其中以英文為主，是培養(yǎng)高素質(zhì)的國際化人才的重要途徑之一。教師是雙語教學(xué)的核心，教師的語言水平和專業(yè)知識的結(jié)合是雙語教學(xué)成敗的關(guān)鍵，因而具有很大的難度?，F(xiàn)在高校絕大多數(shù)老師都具有高學(xué)位，但是有一部分教師還沒有出國學(xué)習(xí)的經(jīng)歷，而雙語教學(xué)對教師的口語、寫作能力要求很高，一般的教師難以達(dá)到要求。所以，在課程建設(shè)中，必須積極和國外同行進(jìn)行合作和交流，吸收國內(nèi)外同行的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)成果。2002年9月，學(xué)院聘請了美國緬因大學(xué)Dr.Edward Huff先生來我院主講本課程，并引進(jìn)了英文原版教材，為吸收國外工程熱力學(xué)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和最新成果創(chuàng)造了良好環(huán)境，之后在熱能與動力工程專業(yè)課程教學(xué)中一直實(shí)施雙語教學(xué)。在開展雙語教學(xué)的過程中，因?qū)W生英語水平參差不齊，在英文理解和接受能力等方面差異較大，增加了課程教學(xué)的難度，同時還存在著因語言問題導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)質(zhì)量下降的可能性。因此，學(xué)校除了安排學(xué)生進(jìn)行大學(xué)英語等普及性英語課程的學(xué)習(xí)之外，還采取多種方式拓展學(xué)生英語學(xué)習(xí)的渠道，增強(qiáng)了學(xué)生的英語功底，為順利實(shí)施雙語課程教學(xué)和提高學(xué)習(xí)質(zhì)量創(chuàng)造了條件。另外，本課程采用英文試卷，并要求用英文答題。通過這樣多方面的改革與實(shí)踐，提高了雙語課程質(zhì)量，使學(xué)生在接受國外先進(jìn)教育理念的基礎(chǔ)上，英語聽說讀寫能力也得到了很大的提高。實(shí)踐證明，雙語教學(xué)方式非常受學(xué)生歡迎。

四、整合相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，探索一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程整合了能源動力類專業(yè)基礎(chǔ)課程涉及的所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生的正確科學(xué)觀念、科學(xué)實(shí)踐能力，使學(xué)生全面掌握和靈活運(yùn)用能源動力領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究方法及技能具有重要的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容從項(xiàng)目上可分為基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)、能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新探索實(shí)驗(yàn)，能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新探索實(shí)驗(yàn)一般屬選做和自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這對于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)探索與科學(xué)研究相結(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?；诖?，學(xué)校將流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、熱工測量等基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)整合在一起，獨(dú)立設(shè)置了熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)這門課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)、演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，合計18個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該體系打破了各個理論課程的界限，安排了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論和方法介紹→熱工設(shè)備認(rèn)知→基本測量儀表原理及使用方法→典型流體熱工過程規(guī)律認(rèn)知→基礎(chǔ)理論驗(yàn)證→熱工實(shí)驗(yàn)研究方法及技能綜合應(yīng)用等遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，逐步培養(yǎng)學(xué)生掌握能源動力領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究方法及技能，最終達(dá)到使學(xué)生初步具備熱工實(shí)驗(yàn)研究方法靈活運(yùn)用以及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的能力等教學(xué)目標(biāo)。在實(shí)踐教學(xué)中，充分將工程實(shí)際與課堂所學(xué)的抽象內(nèi)容緊密結(jié)合起來，這樣更能加強(qiáng)學(xué)生對基本概念、定理的理解深度。另外，還可以讓學(xué)生積極參加教師的科研項(xiàng)目，充分讓學(xué)生接觸到學(xué)科的前沿領(lǐng)域，使他們對學(xué)科的認(rèn)知水平能達(dá)到一個更深的層次。幾年來的實(shí)施效果表明，開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)給學(xué)生提供了一個促進(jìn)思考和探索的環(huán)境，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。

五、結(jié)束語

經(jīng)過近幾年的課程改革實(shí)踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有了明顯的提高，證明這種教學(xué)改革模式是行得通的。在以后的教學(xué)當(dāng)中，我們要把這種模式繼續(xù)深化并推廣到其他課程的教學(xué)當(dāng)中，本課程的教學(xué)改革也必然會取得更大的成功。

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