問題鏈教學(xué)模式在工程熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

邱進(jìn)偉

【摘 要】介紹了問題鏈教學(xué)模式的概念，設(shè)計(jì)問題鏈時的基本要求。從工科院校教學(xué)功能的角度出發(fā)，研究不同的問題鏈類型，并將該模式應(yīng)用于工程熱力學(xué)課堂教學(xué)中。以問題為主線，將課堂教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過提煉和加工，然后設(shè)計(jì)成若干個教學(xué)問題，形成一定的邏輯鏈條。問題鏈教學(xué)模式避免了教師“灌”，學(xué)生“收”的單一被動接受的弊端，問題鏈教學(xué)模式適用于高校講授型的課堂教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】問題鏈；教學(xué)模式；工程熱力學(xué)；教學(xué)功能

工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門學(xué)科，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容面廣、概念抽象、晦澀難懂，相對一部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定困難[1]。工程熱力學(xué)課堂教學(xué)中，大部分教師采用的是“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式在高校是普遍存在的。這種教學(xué)方法忽略了學(xué)生的“問”，從而導(dǎo)致學(xué)生缺失應(yīng)有的存疑、批判、想象和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過程。長此以往，就存在教師“灌”，學(xué)生“收”的單一被動接受的弊端，這樣就是容易造成學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力不足等問題，這往往與工程熱力學(xué)的課堂教學(xué)效果背道而馳。英國哲學(xué)家波普爾說：“科學(xué)知識的增長永遠(yuǎn)始于問題，終于問題”[2]。那么，對于要講授的課堂教學(xué)內(nèi)容，如何重新設(shè)計(jì)，形成若干個未知的教學(xué)問題，以問題為中心展開教學(xué)，讓問題貫通整個教學(xué)過程呢？筆者采用了問題鏈教學(xué)模式進(jìn)行工程熱力學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐，并對各種不同的問題鏈加以運(yùn)用。

1 問題鏈的教學(xué)模式

1.1 問題鏈教學(xué)模式的定義[3-4]

何謂問題？問題是一個障礙、一個有待完成的目標(biāo)，即“問題=障礙+目標(biāo)”。所謂“問題鏈”是教師根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，通過將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行提煉，并設(shè)計(jì)成一連串的問題，引導(dǎo)學(xué)生對課程知識點(diǎn)進(jìn)行對比、分析、綜合和概括，問題鏈就是這些像鎖鏈一樣的問題集合，問題鏈就是圍繞某一個教學(xué)目標(biāo)，開發(fā)出來的一連串層層深入的問題集合體。因此，開發(fā)出來的問題應(yīng)該環(huán)環(huán)相扣、由淺入深，而且應(yīng)該具有多元性、多角度，分層次等特點(diǎn)，問題的編制應(yīng)宜粗不宜細(xì)，問題要少而精。問題鏈要能達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生對舊知識點(diǎn)的回憶和重構(gòu)，并對新知識點(diǎn)的探索和思考的目的，起到開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的作用。

1.2 問題鏈的設(shè)計(jì)要求

問題鏈的設(shè)計(jì)不是隨機(jī)的，任意的，必須具有一定的邏輯順序，設(shè)計(jì)的問題鏈能方便教師引導(dǎo)學(xué)生。問題鏈的設(shè)計(jì)要求如下：

1）問題鏈應(yīng)明確教學(xué)目標(biāo)，突出本節(jié)課的重點(diǎn)、難點(diǎn)；

2）設(shè)計(jì)的問題鏈必須對學(xué)生有驅(qū)動性和啟發(fā)性；

3）問題鏈的設(shè)計(jì)需要具有層次性、遞變性、情境性、可行性；

4）問題鏈應(yīng)具有趣味性、新穎性，能集中學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的求知欲。

2 問題鏈教學(xué)模式的應(yīng)用

“問題鏈”在功能和形式上多種多樣，其設(shè)計(jì)也因“問”而異。工程熱力學(xué)課程內(nèi)容比較多、概念活，研究對象為氣體，根據(jù)工程熱力學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)，基于教學(xué)立意，圍繞教學(xué)中心，從而設(shè)計(jì)不同的問題鏈類型[5]。根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)立意設(shè)計(jì)，筆者在工程熱力學(xué)這門課設(shè)計(jì)的問題鏈主要有：引入性問題鏈、探索性問題鏈、情境性問題鏈、類推性問題鏈、總結(jié)性問題鏈等。

2.1 引入性問題鏈

傳統(tǒng)的引入性方法是直接從前一節(jié)內(nèi)容開門見山引入本節(jié)教學(xué)內(nèi)容，方法往往枯燥乏味。引入性問題鏈就是教師將舊知識點(diǎn)直接平滑連接到后續(xù)的知識點(diǎn)上，引導(dǎo)學(xué)生的注意力，喚醒學(xué)生找出問題答案的求知欲而設(shè)計(jì)的問題鏈。

講授水蒸氣的熱力性質(zhì)時，教師可以以某一發(fā)電廠為出發(fā)點(diǎn)，引入教學(xué)內(nèi)容，采用該教學(xué)模式實(shí)施課堂教學(xué)，具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

問題1：同學(xué)們每天都用電，很多電都是由熱能轉(zhuǎn)變而來，那么你們知道熱能是如何轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷膯幔?/p>

問題2：發(fā)電廠有哪些主要的熱力設(shè)備，各設(shè)備功能是什么樣的？這些熱力設(shè)備中的循環(huán)工作的工質(zhì)是什么？這些工質(zhì)是如何把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能發(fā)電的？

問題3：工質(zhì)的熱力狀態(tài)發(fā)生了哪些變化，其變化過程中，工質(zhì)發(fā)生了哪些基本的熱力過程？

在教學(xué)中，教師先拿出一個大家都熟悉的發(fā)電廠發(fā)電的話題，讓學(xué)生在開放的氛圍中展開思考；接著通過展示熱力發(fā)電廠的相關(guān)圖片或播放錄像，邊看邊向?qū)W生解釋燃煤發(fā)電廠工作過程；然后通過PPT向?qū)W生展示蒸汽動力裝置示意圖，如圖1所示。根據(jù)蒸汽動力裝置流程簡圖向?qū)W生介紹水蒸氣動力循環(huán)的系統(tǒng)組成、工作原理及循環(huán)在T-s圖和p-v圖上的表示方法。

2.2 探索性問題鏈

探索性問題鏈?zhǔn)窃O(shè)計(jì)一些具有探索性和趣味性的知識問題。這種教學(xué)方法能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，同時能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神，探索性問題鏈能使學(xué)生從現(xiàn)象探索事物的本質(zhì)。

在講授“濕空氣”時，教師先讓學(xué)生思考簡單的生活問題，由此提出探索性問題讓學(xué)生展開討論，通過教師對實(shí)例啟發(fā)性的分析，把枯燥的理論變成具體的實(shí)際問題。由此，教師設(shè)計(jì)如下問題鏈：

問題1：為什么陰雨天曬衣服不容易干，而晴天則容易干呢？

問題2：什么是濕空氣？什么是干空氣？如何理解水蒸氣的含量是變量這一問題？

問題3：未飽和濕空氣和飽和濕空氣有什么區(qū)別？水蒸氣的分壓力和溫度有何關(guān)系？由此得出什么結(jié)論？

教師通過生活實(shí)例，向?qū)W生解釋：“陰雨天環(huán)境空氣濕度大，空氣吸取水蒸氣的能力差，所以陰雨天曬的衣服不容易干。晴天則恰恰相反，所以容易干”。教師讓學(xué)生對濕空氣相關(guān)概念進(jìn)行理解、探究，引導(dǎo)學(xué)生去分析。留有足夠時間和空間讓學(xué)生去思考分析，爭論探討，提煉拓寬，訓(xùn)練學(xué)生思維的深刻性。

2.3 情境性問題鏈

情境性問題鏈就是教師設(shè)計(jì)或引入特定的生活情境，使學(xué)生產(chǎn)生一定的求知欲。精心設(shè)計(jì)的情境可以使學(xué)生從情境中挖掘出新知識點(diǎn)，從而幫助學(xué)生更好進(jìn)入新知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

為了讓學(xué)生掌握壓縮制冷循環(huán)這一知識點(diǎn)時，首先展示一幅錯誤安裝空調(diào)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的的圖片，如圖2所示。針對這一生活情境，設(shè)計(jì)如下問題鏈：

問題1：同學(xué)們來看一下這幅圖，圖中，室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的安裝是否正確，為什么？那么這樣安裝會產(chǎn)生什么效果，為什么？

問題2，：壓縮機(jī)制冷循環(huán)的是如何實(shí)現(xiàn)房間制冷的？壓縮制冷循環(huán)的工作原理？各經(jīng)歷了哪些循環(huán)過程？

問題3：如何利用P-V圖和T-s圖來表示壓縮機(jī)制冷循環(huán)過程？制冷系數(shù)如何確定？

教師利用這種貼近生活、富有吸引力的情境圖片，讓學(xué)生思考空調(diào)機(jī)安裝存在的問題；接著向?qū)W生解釋為什么該安裝方式不正確。根據(jù)制冷循環(huán)的原理，空調(diào)內(nèi)機(jī)吸熱，外機(jī)放熱，二者理想是相等的，實(shí)際算上管線電路損耗什么的是放熱大于吸熱的，因此安裝該空調(diào)后產(chǎn)生的效果是房間只會越來越熱；然后通過圖3向?qū)W生解釋壓縮機(jī)制冷循環(huán)是如何實(shí)現(xiàn)房間制冷，其工作原理，具體的循環(huán)過程及壓縮機(jī)制冷循環(huán)的P-V圖和T-s圖，制冷系數(shù)的計(jì)算。教學(xué)方法是通過情景圖片演示、問題分析、問題探討，引導(dǎo)學(xué)生追蹤過程、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出結(jié)論；從而到達(dá)使學(xué)生完全掌握這一知識點(diǎn)的目的。

2.4 類推性問題鏈

類推性問題鏈?zhǔn)侵竿ㄟ^一類事物所具有的某種屬性推測出與其類似的事物屬性，由此所產(chǎn)生的一序列問題，此類問題鏈需要滿足條件是兩個問題或者現(xiàn)象具有一定的相似性。

在講述工程熱力學(xué)的熵增原理時，為了讓學(xué)生掌握熵增原理的概念，列舉了教材上一個實(shí)例，如圖4所示，由此設(shè)計(jì)了如下問題鏈：

問題1：將隔板抽去后，氣體將如何變化？若將A容器里面裝滿跳蚤，同樣將隔板抽去后，跳蚤將如何變化？

問題2：對于問題1和問題2，若達(dá)到平衡后，能否自動恢復(fù)以前狀態(tài)？這種現(xiàn)象說明什么問題？

問題3：熵增原理是什么？

為了讓學(xué)生掌握熱力學(xué)第二定律的熵增原理的方向性，教師引入貼近生活的跳蚤現(xiàn)象，利用熵增原理和跳蚤現(xiàn)象的類比，從而達(dá)到解釋自然過程的方向性，即一切過程的發(fā)生都是沿著熵增加的方向進(jìn)行，自然的過程是不可逆的。上述問題鏈?zhǔn)峭ㄟ^類推等方法使學(xué)生掌握課堂知識，從而達(dá)到理解科學(xué)知識的作用。

2.5 總結(jié)性問題鏈

總結(jié)性問題鏈?zhǔn)墙處熢谡n堂快要結(jié)束時，采用邏輯方法把知識點(diǎn)串聯(lián)起來從而形成知識系統(tǒng)的問題鏈。其目的是幫助學(xué)生總結(jié)知識和達(dá)到鞏固知識的目的。通過問題鏈的設(shè)計(jì)，能夠系統(tǒng)性歸納、總結(jié)那些分散和孤立的知識點(diǎn)，并對學(xué)生分散的知識進(jìn)行了梳理，從而形成相互聯(lián)系的整體。

在復(fù)習(xí)理想氣體的熱力過程時，有的教師會按照教材的順序來復(fù)習(xí)概念、影響因素及其原因分析。而有經(jīng)驗(yàn)教師會通過總結(jié)性的問題鏈展現(xiàn)出來。

問題1：工程中存在哪些主要的熱力過程？

問題2：這幾個熱力過程各自有什么樣的特點(diǎn)，過程方程形式是什么？

問題3：熱力過程中的狀態(tài)參數(shù)p、v、T、？駐u、？駐h、？駐s和過程量Q、W分別是如何計(jì)算的，上述過程如何用p-v 、T-s圖表示？試著總結(jié)出多變過程原理。

上述的問題是依據(jù)總→分→總的形式策略歸納出理想氣體的熱力過程的內(nèi)容的。這種問題鏈能激發(fā)學(xué)生歸納總結(jié)知識及發(fā)散學(xué)生的思維，教師經(jīng)常設(shè)計(jì)總結(jié)性問題鏈能培養(yǎng)學(xué)生梳理知識、理解知識、歸納知識的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3 問題鏈教學(xué)模式的實(shí)施效果

問題鏈教學(xué)模式遵循“產(chǎn)生問題→分析提出問題→引申擴(kuò)展→提出新的問題→分析解決問題”循環(huán)規(guī)律，以問題為中心，通過問題的層層遞進(jìn)，將知識變?yōu)榻虒W(xué)問題。問題鏈教學(xué)模式的核心是激發(fā)學(xué)生思維活動，教師如何設(shè)計(jì)問題鏈，直接影響到模式的教學(xué)的效率和質(zhì)量。筆者改傳統(tǒng)的教學(xué)模式為問題鏈教學(xué)模式后，學(xué)生學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的主動性和積極性都有所加強(qiáng)，主動參與學(xué)習(xí)的人數(shù)也明顯增加。教學(xué)實(shí)踐證明，問題鏈教學(xué)模式值得在工科院校中應(yīng)用和推廣。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]