基于思維導(dǎo)圖的PBL方法在《熱力學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用*

賀樹芳

(朔州師范高等?？茖W(xué)校 山西 朔州 036000)

1 引言

思維導(dǎo)圖(Mind map)也叫心智導(dǎo)圖，是一種放射性、實(shí)用性、形象化的思維工具[1].它以發(fā)散思維為基礎(chǔ)，運(yùn)用圖文并重的技巧及從屬、并列等多層級圖把各級主題之間的關(guān)系展示出來，并輔以圖像、顏色、線條等手段在主題關(guān)鍵詞之間建立記憶關(guān)聯(lián).它可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性思維能力.將思維導(dǎo)圖的優(yōu)勢與結(jié)構(gòu)化思考、邏輯思考、辯證思考等思維方式相融合并學(xué)科化后可應(yīng)用于教學(xué).目前，基于知識建構(gòu)策略的思維導(dǎo)圖已被廣泛應(yīng)用于多種學(xué)科的學(xué)習(xí)和教學(xué)過程中[2].

PBL (Problem Based Learning) 也稱為問題式學(xué)習(xí)[3～5]，是一種以學(xué)生為主體，問題為導(dǎo)向并結(jié)合小組討論的方式來解決問題的新型教學(xué)模式.該方法要求教師找到一些能激發(fā)學(xué)生內(nèi)驅(qū)力的情景式問題或日常生活中可能遇到的情形，使學(xué)生能夠用已有知識鑒別、確定問題并通過交流討論的方式進(jìn)行任務(wù)的分解來尋找最佳解決方案.問題的設(shè)置不能僅停留在對知識的理解及應(yīng)用層面，還需要具備現(xiàn)實(shí)性與可探究性，并以體現(xiàn)學(xué)生所具有的自主學(xué)習(xí)能力及合作性解決問題能力為教學(xué)目標(biāo).總之，教師通過設(shè)置有意義的問題情境進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生對問題進(jìn)行分析，使學(xué)生在解決問題的過程中加深對基礎(chǔ)理論知識的理解和掌握，提高分析、綜合及解決問題的能力.

《熱力學(xué)基礎(chǔ)》作為高等院校理工科的一門重要基礎(chǔ)課程，其概念抽象、內(nèi)容繁雜、知識體系龐大.熱學(xué)課程及教學(xué)體系中包含了與其他學(xué)科相互滲透的知識與方法，如從平衡態(tài)到非平衡態(tài)的研究；從氣體分子運(yùn)動論到微觀統(tǒng)計規(guī)律的學(xué)習(xí)等，這些對后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)有著深遠(yuǎn)的影響.本文以《熱力學(xué)基礎(chǔ)》中部分內(nèi)容的教學(xué)為例，采用思維導(dǎo)圖結(jié)合PBL教學(xué)法來幫助學(xué)生構(gòu)建思維框架，形成知識網(wǎng)絡(luò)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)及探究未知、解決實(shí)際問題的能力.

2 思維導(dǎo)圖和PBL方法在《熱力學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)過程中的應(yīng)用

問題提出：空調(diào)是生活中常見的家用電器，在炎炎夏日，它可以為我們送來清涼；在寒冷的冬天，它可以使得室內(nèi)溫暖如春.為什么空調(diào)會使門窗緊閉的房間內(nèi)溫度降低或升高呢？那么空調(diào)的工作原理涉及哪些熱力學(xué)規(guī)律呢？

這里可以把探究過程分為兩個模塊，第一模塊選取典型的熱力學(xué)系統(tǒng)模型并對基本概念進(jìn)行學(xué)習(xí)；第二模塊對空調(diào)工作中滿足的熱力學(xué)規(guī)律進(jìn)行探究.

2.1 典型的熱力學(xué)理想系統(tǒng)——理想氣體模型

PBL的應(yīng)用：研究物理問題時，通常需要忽略次要因素，抓住主要矛盾.類比力學(xué)中理想模型——質(zhì)點(diǎn)的建立.在熱力學(xué)部分該如何建立理想化的模型呢？教師可以先向?qū)W生分析、解釋問題；各組學(xué)生憑借已有知識對問題進(jìn)行鑒別、判斷,并分解任務(wù)；經(jīng)交流討論確定最佳方案進(jìn)行知識建構(gòu)，然后依據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果繪制思維導(dǎo)圖.圖1所示為熱力學(xué)系統(tǒng)模型建立的思維導(dǎo)圖.

圖1 熱力學(xué)系統(tǒng)模型建立的思維導(dǎo)圖

熱力學(xué)模型建立的PBL問題簡析如表1所示.

表1 熱力學(xué)模型建立的PBL問題簡析

思維導(dǎo)圖的繪制：學(xué)生在繪制思維導(dǎo)圖時，先確定一級主題為熱力學(xué)系統(tǒng)，然后圍繞這一主題發(fā)散出4個2級主題分別為熱力學(xué)系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)模型的建立、描述系統(tǒng)的狀態(tài)參量和系統(tǒng)狀態(tài)變化過程.在完善2級主題“概念”時需引入系統(tǒng)和外界概念，并區(qū)分封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)及孤立系統(tǒng)的不同，為熱力學(xué)第一定律的學(xué)習(xí)作知識鋪墊；為定量描述熱力學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)和狀態(tài)而引入的物理量稱之為狀態(tài)參量(p,V,T)，掌握了系統(tǒng)溫度T既是直接描述系統(tǒng)微觀性質(zhì)的宏觀量,也是其他狀態(tài)參量的態(tài)函數(shù).在熱力學(xué)模型的建立過程中，學(xué)生熟悉了在溫度不太低、壓強(qiáng)不太高的條件下，大多數(shù)氣體可視為理想氣體.每一組狀態(tài)參量對應(yīng)一個平衡態(tài)，在外界影響下，熱力學(xué)系統(tǒng)從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程，即為過程變化.其中準(zhǔn)靜態(tài)過程作為一種理想過程，是指任何時刻系統(tǒng)的狀態(tài)均可近似為平衡態(tài)，進(jìn)一步理解了狀態(tài)方程的物理意義.可見，學(xué)生在繪制思維導(dǎo)圖過程中可以層次分明、條理系統(tǒng)地掌握熱力學(xué)系統(tǒng)的基本概念與理論體系.

2.2 熱力學(xué)第一、第二定律的學(xué)習(xí)——探究空調(diào)工作過程中的熱力學(xué)規(guī)律

PBL的應(yīng)用：繼第一模塊中確定研究對象——理想氣體后，其狀態(tài)參量(p,V,T)會在某個過程中發(fā)生改變，即從初態(tài)經(jīng)歷一系列變化到達(dá)末態(tài).在研究多參量問題時，尋求系統(tǒng)在物態(tài)變化中的規(guī)律，常采用控制變量的方法.基于以上理論,學(xué)生分組展開討論確定以下幾方面的問題(見表2)及其解決方案：(1)壓強(qiáng)p不變——等壓變化；體積V不變——等容變化；溫度T不變——等溫變化.(2)如果理想氣體從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)一系列變化(循環(huán))后又回到原來的狀態(tài)，該過程具有什么特點(diǎn)？(3)嘗試?yán)盟鶎W(xué)知識解釋空調(diào)的工作原理.

表2 熱力學(xué)系統(tǒng)定律PBL問題

思維導(dǎo)圖的繪制：在確定1級主題為“理想氣體變化規(guī)律”時，學(xué)生理解了理想氣體的等溫、等容及等壓過程，掌握了系統(tǒng)與外界通過做功(A量度)或熱傳遞(Q量度)的方式進(jìn)行能量交換，而內(nèi)能(E)為系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，其變化與過程無關(guān)，只取決于系統(tǒng)的初態(tài)與末態(tài).又圍繞這一主題發(fā)散出2級主題：熱力學(xué)第一定律表達(dá)式

ΔE=A+Q

其中ΔE為內(nèi)能變化；A>0表示外界對系統(tǒng)做功；Q>0為系統(tǒng)從外界吸熱,即為能量守恒定律在熱學(xué)中的應(yīng)用.另一個2級主題為熱力學(xué)第二定律，其兩種表述向人們傳達(dá)了熱傳導(dǎo)或能量轉(zhuǎn)化的方向性.從這一點(diǎn)來看，大部分伴隨熱現(xiàn)象的過程為不可逆過程.

另外，為完善“熱力學(xué)第一定律”下分支——循環(huán)過程，學(xué)生掌握了循環(huán)過程意味著系統(tǒng)經(jīng)一系列變化回到初態(tài)，對應(yīng)內(nèi)能變化ΔE=0.

最后為說明空調(diào)的工作原理,在“循環(huán)過程”下設(shè)置正循環(huán)與逆循環(huán)分別對應(yīng)的“熱機(jī)”和“制冷機(jī)”知識點(diǎn)，理解了空調(diào)的制熱和制冷過程，并通過討論熱機(jī)效率和制冷系數(shù)的極限值引出熱力學(xué)第一和第二定律的關(guān)聯(lián).

綜上所述，學(xué)生獲得了空調(diào)利用工作物質(zhì)在系統(tǒng)冷凝液化放熱與蒸發(fā)氣化吸熱的特性,分別對室內(nèi)空氣進(jìn)行制熱與制冷.其工作原理也是對熱力學(xué)第一定律及第二定律很好的詮釋.

學(xué)習(xí)熱力學(xué)定律建立的思維導(dǎo)圖如圖2所示.

圖2 學(xué)習(xí)熱力學(xué)定律建立的思維導(dǎo)圖

3 基于思維導(dǎo)圖的PBL方法在教學(xué)中的有效性分析

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師通常按照一定順序?qū)靖拍罴爸R點(diǎn)經(jīng)講授傳輸給學(xué)生，易造成知識內(nèi)容的碎片化并忽略物理規(guī)律間隱藏的關(guān)聯(lián)因素.

本文以空調(diào)工作的熱力學(xué)原理為出發(fā)點(diǎn),進(jìn)行了熱力學(xué)系統(tǒng)模型的建立與探尋空調(diào)工作過程中熱力學(xué)定律兩個模塊的教學(xué)設(shè)計.PBL教學(xué)法能夠使學(xué)生在問題驅(qū)動下進(jìn)行知識的建構(gòu)，學(xué)生將綜合性的問題“庖丁解?！笔降胤纸?，經(jīng)小組內(nèi)成員互相溝通協(xié)作，查閱資料解決問題.PBL教學(xué)法可以激發(fā)學(xué)生的思維主動性和求知欲，也有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力與團(tuán)隊協(xié)作能力.思維導(dǎo)圖可以引導(dǎo)學(xué)生將零散的知識點(diǎn)進(jìn)行整合，理清其間的關(guān)系并建構(gòu)系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò)，通過不同的圖形與線條加以呈現(xiàn)，使知識脈絡(luò)清晰化.在構(gòu)建層次圖過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維與創(chuàng)新思維能力，其學(xué)習(xí)興趣和參與熱情也得到了很好的發(fā)展.

將兩種方法有機(jī)地融合到教學(xué)中極大地改善了教學(xué)效果.以問題為導(dǎo)向，以可視化的圖形為手段，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法刻板的、單一的知識呈現(xiàn)模式，使枯燥、繁雜的物理知識能以清晰簡潔的圖形加以展示.

4 結(jié)論與展望

尋求科學(xué)、有效的教學(xué)方法來提高教學(xué)質(zhì)量是教育改革與發(fā)展的動力源泉.在日常教學(xué)中，不斷借鑒和嘗試新的教學(xué)方法也是物理教師自我提升的有效途徑.本文以大學(xué)物理教材《熱力學(xué)基礎(chǔ)》中的部分章節(jié)教學(xué)為例，在教學(xué)中綜合運(yùn)用了PBL教學(xué)法和思維導(dǎo)圖工具，不僅能激發(fā)學(xué)生內(nèi)驅(qū)力，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)自信心，還能將晦澀、難懂的物理知識點(diǎn)以新鮮、多樣的圖像方式呈現(xiàn)出來，方便學(xué)生記憶與理解，達(dá)到良好的教學(xué)效果.

PBL方法要求問題的設(shè)置具有科學(xué)性、現(xiàn)實(shí)性及探索性；針對問題的解決方案要體現(xiàn)多樣性、綜合性及可操作性.如何將這兩種方法合理融入到高等教育的多學(xué)科課程體系教學(xué)活動中還需要教育者更深入的嘗試和研究.