工科學(xué)生人文素養(yǎng)與科學(xué)教育實(shí)現(xiàn)路徑探索
——以工程熱力學(xué)課程教學(xué)為例

劉 龍，劉翠浴，時(shí) 偉，王海英，徐振軍，徐愛玲

（1.青島理工大學(xué)，山東 青島 266520；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 青島 266109）

在新工科背景下，工科專業(yè)應(yīng)重視學(xué)生批判性思維、工程倫理意識(shí)和人文素質(zhì)的培養(yǎng)。但長(zhǎng)期以來(lái)，工科“重科技輕人文”的傳統(tǒng)觀念根深蒂固[1-2]，工科課程更多地強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識(shí)教育，而忽視了學(xué)生人文素質(zhì)的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)、社會(huì)適應(yīng)能力不強(qiáng)[3-4]。

工科應(yīng)用型人才在具備人文素質(zhì)的前提下，才能擔(dān)當(dāng)應(yīng)用的責(zé)任[5]。工科學(xué)生不僅要掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和理論基礎(chǔ)，更應(yīng)該具備較高的人文情懷[6-7]。當(dāng)學(xué)生沉浸在專業(yè)知識(shí)中時(shí)，對(duì)社會(huì)、人生、自然缺乏深刻的理解和認(rèn)識(shí)。加強(qiáng)工科大學(xué)生人文素養(yǎng)具有非常重要的意義[8]。

人文素養(yǎng)教育要求培養(yǎng)學(xué)生人文情懷，樹立正確的人生觀、世界觀、價(jià)值觀，樹立終身學(xué)習(xí)的觀念[9]。教師通過(guò)課程知識(shí)與思政點(diǎn)的融合，可以培養(yǎng)學(xué)生的思想內(nèi)涵，培養(yǎng)有理想、有道德、懂技術(shù)和知人文的高素質(zhì)人才[10]。

人文素質(zhì)的培養(yǎng)可以通過(guò)教學(xué)方法創(chuàng)新改革和課程思政的方式實(shí)現(xiàn)[11]。課程思政育人有效實(shí)施的基礎(chǔ)在課程[12]，而專業(yè)課程是工科高等教育課程體系的重要組成部分[13]。所以，如何在專業(yè)課程中培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)，是值得思考和解決的問(wèn)題。

一 工程熱力學(xué)課程教學(xué)痛點(diǎn)

工程熱力學(xué)是研究熱功轉(zhuǎn)換的學(xué)科，也是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的基礎(chǔ)課之一。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握熱力學(xué)基本定律、熱量與功量相互轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律。熱力學(xué)第一定律、第二定律是理論基礎(chǔ)，動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)是核心內(nèi)容，如圖1 所示。以國(guó)家規(guī)劃教材為基礎(chǔ)，拓展“二氧化碳跨臨界制冷”“磁懸浮水冷機(jī)組”“補(bǔ)氣增焓”“冷熱電三聯(lián)供”“多聯(lián)機(jī)”等學(xué)科前沿，滿足行業(yè)與社會(huì)需求。

圖1 工程熱力學(xué)知識(shí)框架圖

其教學(xué)內(nèi)容枯燥，理論抽象，公式繁多，以前學(xué)生“談?wù)n色變”[14]。即便是授課經(jīng)驗(yàn)豐富的教師，也很難將晦澀難懂的熱力學(xué)理論講的生動(dòng)活潑，課堂氛圍往往很沉悶。每次遇到理論講解，教師和學(xué)生均存在畏難情緒。為提升課堂溫度活躍課堂氛圍，“工科文講”的方式走進(jìn)工科學(xué)生的課堂，成為課堂大餐的“調(diào)味劑”。所謂工科文講，即用借助“文學(xué)作品”去解釋工科現(xiàn)象，達(dá)到入木三分且發(fā)人深省的效果。這些“文學(xué)作品”既可以是古典詩(shī)詞，也可以是自創(chuàng)詩(shī)詞。古典詩(shī)詞的運(yùn)用體現(xiàn)文化自信，自創(chuàng)詩(shī)詞培養(yǎng)人文素養(yǎng)。

二 “工科文講”的用方法

通過(guò)“工科文講”的方式，將“文學(xué)作品”與工程熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容深度融合，一方面讓學(xué)生理解專業(yè)知識(shí)，另一方面?zhèn)鞒兄袊?guó)博大精深的文化，可謂一舉兩得。這對(duì)主講教師的水平要求極高，不僅要對(duì)專業(yè)知識(shí)了如指掌、爐火純青，還要有一定的人文修養(yǎng)，旁征博引的同時(shí)又能出口成章?！肮た莆闹v”同樣適用于其他工科課程，使用技巧總結(jié)如下，以工程熱力學(xué)教學(xué)過(guò)程為例展開闡述。

（一）案例導(dǎo)入

在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，當(dāng)主講教師要介紹生活案例或者闡述專業(yè)現(xiàn)象的時(shí)候，可以采用“工科文講”的方式。比如介紹結(jié)露的現(xiàn)象，可以引用《短歌行》中的一句話：“對(duì)酒當(dāng)歌，人生幾何！譬如朝露，去日苦多”，提出問(wèn)題“為什么結(jié)露現(xiàn)象一般出現(xiàn)在清晨呢”，然后給學(xué)生解釋：“因?yàn)榍宄炕ú荼砻娴臏囟鹊陀诳諝獾穆饵c(diǎn)溫度，所以結(jié)露了”。

（二）原理解釋

在單純解釋工科現(xiàn)象時(shí)，理論性太強(qiáng)的表達(dá)往往讓晦澀難懂的知識(shí)點(diǎn)雪上加霜，這時(shí)候一個(gè)簡(jiǎn)單的成語(yǔ)也許能指點(diǎn)迷津。在濕空氣分子量一節(jié)中，有這樣一段描述：“水蒸氣分壓力愈大，濕空氣的平均分子量愈小，濕空氣的密度越低?！奔幢闶峭ㄟ^(guò)公式推導(dǎo)的方式去表達(dá)，學(xué)生理解時(shí)也存在困難：為什么空氣中的水蒸氣含量越多，密度反而降低了呢？其實(shí)一個(gè)“秋高氣爽”就能解決問(wèn)題?！皻馑敝傅氖乔锾焯鞖飧稍?，氣候涼爽宜人；而“秋高”指的是秋天晴空萬(wàn)里，氣壓很高。氣壓高正是說(shuō)明空氣密度大。所以空氣愈干燥，密度愈大，學(xué)生也就理解了。

（三）案例討論

詩(shī)詞中描述的某些現(xiàn)象與工科原理可能存在緊密的聯(lián)系，當(dāng)深入思考某些詩(shī)詞時(shí)，能加深對(duì)工科原理的理解。為了活躍課堂氛圍，以“詩(shī)詞”為案例提出專業(yè)性討論問(wèn)題，讓學(xué)生參與到案例討論的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。例如在孤立系統(tǒng)熵增原理這節(jié)課中提出問(wèn)題：《曹劌論戰(zhàn)》中有句名言“一鼓作氣，再而衰，三而竭”，戰(zhàn)士們的士氣是否也與“熵增原理”有關(guān)系呢？從而引發(fā)學(xué)生深層次的思考，讓學(xué)生們的思維不只停留在物理性熱力學(xué)過(guò)程的領(lǐng)域，而是向著生物性、社會(huì)性等更復(fù)雜的領(lǐng)域延伸拓展。

（四）人生感悟

借助詩(shī)詞既能解釋工科現(xiàn)象，又能無(wú)痕思政，培養(yǎng)學(xué)生的文化自信和人文素養(yǎng)。濕空氣一章中，通過(guò)“雨、雪、霜、雹、霧、露”等自然現(xiàn)象的解釋，讓學(xué)生理解濕空氣的性質(zhì)。這里可借鑒的詩(shī)詞很多，例如《二十四節(jié)氣歌》中提到的“春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連。秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。”《楓橋夜泊》中提到的“葉落烏啼霜滿天，江楓漁火對(duì)愁眠”。這里也可以通過(guò)解釋“雨”的現(xiàn)象向?qū)W生傳遞人生的感悟。春天多雨，“好雨知時(shí)節(jié)，當(dāng)春乃發(fā)生”。秋天多雨，“空山新雨后，天氣晚來(lái)秋”。蔣捷的《聽雨》，通過(guò)三幅聽雨的畫面，打破時(shí)空界限，將一生的悲歡參透，融匯其中。蘇軾的《定風(fēng)波·莫聽穿林打葉聲》，寄情于景“一蓑煙雨任平生”“也無(wú)風(fēng)雨也無(wú)晴”，既是詩(shī)人的內(nèi)心寫照，也能培養(yǎng)學(xué)生坦蕩樂觀、不畏坎坷的精神。之后再解釋雨產(chǎn)生的原因，加深學(xué)生對(duì)濕空氣性質(zhì)的理解。

三 “工科文講”的優(yōu)點(diǎn)及案例

（一）經(jīng)典詩(shī)詞體現(xiàn)文化自信

借助唯美的古典詩(shī)詞解釋生活現(xiàn)象，探尋工程原理，培養(yǎng)學(xué)生文化自信，如圖2 所示。講述時(shí)極具吸引力，往往教師剛說(shuō)完前半句，學(xué)生就會(huì)主動(dòng)附和下半句。主講教師就像一個(gè)大大的磁場(chǎng)，把學(xué)生吸引在自己的課堂。

圖2 “工科文講”培養(yǎng)學(xué)生文化自信

1 可逆過(guò)程

一系列無(wú)耗散熱的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程組成了可逆過(guò)程。可逆過(guò)程一是要求做功沒有勢(shì)差，傳熱沒有溫差；二是要求過(guò)程沒有耗散熱。學(xué)生在理解時(shí)存在一些困難。采用逆向思維的方式，借助詩(shī)詞給學(xué)生講解不可逆過(guò)程，那么學(xué)生在理解可逆過(guò)程時(shí)就會(huì)事半功倍。

“挽狂瀾于既倒，扶大廈之將傾”狂瀾既倒、大廈將傾都是不可逆過(guò)程，闡述了勢(shì)差做功的不可逆性；“春蠶到死絲方盡，蠟炬成灰淚始干”表達(dá)了燃燒過(guò)程的不可逆性；“白日依山盡，黃河入海流”黃河不可能朝著東海洶涌奔流，這是機(jī)械功變成熱能的過(guò)程，也說(shuō)明了熱功轉(zhuǎn)換的不可逆性；“疏影橫斜水清淺，暗香浮動(dòng)月黃昏”，由于“密度勢(shì)差”引起的氣味彌漫也具有不可逆性；“昨夜西風(fēng)凋碧樹，獨(dú)上高樓，望盡天涯路”，花草樹木的凋零，就像人的生老病死，都具有不可逆性。

2 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)與表述

熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)上是能量貶值定律，其表述主要分為兩種：克勞修斯說(shuō)法和開爾文-普朗克說(shuō)法。其揭示了能量在轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中具有方向性及能質(zhì)不守恒的客觀定律。自然界中一切熱力學(xué)現(xiàn)象都遵循熱力學(xué)第二定律。在解釋生活現(xiàn)象時(shí)，可以借助詩(shī)詞進(jìn)行講解。再輔助專業(yè)案例進(jìn)行講解，達(dá)到深入淺出的效果。

為了表達(dá)溫度自發(fā)地從高到低傳遞，可以用“冰凍三尺，非一日之寒”。為了表達(dá)密度自發(fā)地從高到低擴(kuò)散，可以用“蛾兒雪柳黃金縷。笑語(yǔ)盈盈暗香去”，或者“遙知不是雪，為有暗香來(lái)”；詩(shī)人未見梅花，但是聞到了梅花的香味，于是就能判斷，拐角之處一定是梅花。為了表達(dá)機(jī)械功自發(fā)地變成熱能，可以用“君不見，黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回”；或者“強(qiáng)弩之末，勢(shì)不能穿魯縞”。強(qiáng)弩最初如此之快的速度，末了連絲巾都穿透不了，動(dòng)能在弓箭與空氣的摩擦中變成了熱能。

3 孤立系統(tǒng)熵增原理

孤立系統(tǒng)的熵只能朝著不變或者增大的方向進(jìn)行。為了讓學(xué)生深刻理解這句話，可以引用著名物理學(xué)家薛定諤的名言：“生命以負(fù)熵為生”。學(xué)生們可能很難理解這句話的真正意義，所以要進(jìn)行一些解釋。學(xué)生宿舍在不收拾的前提下只能越來(lái)越亂，這是一個(gè)熵增的過(guò)程；但是如果想讓宿舍內(nèi)更整潔而實(shí)現(xiàn)熵減，那么就必須要收拾，也就是要付出代價(jià)。同樣，電變成高溫?zé)崴?，是一個(gè)能級(jí)衰減的過(guò)程，也是一個(gè)熵增的過(guò)程；但是如果是用高溫?zé)崴畞?lái)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，也就是實(shí)現(xiàn)熵減，就必須要付出代價(jià)。就好像“人往高處走，水往低處流”一樣，水往低處走，是一種自然現(xiàn)象；而人往高處走，就一定付出努力?！柏?fù)熵為生”就是告誡我們，持續(xù)不斷的努力才能實(shí)現(xiàn)人生的意義。

（二）原創(chuàng)詩(shī)詞培養(yǎng)人文素養(yǎng)

將專業(yè)概念賦值于詩(shī)詞，原理升華為人生哲理，用原創(chuàng)詩(shī)詞實(shí)現(xiàn)專業(yè)與思政之間的無(wú)痕嫁接，如圖3 所示；課堂富有感染力，氛圍融洽。這種表達(dá)方式，既能讓學(xué)生深刻理解專業(yè)內(nèi)容，又能讓學(xué)生感悟人生道理，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)的統(tǒng)一。

圖3 原創(chuàng)詩(shī)詞培養(yǎng)人文素養(yǎng)

1 朗肯循環(huán)

朗肯循環(huán)也稱之為熱電循環(huán)。鍋爐內(nèi)部的水被加熱成高溫高壓過(guò)熱蒸汽，是一個(gè)蓄能的過(guò)程；過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)定熵膨脹做功，是一個(gè)做功的過(guò)程。結(jié)合熱力學(xué)“”“”“熵”“功”的概念，組成十六字箴言，送給學(xué)生“：藏能于胸，御能為功；少多，不懼熵增”。意思是每個(gè)人內(nèi)心里都應(yīng)該充滿了正能量，而且要把這些正能量轉(zhuǎn)化為前進(jìn)的動(dòng)力；在這個(gè)過(guò)程中，多做有用功，少做無(wú)用功，不要懼怕做功能力的損失，即不能因?yàn)楹ε率《蝗ヅΑ?/p>

2 卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)傳遞一種思想：“一切不以做功為目的的傳熱都是浪費(fèi)”。而放熱溫度線將熱量分成了兩部分，比放熱溫度高的熱量被稱之為“”，即有用功；比放熱溫度低的熱量被稱之為“”，即無(wú)用功。為了讓學(xué)生深刻理解卡諾循環(huán)，同樣組成十六字箴言，送給學(xué)生，“一念善惡，一線功熱；非善不教，無(wú)功不學(xué)”。不是一個(gè)善良的老師很難用愛教學(xué)，不是一個(gè)用功的學(xué)生也很難取得好成績(jī)。

3 結(jié)露原理

結(jié)露是一種常見的自然現(xiàn)象，在專業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。為了表達(dá)結(jié)露的原理，自創(chuàng)一首詩(shī)《詠露》，送給學(xué)生：“露宿野草尖，最耐五更寒。晴天何處去，扶搖九重天”。告誡學(xué)生，越是寒冷的時(shí)候，越容易結(jié)露；人就像露水一樣，不耐五更寒，怎么有機(jī)會(huì)上九天呢？數(shù)年“工科文講”的方式，收獲了很多學(xué)生反饋，例如有學(xué)生反饋原創(chuàng)詩(shī)詞《墨雨》：“白云惹青顏，墨雨灑人間。雨打落葉去，志存風(fēng)云巔”。最后一句畫龍點(diǎn)睛，充滿了正能量。

四 結(jié)束語(yǔ)

“工科文講”是培養(yǎng)工科學(xué)生人文素養(yǎng)的有效實(shí)現(xiàn)途徑之一。在案例導(dǎo)入、原理解釋、案例討論及人生感悟等環(huán)節(jié)均可以采用“工科文講”的方式。經(jīng)典詩(shī)詞體現(xiàn)文化自信，原創(chuàng)詩(shī)詞培養(yǎng)人文素養(yǎng)?；凇肮た莆闹v”的方式，課堂溫度提高，課堂氣氛活躍，可有效培養(yǎng)學(xué)生的文化自信、精益求精的工匠精神和積極向上的正能量；激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)、社會(huì)和人生的深刻思考，真正成為“新工科”背景下培養(yǎng)的綜合型工科人才。