王澤生，顏愛斌，代 乾

(天津城市建設學院 能源與機械工程系，天津 300384)

“工程熱力學”是能源與動力類學科的核心基礎課，其基本概念和基本理論內(nèi)容抽象，邏輯性強，而且公式較多，學生在理解和掌握上，尤其是在工程實際應用方面存在一定的難度.多年來，各高校教師不斷探索和實施課程教學改革[1-5]，強化教學內(nèi)容的優(yōu)化、教學方法與手段的創(chuàng)新以及實驗教學的改革，注重充分調(diào)動和發(fā)揮學生學習的積極性，不斷提高教學效果.筆者在多年的“工程熱力學”課程教學實踐中，吸取他人的經(jīng)驗，采取多方面的教學改革措施，尤其是采取了以“系統(tǒng)分析法”作為教學內(nèi)容主線等措施，為學生創(chuàng)造探索性的學習環(huán)境，使學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際中靈活應用所學知識的能力.

1 探索性學習教學模式

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

探索性學習教學模式是指在教師指導下的學生探索性學習[7]，即以學生所學的課本知識為未知事物，在教師的指導、啟發(fā)下，通過閱讀、收集、分析、加工資料，運用實驗、邏輯等方法，探索真理，發(fā)現(xiàn)真理，獨立獲取知識，并能運用所獲得的知識分析解決學習中的問題和指導生活.其具體模式為：創(chuàng)設問題的情景—探索問題的答案—知識的綜合運用.探索性學習教學模式為學生的主動學習、自主學習和獨立學習創(chuàng)造了有利條件.

2 構建探索性學習的環(huán)境

在“工程熱力學”的課程教學實踐中，從教學環(huán)節(jié)的多方面有意識地為學生構建探索性學習的環(huán)境.

2.1 優(yōu)化教學內(nèi)容

“工程熱力學”課程內(nèi)容主要包括基礎理論(熱力學基本定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)、熱力過程及熱力循環(huán))及在能量傳遞與轉換過程的實際應用.為使教學內(nèi)容組織得結構清晰、知識系統(tǒng)完整、邏輯性強、枝干分明，按照經(jīng)典熱力學研究方法——“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)容重新進行了優(yōu)化設計，形成了如圖1所示的教學內(nèi)容框架.課程的教與學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.這個過程不僅使學生可以掌握各部分課程知識及相互間的關系，更能不斷深化對工程熱力學理論的理解，并逐步掌握和提高應用“系統(tǒng)分析法”分析實際熱力過程(循環(huán))能量傳遞與轉換規(guī)律的能力，從而保證學 生在課程學習的全過程始終處于探索性的學習中.

圖1 教學內(nèi)容框架

另外，課程中公式較多，相似的公式也易混淆，學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用.例如，對熱力學第一定律各類表達式的教學，可采用如圖 2所示的框架來組織教學內(nèi)容.可以看出，由熱力學第一定律普遍表達式可以衍生出至少27個公式(如果考慮熱量 q表達式的變化，其數(shù)量會更多)，但涉及到的熱力學參數(shù)表達式僅有 5個，如式(1)—式(5).

圖2 熱力學第一定律各類表達式的教學內(nèi)容框架

技術功

可逆過程技術功

可逆過程膨脹功

理想氣體比定容熱容比熱力學能的變化

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，引導學生依次分析實際現(xiàn)象的系統(tǒng)類型、過程的類型和特征、工質(zhì)的性質(zhì)，由熱力學第一定律普遍表達式及熱力學參數(shù)的表達式即可推導出所有衍生公式.如此，將使學生不僅依據(jù)實際問題推導出適用的熱力學第一定律表達式，還更加深了對基本概念及理論、基本熱力學參數(shù)以及系統(tǒng)分析法的理解和掌握.

2.2 問題式的教學方式

為了實施探索性學習的教學模式，采取了“每課一題”的問題式教學方式，即針對每次課的教學內(nèi)容，從工程實際、日常生活或最新發(fā)展技術中提煉出能引起學生濃厚興趣，且能夠加強學生對重點或難點知識理解的一個課題，在課上結合教學內(nèi)容指導和啟發(fā)學生展開對課題的思考、分析和研究，使學生在每一堂課上都在探索中“聽”課、學習.舉例說明，在熱力學第一定律一節(jié)中設計“冰箱能否作為空調(diào)使用”作為研究課題.課堂教學時，在講授熱力學第一定律的實質(zhì)及其表達式后，按照如圖 3所示思路，帶領學生應用系統(tǒng)分析法分析冰箱能量傳遞和轉換規(guī)律，強化學生對熱力學第一定律實質(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 問題式教學方式實例

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方式獲勝和計點方式獲勝，與熱力學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？”等等為討論課題.從實施效果看，“每課一題”的問題式教學方式為學生提供了探索性的學習環(huán)境.

2.3 部分開放式的實驗教學

開放式的實驗教學對課程教學，乃至人才培養(yǎng)都具有重要的意義.開放的實驗教學包括時間、內(nèi)容、教學方法和手段以及成績評定等各方面的全方位開放[8].其中實驗教學內(nèi)容從項目上可分為人才培養(yǎng)計劃內(nèi)教學實驗、能力培養(yǎng)實驗和創(chuàng)新探索實驗，而實驗項目按實驗性質(zhì)又可分必做、選做和自擬三種類型.能力培養(yǎng)實驗、創(chuàng)新探索實驗一般屬選做和自擬實驗項目，對于學生將實驗探索與科學研究和社會實踐相結合，培養(yǎng)他們解決實際問題的能力和提高創(chuàng)新意識具有積極意義.

結合課程性質(zhì)、實驗室的實際情況，采取了部分開放式的實驗教學.在實驗教學內(nèi)容上，將“流體力學”“工程熱力學”“傳熱學”“熱工測量”四門課程的實驗教學單獨開設了“熱工基礎實驗”課程，精心選擇了多層次實驗項目，最基礎的實驗項目采用傳統(tǒng)的實驗教學方式，綜合性實驗及設計性實驗則采用以學生為主體、教師為主導的開放式實驗教學模式，同時注重解決好實驗室開放、學生預約實驗等方面的管理問題.幾年來的實施效果表明，部分開放式的實驗教學給學生提供了一個促進思考和探索的環(huán)境，創(chuàng)造出主動學習動手的條件和機會，充分發(fā)揮了學生的能動性，使學生在實驗教學過程中由被動地位轉為主動地位.

2.4 豐富的教學輔助資料

充分利用課程教學網(wǎng)站、教學專用 FTP等網(wǎng)絡教學平臺，為學生提供了教學基本材料(課程教學大綱、教學日歷、網(wǎng)絡教材、課堂教學 PPT、物性查詢軟件等)、教學輔導材料(作業(yè)參考答案、課程內(nèi)容階段總結、典型題分析及解、自我測試題等)、實驗教學資料(實驗教材及指導書、經(jīng)典實驗項目的虛擬實驗軟件、主要測量儀器設備說明書等)、教學拓展材料(熱力學發(fā)展史、專家前沿科學講座、英文原版教材等).另外，還提供了已有工程熱力學國家級或省(市)級精品課資源，尤其是全程課程教學視頻資源的鏈接.這樣，學生在課余時間學習中，可以根據(jù)自身的學習方法和實際情況，從上述大量的教學輔助資料中選擇自己需要的素材，從而為學生自主學習、探索性學習創(chuàng)造了條件.

3 結 語

教學實踐表明，按照經(jīng)典熱力學研究方法——“系統(tǒng)分析法”作為主線，將教學內(nèi)容優(yōu)化設計，使學生在課程學習的全過程始終處于探索性學習中，問題式的教學方法保證了學生每堂課在探索中學習，部分開放式的實驗教學使學生有機會親自設計實驗，并探索現(xiàn)象的客觀規(guī)律，同時豐富的教學輔助資料為學生課余時間的探索性學習創(chuàng)造了條件.

［1］王澤生，顏愛斌. 在工程熱力學課程教學中實施素質(zhì)教育的探討[J]. 天津城市建設學院學報，1999，5(4)：70-75.

［2］印洪浩. 基于建構主義理論的“工程熱力學”教學研究與實踐[J]. 航海教育研究，2007(2)：53-55.

［3］童鈞耕. 工程熱力學課程教學改革的幾點看法[J]. 中國電力教育，2002(4)：70-72.

［4］郭淑青，董向元. 工程熱力學課程建設新思路[J]. 科技信息，2008(21)：189-190.

［5］段雪濤，劉春梅，王學濤. 工程熱力學課程教學改革探討[J]. 制冷與空調(diào)，2009，23(3)：103-105.

［6］張有錄. 大學現(xiàn)代教育技術教程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007：24.

［7］劉一華，楊志福. 探索性學習教學模式實驗研究[J].石油教育，2005(4)：89-91.

［8］王澤生，陳子輝. 高校實驗室開放管理機制的探索[J].實驗室科學，2007(6)：119-121.