范學良

摘要：作為一門重要的專業(yè)基礎課，《工程熱力學》的教學效果，直接影響到學生“三基”能力的培養(yǎng)，以及后續(xù)課程的學習。作為傳統(tǒng)教學模式的有益補充，本文提出了如下幾點新舉措：實物模型進課堂、本科生也要做科研、熱力學史愉快地讀起來。教學實踐表明，這些措施在激發(fā)學生學習興趣、克服畏難情緒、提升全面能力等方面均取得了不錯的教學效果。

關鍵詞：實物模型；科學史；綜合能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）06-0223-02

作為建筑環(huán)境與能源應用及相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，《工程熱力學》的任務是使學生了解熱能與機械能在相互轉(zhuǎn)換過程中的特點和規(guī)律，掌握不同工質(zhì)和不同過程的分析方法，為后續(xù)的《暖通空調(diào)》、《制冷技術》和《建筑環(huán)境》等專業(yè)課程在基礎理論、基本知識和基本技能方面打下堅實基礎?！豆こ虩崃W》這門課程的重要性是不言而喻的，但是鑒于傳統(tǒng)教學方法的一些弊端，比如以板書或多媒體授課為主，將課程內(nèi)容以定論的形式展現(xiàn)給學生，使得學生學習興趣不高；課后作業(yè)和期末考試以理論考察為主，注重理論分析和解題技巧，卻忽視了動手能力和綜合能力的培養(yǎng)，最終未能達到良好的教學效果。每個學期都有不少同學未能通過考試，即便是那些通過考試的部分同學，在后續(xù)課程學習中也發(fā)覺自己并未達到應有的專業(yè)基礎知識和技能的要求。為了克服上述問題，進一步提高《工程熱力學》的教學效果，本文提出如下三點教改舉措。

一、課堂教學“動起來”，實物模型進課堂

目前數(shù)字投影儀應用很普及，課堂播放多媒體課件（PPT）已成為一些課程的主要教學手段。雖然在PPT上可以播放一些非常形象的圖片和視頻，但由于它們終究不是實物，總有一層隔膜存在于學生的認知過程中。再加上現(xiàn)在智能手機的普及，網(wǎng)絡視頻的泛濫，學生已經(jīng)對二維的電子視覺信息產(chǎn)生了審美疲勞，使得PPT上面的內(nèi)容已經(jīng)無法給學生帶來新鮮感，進而激不起學習興趣。甚至有些學生對于教師一味地在課堂上播放PPT產(chǎn)生了反感，他們覺得既然是這樣，那么課堂學習和自己看網(wǎng)絡視頻教學又有什么差別呢？始終找不到那種工程科學的“硬感覺”。

這個時候，如果能把一些精巧的實物模型帶到課堂來，反倒會給學生耳目一新的感覺。在講解熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的時候，筆者就把一個小巧的斯特林熱機模型帶到課堂來。先往燃料瓶里倒上酒精，然后點燃，將斯特林的熱缸加熱。剛開始的時候，熱機沒有轉(zhuǎn)動，撥動飛輪，熱機轉(zhuǎn)了幾下，又停了。但僅過了片刻，再次撥動飛輪，熱機就持續(xù)地動了起來，直到燃料燃盡，熱機才停了下來。這一演示過程，讓學生驚訝極了，也極大地激起了他們的好奇心和求知欲。對于他們中的大多數(shù)來說，這樣的熱機模型都是第一次見到。有了這一實物模型作為學生的認知輔助工具，他們瞬間就建立了熱能（酒精燃燒）和機械能（飛輪轉(zhuǎn)動）的直觀概念。這種效果遠比在課本上或PPT上觀看傳統(tǒng)熱機圖片要好的多。

當然，在展示實物模型時，也要給予學生必要的啟發(fā)與輔導，不是簡單地讓學生“看熱鬧”，而是要帶著問題去看，除了要了解模型的結(jié)構(gòu)和功能，更要對模型背后的機理進行思考。比如演示斯特林熱機的時候，就可以啟發(fā)學生對如下幾個問題進行思考：（1）可否不要熱源做功？（2）為何需要兩個熱源，能否不要低溫熱源？（3）酒精釋放的熱能能否全部轉(zhuǎn)換成飛輪的機械能？（4）如果不能的話？都消耗在哪里？哪些可以消除？哪些無法消除？（5）可以通過什么途徑提高效率？（6）熱機效率有沒有極限。通過對這些問題進行討論，可以得出一系列答案，也許這些答案不盡相同，也沒有課本上的結(jié)論那么嚴密，但它們是學生自己通過觀察和思考得到的結(jié)論，這樣的教學效果要遠遠好于被動地接受和記憶。

二、教學科研“串起來”，本科生也可以做科研

與小學和中學不同，大學有著傳授和開拓人類知識新領域的雙重義務，培養(yǎng)人才和出研究成果是大學的雙重職能。教學和科研的結(jié)合，也已被大多數(shù)人所理解。然而，現(xiàn)在也存在很多誤解，那就是普遍認為對于本科教學來說，還是以知識傳授為主，進行科學研究那是研究生或者是大學教師的事情。本科生的專業(yè)基礎還未建立，怎么能夠進行研究呢？即便是本科生可以搞一些小的發(fā)明創(chuàng)造，那也和專業(yè)基礎課關系不大，意義不大。

然而實踐證明，鼓勵和引導正在學習《工程熱力學》的大二本科生積極參與科學研究，有助于本科生自學能力、創(chuàng)新能力和組織能力的大大提升。而且，與其他課程不同，《工程熱力學》課程內(nèi)容本身就有著極強的工程應用背景，這樣也就更方便學生依托本課程專業(yè)知識進行選題和研究。近幾年來，筆者先后指導了十幾個本科生科研小組，開展了諸如：斯特林熱機模型、半導體制冷小冰箱、太陽能樹、溫濕度智能監(jiān)測與控制等方面的研究?？偨Y(jié)來看，參與科研項目的本科生們在科研能力提升的同時，對理論知識學習的興趣和渴求更加強烈了，因為他們真切感受到了專業(yè)基礎知識的重要性，不再覺得課本知識是無用的一堆公式和符號了，這樣一來，他們比那些未參加科研項目的同學的課程成績普遍要高一些。

此外，大學生參加科研項目，也有利于培養(yǎng)堅強的意志和遇事想辦法的良好態(tài)度，這一點對于當代的大學生來說尤為重要。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，這一代大學生的生活條件和學習條件一直都是處于很優(yōu)越的狀態(tài)，或者說他們在物質(zhì)上早已不再匱乏，欠缺的倒是吃苦精神和應對挫折的能力。本科生參加科研活動，能夠體驗到科研成果來之不易，從中磨煉了意志，學會了如何應對挫折。這些都將是學生在今后的學習和工作中，乃至人生發(fā)展過程中所需要具備的品質(zhì)，也是單純的課堂教學無法給予的。

三、教材與科普書籍“銜起來”，科學史促進課堂教學

智能手機的普及，網(wǎng)絡游戲的風靡，使得大部分學生在網(wǎng)上花費的時間越來越多，僅剩的一點時間，又要做作業(yè)，又要參加社團活動，最后導致的結(jié)果就是無暇讀書，也不愛讀書。書讀得少，對專業(yè)課程的直接影響就是，要么學習興趣不大，只要能夠及格通過就萬事大吉；要么只為了追求高分數(shù)以方便出國和考研，終究不會對知識本身產(chǎn)生一種敬畏和熱愛。

那么如何引導學生進行閱讀，同時又促進課堂教學呢？一個比較切實可行的方法就是引導他們?nèi)プx一些科普的書籍，比如熱力學史，熱力學科學家和發(fā)明家的傳記，等等。于祿等所著的《邊緣奇跡：相變和臨界現(xiàn)象》、馮端等所著的《溯源探幽：熵的世界》、武際可所著《力學史》、閻康年所著《熱力學史》，以及卡羅·切爾齊納尼所著的《玻爾茲曼：篤信原子的人》，都是集知識與歷史于一體，藝術性、思想性及科學精神并重的優(yōu)秀科普著作，也是筆者要求學生進行課外閱讀并遞交讀書報告的作品。通過溫習科學史的方法來學習熱力學，學生發(fā)現(xiàn)自己的學習過程不再枯燥無味，而是變得有趣極了。學習興趣提高了，教學效果自然上來了。

此外，但凡學習過或了解熱力學的人，無不為其中的一些基本概念所困擾。其中“熵”就是一個極其重要的物理量，但又以其難懂而聞名于世。如果學生能夠了解“熵”這一概念的產(chǎn)生歷史，就不會對其輕易放棄了?？藙谛匏褂?865年首先引入了“熵”這一概念，用來定量地闡明熱力學第二定律。他從明確地表述第二定律到正式引入“熵”的概念，足足經(jīng)歷了15個春秋。克勞修斯本人也說過：“在頭腦中掌握第二定律要比第一定律困難得多。”一個基本概念，需要花費一個科學家15年的時光才得以完整建立，從這個角度來講，如果學生能有前輩科學家努力程度的百分之一，那么學習和理解基本概念肯定是不存在什么困難的，這也是提倡閱讀科學史的意義所在。

總而言之，“教學有法”，但“法無定法”。也許最好的方法就是那些最能契合課程特點，最能激起學習興趣，最能觸動學生心坎，最能兼顧到學生當前學習和長遠發(fā)展的方法。找到這樣的方法，需要探索，需要反思，更需要在教學實踐中不斷改善和提高，是我們教師和學生共同努力的方向。

參考文獻：

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[2]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].第4版.北京：高等教育出版社，2007.

[3]馮端，馮少彤.溯源探幽：熵的世界[M].北京：科學出版社，2016.