构建探索性学习环境 提高“工程热力学”课程教学效果

王泽生，颜爱斌，代 乾

(天津城市建设学院 能源与机械工程系，天津 300384)

“工程热力学”是能源与动力类学科的核心基础课，其基本概念和基本理论内容抽象，逻辑性强，而且公式较多，学生在理解和掌握上，尤其是在工程实际应用方面存在一定的难度.多年来，各高校教师不断探索和实施课程教学改革[1-5]，强化教学内容的优化、教学方法与手段的创新以及实验教学的改革，注重充分调动和发挥学生学习的积极性，不断提高教学效果.笔者在多年的“工程热力学”课程教学实践中，吸取他人的经验，采取多方面的教学改革措施，尤其是采取了以“系统分析法”作为教学内容主线等措施，为学生创造探索性的学习环境，使学生较好地掌握了课程的基本概念和基本理论，并初步具备了在工程实际中灵活应用所学知识的能力.

1 探索性学习教学模式

近年来，认知学习理论的一个重要分支——建构主义学习理论正愈来愈显示出强大的生命力，其出发点可以概括为“知识不是被动接受的，而是认知主体积极建构的”，其中既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用[6].学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象；教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者.探索性学习强调通过发现问题、调查研究、动手操作、观察、实验、思考、表达与交流等探索性活动，获得知识与技能，这正体现了建构主义的主要思想.

探索性学习教学模式是指在教师指导下的学生探索性学习[7]，即以学生所学的课本知识为未知事物，在教师的指导、启发下，通过阅读、收集、分析、加工资料，运用实验、逻辑等方法，探索真理，发现真理，独立获取知识，并能运用所获得的知识分析解决学习中的问题和指导生活.其具体模式为：创设问题的情景—探索问题的答案—知识的综合运用.探索性学习教学模式为学生的主动学习、自主学习和独立学习创造了有利条件.

2 构建探索性学习的环境

在“工程热力学”的课程教学实践中，从教学环节的多方面有意识地为学生构建探索性学习的环境.

2.1 优化教学内容

“工程热力学”课程内容主要包括基础理论(热力学基本定律、工质的热力性质、热力过程及热力循环)及在能量传递与转换过程的实际应用.为使教学内容组织得结构清晰、知识系统完整、逻辑性强、枝干分明，按照经典热力学研究方法——“系统分析法”作为主线，紧紧围绕寻求有效利用能量的基本途径，将课程内容重新进行了优化设计，形成了如图1所示的教学内容框架.课程的教与学就是逐步掌握课程知识，同时也是系统分析法逐步深入的全过程.这个过程不仅使学生可以掌握各部分课程知识及相互间的关系，更能不断深化对工程热力学理论的理解，并逐步掌握和提高应用“系统分析法”分析实际热力过程(循环)能量传递与转换规律的能力，从而保证学 生在课程学习的全过程始终处于探索性的学习中.

图1 教学内容框架

另外，课程中公式较多，相似的公式也易混淆，学生掌握起来较为困难.但可以从最基本的理论和规律入手，加上对基本热力学参数物理意义的理解，在理解和探索的过程中逐步熟练掌握公式本身及其应用.例如，对热力学第一定律各类表达式的教学，可采用如图 2所示的框架来组织教学内容.可以看出，由热力学第一定律普遍表达式可以衍生出至少27个公式(如果考虑热量 q表达式的变化，其数量会更多)，但涉及到的热力学参数表达式仅有 5个，如式(1)—式(5).

图2 热力学第一定律各类表达式的教学内容框架

技术功

可逆过程技术功

可逆过程膨胀功

理想气体比定容热容比热力学能的变化

理想气体比定压热容比焓的变化

教师按照图2内容框架，引导学生依次分析实际现象的系统类型、过程的类型和特征、工质的性质，由热力学第一定律普遍表达式及热力学参数的表达式即可推导出所有衍生公式.如此，将使学生不仅依据实际问题推导出适用的热力学第一定律表达式，还更加深了对基本概念及理论、基本热力学参数以及系统分析法的理解和掌握.

2.2 问题式的教学方式

为了实施探索性学习的教学模式，采取了“每课一题”的问题式教学方式，即针对每次课的教学内容，从工程实际、日常生活或最新发展技术中提炼出能引起学生浓厚兴趣，且能够加强学生对重点或难点知识理解的一个课题，在课上结合教学内容指导和启发学生展开对课题的思考、分析和研究，使学生在每一堂课上都在探索中“听”课、学习.举例说明，在热力学第一定律一节中设计“冰箱能否作为空调使用”作为研究课题.课堂教学时，在讲授热力学第一定律的实质及其表达式后，按照如图 3所示思路，带领学生应用系统分析法分析冰箱能量传递和转换规律，强化学生对热力学第一定律实质的理解，同时通过研究不同的系统选择对能量方程式的影响，进一步明确合理选择系统在系统分析法中的重要作用.

图3 问题式教学方式实例

其他如：在理想气体状态方程一节，以“为什么刚装有温水且拧紧瓶盖的空软塑料瓶，放置在冷环境中一段时间后会发生‘瘪’的现象？”；在热力过程及热量和功量一节，以“拳击比赛中KO方式获胜和计点方式获胜，与热力学中可逆过程功量和不可逆过程功量的对比分析”；在水蒸气性质一节，以“超临界动力循环中水及水蒸气的性质有何特点？”等等为讨论课题.从实施效果看，“每课一题”的问题式教学方式为学生提供了探索性的学习环境.

2.3 部分开放式的实验教学

开放式的实验教学对课程教学，乃至人才培养都具有重要的意义.开放的实验教学包括时间、内容、教学方法和手段以及成绩评定等各方面的全方位开放[8].其中实验教学内容从项目上可分为人才培养计划内教学实验、能力培养实验和创新探索实验，而实验项目按实验性质又可分必做、选做和自拟三种类型.能力培养实验、创新探索实验一般属选做和自拟实验项目，对于学生将实验探索与科学研究和社会实践相结合，培养他们解决实际问题的能力和提高创新意识具有积极意义.

结合课程性质、实验室的实际情况，采取了部分开放式的实验教学.在实验教学内容上，将“流体力学”“工程热力学”“传热学”“热工测量”四门课程的实验教学单独开设了“热工基础实验”课程，精心选择了多层次实验项目，最基础的实验项目采用传统的实验教学方式，综合性实验及设计性实验则采用以学生为主体、教师为主导的开放式实验教学模式，同时注重解决好实验室开放、学生预约实验等方面的管理问题.几年来的实施效果表明，部分开放式的实验教学给学生提供了一个促进思考和探索的环境，创造出主动学习动手的条件和机会，充分发挥了学生的能动性，使学生在实验教学过程中由被动地位转为主动地位.

2.4 丰富的教学辅助资料

充分利用课程教学网站、教学专用 FTP等网络教学平台，为学生提供了教学基本材料(课程教学大纲、教学日历、网络教材、课堂教学 PPT、物性查询软件等)、教学辅导材料(作业参考答案、课程内容阶段总结、典型题分析及解、自我测试题等)、实验教学资料(实验教材及指导书、经典实验项目的虚拟实验软件、主要测量仪器设备说明书等)、教学拓展材料(热力学发展史、专家前沿科学讲座、英文原版教材等).另外，还提供了已有工程热力学国家级或省(市)级精品课资源，尤其是全程课程教学视频资源的链接.这样，学生在课余时间学习中，可以根据自身的学习方法和实际情况，从上述大量的教学辅助资料中选择自己需要的素材，从而为学生自主学习、探索性学习创造了条件.

3 结 语

教学实践表明，按照经典热力学研究方法——“系统分析法”作为主线，将教学内容优化设计，使学生在课程学习的全过程始终处于探索性学习中，问题式的教学方法保证了学生每堂课在探索中学习，部分开放式的实验教学使学生有机会亲自设计实验，并探索现象的客观规律，同时丰富的教学辅助资料为学生课余时间的探索性学习创造了条件.

［1］王泽生，颜爱斌. 在工程热力学课程教学中实施素质教育的探讨[J]. 天津城市建设学院学报，1999，5(4)：70-75.

［2］印洪浩. 基于建构主义理论的“工程热力学”教学研究与实践[J]. 航海教育研究，2007(2)：53-55.

［3］童钧耕. 工程热力学课程教学改革的几点看法[J]. 中国电力教育，2002(4)：70-72.

［4］郭淑青，董向元. 工程热力学课程建设新思路[J]. 科技信息，2008(21)：189-190.

［5］段雪涛，刘春梅，王学涛. 工程热力学课程教学改革探讨[J]. 制冷与空调，2009，23(3)：103-105.

［6］张有录. 大学现代教育技术教程[M]. 北京：中国铁道出版社，2007：24.

［7］刘一华，杨志福. 探索性学习教学模式实验研究[J].石油教育，2005(4)：89-91.

［8］王泽生，陈子辉. 高校实验室开放管理机制的探索[J].实验室科学，2007(6)：119-121.