“工程热力学”课程教学改革与实践

2012-09-14天津城市建设学院代乾王泽生李伟颜爱斌

中国轻工教育 2012年4期

关键词：工程热力学热工热力学

□天津城市建设学院代乾王泽生李伟颜爱斌

“工程热力学”课程教学改革与实践

□天津城市建设学院代乾王泽生李伟颜爱斌

在工程热力学课程的教学改革实践中，通过创造探索性的教学模式，运用现代化教学工具及手段，在一定范围内实施双语教学，加强课程的实验和实践环节，为学生搭建了良好的学习平台，教学效果明显提高。

工程热力学；教学改革；双语教学

热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是热能与动力工程、车辆工程、建筑环境与设备工程等学科的专业基础课。当今世界，关于能源与环保问题的争辩非常激烈，知识越来越成为提高综合国力和国际竞争力的决定性因素，这就更突显了工程热力学这门学科的重要作用和地位。国外高校在热工课程教学中注重强化学生的兴趣和主动性，教学方法一般采取强化基本理论的内涵渗透、将研究型教学融入课堂、注重实验教学环节、建立灵活多样的课程考试方法等措施。而国内高校现行的教学模式在某些方面无法适应教育技术快速发展、网络教学资源日益丰富的实际情况，使得学生无法处理好课堂学习、实验教学、课外自主学习的关系。多年来，各高校教师对工程热力学课程不断探索和实施教学改革[1-4]，特别是关于教学模式的改革实践已渐成趋势。

一、创造探索性教学模式

探索性教学模式是指在教师指导下学生探索性学习的教学模式，即以学生所学的知识为未知事物，在教师的指导下，通过阅读文献、收集材料、运用实验等方法独立获取知识，并能运用所学知识分析和解决课本和现实中的问题。本课程内容包括热力学基本定律、工质的热力性质、热力过程、热力循环以及这些基础理论在工程实际中的应用。为了使教学内容组织的结构清晰、知识系统完整，本课程以经典热力学的研究方法“系统分析法”为主线，将教学内容进行优化，并形成了图1所示的教学框架。为了实施探索性的教学模式，采取了问题式的教学方法，将工程实际、最新技术或日常生活中的实际问题加以提炼，引申出使学生感兴趣的话题，结合每堂课的教学内容，使得学生怀着对问题的思考去学习，并对问题加以分析和研究。例如，在热力学第一定律教学中，将“冰箱能否作为空调使房间降温”作为一个问题，在讲授热力学第一定律实质及能量方程的基础上，带领学生应用系统分析法分析冰箱能量转换及传递规律，强化学生对方程实质的理解，同时通过研究不同的系统选择对问题解决方式的影响，进一步明确了合理选择系统对正确解决问题的重要作用。随着课程的深入，使学生可以掌握各知识点之间的逻辑关系，对基本定律和定理有更深入的理解，逐步掌握“系统分析法”分析实际热力过程和循环中能量转换与传递的能力，从而使学生处在探索性的学习环境之中。教学实践证明，这种探索性的学习模式为学生创造了自主和独立的学习环境，提高了学生的自主学习能力。

图1 教学内容框架

二、探索混合式学习与教学模式

对于混合式学习与教学的设计与实施，Donovan等[5]指出：开发混合式学习方案的关键因素在于确定在适当的时候，使用适当的混合方式，为适当的学生施行教学。而运用适当的混合方式需要考虑学习地点的设置、信息传输技术及时间的安排、教学策略和绩效援助策略等。Rebecca Launer[6]提出，要使混合式学习发挥真正的效用，必须正确认识混合式学习的经济价值和教育价值，用课程理念来设计学习过程，根据学习需求选择学习工具，综合考虑教学元素，帮助学生和教师做好新角色的准备。黄荣怀等[7]则对混合式学习理论与实践进行了全面描述。而王利等[8]设计了混合式学习模式在经管类实验教学中的应用方式，为经管实验教学改革提供了一种新的参考。

目前，混合式学习与教学并没有一个统一的设计模式，但其设计过程一般可分为前期分析、教学设计（包括课堂教学设计和网络活动设计及环境建设等）、教学实施（课堂教学和在线学习相结合的实施过程）以及教学评价等四个阶段。混合式教学模式既可以发挥教师的主导作用，又可以满足学生学习主体地位的需要，这种有效融合以往教学模式优点，且具有开放性、个性化的混合式教学模式尤其适用于专业课程的教学。

绪论这部分内容以前都以讲述为主，为了让学生更深刻地认识到学习本课程的必要性，笔者尝试着以记录片《难以忽视的真相》代替绪论部分。此片获得第79届奥斯卡金像奖最佳纪录片，由美国前副总统戈尔策划并主演，揭露了气候变迁的资料并对此做出预测，通过巡回全球的简报发表，戈尔指出全球变暖的科学证据及讨论全球变暖对经济和政治层面的影响，并阐述他相信人类制造的温室气体若没有减少，在不久后全球气候将发生重大变化。通过观看这部片子，学生们对于如何寻找新能源，优化目前的能源结构，提高能源利用率，树立节能意识有了更深刻的认识，对学生们主观上乐于努力学好工程热力学有较大促进作用。

由于在有限课时内难以讲授更多的内容，因此我们制作了工程热力学教学网站供学生们课下学习。网络的功能对于混合式教学来说不应当只是教学内容的发布，而更多的应该是支持教学交互、教学评价和教学管理，教学交互、教学评价和教学管理是保证教学质量的重要环节。需要有一个集教学内容发布与管理、课堂教学、在线教学交互、在线教学评价、基于项目的协作学习、发展性教学评价和教学管理等功能于一体的网络教学平台来支撑课堂与网络协同教学。教学资源设计与开发是混合式教学改革实践成败的关键因素之一。笔者依据各个阶段的教学目标，采用适当的现代信息技术（如文字、视频、动画、虚拟仿真软件、在线测试等形式），在网络教学平台为学生提供了丰富的热工基础实验课程教学资源。网站按照省部级精品课程的要求制作，表1为课程教学网站导航，网上内容非常充实，包括课程的概况、教学文件、习题及答案、实验实践教学等各种资源。学生们通过浏览网站学习更多的知识，一定程度上使教学网站成为课堂教学的有力支撑，形成对课堂教学非常有益的补充。

表1 课程教学网站导航

三、实行双语教学

双语教学是使用汉语和英语进行授课的教学方式，其中以英文为主，是培养高素质的国际化人才的重要途径之一。教师是双语教学的核心，教师的语言水平和专业知识的结合是双语教学成败的关键，因而具有很大的难度。现在高校绝大多数老师都具有高学位，但是有一部分教师还没有出国学习的经历，而双语教学对教师的口语、写作能力要求很高，一般的教师难以达到要求。所以，在课程建设中，必须积极和国外同行进行合作和交流，吸收国内外同行的教学经验和先进成果。2002年9月，学院聘请了美国缅因大学Dr.Edward Huff先生来我院主讲本课程，并引进了英文原版教材，为吸收国外工程热力学教学的经验和最新成果创造了良好环境，之后在热能与动力工程专业课程教学中一直实施双语教学。在开展双语教学的过程中，因学生英语水平参差不齐，在英文理解和接受能力等方面差异较大，增加了课程教学的难度，同时还存在着因语言问题导致课程学习质量下降的可能性。因此，学校除了安排学生进行大学英语等普及性英语课程的学习之外，还采取多种方式拓展学生英语学习的渠道，增强了学生的英语功底，为顺利实施双语课程教学和提高学习质量创造了条件。另外，本课程采用英文试卷，并要求用英文答题。通过这样多方面的改革与实践，提高了双语课程质量，使学生在接受国外先进教育理念的基础上，英语听说读写能力也得到了很大的提高。实践证明，双语教学方式非常受学生欢迎。

四、整合相关实验课程，探索一体化实验教学模式

热工基础实验课程整合了能源动力类专业基础课程涉及的所有实验教学内容，对培养学生的正确科学观念、科学实践能力，使学生全面掌握和灵活运用能源动力领域的实验研究方法及技能具有重要的作用。实验教学内容从项目上可分为基本教学实验、能力培养实验和创新探索实验，能力培养实验和创新探索实验一般属选做和自拟实验项目，这对于学生将实验探索与科学研究相结合，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。基于此，学校将流体力学、工程热力学、传热学、热工测量等基础课程的实验整合在一起，独立设置了热工基础实验这门课程。实验教学包括认知性实验、演示性实验、验证性实验、综合性实验，合计18个实验项目。该体系打破了各个理论课程的界限，安排了实验基础理论和方法介绍→热工设备认知→基本测量仪表原理及使用方法→典型流体热工过程规律认知→基础理论验证→热工实验研究方法及技能综合应用等递进的实验教学内容，逐步培养学生掌握能源动力领域的实验研究方法及技能，最终达到使学生初步具备热工实验研究方法灵活运用以及实验方案设计的能力等教学目标。在实践教学中，充分将工程实际与课堂所学的抽象内容紧密结合起来，这样更能加强学生对基本概念、定理的理解深度。另外，还可以让学生积极参加教师的科研项目，充分让学生接触到学科的前沿领域，使他们对学科的认知水平能达到一个更深的层次。几年来的实施效果表明，开放式的实验教学和实践教学给学生提供了一个促进思考和探索的环境，充分发挥了学生的主观能动性。