提高《工程热力学》教学效果的几点新举措

范学良

摘要：作为一门重要的专业基础课，《工程热力学》的教学效果，直接影响到学生“三基”能力的培养，以及后续课程的学习。作为传统教学模式的有益补充，本文提出了如下几点新举措：实物模型进课堂、本科生也要做科研、热力学史愉快地读起来。教学实践表明，这些措施在激发学生学习兴趣、克服畏难情绪、提升全面能力等方面均取得了不错的教学效果。

关键词：实物模型；科学史；综合能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）06-0223-02

作为建筑环境与能源应用及相关专业的一门重要的专业基础课，《工程热力学》的任务是使学生了解热能与机械能在相互转换过程中的特点和规律，掌握不同工质和不同过程的分析方法，为后续的《暖通空调》、《制冷技术》和《建筑环境》等专业课程在基础理论、基本知识和基本技能方面打下坚实基础。《工程热力学》这门课程的重要性是不言而喻的，但是鉴于传统教学方法的一些弊端，比如以板书或多媒体授课为主，将课程内容以定论的形式展现给学生，使得学生学习兴趣不高；课后作业和期末考试以理论考察为主，注重理论分析和解题技巧，却忽视了动手能力和综合能力的培养，最终未能达到良好的教学效果。每个学期都有不少同学未能通过考试，即便是那些通过考试的部分同学，在后续课程学习中也发觉自己并未达到应有的专业基础知识和技能的要求。为了克服上述问题，进一步提高《工程热力学》的教学效果，本文提出如下三点教改举措。

一、课堂教学“动起来”，实物模型进课堂

目前数字投影仪应用很普及，课堂播放多媒体课件（PPT）已成为一些课程的主要教学手段。虽然在PPT上可以播放一些非常形象的图片和視频，但由于它们终究不是实物，总有一层隔膜存在于学生的认知过程中。再加上现在智能手机的普及，网络视频的泛滥，学生已经对二维的电子视觉信息产生了审美疲劳，使得PPT上面的内容已经无法给学生带来新鲜感，进而激不起学习兴趣。甚至有些学生对于教师一味地在课堂上播放PPT产生了反感，他们觉得既然是这样，那么课堂学习和自己看网络视频教学又有什么差别呢？始终找不到那种工程科学的“硬感觉”。

这个时候，如果能把一些精巧的实物模型带到课堂来，反倒会给学生耳目一新的感觉。在讲解热能与机械能相互转换的时候，笔者就把一个小巧的斯特林热机模型带到课堂来。先往燃料瓶里倒上酒精，然后点燃，将斯特林的热缸加热。刚开始的时候，热机没有转动，拨动飞轮，热机转了几下，又停了。但仅过了片刻，再次拨动飞轮，热机就持续地动了起来，直到燃料燃尽，热机才停了下来。这一演示过程，让学生惊讶极了，也极大地激起了他们的好奇心和求知欲。对于他们中的大多数来说，这样的热机模型都是第一次见到。有了这一实物模型作为学生的认知辅助工具，他们瞬间就建立了热能（酒精燃烧）和机械能（飞轮转动）的直观概念。这种效果远比在课本上或PPT上观看传统热机图片要好的多。

当然，在展示实物模型时，也要给予学生必要的启发与辅导，不是简单地让学生“看热闹”，而是要带着问题去看，除了要了解模型的结构和功能，更要对模型背后的机理进行思考。比如演示斯特林热机的时候，就可以启发学生对如下几个问题进行思考：（1）可否不要热源做功？（2）为何需要两个热源，能否不要低温热源？（3）酒精释放的热能能否全部转换成飞轮的机械能？（4）如果不能的话？都消耗在哪里？哪些可以消除？哪些无法消除？（5）可以通过什么途径提高效率？（6）热机效率有没有极限。通过对这些问题进行讨论，可以得出一系列答案，也许这些答案不尽相同，也没有课本上的结论那么严密，但它们是学生自己通过观察和思考得到的结论，这样的教学效果要远远好于被动地接受和记忆。

二、教学科研“串起来”，本科生也可以做科研

与小学和中学不同，大学有着传授和开拓人类知识新领域的双重义务，培养人才和出研究成果是大学的双重职能。教学和科研的结合，也已被大多数人所理解。然而，现在也存在很多误解，那就是普遍认为对于本科教学来说，还是以知识传授为主，进行科学研究那是研究生或者是大学教师的事情。本科生的专业基础还未建立，怎么能够进行研究呢？即便是本科生可以搞一些小的发明创造，那也和专业基础课关系不大，意义不大。

然而实践证明，鼓励和引导正在学习《工程热力学》的大二本科生积极参与科学研究，有助于本科生自学能力、创新能力和组织能力的大大提升。而且，与其他课程不同，《工程热力学》课程内容本身就有着极强的工程应用背景，这样也就更方便学生依托本课程专业知识进行选题和研究。近几年来，笔者先后指导了十几个本科生科研小组，开展了诸如：斯特林热机模型、半导体制冷小冰箱、太阳能树、温湿度智能监测与控制等方面的研究。总结来看，参与科研项目的本科生们在科研能力提升的同时，对理论知识学习的兴趣和渴求更加强烈了，因为他们真切感受到了专业基础知识的重要性，不再觉得课本知识是无用的一堆公式和符号了，这样一来，他们比那些未参加科研项目的同学的课程成绩普遍要高一些。

此外，大学生参加科研项目，也有利于培养坚强的意志和遇事想办法的良好态度，这一点对于当代的大学生来说尤为重要。随着国民经济的快速发展，这一代大学生的生活条件和学习条件一直都是处于很优越的状态，或者说他们在物质上早已不再匮乏，欠缺的倒是吃苦精神和应对挫折的能力。本科生参加科研活动，能够体验到科研成果来之不易，从中磨炼了意志，学会了如何应对挫折。这些都将是学生在今后的学习和工作中，乃至人生发展过程中所需要具备的品质，也是单纯的课堂教学无法给予的。

三、教材与科普书籍“衔起来”，科学史促进课堂教学

智能手机的普及，网络游戏的风靡，使得大部分学生在网上花费的时间越来越多，仅剩的一点时间，又要做作业，又要参加社团活动，最后导致的结果就是无暇读书，也不爱读书。书读得少，对专业课程的直接影响就是，要么学习兴趣不大，只要能够及格通过就万事大吉；要么只为了追求高分数以方便出国和考研，终究不会对知识本身产生一种敬畏和热爱。

那么如何引导学生进行阅读，同时又促进课堂教学呢？一个比较切实可行的方法就是引导他们去读一些科普的书籍，比如热力学史，热力学科学家和发明家的传记，等等。于禄等所著的《边缘奇迹：相变和临界现象》、冯端等所著的《溯源探幽：熵的世界》、武际可所著《力学史》、阎康年所著《热力学史》，以及卡罗·切尔齐纳尼所著的《玻尔兹曼：笃信原子的人》，都是集知识与历史于一体，艺术性、思想性及科学精神并重的优秀科普著作，也是笔者要求学生进行课外阅读并递交读书报告的作品。通过温习科学史的方法来学习热力学，学生发现自己的学习过程不再枯燥无味，而是变得有趣极了。学习兴趣提高了，教学效果自然上来了。

此外，但凡学习过或了解热力学的人，无不为其中的一些基本概念所困扰。其中“熵”就是一个极其重要的物理量，但又以其难懂而闻名于世。如果学生能够了解“熵”这一概念的产生历史，就不会对其轻易放弃了。克劳修斯于1865年首先引入了“熵”这一概念，用来定量地阐明热力学第二定律。他从明确地表述第二定律到正式引入“熵”的概念，足足经历了15个春秋。克劳修斯本人也说过：“在头脑中掌握第二定律要比第一定律困难得多。”一个基本概念，需要花费一个科学家15年的时光才得以完整建立，从这个角度来讲，如果学生能有前辈科学家努力程度的百分之一，那么学习和理解基本概念肯定是不存在什么困难的，这也是提倡阅读科学史的意义所在。

总而言之，“教学有法”，但“法无定法”。也许最好的方法就是那些最能契合课程特点，最能激起学习兴趣，最能触动学生心坎，最能兼顾到学生当前学习和长远发展的方法。找到这样的方法，需要探索，需要反思，更需要在教学实践中不断改善和提高，是我们教师和学生共同努力的方向。

参考文献：

[1]孙绍蓉.高等教育方法概论[M].上海：华东师范大学出版社，2002.

[2]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].第4版.北京：高等教育出版社，2007.

[3]冯端，冯少彤.溯源探幽：熵的世界[M].北京：科学出版社，2016.