英国“热力学”课程教学模式探索及启示

池寅 黄博 徐梦艺 刘素梅

[摘 要] 以英国兰卡斯特大学工程系的“热力学”课程为例，从课程研发、教学形式、课程实践、成绩评估等方面阐述了英国典型的工程学科教学模式，并结合我国工程学科高等教育的现状，进一步提出了改善与发展我国工程学科相关课程的教学方法，以期培养学生的科学思维素养、科学探索精神和自主创新学习意识，同时为国家培养高素质高标准的国际复合型专业人才。

[关键词] 高等教育;热力学;中英交流;教学改革

[基金项目] 2020年度武汉大学教学研究项目“混凝土结构基本原理线上线下混合式教学模式研究”（1403-413200076）

[作者简介] 池 寅（1984—），男，江西分宜人，博士，武汉大学土木建筑工程学院副教授，主要从事纤维混凝土材料与结构研究;黄 博（1992—），男，湖南湘潭人，博士，英国兰卡斯特大学助理讲师（通信作者），主要从事生物纤维增强水泥基复合材料研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）09-0021-04    [收稿日期] 2020-12-16

一、引言

英国高等教育源远流长，以其独特的教育理念与教学方法为世界培养出众多杰出人才，对人类文明的发展进程起到了积极的作用。中英两国教育交流已有160余年的历史。长期以来，中英教育合作交流一直是维系两国战略伙伴关系的重点。在双方的共同努力下，中英之间的教育交流合作覆盖了高等教育、职业教育、基础教育和语言文化等多个领域。在中英政府与各级各类学校的广泛参与下，通过双向留学、科研合作、语言教育、合作办学、实习培训、校级交流合作等模式加深了双方在教育理念和政策上的了解与借鉴[1]。

在英国，“热力学”作为工程学科的必修课之一，涉猎诸多工程领域，对于航空、航海、车辆、机械工程及材料科学等领域尤其重要。热力学的发展对促进国家能源工程建设及经济发展起到了关键性的作用[2]。英国科学家开尔文于1854年首次提出了热力学的明确定义：“热力学是一门描述热和物体中各部分之间作用力的关系，以及描述热和电器之间关系的学科[3]。”我国国家教育委员会在20世纪90年代就已经制定了《高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划》，启动了包括“热工类系列教学内容和课程体系改革的研究和实践”在内的一大批教改项目。项目在国内的成功实施与蓬勃发展为我国热工类课程教学改革的成功创造了优良条件。在此基础上，国内外对比研究指出，参考和学习英国工程学科教学模式是提升我国工程类科学教育的重要途径之一，有助于创新和发展当前的教学模式，以实现我国高等教育的内涵式发展[4]。

英国名校兰卡斯特大学，在2019泰晤士英国大学排名中位居第6，是N8联盟成员之一。笔者在英国兰卡斯特大学科学技术学院工程系连续担任了4年“热力学”课程的设计研发、教学交付、实验课展示及评估。本文以兰卡斯特大学“热力学”课程为例剖析探讨，着重介绍英国典型工程学科教学模式对我国工程学科范围内教学方法的启示。

二、英国兰卡斯特大学“热力学”课程设置

（一）“热力学”课程研发

“热力学”课程是一门从科学实验和工业生产实践中发展起来的工程基础学科。在课程研发方面，英国兰卡斯特大学以布卢姆分类学教学理念为指导将所需讲授的知识分成认知范畴、技巧范畴及态度范畴，要求教学设计者和教学者对教学的三个范畴都要有所聚焦，以达整合的教育[5]。

如图1所示，认知范畴最为关键，针对“热力学”课程，该课程知识通常伴随着契合的实验课以帮助学生理解新的知识点。课题组会根据专业学习目标制定该学科的学习目标，其中主要囊括了学科要求学习的专业知识，这些知识会被细分成课程主题安排到每一周的学习活动中。每周授课相关的教学视频、课件、作业、往届试卷等，这些需要在开课前两周内准备好供学生下载和预习。每周教学主题的交付主要包括大型讲座（大于100个学生）和小型工作室讨论会（小于20个学生）两种核心模式。大型讲座是知识转播最快和最广的教学模式，但是缺点在于难以使学生一次性消化全新的概念和理论并融会贯通[6]。尤其是像“热力学”这样的课程，概念和理论繁多，计算公式烦琐，如何将理论性与实践相结合，充分激发学生的自主学习兴趣是其中的难点。通过课后的工作室研讨会鼓励主动学习，引导和协助学生分析检查隐藏在现象背后的原因，应用新的知识来解决问题正好与大型讲座功能互补。最后，通过小组合作上交共同试验报告与答辩的评估方法来评价学生对知识技能的掌握程度，并留下课后思考/实验来巩固所学知识并培养学生独立学习的能力。

技巧范畴通常专注于学生实验技巧的开发和动手能力的培养。为此，课题组设计了多个不同主题的实践练习来培养课外实践能力，学生需要通过自行分组来完成实践联系。例如，评估内燃发动机的效率，这需要学生来拆卸发动机，并根据现有材料自主动手设计并制作一个热传导装置，计算其转换效率等。态度范畴方面的目标在于培养学生对工程学的热爱与个人成长。为此，课程组每学期都会组织学生到工厂生产线参观学习，提供短期实习的机会等。这让刚步入校园的学生很早就能身临其境地体验职业环境，培养职业兴趣和信仰，为职业方向的规划与发展早做准备。

长期以来的经验表明，“热力学”课题组从这三个范畴来考虑课程设计能够有效提高学生的科学思维素养、自主学习能力和实践动手能力，但是这种完善的课程设计体系往往烦琐且冗长的课程研发耗时耗力，其从设计到投入使用的周期很长，一般需要3～5年的时间。课程获批后，课题组需要持续讨论课程教材编写，征求各方面的意见，将课程设计完成后送交经验丰富的校内外课程专家和学生进行评议并出具评估反馈，上交各级学术委员会层層审批，经反复修改后投入使用，并严格要求每5～6年需要更新一次。

相对而言，我国的课程设计一般由任课教师负责，教材大多采用行业著作，在课程设计方面会安排详细的定律和方程解释，以确保学生的知识体系较为完善，课程重心的安排以教师的思想为主，但不同教师对于教材的设置与理解不一。

（二）教学形式

兰卡斯特大学“热力学”的课堂重视轻松、自由、平等的学习氛围。教学方式多种多样，不拘泥于形式。例如，在大型讲座中，教师大都会将几个核心问题贯穿课堂，在授课过程中学生有任何的想法即可举手示意并直接提出疑问开展讨论，充分激发学生的独立和批判性思考。在小型工作室讨论会中，学生们会被分为3～5人的小组。小组自由选取组长组织讨论，并组织组员回答问题与总结陈述。课后教师与助教定期组织小组答疑，并且大部分课程会安排演讲。学生被要求实行小组或单人进行时长为3～15分钟的演讲与问答，最终由教师就学生的演讲内容和技能进行全方面评估并给予进一步引导，全过程以鼓励为主旨，提升学生的学习积极性。自主学习与课后能力拓展也是教学计划的一部分，课程中期会安排阅读周鼓励学生自我预习和复习，搜集、整理与阅读课程相关内容。根据兰卡斯特大学工程学院的学生问卷反馈，课后需要课时2～3倍的时间才能完成学习任务，自主学习与资源搜寻能力得到了极大的训练和提升。在我国，由于学生基数大，高校大多为大班授课，在师生比例高的情况下课堂更多的是注重课程体系的结构与完整性。教师在照顾大部分学生的情况下不易充分激发每一名学生的自主学习能动性，可能在对学生的思维拓展和技能开发上有所缺失。

（三）课程实践

英国大学以最大限度地提升和培养学生的综合就业能力为目的，其实践课程设置紧跟社会需求。工程学科实践主要包括实验课和专业实习，具有很强的职业导向性。“热力学”实验课主要是由众多小实验共同组成，实践周期贯穿整个授课过程。实验课主要是在技术教员的安全引导下自主实验和摸索，不会有过多讲解，而是引导和帮助学生解决问题，实验结果无标准答案，在这样的环境下培养出的学生具有较强的独立解决问题的能力。正如任课教师Mohamed Saafi教授在实践课程讲授中强调：“热力学”的学习就是要从实践出发，经过抽象、概括、演绎推理得出的实践结果才能让人信服，循序渐进地研究事物本质的人才能成为一名优秀的工程师。英国学生以此课程的安排满意度普遍很高（2019年兰卡斯特大学满意度87.01%）[7]，而且如此培养的毕业生更容易直接上岗，招聘公司欢迎并信任兰卡斯特大学所输送的工程人才。相较而言，国内的实验课大多被安排在一周或数周内集中突破，伴随着教师与实验员的深度讲解与亲自演示，确保了学生的安全与实验的顺利完成。但部分学生可能感觉其实训课的参与感较低，主动思考与实践的空间有缺失，企业也普遍对刚毕业大学生的实践能力有所怀疑。

（四）成绩评估

英国的评估体系大致分为两个阶段：形成性评估（非正式）与总结性评估。兰卡斯特大学“热力学”课程的形成性评估不会计入学生的最终分数，其主要是为了阶段性评估学生的学习效果，帮助学生建立学习信心，引导学生准备总结性评估。总结性评估分为三个部分：作业（30%）、实验（30%）和考试成绩（40%）。在学期课程结束前有一个随堂考试，教师根据学生的考试情况来安排考前答疑及考试难度的调整。英国大学对任何作业的评估都有严格的学术道德要求，学生在入学初期会接受系统且严格的学术道德理解培训，深刻认识抄袭的严重危害及如何避免抄袭。中国主要采用作业与考试成绩相结合的考核模式，评分体系也存在不够透明的问题。学生对于抄袭的理解较为模糊，写作中时有引用不当的情况，这对学术成果和知识版权的影响很大。

三、改善我国工程学科课程教学方法的建议

我国拥有特色社会主义的教育优势，党和国家对高校教育的集中管理确保了高等教育改革实施的效率。但在改革进程中，我们在保持特色的同时仍然需要不断学习和进取。英国教育实践可以为中国的“热力学”课程建设带来启示：我们需要遵循以实际应用为第一标准，着重培养学生分析与解决实际问题的能力。在教学过程中充分调动学生的学习积极性，用实例让学生了解热力学的应用，为学生构建更为完善的工程知识体系。下面将从课程设置、教学形式、课程实践与成绩评估四个方面提出建议，以期提高学生的科学思维素养、自主学习能力和实践动手能力。

（一）优化课程体系

在课程设计之前，我们可以尝试统筹安排公共基础与专业课程内容，避免与之前课程内容相似而造成资源浪费。在课程的设计过程中，我们可以尝试改变教师传统的独立撰写课程体系，发展具有同行参与评议和课程审核的专业体系。具体来说，积极组织任课教师相互交流不同的教学理念，将新颖的教学理念与自身教学风格相结合，加强授课过程中与学生的互动。课程进度应根据学生对知识的掌握程度而修正，鼓励与奖励在教学工作中投入更多精力的教师。在条件允许的情况下实行小班授课，并针对学生不同的背景与兴趣爱好开展更有针对性的辅助教学（如实验、工作室、实习等）。

（二）提升课堂授课氛围

教师在课程设计中引入更多的元素，合理利用现有教学资源并且善用多媒体辅助多元化教学，构建与增强学习难点间的逻辑性。主动与学生分析讨论课件，让学生从自身角度提出改良课件的建议。在授课过程中，应给予学生更多的思考时间与空间，鼓励学生更加主动地参与讨论，积极地参与学习活动，培养学生自主归纳总结能力，弱化“唯标准答案”的陈旧观念，培养学生的批判性思维，注重技能培养，避免照本宣科。

（三）实践能力的培养

“工欲善其事，必先利其器。”（《论语·卫灵公》）对刚入学的大学生进行全套基础技能培训，如文档与电子表格制作、撰写书面报告、时间管理等。在实验课开展前让学生自主对实践内容进行风险评估。在培养实验技能的同时，根据学生主观意愿专项培养学生的专业能力，让学生在每年的暑假参与实际工程项目实习，主动参与更多的锻炼机会，充分培養学生解决工程问题的能力，切实可行地提升学生的综合素质。

（四）改革學生成绩评估方式

学生成绩不应局限于一次考试，完善的成绩评价系统应当综合评估学生知识掌控的深度与广度，重视学生各方面能力均衡发展。改变临考前给学生“划重点”的陋习，引入形成性评估能够更好地激励学生学习，以测试、游戏、演讲、小组活动等了解学生真实的学习近况，鼓励引导学生复习和完成期末总结性评估。期末成绩评估要避免“唯考试”的考查方式，可以由作业、实验报告与期末考试等形式共同组成，这有助于高等教育评估的公平性与精确性。在评分标准上更要提高对学生的透明度与知情权，严禁抄袭现象，设置并严格实施惩罚措施，营造一个公平、自主的学习环境。

四、结语

“热力学”是土木工程专业的核心课程之一，由于课程内容知识点繁多、理论抽象，短时间内学生较难完全掌握。本文以兰卡斯特大学工程系的热力学模块的教学为例深入剖析了“热力学”课程在英国教学的现状，突出探讨了英国模式的优点，并提出了发展我国该课程教学模式的建议。中国传统教学模式与新理念结合，能够充分激发学生的自主学习意识，培养学生的批判思考能力，发展学生的职业发展兴趣，以培养高素质高标准的国际复合工程专业人才。

参考文献

[1]中华人民共和国驻英国大使馆教育处.中英教育合作交流简况[EB/OL]. http：//www.tochinajob.com：8080/publish/po-

rtal24/tab5260/info107914.htm.2014.

[2]Smith，J.M.Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics[Z]. ACS Publications，1950.

[3]Kelvin，W.T.B.， Larmor，J.， Joule，J.P. Mathematical and Physical Papers[M/OL]. University Press， https：//books.google.co.uk/books？id=nWMSAAAAIAAJ.1882.

[4]Sun，H.， Richardson，J.T.E. Perceptions of Quality and Approaches to Studying in Higher Education： A Comparative Study of Chinese and British Postgraduate Students at Six British Business Schools[J].Higher Education，2012，63（3）：299-316.

[5]Bloom，B.S. Taxonomy of Educational Objectives： The Classification of Educational Goals[J].Cognitive Domain，1956.

[6]Ramsden P. Learning to Teach in Higher Education[M]. Routledge，2003.

[7]National Student Survey. 2019 National Student Survey[EB/OL]. https：//www.thestudentsurvey.com/.2019.

Exploration and Enlightenment of the Teaching Mode of Thermodynamics Course：

A Case Study of Lancaster University （UK）

CHI Yin1，2， HUANG Bo2， XU Meng-yi3， LIU Su-mei1

（1. School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China;2. Department of Engineering， Lancaster University， Lancaster， England LA14YW， the U.K.;3. School of Management， Anglia Ruskin University， Cambridge， England CM11SQ， the U.K.）

Abstract： This paper takes the Thermodynamics course of the Department of Engineering in Lancaster University as an example， expounds the typical teaching model of engineering subject in Britain from the aspects of course development， teaching form， course practice and performance assessment. Combined with the current situation of higher education in engineering subject in China， this paper puts forward the teaching methods of improving and developing the related courses of engineering subject in China in order to cultivate students scientific thinking literacy， scientific exploration spirit and independent innovative learning consciousness， and at the same time to train high-quality and high-standard international compound professional talents for the country.

Key words： higher education; Thermodynamics; communication between China and Britain; teaching reform