“逻辑链”教学在工程热力学课程中的应用

王慧，卫智毅，宋江，甄换成，缪龙静

(新疆理工学院能源化工工程学院，新疆 阿克苏 843100)

0 引言

人工智能、清洁能源、机器人技术等高新科技引发了第四次工业革命[1]。为主动应对本轮科技革命和产业变革，2017年2月以来教育部积极推进新工科建设，旨在培养具有较强的工程实践能力、创新能力、国际竞争力，能够引领未来技术和产业发展的高素质复合型人才[2-5]。为适应人才培养的新需求，课堂教学作为教育教学的重要环节和人才培养的关键载体，改革势在必行[6]。工程热力学课程摒弃“老师讲学生听”的传统教学模式，突出以“学生为中心”[7]的主体地位，以有效解决教学过程中的痛点问题为目标，以注重培养学生学习能力的教学理念为宗旨，提出了基于“逻辑链”的教学创新模式。在向学生传授知识的过程中，有意识地训练、培养学生的逻辑思维和自主学习能力，以形成创新思维；同时也为工科课程给出可借鉴、科学的教学创新方法。

1 工程热力学课程简介及教学中存在的痛点问题

1.1 工程热力学课程简介

工程热力学课程主要研究热能与机械能之间的相互转换规律，以提高能量的转换效率[8]。该课程是机械、能源大类专业的核心课程，是过程装备与控制工程(以下简称“过控”)专业的必修基础课程。工程热力学课程在整个过控专业知识体系中，是基础课过渡到专业课的重要桥梁，上承高等数学和大学物理课程，下接化工原理和过程流体机械等重要专业课程，为专业养成和人才培养目标达成起到核心支撑作用，为后续课程学习、解决工程实际问题、从事科学研究打下必要基础，也是激发学生学习的内生动力、培养学生逻辑思维能力、自主学习能力并形成创新思维的关键载体。

1.2 教学中存在的痛点问题及痛因分析

教学中存在的最大的痛点问题即：课程难度系数高，概念多且抽象，学生理解困难；公式多且形式复杂，学生存在畏难心理。

痛因分析：

(1)学生认为概念难理解的原因：只着眼于单个孤立概念，未能从工程实际背景出发去理解各概念提出的缘由、必要性及相互间的关系，更无法站在整个课程知识体系角度体会概念的提出对后续实际循环分析起到的理论支撑作用，其本质原因是教学中缺少从逻辑角度理解概念的思维方式的引导，不注重对学生解决实际问题的工程思维的培养。

(2)学生畏惧公式的原因是认为复杂公式难记忆。但公式不是靠背的，而是利用知识点间的逻辑牵引功能一步步推演而来。由此，突显的本质问题是学生不会利用知识点间逻辑衔接、环环相扣的特点开展科学的逻辑分析和推理，以驱动自身独立思考、实现自主学习。

为有效解决上述教学痛点问题，实现学生自主学习能力的提高，在教学过程中引入了基于“逻辑链”的教学模式，开展教学改革创新。

2 “逻辑链”教学的基本释义及应用意义

2.1 本教学创新模式中“逻辑链”的基本释义

什么是“逻辑链”？对于一个复杂公式或新知识点，都是利用已学知识，经过一步步的逻辑分析、推理而来的，“逻辑链”指的就是这个逻辑分析过程，如图1所示。对已学知识，经过“逻辑链”的分析推演而获得新知，就是自主学习的过程，如图2所示。

图1 在本教学创新模式中“逻辑链”的释义

图2 “逻辑链”实现为自主学习赋能

2.2 “逻辑链”教学应用于工程热力学课程的意义

在工程热力学课程教学中采用“逻辑链”引领的不同教学模式，充分利用知识点间逻辑衔接、环环相扣的特点，一方面有意识地训练学生的逻辑思维能力，另一方面培养学生通过梳理“逻辑链”，利用已知获得新知的能力，实现为自主学习赋能，最终达到激发学生主动学习的内生动力、具备一定的自主学习能力和能够形成创新思维的目的。

3 “逻辑链”教学在工程热力学课程中的实施方法

工程热力学课程的教学内容根据知识体系架构可分为热力学基本理论、工质的热力性质和热力过程、实际热力过程和热力循环三部分[9]。根据各部分内容特点不同，分别采取“逻辑链”引领的不同教学模式。

3.1 热力学基本理论—梳理概念间的“逻辑链”

(1)此部分教学内容特点。工程热力学课程中对实际循环的分析遵循着解决实际工程问题普遍使用的一种思路，即将复杂的实际问题进行合理简化，得到一个理想模型后，用数学的手段分析计算，得出结论后反过来再指导实际问题。工程热力学课程中为了能够利用数学手段分析复杂的实际循环，提出了“可逆过程”的理想假设，这是能够计算实际循环热效率的核心关键，如图3所示。

图3 解决工程实际问题的普遍思路

热力学基本概念这部分内容中，所有概念的提出都是为建立可逆过程而服务的，如图4所示。

图4 概念间的“逻辑链”

(2) “逻辑链”教学在此部分内容中的应用。梳理概念间的“逻辑链”，引领学生工程思维的培养。

(3)学生能力培养。梳理概念间的“逻辑链”，从整个课程知识体系层面介绍“可逆过程”的核心地位和桥梁作用，一方面潜移默化培养学生解决工程实际问题以及合理简化的工程思维，另一方面帮助学生从工程实际背景角度理解各概念间的关系、提出的缘由和必要性，进一步培养学生的逻辑思维能力。

3.2 工质的热力性质和热力过程—“逻辑链”引领自学过程

(1)此部分教学内容特点。基本热力过程这一单元，公式多且部分形式复杂、后续内容中使用频次高，但这些量的公式推演不涉及新知识点，完全可以利用已学知识点间的逻辑牵引功能自行获得，非常适合锻炼学生的自主学习能力。

(2) “逻辑链”教学在此部分内容中的应用。“逻辑链”引领自学过程。

(3)具体实施过程。课前：教师提前梳理出自学方法所遵循的“逻辑链”(如图5所示)，学生按此步骤课下自学并形成学习报告：

图5 自学方法的“逻辑链”

课中：为了检验和保障学生的学习效果，课上安排答疑和小测验；

课后：根据课堂上的检验和答疑情况，学生进一步完善学习报告并上交。

(4)学生能力培养。基本热力过程尤其是定熵过程和多变过程的过程方程、热力学能变Δu、焓变Δh、熵变Δs、膨胀功w、技术功ws和热量q的表达式在后续内容中使用频次非常高，其中过程方程、膨胀功w、技术功ws的表达式还比较复杂，仅靠死记硬背学生很难形成持久记忆。由于这些公式的推演过程不涉及新知识，学生完全可以利用知识点间的逻辑牵引功能自行推演出这些公式，要求学生课下自主推导公式，在这个过程既可以培养锻炼学生的逻辑思维能力、分析计算能力和自主学习能力，还可以加深学生对公式的记忆。

3.3 实际热力过程和热力循环—“逻辑链”引领下的项目化教学、“抛锚式”教学+现场抽查、分组讨论

(1)此部分教学内容特点。

① 有关气体流动内容公式复杂，但推演过程中涉及的新知识点很少；

② 实际热力循环的分析思路统一。

(2) “逻辑链”教学法的应用。

①“逻辑链”引领的项目化教学。

教学模式简介：将学习过程看成一个项目的完成，因此待解决的某个问题或者待计算的某个量就是项目名称。要完成这个项目，通过逻辑分析会梳理出一系列子问题，形成“逻辑链”。首先要解决的问题就是子问题1，子问题1解决完又衍生出子问题2，一个问题牵引出另一个问题，只要顺着这些子问题的牵引链去思考，自然就得到了结论。这些子问题有的可以利用已学知识解决，有的要引入新知识点。具体如图6所示。

图6 “逻辑链”引领的项目化教学示意图

教学模式适用范围：适用于某些量的表达形式很复杂，但计算过程中涉及到的新知识点又很少，基本上利用已学知识点间的逻辑牵引功能就可以推演而得，比如喷管中气体流速的计算，如图7所示。

图7 “逻辑链”引领下的项目化教学示例-喷管中气体流速的计算

具体实施过程：课前，教师按照“逻辑链”给出子问题清单，要求学生顺着“逻辑链”思考，解决各个子问题，完成“逻辑链”，形成学习报告。因为绝大多数子问题涉及到的基本都是已学知识，所以学生可以独立完成，也可以借助优质的线上慕课资源完成。

课中，教师完全基于雨课堂的“逻辑链”引领进行授课。由于需要介绍的新知识点很少，所以教师授课主要就是带领学生梳理逻辑关系。面对一个待解决的未知问题，从哪里入手，如何分析，先解决哪个问题、再解决哪个问题，引导学生一步步思考，牵引出一系列子问题。

由于这些子问题涉及到的都是已学知识点，所以将各子问题置于雨课堂智慧化教学工具中，按照逻辑分析每牵引出一个子问题，就让学生限时在手机上作答，作为过程性考核的一部分，既是对已学知识的回顾，也检验了课前的学习效果。

课后，学生根据课堂上的学习情况进一步完善“逻辑链”清单，形成学习报告并上交。

学生能力培养：课前完成“逻辑链”清单这一环节，可以锻炼培养学生的自主学习能力和分析计算能力；课中学生在教师的引导下顺着“逻辑链”思考牵引出一系列子问题，并在雨课堂上一一作答，可有效训练学生的逻辑思维能力。

②“抛锚式”教学+现场抽查、分组讨论。

教学模式简介：分析实际热力循环遵循着统一的思路，即：分析实际循环的物理过程；对实际循环进行合理简化，建立理想循环的物理模型；综合运用热力学第一定律、热力学第二定律和工质的热力性质定量计算理想循环的热效率；根据热效率的数学表达式找出提高热效率的基本途径，反过来再指导实际循环。

该统一思路即为分析实际循环的“逻辑链”，称之为“抛锚式”教学的“锚”，将“锚”抛出去之后，所有的热力循环学生均按此思路分析。

教学模式适用范围：所有实际热力循环。

具体实施过程：课前，教师将“锚”上四个分析步骤包含的知识点按照逻辑链关系进行拆解，形成“逻辑链”清单，学生结合慕课视频完成“逻辑链”清单中的各个子问题。

课中，依据分析实际热力循环的“逻辑链”检验学生各子问题的完成情况，采取现场抽查与分组讨论相结合的方式。利用雨课堂智慧化教学工具的随机点名功能进行现场抽查，每个学生都有被抽查的可能，而且不可预测，让每个学生都有被抽到的“危机感”，可间接督促学生课下认真完成各个子问题，提高学习效果。此外，个别复杂问题还采取分组讨论汇报的形式考察学生的课前学习情况。

课后，学生根据课上的学习情况完善“逻辑链”清单，形成学习报告并上交。

学生能力培养：学生课前独立完成“逻辑链”清单中各子问题的过程可培养学生的逻辑思维能力和自主学习能力，课中分组讨论汇报的环节可培养学生的归纳总结能力和语言表达能力。

4 结语

基于“逻辑链”的教学模式，既包括梳理概念间的“逻辑链”，还包括推演复杂公式所遵循的“逻辑链”。使用此种教学模式，不仅教会了学生专业知识，而且在向学生传授知识的过程中培养了学生的逻辑思维和自主学习能力。

可能多年以后，工程热力学课程的概念和复杂公式学生都忘记了，但在梳理概念和复杂公式“逻辑链”时潜移默化培养学生的科学思维和自主学习能力将伴随学生终身。正如爱因斯坦说：当你把受过的教育都忘记了，剩下的就是教育；斯金纳说，教育就是将学过的东西忘得一干二净时，最后剩下来的东西。科学思维和自主学习能力是学生受益终身的财富，致力于学生学习能力培养的教学改革创新永远在路上。