“工程熱力學”課程教學改革與實踐

□天津城市建設學院 代乾 王澤生 李偉 顏愛斌

“工程熱力學”課程教學改革與實踐

□天津城市建設學院 代乾 王澤生 李偉 顏愛斌

在工程熱力學課程的教學改革實踐中，通過創造探索性的教學模式，運用現代化教學工具及手段，在一定范圍內實施雙語教學，加強課程的實驗和實踐環節，為學生搭建了良好的學習平臺，教學效果明顯提高。

工程熱力學；教學改革；雙語教學

熱力學是研究熱現象中物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關系，以及狀態發生變化時系統與外界相互作用的學科。工程熱力學是熱力學最先發展的一個分支，它主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其應用，是熱能與動力工程、車輛工程、建筑環境與設備工程等學科的專業基礎課。當今世界，關于能源與環保問題的爭辯非常激烈，知識越來越成為提高綜合國力和國際競爭力的決定性因素，這就更突顯了工程熱力學這門學科的重要作用和地位。國外高校在熱工課程教學中注重強化學生的興趣和主動性，教學方法一般采取強化基本理論的內涵滲透、將研究型教學融入課堂、注重實驗教學環節、建立靈活多樣的課程考試方法等措施。而國內高校現行的教學模式在某些方面無法適應教育技術快速發展、網絡教學資源日益豐富的實際情況，使得學生無法處理好課堂學習、實驗教學、課外自主學習的關系。多年來，各高校教師對工程熱力學課程不斷探索和實施教學改革[1-4]，特別是關于教學模式的改革實踐已漸成趨勢。

一、創造探索性教學模式

探索性教學模式是指在教師指導下學生探索性學習的教學模式，即以學生所學的知識為未知事物，在教師的指導下，通過閱讀文獻、收集材料、運用實驗等方法獨立獲取知識，并能運用所學知識分析和解決課本和現實中的問題。本課程內容包括熱力學基本定律、工質的熱力性質、熱力過程、熱力循環以及這些基礎理論在工程實際中的應用。為了使教學內容組織的結構清晰、知識系統完整，本課程以經典熱力學的研究方法“系統分析法”為主線，將教學內容進行優化，并形成了圖1所示的教學框架。為了實施探索性的教學模式，采取了問題式的教學方法，將工程實際、最新技術或日常生活中的實際問題加以提煉，引申出使學生感興趣的話題，結合每堂課的教學內容，使得學生懷著對問題的思考去學習，并對問題加以分析和研究。例如，在熱力學第一定律教學中，將“冰箱能否作為空調使房間降溫”作為一個問題，在講授熱力學第一定律實質及能量方程的基礎上，帶領學生應用系統分析法分析冰箱能量轉換及傳遞規律，強化學生對方程實質的理解，同時通過研究不同的系統選擇對問題解決方式的影響，進一步明確了合理選擇系統對正確解決問題的重要作用。隨著課程的深入，使學生可以掌握各知識點之間的邏輯關系，對基本定律和定理有更深入的理解，逐步掌握“系統分析法”分析實際熱力過程和循環中能量轉換與傳遞的能力，從而使學生處在探索性的學習環境之中。教學實踐證明，這種探索性的學習模式為學生創造了自主和獨立的學習環境，提高了學生的自主學習能力。

圖1 教學內容框架

二、探索混合式學習與教學模式

對于混合式學習與教學的設計與實施，Donovan等[5]指出：開發混合式學習方案的關鍵因素在于確定在適當的時候，使用適當的混合方式，為適當的學生施行教學。而運用適當的混合方式需要考慮學習地點的設置、信息傳輸技術及時間的安排、教學策略和績效援助策略等。Rebecca Launer[6]提出，要使混合式學習發揮真正的效用，必須正確認識混合式學習的經濟價值和教育價值，用課程理念來設計學習過程，根據學習需求選擇學習工具，綜合考慮教學元素，幫助學生和教師做好新角色的準備。黃榮懷等[7]則對混合式學習理論與實踐進行了全面描述。而王利等[8]設計了混合式學習模式在經管類實驗教學中的應用方式，為經管實驗教學改革提供了一種新的參考。

目前，混合式學習與教學并沒有一個統一的設計模式，但其設計過程一般可分為前期分析、教學設計（包括課堂教學設計和網絡活動設計及環境建設等）、教學實施（課堂教學和在線學習相結合的實施過程）以及教學評價等四個階段。混合式教學模式既可以發揮教師的主導作用，又可以滿足學生學習主體地位的需要，這種有效融合以往教學模式優點，且具有開放性、個性化的混合式教學模式尤其適用于專業課程的教學。

緒論這部分內容以前都以講述為主，為了讓學生更深刻地認識到學習本課程的必要性，筆者嘗試著以記錄片《難以忽視的真相》代替緒論部分。此片獲得第79屆奧斯卡金像獎最佳紀錄片，由美國前副總統戈爾策劃并主演，揭露了氣候變遷的資料并對此做出預測，通過巡回全球的簡報發表，戈爾指出全球變暖的科學證據及討論全球變暖對經濟和政治層面的影響，并闡述他相信人類制造的溫室氣體若沒有減少，在不久后全球氣候將發生重大變化。通過觀看這部片子，學生們對于如何尋找新能源，優化目前的能源結構，提高能源利用率，樹立節能意識有了更深刻的認識，對學生們主觀上樂于努力學好工程熱力學有較大促進作用。

由于在有限課時內難以講授更多的內容，因此我們制作了工程熱力學教學網站供學生們課下學習。網絡的功能對于混合式教學來說不應當只是教學內容的發布，而更多的應該是支持教學交互、教學評價和教學管理，教學交互、教學評價和教學管理是保證教學質量的重要環節。需要有一個集教學內容發布與管理、課堂教學、在線教學交互、在線教學評價、基于項目的協作學習、發展性教學評價和教學管理等功能于一體的網絡教學平臺來支撐課堂與網絡協同教學。教學資源設計與開發是混合式教學改革實踐成敗的關鍵因素之一。筆者依據各個階段的教學目標，采用適當的現代信息技術（如文字、視頻、動畫、虛擬仿真軟件、在線測試等形式），在網絡教學平臺為學生提供了豐富的熱工基礎實驗課程教學資源。網站按照省部級精品課程的要求制作，表1為課程教學網站導航，網上內容非常充實，包括課程的概況、教學文件、習題及答案、實驗實踐教學等各種資源。學生們通過瀏覽網站學習更多的知識，一定程度上使教學網站成為課堂教學的有力支撐，形成對課堂教學非常有益的補充。

表1 課程教學網站導航

三、實行雙語教學

雙語教學是使用漢語和英語進行授課的教學方式，其中以英文為主，是培養高素質的國際化人才的重要途徑之一。教師是雙語教學的核心，教師的語言水平和專業知識的結合是雙語教學成敗的關鍵，因而具有很大的難度。現在高校絕大多數老師都具有高學位，但是有一部分教師還沒有出國學習的經歷，而雙語教學對教師的口語、寫作能力要求很高，一般的教師難以達到要求。所以，在課程建設中，必須積極和國外同行進行合作和交流，吸收國內外同行的教學經驗和先進成果。2002年9月，學院聘請了美國緬因大學Dr.Edward Huff先生來我院主講本課程，并引進了英文原版教材，為吸收國外工程熱力學教學的經驗和最新成果創造了良好環境，之后在熱能與動力工程專業課程教學中一直實施雙語教學。在開展雙語教學的過程中，因學生英語水平參差不齊，在英文理解和接受能力等方面差異較大，增加了課程教學的難度，同時還存在著因語言問題導致課程學習質量下降的可能性。因此，學校除了安排學生進行大學英語等普及性英語課程的學習之外，還采取多種方式拓展學生英語學習的渠道，增強了學生的英語功底，為順利實施雙語課程教學和提高學習質量創造了條件。另外，本課程采用英文試卷，并要求用英文答題。通過這樣多方面的改革與實踐，提高了雙語課程質量，使學生在接受國外先進教育理念的基礎上，英語聽說讀寫能力也得到了很大的提高。實踐證明，雙語教學方式非常受學生歡迎。

四、整合相關實驗課程，探索一體化實驗教學模式

熱工基礎實驗課程整合了能源動力類專業基礎課程涉及的所有實驗教學內容，對培養學生的正確科學觀念、科學實踐能力，使學生全面掌握和靈活運用能源動力領域的實驗研究方法及技能具有重要的作用。實驗教學內容從項目上可分為基本教學實驗、能力培養實驗和創新探索實驗，能力培養實驗和創新探索實驗一般屬選做和自擬實驗項目，這對于學生將實驗探索與科學研究相結合，培養他們解決實際問題的能力和提高創新意識具有積極意義。基于此，學校將流體力學、工程熱力學、傳熱學、熱工測量等基礎課程的實驗整合在一起，獨立設置了熱工基礎實驗這門課程。實驗教學包括認知性實驗、演示性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗，合計18個實驗項目。該體系打破了各個理論課程的界限，安排了實驗基礎理論和方法介紹→熱工設備認知→基本測量儀表原理及使用方法→典型流體熱工過程規律認知→基礎理論驗證→熱工實驗研究方法及技能綜合應用等遞進的實驗教學內容，逐步培養學生掌握能源動力領域的實驗研究方法及技能，最終達到使學生初步具備熱工實驗研究方法靈活運用以及實驗方案設計的能力等教學目標。在實踐教學中，充分將工程實際與課堂所學的抽象內容緊密結合起來，這樣更能加強學生對基本概念、定理的理解深度。另外，還可以讓學生積極參加教師的科研項目，充分讓學生接觸到學科的前沿領域，使他們對學科的認知水平能達到一個更深的層次。幾年來的實施效果表明，開放式的實驗教學和實踐教學給學生提供了一個促進思考和探索的環境，充分發揮了學生的主觀能動性。

五、結束語

經過近幾年的課程改革實踐，學生的學習效果有了明顯的提高，證明這種教學改革模式是行得通的。在以后的教學當中，我們要把這種模式繼續深化并推廣到其他課程的教學當中，本課程的教學改革也必然會取得更大的成功。

[1]童鈞耕.工程熱力學課程教學改革的幾點看法[J].中國電力教育，2002（4）：70-72.

[2]張昊春，王洪杰.“工程熱力學”教學中經典內容與新興低碳技術的整合[J].中國電力教育，2012（5）：52-53.

[3]譚羽非.運用遷移規律進行《工程熱力學》教學改革的實踐[J].黑龍江高教研究，2002（6）：61-62.

[4]王澤生，顏愛斌，代乾.構建探索性學習環境提高“工程熱力學”課程教學效果[J].天津城市建設學院學報，2010，16（3）：221-224.

[5]Matt Donovan，Melissa Carter.Blended Learning：What Really Works[J].CLASTD，2004（2）.

[6]Rebecca Launer.混合式學習獲得成功的重要因素：五種假設[J].現代遠程教育研究，2011（1）：57-60.

[7]黃榮懷，周躍良，王迎.混合式學習的理論與實踐[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]王利，黃文武.經管類實驗教學中混合式學習模式的應用探討[J].實驗室技術與管理，2011，28（1）：121-124.

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