問題鏈教學模式在工程熱力學教學中的應用

邱進偉

【摘 要】介紹了問題鏈教學模式的概念，設計問題鏈時的基本要求。從工科院校教學功能的角度出發，研究不同的問題鏈類型，并將該模式應用于工程熱力學課堂教學中。以問題為主線，將課堂教學內容經過提煉和加工，然后設計成若干個教學問題，形成一定的邏輯鏈條。問題鏈教學模式避免了教師“灌”，學生“收”的單一被動接受的弊端，問題鏈教學模式適用于高校講授型的課堂教學。

【關鍵詞】問題鏈；教學模式；工程熱力學；教學功能

工程熱力學是研究熱能和機械能相互轉換規律的一門學科，課程設計的內容面廣、概念抽象、晦澀難懂，相對一部分學生學習起來有一定困難[1]。工程熱力學課堂教學中，大部分教師采用的是“教師講，學生聽”的教學模式，這種傳統的教學模式在高校是普遍存在的。這種教學方法忽略了學生的“問”，從而導致學生缺失應有的存疑、批判、想象和創造的學習過程。長此以往，就存在教師“灌”，學生“收”的單一被動接受的弊端，這樣就是容易造成學生創新能力和解決實際問題的能力不足等問題，這往往與工程熱力學的課堂教學效果背道而馳。英國哲學家波普爾說：“科學知識的增長永遠始于問題，終于問題”[2]。那么，對于要講授的課堂教學內容，如何重新設計，形成若干個未知的教學問題，以問題為中心展開教學，讓問題貫通整個教學過程呢？筆者采用了問題鏈教學模式進行工程熱力學教學研究與實踐，并對各種不同的問題鏈加以運用。

1 問題鏈的教學模式

1.1 問題鏈教學模式的定義[3-4]

何謂問題？問題是一個障礙、一個有待完成的目標，即“問題=障礙+目標”。所謂“問題鏈”是教師根據課程教學目標，通過將教學內容進行提煉，并設計成一連串的問題，引導學生對課程知識點進行對比、分析、綜合和概括，問題鏈就是這些像鎖鏈一樣的問題集合，問題鏈就是圍繞某一個教學目標，開發出來的一連串層層深入的問題集合體。因此，開發出來的問題應該環環相扣、由淺入深，而且應該具有多元性、多角度，分層次等特點，問題的編制應宜粗不宜細，問題要少而精。問題鏈要能達到引導學生對舊知識點的回憶和重構，并對新知識點的探索和思考的目的，起到開發學生創造性思維的作用。

1.2 問題鏈的設計要求

問題鏈的設計不是隨機的，任意的，必須具有一定的邏輯順序，設計的問題鏈能方便教師引導學生。問題鏈的設計要求如下：

1）問題鏈應明確教學目標，突出本節課的重點、難點；

2）設計的問題鏈必須對學生有驅動性和啟發性；

3）問題鏈的設計需要具有層次性、遞變性、情境性、可行性；

4）問題鏈應具有趣味性、新穎性，能集中學生的注意力、激發學生的求知欲。

2 問題鏈教學模式的應用

“問題鏈”在功能和形式上多種多樣，其設計也因“問”而異。工程熱力學課程內容比較多、概念活，研究對象為氣體，根據工程熱力學教學環節，基于教學立意，圍繞教學中心，從而設計不同的問題鏈類型[5]。根據教學環節和教學立意設計，筆者在工程熱力學這門課設計的問題鏈主要有：引入性問題鏈、探索性問題鏈、情境性問題鏈、類推性問題鏈、總結性問題鏈等。

2.1 引入性問題鏈

傳統的引入性方法是直接從前一節內容開門見山引入本節教學內容，方法往往枯燥乏味。引入性問題鏈就是教師將舊知識點直接平滑連接到后續的知識點上，引導學生的注意力，喚醒學生找出問題答案的求知欲而設計的問題鏈。

講授水蒸氣的熱力性質時，教師可以以某一發電廠為出發點，引入教學內容，采用該教學模式實施課堂教學，具體教學設計如下：

問題1：同學們每天都用電，很多電都是由熱能轉變而來，那么你們知道熱能是如何轉變為電的嗎？

問題2：發電廠有哪些主要的熱力設備，各設備功能是什么樣的？這些熱力設備中的循環工作的工質是什么？這些工質是如何把熱能轉換成機械能發電的？

問題3：工質的熱力狀態發生了哪些變化，其變化過程中，工質發生了哪些基本的熱力過程？

在教學中，教師先拿出一個大家都熟悉的發電廠發電的話題，讓學生在開放的氛圍中展開思考；接著通過展示熱力發電廠的相關圖片或播放錄像，邊看邊向學生解釋燃煤發電廠工作過程；然后通過PPT向學生展示蒸汽動力裝置示意圖，如圖1所示。根據蒸汽動力裝置流程簡圖向學生介紹水蒸氣動力循環的系統組成、工作原理及循環在T-s圖和p-v圖上的表示方法。

2.2 探索性問題鏈

探索性問題鏈是設計一些具有探索性和趣味性的知識問題。這種教學方法能引導學生進行探索學習，同時能培養學生的創新能力和探索精神，探索性問題鏈能使學生從現象探索事物的本質。

在講授“濕空氣”時，教師先讓學生思考簡單的生活問題，由此提出探索性問題讓學生展開討論，通過教師對實例啟發性的分析，把枯燥的理論變成具體的實際問題。由此，教師設計如下問題鏈：

問題1：為什么陰雨天曬衣服不容易干，而晴天則容易干呢？

問題2：什么是濕空氣？什么是干空氣？如何理解水蒸氣的含量是變量這一問題？

問題3：未飽和濕空氣和飽和濕空氣有什么區別？水蒸氣的分壓力和溫度有何關系？由此得出什么結論？

教師通過生活實例，向學生解釋：“陰雨天環境空氣濕度大，空氣吸取水蒸氣的能力差，所以陰雨天曬的衣服不容易干。晴天則恰恰相反，所以容易干”。教師讓學生對濕空氣相關概念進行理解、探究，引導學生去分析。留有足夠時間和空間讓學生去思考分析，爭論探討，提煉拓寬，訓練學生思維的深刻性。

2.3 情境性問題鏈

情境性問題鏈就是教師設計或引入特定的生活情境，使學生產生一定的求知欲。精心設計的情境可以使學生從情境中挖掘出新知識點，從而幫助學生更好進入新知識點的學習。

為了讓學生掌握壓縮制冷循環這一知識點時，首先展示一幅錯誤安裝空調室內機和室外機的的圖片，如圖2所示。針對這一生活情境，設計如下問題鏈：

問題1：同學們來看一下這幅圖，圖中，室內機和室外機的安裝是否正確，為什么？那么這樣安裝會產生什么效果，為什么？

問題2，：壓縮機制冷循環的是如何實現房間制冷的？壓縮制冷循環的工作原理？各經歷了哪些循環過程？

問題3：如何利用P-V圖和T-s圖來表示壓縮機制冷循環過程？制冷系數如何確定？

教師利用這種貼近生活、富有吸引力的情境圖片，讓學生思考空調機安裝存在的問題；接著向學生解釋為什么該安裝方式不正確。根據制冷循環的原理，空調內機吸熱，外機放熱，二者理想是相等的，實際算上管線電路損耗什么的是放熱大于吸熱的，因此安裝該空調后產生的效果是房間只會越來越熱；然后通過圖3向學生解釋壓縮機制冷循環是如何實現房間制冷，其工作原理，具體的循環過程及壓縮機制冷循環的P-V圖和T-s圖，制冷系數的計算。教學方法是通過情景圖片演示、問題分析、問題探討，引導學生追蹤過程、發現規律、得出結論；從而到達使學生完全掌握這一知識點的目的。

2.4 類推性問題鏈

類推性問題鏈是指通過一類事物所具有的某種屬性推測出與其類似的事物屬性，由此所產生的一序列問題，此類問題鏈需要滿足條件是兩個問題或者現象具有一定的相似性。

在講述工程熱力學的熵增原理時，為了讓學生掌握熵增原理的概念，列舉了教材上一個實例，如圖4所示，由此設計了如下問題鏈：

問題1：將隔板抽去后，氣體將如何變化？若將A容器里面裝滿跳蚤，同樣將隔板抽去后，跳蚤將如何變化？

問題2：對于問題1和問題2，若達到平衡后，能否自動恢復以前狀態？這種現象說明什么問題？

問題3：熵增原理是什么？

為了讓學生掌握熱力學第二定律的熵增原理的方向性，教師引入貼近生活的跳蚤現象，利用熵增原理和跳蚤現象的類比，從而達到解釋自然過程的方向性，即一切過程的發生都是沿著熵增加的方向進行，自然的過程是不可逆的。上述問題鏈是通過類推等方法使學生掌握課堂知識，從而達到理解科學知識的作用。

2.5 總結性問題鏈

總結性問題鏈是教師在課堂快要結束時，采用邏輯方法把知識點串聯起來從而形成知識系統的問題鏈。其目的是幫助學生總結知識和達到鞏固知識的目的。通過問題鏈的設計，能夠系統性歸納、總結那些分散和孤立的知識點，并對學生分散的知識進行了梳理，從而形成相互聯系的整體。

在復習理想氣體的熱力過程時，有的教師會按照教材的順序來復習概念、影響因素及其原因分析。而有經驗教師會通過總結性的問題鏈展現出來。

問題1：工程中存在哪些主要的熱力過程？

問題2：這幾個熱力過程各自有什么樣的特點，過程方程形式是什么？

問題3：熱力過程中的狀態參數p、v、T、？駐u、？駐h、？駐s和過程量Q、W分別是如何計算的，上述過程如何用p-v 、T-s圖表示？試著總結出多變過程原理。

上述的問題是依據總→分→總的形式策略歸納出理想氣體的熱力過程的內容的。這種問題鏈能激發學生歸納總結知識及發散學生的思維，教師經常設計總結性問題鏈能培養學生梳理知識、理解知識、歸納知識的學習習慣。

3 問題鏈教學模式的實施效果

問題鏈教學模式遵循“產生問題→分析提出問題→引申擴展→提出新的問題→分析解決問題”循環規律，以問題為中心，通過問題的層層遞進，將知識變為教學問題。問題鏈教學模式的核心是激發學生思維活動，教師如何設計問題鏈，直接影響到模式的教學的效率和質量。筆者改傳統的教學模式為問題鏈教學模式后，學生學習工程熱力學的主動性和積極性都有所加強，主動參與學習的人數也明顯增加。教學實踐證明，問題鏈教學模式值得在工科院校中應用和推廣。

【參考文獻】

[1]耿凡，王迎超.“工程熱力學”課程的研討式教學改革[J].中國電力教育，2013（5）：76-77.

[2]袁振國.教育新理念[M].北京：教育科學出版社，2002（7）.

[3]鄢紅春，李定國.問題鏈教學模式及其在物理教學中的應用[J].物理與工程， 2011（2）：54-56

[4]徐文毅.問題鏈式教學模式在工程力學課程教學中的應用[J].武警學院學報， 2014（1）：73-76

[5]朱家海，謝軍.“問題鏈”式教學方法[M].西安： 陜西人民教育出版社，2006.

[責任編輯：田吉捷]