基于思維導圖的PBL方法在《熱力學基礎》教學中的應用*

賀樹芳

(朔州師范高等專科學校 山西 朔州 036000)

1 引言

思維導圖(Mind map)也叫心智導圖，是一種放射性、實用性、形象化的思維工具[1].它以發散思維為基礎，運用圖文并重的技巧及從屬、并列等多層級圖把各級主題之間的關系展示出來，并輔以圖像、顏色、線條等手段在主題關鍵詞之間建立記憶關聯.它可以激發學習者的創造性思維能力.將思維導圖的優勢與結構化思考、邏輯思考、辯證思考等思維方式相融合并學科化后可應用于教學.目前，基于知識建構策略的思維導圖已被廣泛應用于多種學科的學習和教學過程中[2].

PBL (Problem Based Learning) 也稱為問題式學習[3～5]，是一種以學生為主體，問題為導向并結合小組討論的方式來解決問題的新型教學模式.該方法要求教師找到一些能激發學生內驅力的情景式問題或日常生活中可能遇到的情形，使學生能夠用已有知識鑒別、確定問題并通過交流討論的方式進行任務的分解來尋找最佳解決方案.問題的設置不能僅停留在對知識的理解及應用層面，還需要具備現實性與可探究性，并以體現學生所具有的自主學習能力及合作性解決問題能力為教學目標.總之，教師通過設置有意義的問題情境進一步啟發學生對問題進行分析，使學生在解決問題的過程中加深對基礎理論知識的理解和掌握，提高分析、綜合及解決問題的能力.

《熱力學基礎》作為高等院校理工科的一門重要基礎課程，其概念抽象、內容繁雜、知識體系龐大.熱學課程及教學體系中包含了與其他學科相互滲透的知識與方法，如從平衡態到非平衡態的研究；從氣體分子運動論到微觀統計規律的學習等，這些對后續專業課的學習有著深遠的影響.本文以《熱力學基礎》中部分內容的教學為例，采用思維導圖結合PBL教學法來幫助學生構建思維框架，形成知識網絡，提高學生自主學習及探究未知、解決實際問題的能力.

2 思維導圖和PBL方法在《熱力學基礎》教學過程中的應用

問題提出：空調是生活中常見的家用電器，在炎炎夏日，它可以為我們送來清涼；在寒冷的冬天，它可以使得室內溫暖如春.為什么空調會使門窗緊閉的房間內溫度降低或升高呢？那么空調的工作原理涉及哪些熱力學規律呢？

這里可以把探究過程分為兩個模塊，第一模塊選取典型的熱力學系統模型并對基本概念進行學習；第二模塊對空調工作中滿足的熱力學規律進行探究.

2.1 典型的熱力學理想系統——理想氣體模型

PBL的應用：研究物理問題時，通常需要忽略次要因素，抓住主要矛盾.類比力學中理想模型——質點的建立.在熱力學部分該如何建立理想化的模型呢？教師可以先向學生分析、解釋問題；各組學生憑借已有知識對問題進行鑒別、判斷,并分解任務；經交流討論確定最佳方案進行知識建構，然后依據學習結果繪制思維導圖.圖1所示為熱力學系統模型建立的思維導圖.

圖1 熱力學系統模型建立的思維導圖

熱力學模型建立的PBL問題簡析如表1所示.

表1 熱力學模型建立的PBL問題簡析

思維導圖的繪制：學生在繪制思維導圖時，先確定一級主題為熱力學系統，然后圍繞這一主題發散出4個2級主題分別為熱力學系統的概念、系統模型的建立、描述系統的狀態參量和系統狀態變化過程.在完善2級主題“概念”時需引入系統和外界概念，并區分封閉系統、開放系統及孤立系統的不同，為熱力學第一定律的學習作知識鋪墊；為定量描述熱力學系統的性質和狀態而引入的物理量稱之為狀態參量(p,V,T)，掌握了系統溫度T既是直接描述系統微觀性質的宏觀量,也是其他狀態參量的態函數.在熱力學模型的建立過程中，學生熟悉了在溫度不太低、壓強不太高的條件下，大多數氣體可視為理想氣體.每一組狀態參量對應一個平衡態，在外界影響下，熱力學系統從一個平衡態過渡到另一個平衡態的過程，即為過程變化.其中準靜態過程作為一種理想過程，是指任何時刻系統的狀態均可近似為平衡態，進一步理解了狀態方程的物理意義.可見，學生在繪制思維導圖過程中可以層次分明、條理系統地掌握熱力學系統的基本概念與理論體系.

2.2 熱力學第一、第二定律的學習——探究空調工作過程中的熱力學規律

PBL的應用：繼第一模塊中確定研究對象——理想氣體后，其狀態參量(p,V,T)會在某個過程中發生改變，即從初態經歷一系列變化到達末態.在研究多參量問題時，尋求系統在物態變化中的規律，常采用控制變量的方法.基于以上理論,學生分組展開討論確定以下幾方面的問題(見表2)及其解決方案：(1)壓強p不變——等壓變化；體積V不變——等容變化；溫度T不變——等溫變化.(2)如果理想氣體從某一狀態出發經一系列變化(循環)后又回到原來的狀態，該過程具有什么特點？(3)嘗試利用所學知識解釋空調的工作原理.

表2 熱力學系統定律PBL問題

思維導圖的繪制：在確定1級主題為“理想氣體變化規律”時，學生理解了理想氣體的等溫、等容及等壓過程，掌握了系統與外界通過做功(A量度)或熱傳遞(Q量度)的方式進行能量交換，而內能(E)為系統狀態的單值函數，其變化與過程無關，只取決于系統的初態與末態.又圍繞這一主題發散出2級主題：熱力學第一定律表達式

ΔE=A+Q

其中ΔE為內能變化；A>0表示外界對系統做功；Q>0為系統從外界吸熱,即為能量守恒定律在熱學中的應用.另一個2級主題為熱力學第二定律，其兩種表述向人們傳達了熱傳導或能量轉化的方向性.從這一點來看，大部分伴隨熱現象的過程為不可逆過程.

另外，為完善“熱力學第一定律”下分支——循環過程，學生掌握了循環過程意味著系統經一系列變化回到初態，對應內能變化ΔE=0.

最后為說明空調的工作原理,在“循環過程”下設置正循環與逆循環分別對應的“熱機”和“制冷機”知識點，理解了空調的制熱和制冷過程，并通過討論熱機效率和制冷系數的極限值引出熱力學第一和第二定律的關聯.

綜上所述，學生獲得了空調利用工作物質在系統冷凝液化放熱與蒸發氣化吸熱的特性,分別對室內空氣進行制熱與制冷.其工作原理也是對熱力學第一定律及第二定律很好的詮釋.

學習熱力學定律建立的思維導圖如圖2所示.

圖2 學習熱力學定律建立的思維導圖

3 基于思維導圖的PBL方法在教學中的有效性分析

在傳統的課堂教學中，教師通常按照一定順序對基本概念及知識點經講授傳輸給學生，易造成知識內容的碎片化并忽略物理規律間隱藏的關聯因素.

本文以空調工作的熱力學原理為出發點,進行了熱力學系統模型的建立與探尋空調工作過程中熱力學定律兩個模塊的教學設計.PBL教學法能夠使學生在問題驅動下進行知識的建構，學生將綜合性的問題“庖丁解牛”式地分解，經小組內成員互相溝通協作，查閱資料解決問題.PBL教學法可以激發學生的思維主動性和求知欲，也有助于培養學生解決問題的能力與團隊協作能力.思維導圖可以引導學生將零散的知識點進行整合，理清其間的關系并建構系統的知識網絡，通過不同的圖形與線條加以呈現，使知識脈絡清晰化.在構建層次圖過程中，培養了學生的邏輯思維與創新思維能力，其學習興趣和參與熱情也得到了很好的發展.

將兩種方法有機地融合到教學中極大地改善了教學效果.以問題為導向，以可視化的圖形為手段，改變了傳統教學方法刻板的、單一的知識呈現模式，使枯燥、繁雜的物理知識能以清晰簡潔的圖形加以展示.

4 結論與展望

尋求科學、有效的教學方法來提高教學質量是教育改革與發展的動力源泉.在日常教學中，不斷借鑒和嘗試新的教學方法也是物理教師自我提升的有效途徑.本文以大學物理教材《熱力學基礎》中的部分章節教學為例，在教學中綜合運用了PBL教學法和思維導圖工具，不僅能激發學生內驅力，增強其學習自信心，還能將晦澀、難懂的物理知識點以新鮮、多樣的圖像方式呈現出來，方便學生記憶與理解，達到良好的教學效果.

PBL方法要求問題的設置具有科學性、現實性及探索性；針對問題的解決方案要體現多樣性、綜合性及可操作性.如何將這兩種方法合理融入到高等教育的多學科課程體系教學活動中還需要教育者更深入的嘗試和研究.