“邏輯鏈”教學在工程熱力學課程中的應用

王慧，衛(wèi)智毅，宋江，甄換成，繆龍靜

(新疆理工學院能源化工工程學院，新疆 阿克蘇 843100)

0 引言

人工智能、清潔能源、機器人技術等高新科技引發(fā)了第四次工業(yè)革命[1]。為主動應對本輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，2017年2月以來教育部積極推進新工科建設，旨在培養(yǎng)具有較強的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力，能夠引領未來技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)復合型人才[2-5]。為適應人才培養(yǎng)的新需求，課堂教學作為教育教學的重要環(huán)節(jié)和人才培養(yǎng)的關鍵載體，改革勢在必行[6]。工程熱力學課程摒棄“老師講學生聽”的傳統(tǒng)教學模式，突出以“學生為中心”[7]的主體地位，以有效解決教學過程中的痛點問題為目標，以注重培養(yǎng)學生學習能力的教學理念為宗旨，提出了基于“邏輯鏈”的教學創(chuàng)新模式。在向?qū)W生傳授知識的過程中，有意識地訓練、培養(yǎng)學生的邏輯思維和自主學習能力，以形成創(chuàng)新思維；同時也為工科課程給出可借鑒、科學的教學創(chuàng)新方法。

1 工程熱力學課程簡介及教學中存在的痛點問題

1.1 工程熱力學課程簡介

工程熱力學課程主要研究熱能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律，以提高能量的轉(zhuǎn)換效率[8]。該課程是機械、能源大類專業(yè)的核心課程，是過程裝備與控制工程(以下簡稱“過控”)專業(yè)的必修基礎課程。工程熱力學課程在整個過控專業(yè)知識體系中，是基礎課過渡到專業(yè)課的重要橋梁，上承高等數(shù)學和大學物理課程，下接化工原理和過程流體機械等重要專業(yè)課程，為專業(yè)養(yǎng)成和人才培養(yǎng)目標達成起到核心支撐作用，為后續(xù)課程學習、解決工程實際問題、從事科學研究打下必要基礎，也是激發(fā)學生學習的內(nèi)生動力、培養(yǎng)學生邏輯思維能力、自主學習能力并形成創(chuàng)新思維的關鍵載體。

1.2 教學中存在的痛點問題及痛因分析

教學中存在的最大的痛點問題即：課程難度系數(shù)高，概念多且抽象，學生理解困難；公式多且形式復雜，學生存在畏難心理。

痛因分析：

(1)學生認為概念難理解的原因：只著眼于單個孤立概念，未能從工程實際背景出發(fā)去理解各概念提出的緣由、必要性及相互間的關系，更無法站在整個課程知識體系角度體會概念的提出對后續(xù)實際循環(huán)分析起到的理論支撐作用，其本質(zhì)原因是教學中缺少從邏輯角度理解概念的思維方式的引導，不注重對學生解決實際問題的工程思維的培養(yǎng)。

(2)學生畏懼公式的原因是認為復雜公式難記憶。但公式不是靠背的，而是利用知識點間的邏輯牽引功能一步步推演而來。由此，突顯的本質(zhì)問題是學生不會利用知識點間邏輯銜接、環(huán)環(huán)相扣的特點開展科學的邏輯分析和推理，以驅(qū)動自身獨立思考、實現(xiàn)自主學習。

為有效解決上述教學痛點問題，實現(xiàn)學生自主學習能力的提高，在教學過程中引入了基于“邏輯鏈”的教學模式，開展教學改革創(chuàng)新。

2 “邏輯鏈”教學的基本釋義及應用意義

2.1 本教學創(chuàng)新模式中“邏輯鏈”的基本釋義

什么是“邏輯鏈”？對于一個復雜公式或新知識點，都是利用已學知識，經(jīng)過一步步的邏輯分析、推理而來的，“邏輯鏈”指的就是這個邏輯分析過程，如圖1所示。對已學知識，經(jīng)過“邏輯鏈”的分析推演而獲得新知，就是自主學習的過程，如圖2所示。

圖1 在本教學創(chuàng)新模式中“邏輯鏈”的釋義

圖2 “邏輯鏈”實現(xiàn)為自主學習賦能

2.2 “邏輯鏈”教學應用于工程熱力學課程的意義

在工程熱力學課程教學中采用“邏輯鏈”引領的不同教學模式，充分利用知識點間邏輯銜接、環(huán)環(huán)相扣的特點，一方面有意識地訓練學生的邏輯思維能力，另一方面培養(yǎng)學生通過梳理“邏輯鏈”，利用已知獲得新知的能力，實現(xiàn)為自主學習賦能，最終達到激發(fā)學生主動學習的內(nèi)生動力、具備一定的自主學習能力和能夠形成創(chuàng)新思維的目的。

3 “邏輯鏈”教學在工程熱力學課程中的實施方法

工程熱力學課程的教學內(nèi)容根據(jù)知識體系架構可分為熱力學基本理論、工質(zhì)的熱力性質(zhì)和熱力過程、實際熱力過程和熱力循環(huán)三部分[9]。根據(jù)各部分內(nèi)容特點不同，分別采取“邏輯鏈”引領的不同教學模式。

3.1 熱力學基本理論—梳理概念間的“邏輯鏈”

(1)此部分教學內(nèi)容特點。工程熱力學課程中對實際循環(huán)的分析遵循著解決實際工程問題普遍使用的一種思路，即將復雜的實際問題進行合理簡化，得到一個理想模型后，用數(shù)學的手段分析計算，得出結論后反過來再指導實際問題。工程熱力學課程中為了能夠利用數(shù)學手段分析復雜的實際循環(huán)，提出了“可逆過程”的理想假設，這是能夠計算實際循環(huán)熱效率的核心關鍵，如圖3所示。

圖3 解決工程實際問題的普遍思路

熱力學基本概念這部分內(nèi)容中，所有概念的提出都是為建立可逆過程而服務的，如圖4所示。

圖4 概念間的“邏輯鏈”

(2) “邏輯鏈”教學在此部分內(nèi)容中的應用。梳理概念間的“邏輯鏈”，引領學生工程思維的培養(yǎng)。

(3)學生能力培養(yǎng)。梳理概念間的“邏輯鏈”，從整個課程知識體系層面介紹“可逆過程”的核心地位和橋梁作用，一方面潛移默化培養(yǎng)學生解決工程實際問題以及合理簡化的工程思維，另一方面幫助學生從工程實際背景角度理解各概念間的關系、提出的緣由和必要性，進一步培養(yǎng)學生的邏輯思維能力。

3.2 工質(zhì)的熱力性質(zhì)和熱力過程—“邏輯鏈”引領自學過程

(1)此部分教學內(nèi)容特點。基本熱力過程這一單元，公式多且部分形式復雜、后續(xù)內(nèi)容中使用頻次高，但這些量的公式推演不涉及新知識點，完全可以利用已學知識點間的邏輯牽引功能自行獲得，非常適合鍛煉學生的自主學習能力。

(2) “邏輯鏈”教學在此部分內(nèi)容中的應用。“邏輯鏈”引領自學過程。

(3)具體實施過程。課前：教師提前梳理出自學方法所遵循的“邏輯鏈”(如圖5所示)，學生按此步驟課下自學并形成學習報告：

圖5 自學方法的“邏輯鏈”

課中：為了檢驗和保障學生的學習效果，課上安排答疑和小測驗；

課后：根據(jù)課堂上的檢驗和答疑情況，學生進一步完善學習報告并上交。

(4)學生能力培養(yǎng)。基本熱力過程尤其是定熵過程和多變過程的過程方程、熱力學能變Δu、焓變Δh、熵變Δs、膨脹功w、技術功ws和熱量q的表達式在后續(xù)內(nèi)容中使用頻次非常高，其中過程方程、膨脹功w、技術功ws的表達式還比較復雜，僅靠死記硬背學生很難形成持久記憶。由于這些公式的推演過程不涉及新知識，學生完全可以利用知識點間的邏輯牽引功能自行推演出這些公式，要求學生課下自主推導公式，在這個過程既可以培養(yǎng)鍛煉學生的邏輯思維能力、分析計算能力和自主學習能力，還可以加深學生對公式的記憶。

3.3 實際熱力過程和熱力循環(huán)—“邏輯鏈”引領下的項目化教學、“拋錨式”教學+現(xiàn)場抽查、分組討論

(1)此部分教學內(nèi)容特點。

① 有關氣體流動內(nèi)容公式復雜，但推演過程中涉及的新知識點很少；

② 實際熱力循環(huán)的分析思路統(tǒng)一。

(2) “邏輯鏈”教學法的應用。

①“邏輯鏈”引領的項目化教學。

教學模式簡介：將學習過程看成一個項目的完成，因此待解決的某個問題或者待計算的某個量就是項目名稱。要完成這個項目，通過邏輯分析會梳理出一系列子問題，形成“邏輯鏈”。首先要解決的問題就是子問題1，子問題1解決完又衍生出子問題2，一個問題牽引出另一個問題，只要順著這些子問題的牽引鏈去思考，自然就得到了結論。這些子問題有的可以利用已學知識解決，有的要引入新知識點。具體如圖6所示。

圖6 “邏輯鏈”引領的項目化教學示意圖

教學模式適用范圍：適用于某些量的表達形式很復雜，但計算過程中涉及到的新知識點又很少，基本上利用已學知識點間的邏輯牽引功能就可以推演而得，比如噴管中氣體流速的計算，如圖7所示。

圖7 “邏輯鏈”引領下的項目化教學示例-噴管中氣體流速的計算

具體實施過程：課前，教師按照“邏輯鏈”給出子問題清單，要求學生順著“邏輯鏈”思考，解決各個子問題，完成“邏輯鏈”，形成學習報告。因為絕大多數(shù)子問題涉及到的基本都是已學知識，所以學生可以獨立完成，也可以借助優(yōu)質(zhì)的線上慕課資源完成。

課中，教師完全基于雨課堂的“邏輯鏈”引領進行授課。由于需要介紹的新知識點很少，所以教師授課主要就是帶領學生梳理邏輯關系。面對一個待解決的未知問題，從哪里入手，如何分析，先解決哪個問題、再解決哪個問題，引導學生一步步思考，牽引出一系列子問題。

由于這些子問題涉及到的都是已學知識點，所以將各子問題置于雨課堂智慧化教學工具中，按照邏輯分析每牽引出一個子問題，就讓學生限時在手機上作答，作為過程性考核的一部分，既是對已學知識的回顧，也檢驗了課前的學習效果。

課后，學生根據(jù)課堂上的學習情況進一步完善“邏輯鏈”清單，形成學習報告并上交。

學生能力培養(yǎng)：課前完成“邏輯鏈”清單這一環(huán)節(jié)，可以鍛煉培養(yǎng)學生的自主學習能力和分析計算能力；課中學生在教師的引導下順著“邏輯鏈”思考牽引出一系列子問題，并在雨課堂上一一作答，可有效訓練學生的邏輯思維能力。

②“拋錨式”教學+現(xiàn)場抽查、分組討論。

教學模式簡介：分析實際熱力循環(huán)遵循著統(tǒng)一的思路，即：分析實際循環(huán)的物理過程；對實際循環(huán)進行合理簡化，建立理想循環(huán)的物理模型；綜合運用熱力學第一定律、熱力學第二定律和工質(zhì)的熱力性質(zhì)定量計算理想循環(huán)的熱效率；根據(jù)熱效率的數(shù)學表達式找出提高熱效率的基本途徑，反過來再指導實際循環(huán)。

該統(tǒng)一思路即為分析實際循環(huán)的“邏輯鏈”，稱之為“拋錨式”教學的“錨”，將“錨”拋出去之后，所有的熱力循環(huán)學生均按此思路分析。

教學模式適用范圍：所有實際熱力循環(huán)。

具體實施過程：課前，教師將“錨”上四個分析步驟包含的知識點按照邏輯鏈關系進行拆解，形成“邏輯鏈”清單，學生結合慕課視頻完成“邏輯鏈”清單中的各個子問題。

課中，依據(jù)分析實際熱力循環(huán)的“邏輯鏈”檢驗學生各子問題的完成情況，采取現(xiàn)場抽查與分組討論相結合的方式。利用雨課堂智慧化教學工具的隨機點名功能進行現(xiàn)場抽查，每個學生都有被抽查的可能，而且不可預測，讓每個學生都有被抽到的“危機感”，可間接督促學生課下認真完成各個子問題，提高學習效果。此外，個別復雜問題還采取分組討論匯報的形式考察學生的課前學習情況。

課后，學生根據(jù)課上的學習情況完善“邏輯鏈”清單，形成學習報告并上交。

學生能力培養(yǎng)：學生課前獨立完成“邏輯鏈”清單中各子問題的過程可培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和自主學習能力，課中分組討論匯報的環(huán)節(jié)可培養(yǎng)學生的歸納總結能力和語言表達能力。

4 結語

基于“邏輯鏈”的教學模式，既包括梳理概念間的“邏輯鏈”，還包括推演復雜公式所遵循的“邏輯鏈”。使用此種教學模式，不僅教會了學生專業(yè)知識，而且在向?qū)W生傳授知識的過程中培養(yǎng)了學生的邏輯思維和自主學習能力。

可能多年以后，工程熱力學課程的概念和復雜公式學生都忘記了，但在梳理概念和復雜公式“邏輯鏈”時潛移默化培養(yǎng)學生的科學思維和自主學習能力將伴隨學生終身。正如愛因斯坦說：當你把受過的教育都忘記了，剩下的就是教育；斯金納說，教育就是將學過的東西忘得一干二凈時，最后剩下來的東西。科學思維和自主學習能力是學生受益終身的財富，致力于學生學習能力培養(yǎng)的教學改革創(chuàng)新永遠在路上。