提高《工程熱力學(xué)》教學(xué)效果的幾點(diǎn)新舉措

范學(xué)良

摘要：作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，《工程熱力學(xué)》的教學(xué)效果，直接影響到學(xué)生“三基”能力的培養(yǎng)，以及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。作為傳統(tǒng)教學(xué)模式的有益補(bǔ)充，本文提出了如下幾點(diǎn)新舉措：實(shí)物模型進(jìn)課堂、本科生也要做科研、熱力學(xué)史愉快地讀起來。教學(xué)實(shí)踐表明，這些措施在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、克服畏難情緒、提升全面能力等方面均取得了不錯的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)物模型；科學(xué)史；綜合能力

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）06-0223-02

作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，《工程熱力學(xué)》的任務(wù)是使學(xué)生了解熱能與機(jī)械能在相互轉(zhuǎn)換過程中的特點(diǎn)和規(guī)律，掌握不同工質(zhì)和不同過程的分析方法，為后續(xù)的《暖通空調(diào)》、《制冷技術(shù)》和《建筑環(huán)境》等專業(yè)課程在基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能方面打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！豆こ虩崃W(xué)》這門課程的重要性是不言而喻的，但是鑒于傳統(tǒng)教學(xué)方法的一些弊端，比如以板書或多媒體授課為主，將課程內(nèi)容以定論的形式展現(xiàn)給學(xué)生，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高；課后作業(yè)和期末考試以理論考察為主，注重理論分析和解題技巧，卻忽視了動手能力和綜合能力的培養(yǎng)，最終未能達(dá)到良好的教學(xué)效果。每個學(xué)期都有不少同學(xué)未能通過考試，即便是那些通過考試的部分同學(xué)，在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中也發(fā)覺自己并未達(dá)到應(yīng)有的專業(yè)基礎(chǔ)知識和技能的要求。為了克服上述問題，進(jìn)一步提高《工程熱力學(xué)》的教學(xué)效果，本文提出如下三點(diǎn)教改舉措。

一、課堂教學(xué)“動起來”，實(shí)物模型進(jìn)課堂

目前數(shù)字投影儀應(yīng)用很普及，課堂播放多媒體課件（PPT）已成為一些課程的主要教學(xué)手段。雖然在PPT上可以播放一些非常形象的圖片和視頻，但由于它們終究不是實(shí)物，總有一層隔膜存在于學(xué)生的認(rèn)知過程中。再加上現(xiàn)在智能手機(jī)的普及，網(wǎng)絡(luò)視頻的泛濫，學(xué)生已經(jīng)對二維的電子視覺信息產(chǎn)生了審美疲勞，使得PPT上面的內(nèi)容已經(jīng)無法給學(xué)生帶來新鮮感，進(jìn)而激不起學(xué)習(xí)興趣。甚至有些學(xué)生對于教師一味地在課堂上播放PPT產(chǎn)生了反感，他們覺得既然是這樣，那么課堂學(xué)習(xí)和自己看網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)又有什么差別呢？始終找不到那種工程科學(xué)的“硬感覺”。

這個時候，如果能把一些精巧的實(shí)物模型帶到課堂來，反倒會給學(xué)生耳目一新的感覺。在講解熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的時候，筆者就把一個小巧的斯特林熱機(jī)模型帶到課堂來。先往燃料瓶里倒上酒精，然后點(diǎn)燃，將斯特林的熱缸加熱。剛開始的時候，熱機(jī)沒有轉(zhuǎn)動，撥動飛輪，熱機(jī)轉(zhuǎn)了幾下，又停了。但僅過了片刻，再次撥動飛輪，熱機(jī)就持續(xù)地動了起來，直到燃料燃盡，熱機(jī)才停了下來。這一演示過程，讓學(xué)生驚訝極了，也極大地激起了他們的好奇心和求知欲。對于他們中的大多數(shù)來說，這樣的熱機(jī)模型都是第一次見到。有了這一實(shí)物模型作為學(xué)生的認(rèn)知輔助工具，他們瞬間就建立了熱能（酒精燃燒）和機(jī)械能（飛輪轉(zhuǎn)動）的直觀概念。這種效果遠(yuǎn)比在課本上或PPT上觀看傳統(tǒng)熱機(jī)圖片要好的多。

當(dāng)然，在展示實(shí)物模型時，也要給予學(xué)生必要的啟發(fā)與輔導(dǎo)，不是簡單地讓學(xué)生“看熱鬧”，而是要帶著問題去看，除了要了解模型的結(jié)構(gòu)和功能，更要對模型背后的機(jī)理進(jìn)行思考。比如演示斯特林熱機(jī)的時候，就可以啟發(fā)學(xué)生對如下幾個問題進(jìn)行思考：（1）可否不要熱源做功？（2）為何需要兩個熱源，能否不要低溫?zé)嵩?？?）酒精釋放的熱能能否全部轉(zhuǎn)換成飛輪的機(jī)械能？（4）如果不能的話？都消耗在哪里？哪些可以消除？哪些無法消除？（5）可以通過什么途徑提高效率？（6）熱機(jī)效率有沒有極限。通過對這些問題進(jìn)行討論，可以得出一系列答案，也許這些答案不盡相同，也沒有課本上的結(jié)論那么嚴(yán)密，但它們是學(xué)生自己通過觀察和思考得到的結(jié)論，這樣的教學(xué)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于被動地接受和記憶。

二、教學(xué)科研“串起來”，本科生也可以做科研

與小學(xué)和中學(xué)不同，大學(xué)有著傳授和開拓人類知識新領(lǐng)域的雙重義務(wù)，培養(yǎng)人才和出研究成果是大學(xué)的雙重職能。教學(xué)和科研的結(jié)合，也已被大多數(shù)人所理解。然而，現(xiàn)在也存在很多誤解，那就是普遍認(rèn)為對于本科教學(xué)來說，還是以知識傳授為主，進(jìn)行科學(xué)研究那是研究生或者是大學(xué)教師的事情。本科生的專業(yè)基礎(chǔ)還未建立，怎么能夠進(jìn)行研究呢？即便是本科生可以搞一些小的發(fā)明創(chuàng)造，那也和專業(yè)基礎(chǔ)課關(guān)系不大，意義不大。

然而實(shí)踐證明，鼓勵和引導(dǎo)正在學(xué)習(xí)《工程熱力學(xué)》的大二本科生積極參與科學(xué)研究，有助于本科生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和組織能力的大大提升。而且，與其他課程不同，《工程熱力學(xué)》課程內(nèi)容本身就有著極強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，這樣也就更方便學(xué)生依托本課程專業(yè)知識進(jìn)行選題和研究。近幾年來，筆者先后指導(dǎo)了十幾個本科生科研小組，開展了諸如：斯特林熱機(jī)模型、半導(dǎo)體制冷小冰箱、太陽能樹、溫濕度智能監(jiān)測與控制等方面的研究?？偨Y(jié)來看，參與科研項(xiàng)目的本科生們在科研能力提升的同時，對理論知識學(xué)習(xí)的興趣和渴求更加強(qiáng)烈了，因?yàn)樗麄冋媲懈惺艿搅藢I(yè)基礎(chǔ)知識的重要性，不再覺得課本知識是無用的一堆公式和符號了，這樣一來，他們比那些未參加科研項(xiàng)目的同學(xué)的課程成績普遍要高一些。

此外，大學(xué)生參加科研項(xiàng)目，也有利于培養(yǎng)堅(jiān)強(qiáng)的意志和遇事想辦法的良好態(tài)度，這一點(diǎn)對于當(dāng)代的大學(xué)生來說尤為重要。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，這一代大學(xué)生的生活條件和學(xué)習(xí)條件一直都是處于很優(yōu)越的狀態(tài)，或者說他們在物質(zhì)上早已不再匱乏，欠缺的倒是吃苦精神和應(yīng)對挫折的能力。本科生參加科研活動，能夠體驗(yàn)到科研成果來之不易，從中磨煉了意志，學(xué)會了如何應(yīng)對挫折。這些都將是學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中，乃至人生發(fā)展過程中所需要具備的品質(zhì)，也是單純的課堂教學(xué)無法給予的。

三、教材與科普書籍“銜起來”，科學(xué)史促進(jìn)課堂教學(xué)

智能手機(jī)的普及，網(wǎng)絡(luò)游戲的風(fēng)靡，使得大部分學(xué)生在網(wǎng)上花費(fèi)的時間越來越多，僅剩的一點(diǎn)時間，又要做作業(yè)，又要參加社團(tuán)活動，最后導(dǎo)致的結(jié)果就是無暇讀書，也不愛讀書。書讀得少，對專業(yè)課程的直接影響就是，要么學(xué)習(xí)興趣不大，只要能夠及格通過就萬事大吉；要么只為了追求高分?jǐn)?shù)以方便出國和考研，終究不會對知識本身產(chǎn)生一種敬畏和熱愛。

那么如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行閱讀，同時又促進(jìn)課堂教學(xué)呢？一個比較切實(shí)可行的方法就是引導(dǎo)他們?nèi)プx一些科普的書籍，比如熱力學(xué)史，熱力學(xué)科學(xué)家和發(fā)明家的傳記，等等。于祿等所著的《邊緣奇跡：相變和臨界現(xiàn)象》、馮端等所著的《溯源探幽：熵的世界》、武際可所著《力學(xué)史》、閻康年所著《熱力學(xué)史》，以及卡羅·切爾齊納尼所著的《玻爾茲曼：篤信原子的人》，都是集知識與歷史于一體，藝術(shù)性、思想性及科學(xué)精神并重的優(yōu)秀科普著作，也是筆者要求學(xué)生進(jìn)行課外閱讀并遞交讀書報(bào)告的作品。通過溫習(xí)科學(xué)史的方法來學(xué)習(xí)熱力學(xué)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)過程不再枯燥無味，而是變得有趣極了。學(xué)習(xí)興趣提高了，教學(xué)效果自然上來了。

此外，但凡學(xué)習(xí)過或了解熱力學(xué)的人，無不為其中的一些基本概念所困擾。其中“熵”就是一個極其重要的物理量，但又以其難懂而聞名于世。如果學(xué)生能夠了解“熵”這一概念的產(chǎn)生歷史，就不會對其輕易放棄了?？藙谛匏褂?865年首先引入了“熵”這一概念，用來定量地闡明熱力學(xué)第二定律。他從明確地表述第二定律到正式引入“熵”的概念，足足經(jīng)歷了15個春秋。克勞修斯本人也說過：“在頭腦中掌握第二定律要比第一定律困難得多。”一個基本概念，需要花費(fèi)一個科學(xué)家15年的時光才得以完整建立，從這個角度來講，如果學(xué)生能有前輩科學(xué)家努力程度的百分之一，那么學(xué)習(xí)和理解基本概念肯定是不存在什么困難的，這也是提倡閱讀科學(xué)史的意義所在。

總而言之，“教學(xué)有法”，但“法無定法”。也許最好的方法就是那些最能契合課程特點(diǎn)，最能激起學(xué)習(xí)興趣，最能觸動學(xué)生心坎，最能兼顧到學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)和長遠(yuǎn)發(fā)展的方法。找到這樣的方法，需要探索，需要反思，更需要在教學(xué)實(shí)踐中不斷改善和提高，是我們教師和學(xué)生共同努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

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