提高《工程熱力學》教學效果的幾點新舉措

范學良

摘要：作為一門重要的專業基礎課，《工程熱力學》的教學效果，直接影響到學生“三基”能力的培養，以及后續課程的學習。作為傳統教學模式的有益補充，本文提出了如下幾點新舉措：實物模型進課堂、本科生也要做科研、熱力學史愉快地讀起來。教學實踐表明，這些措施在激發學生學習興趣、克服畏難情緒、提升全面能力等方面均取得了不錯的教學效果。

關鍵詞：實物模型；科學史；綜合能力

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

作為建筑環境與能源應用及相關專業的一門重要的專業基礎課，《工程熱力學》的任務是使學生了解熱能與機械能在相互轉換過程中的特點和規律，掌握不同工質和不同過程的分析方法，為后續的《暖通空調》、《制冷技術》和《建筑環境》等專業課程在基礎理論、基本知識和基本技能方面打下堅實基礎。《工程熱力學》這門課程的重要性是不言而喻的，但是鑒于傳統教學方法的一些弊端，比如以板書或多媒體授課為主，將課程內容以定論的形式展現給學生，使得學生學習興趣不高；課后作業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，最終未能達到良好的教學效果。每個學期都有不少同學未能通過考試，即便是那些通過考試的部分同學，在后續課程學習中也發覺自己并未達到應有的專業基礎知識和技能的要求。為了克服上述問題，進一步提高《工程熱力學》的教學效果，本文提出如下三點教改舉措。

一、課堂教學“動起來”，實物模型進課堂

目前數字投影儀應用很普及，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物，總有一層隔膜存在于學生的認知過程中。再加上現在智能手機的普及，網絡視頻的泛濫，學生已經對二維的電子視覺信息產生了審美疲勞，使得PPT上面的內容已經無法給學生帶來新鮮感，進而激不起學習興趣。甚至有些學生對于教師一味地在課堂上播放PPT產生了反感，他們覺得既然是這樣，那么課堂學習和自己看網絡視頻教學又有什么差別呢？始終找不到那種工程科學的“硬感覺”。

這個時候，如果能把一些精巧的實物模型帶到課堂來，反倒會給學生耳目一新的感覺。在講解熱能與機械能相互轉換的時候，筆者就把一個小巧的斯特林熱機模型帶到課堂來。先往燃料瓶里倒上酒精，然后點燃，將斯特林的熱缸加熱。剛開始的時候，熱機沒有轉動，撥動飛輪，熱機轉了幾下，又停了。但僅過了片刻，再次撥動飛輪，熱機就持續地動了起來，直到燃料燃盡，熱機才停了下來。這一演示過程，讓學生驚訝極了，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來說，這樣的熱機模型都是第一次見到。有了這一實物模型作為學生的認知輔助工具，他們瞬間就建立了熱能（酒精燃燒）和機械能（飛輪轉動）的直觀概念。這種效果遠比在課本上或PPT上觀看傳統熱機圖片要好的多。

當然，在展示實物模型時，也要給予學生必要的啟發與輔導，不是簡單地讓學生“看熱鬧”，而是要帶著問題去看，除了要了解模型的結構和功能，更要對模型背后的機理進行思考。比如演示斯特林熱機的時候，就可以啟發學生對如下幾個問題進行思考：（1）可否不要熱源做功？（2）為何需要兩個熱源，能否不要低溫熱源？（3）酒精釋放的熱能能否全部轉換成飛輪的機械能？（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）熱機效率有沒有極限。通過對這些問題進行討論，可以得出一系列答案，也許這些答案不盡相同，也沒有課本上的結論那么嚴密，但它們是學生自己通過觀察和思考得到的結論，這樣的教學效果要遠遠好于被動地接受和記憶。

二、教學科研“串起來”，本科生也可以做科研

與小學和中學不同，大學有著傳授和開拓人類知識新領域的雙重義務，培養人才和出研究成果是大學的雙重職能。教學和科研的結合，也已被大多數人所理解。然而，現在也存在很多誤解，那就是普遍認為對于本科教學來說，還是以知識傳授為主，進行科學研究那是研究生或者是大學教師的事情。本科生的專業基礎還未建立，怎么能夠進行研究呢？即便是本科生可以搞一些小的發明創造，那也和專業基礎課關系不大，意義不大。

然而實踐證明，鼓勵和引導正在學習《工程熱力學》的大二本科生積極參與科學研究，有助于本科生自學能力、創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》課程內容本身就有著極強的工程應用背景，這樣也就更方便學生依托本課程專業知識進行選題和研究。近幾年來，筆者先后指導了十幾個本科生科研小組，開展了諸如：斯特林熱機模型、半導體制冷小冰箱、太陽能樹、溫濕度智能監測與控制等方面的研究。總結來看，參與科研項目的本科生們在科研能力提升的同時，對理論知識學習的興趣和渴求更加強烈了，因為他們真切感受到了專業基礎知識的重要性，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目的同學的課程成績普遍要高一些。

此外，大學生參加科研項目，也有利于培養堅強的意志和遇事想辦法的良好態度，這一點對于當代的大學生來說尤為重要。隨著國民經濟的快速發展，這一代大學生的生活條件和學習條件一直都是處于很優越的狀態，或者說他們在物質上早已不再匱乏，欠缺的倒是吃苦精神和應對挫折的能力。本科生參加科研活動，能夠體驗到科研成果來之不易，從中磨煉了意志，學會了如何應對挫折。這些都將是學生在今后的學習和工作中，乃至人生發展過程中所需要具備的品質，也是單純的課堂教學無法給予的。

三、教材與科普書籍“銜起來”，科學史促進課堂教學

智能手機的普及，網絡游戲的風靡，使得大部分學生在網上花費的時間越來越多，僅剩的一點時間，又要做作業，又要參加社團活動，最后導致的結果就是無暇讀書，也不愛讀書。書讀得少，對專業課程的直接影響就是，要么學習興趣不大，只要能夠及格通過就萬事大吉；要么只為了追求高分數以方便出國和考研，終究不會對知識本身產生一種敬畏和熱愛。

那么如何引導學生進行閱讀，同時又促進課堂教學呢？一個比較切實可行的方法就是引導他們去讀一些科普的書籍，比如熱力學史，熱力學科學家和發明家的傳記，等等。于祿等所著的《邊緣奇跡：相變和臨界現象》、馮端等所著的《溯源探幽：熵的世界》、武際可所著《力學史》、閻康年所著《熱力學史》，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，藝術性、思想性及科學精神并重的優秀科普著作，也是筆者要求學生進行課外閱讀并遞交讀書報告的作品。通過溫習科學史的方法來學習熱力學，學生發現自己的學習過程不再枯燥無味，而是變得有趣極了。學習興趣提高了，教學效果自然上來了。

此外，但凡學習過或了解熱力學的人，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。如果學生能夠了解“熵”這一概念的產生歷史，就不會對其輕易放棄了。克勞修斯于1865年首先引入了“熵”這一概念，用來定量地闡明熱力學第二定律。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，需要花費一個科學家15年的時光才得以完整建立，從這個角度來講，如果學生能有前輩科學家努力程度的百分之一，那么學習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史的意義所在。

總而言之，“教學有法”，但“法無定法”。也許最好的方法就是那些最能契合課程特點，最能激起學習興趣，最能觸動學生心坎，最能兼顧到學生當前學習和長遠發展的方法。找到這樣的方法，需要探索，需要反思，更需要在教學實踐中不斷改善和提高，是我們教師和學生共同努力的方向。

參考文獻：

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[2]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].第4版.北京：高等教育出版社，2007.

[3]馮端，馮少彤.溯源探幽：熵的世界[M].北京：科學出版社，2016.