問題鏈教學(xué)模式在工程熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

邱進偉

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

【關(guān)鍵詞】問題鏈；教學(xué)模式；工程熱力學(xué)；教學(xué)功能

工程熱力學(xué)是研究熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門學(xué)科，課程設(shè)計的內(nèi)容面廣、概念抽象、晦澀難懂，相對一部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定困難[1]。工程熱力學(xué)課堂教學(xué)中，大部分教師采用的是“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式在高校是普遍存在的。這種教學(xué)方法忽略了學(xué)生的“問”，從而導(dǎo)致學(xué)生缺失應(yīng)有的存疑、批判、想象和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過程。長此以往，就存在教師“灌”，學(xué)生“收”的單一被動接受的弊端，這樣就是容易造成學(xué)生創(chuàng)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(xué)的課堂教學(xué)效果背道而馳。英國哲學(xué)家波普爾說：“科學(xué)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(xué)內(nèi)容，如何重新設(shè)計，形成若干個未知的教學(xué)問題，以問題為中心展開教學(xué)，讓問題貫通整個教學(xué)過程呢？筆者采用了問題鏈教學(xué)模式進行工程熱力學(xué)教學(xué)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(xué)模式

1.1 問題鏈教學(xué)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(jù)課程教學(xué)目標，通過將教學(xué)內(nèi)容進行提煉，并設(shè)計成一連串的問題，引導(dǎo)學(xué)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(xué)目標，開發(fā)出來的一連串層層深入的問題集合體。因此，開發(fā)出來的問題應(yīng)該環(huán)環(huán)相扣、由淺入深，而且應(yīng)該具有多元性、多角度，分層次等特點，問題的編制應(yīng)宜粗不宜細，問題要少而精。問題鏈要能達到引導(dǎo)學(xué)生對舊知識點的回憶和重構(gòu)，并對新知識點的探索和思考的目的，起到開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的作用。

1.2 問題鏈的設(shè)計要求

問題鏈的設(shè)計不是隨機的，任意的，必須具有一定的邏輯順序，設(shè)計的問題鏈能方便教師引導(dǎo)學(xué)生。問題鏈的設(shè)計要求如下：

1）問題鏈應(yīng)明確教學(xué)目標，突出本節(jié)課的重點、難點；

2）設(shè)計的問題鏈必須對學(xué)生有驅(qū)動性和啟發(fā)性；

3）問題鏈的設(shè)計需要具有層次性、遞變性、情境性、可行性；

4）問題鏈應(yīng)具有趣味性、新穎性，能集中學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的求知欲。

2 問題鏈教學(xué)模式的應(yīng)用

“問題鏈”在功能和形式上多種多樣，其設(shè)計也因“問”而異。工程熱力學(xué)課程內(nèi)容比較多、概念活，研究對象為氣體，根據(jù)工程熱力學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)，基于教學(xué)立意，圍繞教學(xué)中心，從而設(shè)計不同的問題鏈類型[5]。根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)立意設(shè)計，筆者在工程熱力學(xué)這門課設(shè)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(jié)性問題鏈等。

2.1 引入性問題鏈

傳統(tǒng)的引入性方法是直接從前一節(jié)內(nèi)容開門見山引入本節(jié)教學(xué)內(nèi)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(xù)的知識點上，引導(dǎo)學(xué)生的注意力，喚醒學(xué)生找出問題答案的求知欲而設(shè)計的問題鏈。

講授水蒸氣的熱力性質(zhì)時，教師可以以某一發(fā)電廠為出發(fā)點，引入教學(xué)內(nèi)容，采用該教學(xué)模式實施課堂教學(xué)，具體教學(xué)設(shè)計如下：

問題1：同學(xué)們每天都用電，很多電都是由熱能轉(zhuǎn)變而來，那么你們知道熱能是如何轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷膯幔?/p>

問題2：發(fā)電廠有哪些主要的熱力設(shè)備，各設(shè)備功能是什么樣的？這些熱力設(shè)備中的循環(huán)工作的工質(zhì)是什么？這些工質(zhì)是如何把熱能轉(zhuǎn)換成機械能發(fā)電的？

問題3：工質(zhì)的熱力狀態(tài)發(fā)生了哪些變化，其變化過程中，工質(zhì)發(fā)生了哪些基本的熱力過程？

在教學(xué)中，教師先拿出一個大家都熟悉的發(fā)電廠發(fā)電的話題，讓學(xué)生在開放的氛圍中展開思考；接著通過展示熱力發(fā)電廠的相關(guān)圖片或播放錄像，邊看邊向?qū)W生解釋燃煤發(fā)電廠工作過程；然后通過PPT向?qū)W生展示蒸汽動力裝置示意圖，如圖1所示。根據(jù)蒸汽動力裝置流程簡圖向?qū)W生介紹水蒸氣動力循環(huán)的系統(tǒng)組成、工作原理及循環(huán)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(shè)計一些具有探索性和趣味性的知識問題。這種教學(xué)方法能引導(dǎo)學(xué)生進行探索學(xué)習(xí)，同時能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神，探索性問題鏈能使學(xué)生從現(xiàn)象探索事物的本質(zhì)。

在講授“濕空氣”時，教師先讓學(xué)生思考簡單的生活問題，由此提出探索性問題讓學(xué)生展開討論，通過教師對實例啟發(fā)性的分析，把枯燥的理論變成具體的實際問題。由此，教師設(shè)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(qū)別？水蒸氣的分壓力和溫度有何關(guān)系？由此得出什么結(jié)論？

教師通過生活實例，向?qū)W生解釋：“陰雨天環(huán)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(xué)生對濕空氣相關(guān)概念進行理解、探究，引導(dǎo)學(xué)生去分析。留有足夠時間和空間讓學(xué)生去思考分析，爭論探討，提煉拓寬，訓(xùn)練學(xué)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(shè)計或引入特定的生活情境，使學(xué)生產(chǎn)生一定的求知欲。精心設(shè)計的情境可以使學(xué)生從情境中挖掘出新知識點，從而幫助學(xué)生更好進入新知識點的學(xué)習(xí)。

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

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

問題2，：壓縮機制冷循環(huán)的是如何實現(xiàn)房間制冷的？壓縮制冷循環(huán)的工作原理？各經(jīng)歷了哪些循環(huán)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(huán)過程？制冷系數(shù)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(xué)生思考空調(diào)機安裝存在的問題；接著向?qū)W生解釋為什么該安裝方式不正確。根據(jù)制冷循環(huán)的原理，空調(diào)內(nèi)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(diào)后產(chǎn)生的效果是房間只會越來越熱；然后通過圖3向?qū)W生解釋壓縮機制冷循環(huán)是如何實現(xiàn)房間制冷，其工作原理，具體的循環(huán)過程及壓縮機制冷循環(huán)的P-V圖和T-s圖，制冷系數(shù)的計算。教學(xué)方法是通過情景圖片演示、問題分析、問題探討，引導(dǎo)學(xué)生追蹤過程、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出結(jié)論；從而到達使學(xué)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(chǎn)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(xiàn)象具有一定的相似性。

在講述工程熱力學(xué)的熵增原理時，為了讓學(xué)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(shè)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(fù)以前狀態(tài)？這種現(xiàn)象說明什么問題？

問題3：熵增原理是什么？

為了讓學(xué)生掌握熱力學(xué)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(xiàn)象，利用熵增原理和跳蚤現(xiàn)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(fā)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(xué)生掌握課堂知識，從而達到理解科學(xué)知識的作用。

2.5 總結(jié)性問題鏈

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

在復(fù)習(xí)理想氣體的熱力過程時，有的教師會按照教材的順序來復(fù)習(xí)概念、影響因素及其原因分析。而有經(jīng)驗教師會通過總結(jié)性的問題鏈展現(xiàn)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(tài)參數(shù)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(jié)出多變過程原理。

上述的問題是依據(jù)總→分→總的形式策略歸納出理想氣體的熱力過程的內(nèi)容的。這種問題鏈能激發(fā)學(xué)生歸納總結(jié)知識及發(fā)散學(xué)生的思維，教師經(jīng)常設(shè)計總結(jié)性問題鏈能培養(yǎng)學(xué)生梳理知識、理解知識、歸納知識的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3 問題鏈教學(xué)模式的實施效果

問題鏈教學(xué)模式遵循“產(chǎn)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(huán)規(guī)律，以問題為中心，通過問題的層層遞進，將知識變?yōu)榻虒W(xué)問題。問題鏈教學(xué)模式的核心是激發(fā)學(xué)生思維活動，教師如何設(shè)計問題鏈，直接影響到模式的教學(xué)的效率和質(zhì)量。筆者改傳統(tǒng)的教學(xué)模式為問題鏈教學(xué)模式后，學(xué)生學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的主動性和積極性都有所加強，主動參與學(xué)習(xí)的人數(shù)也明顯增加。教學(xué)實踐證明，問題鏈教學(xué)模式值得在工科院校中應(yīng)用和推廣。

【參考文獻】

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[4]徐文毅.問題鏈式教學(xué)模式在工程力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].武警學(xué)院學(xué)報， 2014（1）：73-76

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

[責(zé)任編輯：田吉捷]