虛擬實驗與PBL耦合式教學法在工程熱力學教學中的實踐

鄭斌 孫鵬 孟建 王有鏜 劉永啟

摘 要：虛擬實驗教學是信息化教學的重要組成部分，PBL教學法也是受到廣泛認可的教學方式，將虛擬實驗和PBL教學法耦合融合進入課堂教學已經成為一個研究熱點。本項目引入了“實驗先行”的虛擬實驗環節融入課堂教學的理念，采用了三段反饋式教學模式開展核心知識點講授，項目實施效果良好，可有效提高學生的學習效率。

關鍵詞：虛擬實驗；PBL教學法；工程熱力學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.212

1 前言

《工程熱力學》是熱力學最先發展的一個分支，它主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其應用，主要內容是關于熱現象的宏觀理論，研究的方法是宏觀的，是能源與動力工程專業的專業核心課程之一。在工程教育認證的大背景下，參與認證的各專業普遍將《工程熱力學》納入了課程體系中，該課程已經成為許多工科類專業的必修課程。

由于熱是一種看不見摸不著的研究對象，同時整個課程學習過程中缺乏感性認知的內容，使學生在學習時感到難度較大，然而通過實驗教學可以增加學生對熱力過程的感性認識，可以有效提升學生對課程知識的理解，同時培養其動手能力和創新意識，因此實驗教學在工程熱力學教學過程中具有舉足輕重的作用。但是現實中實驗環節常受限于實驗設備資源匱乏，實驗教學中很難保障每位同學都能充分的參與到實體實驗中，使教學效果變差。而在信息化教學的背景下，利用虛擬實驗的方式可以有效解決這方面的問題[1-4]。PBL教學法的全稱是“Problem Based Learning”，是一種國際上廣為關注的教學模式。PBL教學法將學習與問題掛鉤，使學生投入到復雜的、有意義的問題情景中，通過學生的自主探究和合作來解決問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力[5-6]。本項目擬將虛擬實驗和PBL教學法耦合應用于工程熱力學的教學中，以期激發學生學習興趣，提升學生綜合能力。

2 虛擬實驗的特點

虛擬實驗是利用理論模型、數值方法、信息網絡和計算機技術，將真實的物理現象或過程模型化，在計算機上以圖片、視頻、動畫或曲線等直觀形式展現，并通過網絡共享使用[7-8]。虛擬實驗具有以下幾個方面的特點：（1）虛擬實驗參數可調節范圍大。學生能夠輕松改變實驗參數，實現不同條件下的實驗研究，使實驗變得簡單易行。同時可以通過排除次要信息的混淆干擾，實現重要參數對結果影響的研究，獲得實驗的關鍵信息。（2）虛擬實驗受客觀條件限制相對較小，效率高。虛擬實驗可以節省大量從非穩態到穩態工況的等待時間，可以在有限的時間內使學生完成較多的實驗內容并獲得更多的實驗結果，進而提高學生對相應知識點的快速理解和掌握。（3）虛擬實驗可以清晰展示不方便觀察的細微觀或變化量較小的實驗現象。微觀尺度下的許多實驗是難以實現和觀察的，虛擬實驗可以將理論知識或模型方程與物理現象或零件應用直接聯系，進而展現相應的實驗結果。

3 虛擬實驗與PBL耦合式教學法在課程中的實踐

課程內共設置了空氣定壓比熱測定實驗、二氧化碳相變實驗、飽和蒸汽溫度壓力關系測定實驗和噴管特性實驗共4個虛擬實驗（如圖1所示）。

在“以學生為中心”的大教學環境和理念背景下，本項目的教學過程中，樹立了學生的學習中心地位，引入了“實驗先行”的實驗環節融入課堂教學的理念，采用了三段反饋式教學模式開展課堂教學。具體方案為：（1）講授前，安排學生分組并利用虛擬實驗平臺完成相關實驗，并提出擬解決的科學問題，要求學生注意觀察哪些實驗現象并記錄哪些相關實驗數據，學生通過觀察相關的實驗現象，并結合查閱相關資料，形成待解決問題的解釋；（2）課堂中，隨時抽取其中一組學生講述實驗現象，并給出相關問題的理論解釋，由老師和其他組同學進行小組討論，從而明確知識點的內容；（3）課后，讓學生帶著答案再次重復相關實驗內容，讓實驗結果再次印證相關知識點的內容，同時完成實驗報告。在該教學模式下，由于學生在學習過程中處于一種尋因解惑的狀態，使學生的投入性較好，同時課后的理論反饋實踐環節可以讓學生將感性認識的實驗結果和理性認識的科學理論進行深度的融合，強化知識點的理解和記憶，最終達到學習效果明顯提升的目標。

4 改革效果

本項目在能源與動力工程專業的工程熱力學授課過程中進行了實踐，設置常規班和改革班2個對比班，常規班采用以課堂講授為主、授課后在進行實驗的常規教學模式，而改革班則采用了本文第三部分介紹的教學模式。本項目的效果評價包括兩部分：成績考核和問卷調查。

4.1 成績考核

對2個班的平均成績進行了分析，結果如表1所示。由表可知：采用了本項目教學方案的改革班的平均成績較常規班高6.4分。主要原因是在整個教學過程中，學生始終處于一種主動學習的狀態，從發現問題（虛擬實驗獲得的實驗現象和實驗數據），到解決問題（自主確定的問題答案，并在課堂上進行討論和完善），再到實踐驗證理論知識（課后的實驗反饋課堂教學環節），使學生始終保持一種探究的狀態，可有效提升學生學習的積極性和趣味性，進而實現了教學效果的提升（以最終成績的形式表征）。

4.2 問卷調查

對于教學效果，本調查從課堂教學、知識掌握及能力培養三方面進行了評價，問卷設置分數范圍0-5分，0分為無提高作用，5分為顯著提高作用，問卷結果如圖2所示。由圖可知：學生對本項目的教學方案整體評價較高，認為該方案對學生的綜合能力提升具有積極的意義。其中，在課堂教學方面，學生認為本項目的教學模式有利于課堂氣氛活躍度的提升，增加了師生之間的有效交流；在知識掌握方面，該教學模式能使理論知識與實踐相結合，促進獨立思考，整體學習效率明顯提升；在能力培養方面，該教學模式鼓勵學生以項目驅動學習，提高了科研思維能力及分析問題的能力，同時，學生的組織能力及團隊協作能力亦得以大幅提升。

5 總結

虛擬實驗教學是信息化教學的重要組成部分，通過仿真、數字建模和多媒體等技術，在計算機上創建一個可視化的三維環境，營造出模擬的儀器性能、實驗對象、實驗條件和環境。在教學中，其有利于實驗教學范圍的擴展，豐富學生網上學習資源，打破傳統實驗教學模式在時間、空間上的限制，極大激發學生學習的積極性，彌補傳統實驗教學的不足，對提高教學質量有很大幫助。PBL教學法是對學生綜合素質進行培養的一種學習方法，有利于培養學生團隊合作意識，充分調動學生的學習熱情，發揮主觀能動性，提高對相關知識的感性認識，培養自主科研能力，促進師生之間的交流[9]。本項目樹立了“以學生為中心”教學目標，引入了“實驗先行”的實驗環節融入課堂教學的理念，采用了三段反饋式教學模式開展課堂教學。本項目實施的教學效果良好，學生的學習效率明顯提高，為相關課程的教學提供了一定的借鑒價值。

參考文獻：

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基金項目：教育部高等學校能源動力類新工科研究與實踐項目（NDXGK2017Y-36），山東省卓越工程師教育培養計劃項目（2013ZY027），山東理工大學教育信息化試點研究項目（2016XXH040）。

作者簡介：鄭斌（1982-），男，山東淄博人，副教授，主要從事虛擬實驗與課程教學的融合改革、實踐教學體系改革等研究。