專業基礎課教學模式改革
——以工程熱力學課程教學實踐為例

劉 龍，時 偉，王海英，沈 琳，徐振軍，江 波

(1.青島理工大學，山東 青島 266520；2.青島農業大學，山東 青島 266109)

世界高等教育正在發生革命性變化，大體可分為兩次轉型：從注重技術應用的“技術范式”轉換為主動科學研究的“科學范式”，再逐步過渡到注重實踐的“工程范式”。“新工科”的提出，給高等工程教育的科學探索提供了全新的視角和發展方向。基于“新工科”的背景，本文以工程熱力學作為教學實踐案例，探索了一種“新工科”模式下專業基礎課的教學改革模式。

在高等教育專業培養體系中，課程的構成主要分為四大類：通識課、專業基礎課、專業核心課程和專業選修課。其中專業基礎課一般是在通識課教育基礎上開展的，為后續專業課程的教育提供基礎。專業基礎課的任課教師就是學生的專業領路人，其教學效果的好與壞，直接影響到學生對后續專業課的興趣和理解。

專業基礎課在專業課學習過程中占據重要地位，對后續課程的影響很大。以建筑環境與能源應用工程、能源與動力工程專業的工程熱力學課程為例，焓濕圖是解決濕空氣熱濕處理過程的重要工具，是暖通空調這門課的重要工具；壓焓圖是研究制冷循環的重要工具，是空氣調節用制冷技術這門課的重要工具。工程熱力學課程在動力循環中所涉及到的朗肯循環、熱電聯產、內燃機循環和燃氣輪機循環，是能源與動力工程專業的重要理論基礎。工程熱力學課程在制冷循環中所涉及到的空氣制冷循環、蒸氣壓縮式制冷循環、吸收式制冷、噴射式制冷、熱泵循環等是建筑環境與能源應用工程專業的重要理論基礎。

工科類專業基礎課大多具有基礎理論內容多、與專業知識相結合但理論偏于抽象的特點。以工程熱力學課程為例，其特點是基本概念多且抽象，公式多應用條件復雜，內容多且分散，又具有很強的應用性。在專業基礎課程實際教學中，讓學生掌握扎實的專業基礎知識的同時，培養學生的自主學習能力和創新能力，是提升專業基礎課教學質量和效果的重要環節。

傳統“填鴨式”教學讓學生不勝其煩，很多學生不愛聽講，學習過程沒有壓力，沒有緊迫感，上課玩手機、看平板的現象也很多見。一堂課下來，主講老師大汗淋漓，而學生卻收獲很少。學生上課時聽不懂，課下不復習鞏固，導致再次上課時，舉步維艱，長此以往，惡性循環。傳統的課堂教學以教師為中心，將知識學習作為教學目標，學生處在被動消極的地位，教學手段相對簡單和刻板。由此產生的問題是：教學設計缺乏變通，教學過程過分程式化，不能與學生的需求相呼應；只注重知識教學而忽視了學生技能、思維和個性的發展；教師急于和盤托出學習的結果，忽視學習過程的引導；注重教學結果的標準化，忽視不同學生的學習差異；教師忽視學生的主體性和師生互動的價值；課堂上對學生的評估單一。

針對傳統課堂教學的諸多問題，提出了“學習卡片”“分組案例教學”“科技創新比賽帶動教學”三種教學模式改革方案。理念是“以學生為中心”，調動學生課堂學習的主動性，充分調動學生課下學習的積極性，培養學生的創新性和批判性思維能力，要求學生不僅成為知識的接受者，更要成為知識的探索者和創造者。教學改革方案如圖1 所示。

圖1 教學改革方案

一、學習卡片

為提高學生的聽課質量，提出了“學習卡片”的教學改革方式，讓學生帶著任務去學習，邊聽邊記邊做題。這樣，學生把目光從電子設備轉移到了黑板和PPT 上面來，讓學生在上課時存在緊迫感，同時學習卡片也作為過程化考核的依據之一。

(一)學習卡片制作

在每次講課之前，為學生準備好學習卡片，人手一份。學習卡片上是本節課的重點內容。學習卡片內容設置原則：(1)簡單可記。最好是填空或者判斷題，主要考察對所講內容的理解。(2)重點內容。卡片上的內容必須是需要學生掌握的內容，了解層面的內容盡量不設置。(3)要有提示性的語言。如果是比較難理解的問題，考慮到學生第一次接觸所學內容，應設置提示性語言。(4)要有書寫空間。如果涉及到作圖題，應有學生作圖、書寫、草稿的空間。(5)時間順序。卡片內容與講課內容要一致，在順序上要同步進行，不能具有跳躍性。(6)加入課堂思考和總結。在每章結束的位置，預留學生自行總結重點、難點的空間。

在最后一次課中，在學習卡片上設置兩個問卷調查題目。第一題單選題“‘學習卡片’的教學模式是否有助于您對本門課程的學習？”；選項分別是A.非常有幫助；B.有幫助；C.無幫助；D.有負面影響。第二題問答題“請對任課教師的教學方法提出改進措施”。

(二)學習卡片使用方法

每次上課前，把上次課使用的已經批改過的學習卡片發給學生；并把本次課要使用的新的學習卡片下發給學生。下課后收回所有學習卡片進行批閱，并將批閱的成績及時反饋到課程網站上。

(三)學習卡片的優點

學習卡片的優點：(1)能夠起到點名的作用，每次課不用浪費時間點名。(2)能夠讓學生帶著任務上課，讓學生主動在課堂上尋找問題的答案，收獲更大，也更容易掌握課堂上的重點，提高課堂聽課效率。(3)教師在批閱學習卡片時，可以看到學生對知識的掌握情況，對于正答率較低的知識點，在下次講課時，應當重點回顧；這樣不但可以提高教學水平，而且還可以避免在以后的教學環節中出現類似問題。(4)學生將所有的學習卡片整理成冊后，可以作為期末考試的復習資料，有助于學生理解課本上的重點內容。

(四)學習卡片的使用效果

從圖2 中可以看出，選課人數共109 人，其中102人認為學習卡片對學習工程熱力學非常有幫助，占比93.6%；另有6.4%的學生認為學習卡片有幫助。認為沒有幫助或者有負面影響的人數為0。說明學習卡片的使用效果非常好，得到了學生們的一致認可。

圖2 學習卡片使用效果調查問卷結果

二、分組案例教學

分組案例教學的主要目的是調動學生課下學習的積極性，加強學生對專業基礎課知識點的理解和應用。分組案例教學的實施方式如下。

(一)學生分組

在第一次課堂上，提出讓學生自行分組。以工程熱力學課程為例，授課時間為15 周，讓學生自行分成12個小組(刨除第一次課、法定節假日的課、最后一次課)。學生課下以自由組合的形式分組。

(二)分組題目

每個小組給定一個課后思考題目。這些思考題目與工程熱力學課程教學內容緊密相關，可以是對現行政策的討論，可以是對專業內最新技術的介紹，也可以向學生提出一些具體專業問題；這些問題難度適宜，讓學生有能力解決但需要一定的思考。

分組題目的順序與大綱的順序一致。有些題目需要在課堂講述之前提出，有些題目可以在課堂講述之后提出。舉例說明：在講述熱力學第二定律之前，可以讓學生查找一些生活中、專業中用到的熱力學第二定律的現象，比如溫度自發地從高溫物體傳遞到低溫物體、壓力自發地從高到低、密度自發地從高到低、摩擦生熱、電變熱等。通過學生對于熱力學第二定律的講述，就能知道學生的掌握情況，教師可以根據學生的掌握情況調整自己的授課內容，尤其是專業案例的引入，如果學生提到了，教師在上課的過程中則可以一筆帶過。

再比如講述噴管的一維穩定絕熱流動方程，講述完噴管的知識之后，在課堂上，會給學生講一些用到噴管的案例，比如飛機引擎、汽輪機、人工造雪機、蒸汽噴射式制冷機等，課下提出問題：“生活中，還有沒有用到噴管的案例呢？”學生熟悉噴管的工作原理和能量方程后，就可以查找更多的案例了，有些案例甚至可以作為下一年的教學素材。

(三)實施原則

各組成員課下完成查找和整理資料的工作。將所查到的內容，根據自己的理解，做成一個PPT，并且每人要寫一篇相關論文。每周的第二次課，下課之前的15 分鐘留給學生。15 分鐘里面，讓學生講解10 分鐘；答疑5 分鐘，可以是教師提出問題，也可以是聽課學生提出問題，當場回答。任課教師根據PPT 形式、內容、講解情況、查閱文獻、撰寫論文質量等給出拓展得分，見表1。

表1 學生分組題目和成績

學生分組題目制定原則：(1)跟課堂內容緊密相關，是課堂內容的拓展。拓展題目的主要目的是讓學生加深對課堂內容的理解，通過查找資料，鍛煉自己自學的能力。與本課程無關的任務題目不能出現。(2)時間順序與課本保持一致。但是某些題目，比如熱力學第二定律，本身就晦澀難懂，為了考察學生對于熱力學第二定律的理解情況，可以在正式授課前提出該分組問題。某些題目，比如太陽能制冷或者噴管在生活中的應用等問題，可以在正式授課結束后提出，這樣學生學習了制冷和噴管的相關知識，再讓學生去查找相關內容，能夠起到鞏固、溫故而知新的作用。(3)題目不能過于簡單。重點是考察學生對所學知識的應用，而且需要學生查找文獻才能找到答案。

要求：(1)整理匯報PPT 并講述，時間控制在10 分鐘以內。(2)PPT 中需羅列每個成員的分工及工作量。(3)每個成員需提交一份論文材料，不少于1 000 字，要求手寫，不得抄襲。(4)最好是有不多于5 分鐘的視頻材料。(5)講解過程中不得照著PPT 讀，要聲情并茂，富有感情。

每組同學講述完以后，當堂打分。課后將學生所查找的資料收集起來，并將學生的成績和查閱的資料(包括學生所查找的視頻材料等)掛在課程網站上。

(四)分組案例教學的優點

分組案例的教學模式已推行兩年，根據學生講述的效果看，大大超出預期效果。

第一，學生查找了大量的動畫和視頻資料，極大地豐富了授課教師的教學素材。舉個例子：上課時講到滿足理想氣體的基本條件，理想氣體的溫度不能太低，因為當溫度太低時，空氣會液化，變成液態。將玫瑰花放入液氮中后再拿出來會變得很脆，一敲就碎了；將金魚放入液氮中后再拿出來會變得跟磚頭一樣，但是一放入溫水里，就能活過來。學生利用課余時間找到了視頻材料，節省了教師備課時間。而坐在臺下的學生聽得很認真，收獲很大。視頻材料可作為下一年的教學素材。學生在歡聲笑語中收獲了知識。

第二，通過分組案例教學，學生的表達能力、團隊合作能力得到鍛煉，甚至會對教師所講述的內容作出回應。比如在講完濕空氣這一節內容后，為了表達結露的原理，自創一首詩《詠露》：“露宿野草尖，最耐五更寒。晴天何處去，扶搖上九天。”學生在查找“雨、雪、露、霧、霜、雹”的生成機理時，不但成功完成任務，還對詩做了回應，原創《再詠露》：“源起一粒塵，凝水露成真。伴陽起輕舞，昊空流云痕。”

第三，在分組案例教學過程中，學生可能會突發奇想，提出一些很有見地但是可能不成熟的想法和理論，但加以引導，就可以碰撞出創新的火花。舉例：在第一次讓學生匯報“如何快速干燥消防水帶”題目時，有個學生提出了一個想法“一種負壓烘干機”，意思是只要讓干燥小室內的氣體升溫，并保持負壓，就容易干燥物體。在任課教師的幫助下，完成并授權了一項專利“一種負壓烘干機”。在后續的講述過程中，“一種負壓烘干機”成為了教學素材，但在講述的過程中，有學生提出來，“一種負壓烘干機”中干燥小室內的空氣未循環起來，干燥效果差，于是又提出了“一種熱泵和太陽能耦合的消防水帶干燥裝置”，也已經申請專利并授權。

三、科技創新比賽帶動教學

如果說學習卡片是課堂教學方法，分組案例是課上課下結合的教學方法，那科技創新比賽帶動教學就是純粹的課下教學方法了。

(一)帶學生撰寫專利

工程熱力學課程內容很多，從動力循環到制冷循環，從水蒸氣到濕空氣，都與節能減排息息相關。在授課的過程中，教師應大量地提出思考性和批判性的問題，開闊學生思路，培養學生創新意識。帶學生參加科技創新比賽，不僅回顧了專業基礎課的知識，而且還鍛煉了學生多方面的能力。因為在參加科技創新比賽的過程中，學生可能要準備BIM 模型、實物模型等，還要撰寫專利，需要具備一定的文檔編輯能力。教學數年，帶學生寫作專利情況見表2。

表2 源自工程熱力學課程的學生專利

學生在申報專利的過程中，充分了解了項目的內容、實施方式，鍛煉了各方面的能力，其收獲不僅僅是教材上的知識點，還包括撰寫、申請專利的注意事項等。

(二)帶學生參與科技創新比賽

俗話說“手中有糧，心中不慌”，科技創新比賽同樣如此。有了公開的專利或者是已經授權的專利證書，學生在申報科技創新比賽時信心更足，收獲更大。學生的收獲，不僅僅是獲獎證書和喜悅，更重要的是在這個過程中鍛煉和提高了各方面的能力和素質。數年來，帶學生參與科技創新比賽獲獎情況見表3。

表3 帶學生參與科技創新比賽獲獎情況

四、結束語

學習卡片、分組案例教學、科技創新比賽帶動教學這三種多樣化的教學方式，充分調動了學生課上、課下的學習積極性，對于專業基礎課的學習大有裨益。另外，學習卡片、分組案例教學的覆蓋面是所有學生，而科技創新比賽的覆蓋面是有興趣、敢于嘗試的優秀學生，這也充分體現了因材施教的理念。

在新工科理念的指導下，多元化的教學方法將極大地調動學生的學習積極性，培養學生創新思維能力。三種方法不僅僅適用于工程熱力學課程，也適用于其他工科專業的基礎課教學過程。