“邏輯鏈”教學在工程熱力學課程中的應用

王慧，衛智毅，宋江，甄換成，繆龍靜

(新疆理工學院能源化工工程學院，新疆 阿克蘇 843100)

0 引言

人工智能、清潔能源、機器人技術等高新科技引發了第四次工業革命[1]。為主動應對本輪科技革命和產業變革，2017年2月以來教育部積極推進新工科建設，旨在培養具有較強的工程實踐能力、創新能力、國際競爭力，能夠引領未來技術和產業發展的高素質復合型人才[2-5]。為適應人才培養的新需求，課堂教學作為教育教學的重要環節和人才培養的關鍵載體，改革勢在必行[6]。工程熱力學課程摒棄“老師講學生聽”的傳統教學模式，突出以“學生為中心”[7]的主體地位，以有效解決教學過程中的痛點問題為目標，以注重培養學生學習能力的教學理念為宗旨，提出了基于“邏輯鏈”的教學創新模式。在向學生傳授知識的過程中，有意識地訓練、培養學生的邏輯思維和自主學習能力，以形成創新思維；同時也為工科課程給出可借鑒、科學的教學創新方法。

1 工程熱力學課程簡介及教學中存在的痛點問題

1.1 工程熱力學課程簡介

工程熱力學課程主要研究熱能與機械能之間的相互轉換規律，以提高能量的轉換效率[8]。該課程是機械、能源大類專業的核心課程，是過程裝備與控制工程(以下簡稱“過控”)專業的必修基礎課程。工程熱力學課程在整個過控專業知識體系中，是基礎課過渡到專業課的重要橋梁，上承高等數學和大學物理課程，下接化工原理和過程流體機械等重要專業課程，為專業養成和人才培養目標達成起到核心支撐作用，為后續課程學習、解決工程實際問題、從事科學研究打下必要基礎，也是激發學生學習的內生動力、培養學生邏輯思維能力、自主學習能力并形成創新思維的關鍵載體。

1.2 教學中存在的痛點問題及痛因分析

教學中存在的最大的痛點問題即：課程難度系數高，概念多且抽象，學生理解困難；公式多且形式復雜，學生存在畏難心理。

痛因分析：

(1)學生認為概念難理解的原因：只著眼于單個孤立概念，未能從工程實際背景出發去理解各概念提出的緣由、必要性及相互間的關系，更無法站在整個課程知識體系角度體會概念的提出對后續實際循環分析起到的理論支撐作用，其本質原因是教學中缺少從邏輯角度理解概念的思維方式的引導，不注重對學生解決實際問題的工程思維的培養。

(2)學生畏懼公式的原因是認為復雜公式難記憶。但公式不是靠背的，而是利用知識點間的邏輯牽引功能一步步推演而來。由此，突顯的本質問題是學生不會利用知識點間邏輯銜接、環環相扣的特點開展科學的邏輯分析和推理，以驅動自身獨立思考、實現自主學習。

為有效解決上述教學痛點問題，實現學生自主學習能力的提高，在教學過程中引入了基于“邏輯鏈”的教學模式，開展教學改革創新。

2 “邏輯鏈”教學的基本釋義及應用意義

2.1 本教學創新模式中“邏輯鏈”的基本釋義

什么是“邏輯鏈”？對于一個復雜公式或新知識點，都是利用已學知識，經過一步步的邏輯分析、推理而來的，“邏輯鏈”指的就是這個邏輯分析過程，如圖1所示。對已學知識，經過“邏輯鏈”的分析推演而獲得新知，就是自主學習的過程，如圖2所示。

圖1 在本教學創新模式中“邏輯鏈”的釋義

圖2 “邏輯鏈”實現為自主學習賦能

2.2 “邏輯鏈”教學應用于工程熱力學課程的意義

在工程熱力學課程教學中采用“邏輯鏈”引領的不同教學模式，充分利用知識點間邏輯銜接、環環相扣的特點，一方面有意識地訓練學生的邏輯思維能力，另一方面培養學生通過梳理“邏輯鏈”，利用已知獲得新知的能力，實現為自主學習賦能，最終達到激發學生主動學習的內生動力、具備一定的自主學習能力和能夠形成創新思維的目的。

3 “邏輯鏈”教學在工程熱力學課程中的實施方法

工程熱力學課程的教學內容根據知識體系架構可分為熱力學基本理論、工質的熱力性質和熱力過程、實際熱力過程和熱力循環三部分[9]。根據各部分內容特點不同，分別采取“邏輯鏈”引領的不同教學模式。

3.1 熱力學基本理論—梳理概念間的“邏輯鏈”

(1)此部分教學內容特點。工程熱力學課程中對實際循環的分析遵循著解決實際工程問題普遍使用的一種思路，即將復雜的實際問題進行合理簡化，得到一個理想模型后，用數學的手段分析計算，得出結論后反過來再指導實際問題。工程熱力學課程中為了能夠利用數學手段分析復雜的實際循環，提出了“可逆過程”的理想假設，這是能夠計算實際循環熱效率的核心關鍵，如圖3所示。

圖3 解決工程實際問題的普遍思路

熱力學基本概念這部分內容中，所有概念的提出都是為建立可逆過程而服務的，如圖4所示。

圖4 概念間的“邏輯鏈”

(2) “邏輯鏈”教學在此部分內容中的應用。梳理概念間的“邏輯鏈”，引領學生工程思維的培養。

(3)學生能力培養。梳理概念間的“邏輯鏈”，從整個課程知識體系層面介紹“可逆過程”的核心地位和橋梁作用，一方面潛移默化培養學生解決工程實際問題以及合理簡化的工程思維，另一方面幫助學生從工程實際背景角度理解各概念間的關系、提出的緣由和必要性，進一步培養學生的邏輯思維能力。

3.2 工質的熱力性質和熱力過程—“邏輯鏈”引領自學過程

(1)此部分教學內容特點。基本熱力過程這一單元，公式多且部分形式復雜、后續內容中使用頻次高，但這些量的公式推演不涉及新知識點，完全可以利用已學知識點間的邏輯牽引功能自行獲得，非常適合鍛煉學生的自主學習能力。

(2) “邏輯鏈”教學在此部分內容中的應用?！斑壿嬫湣币I自學過程。

(3)具體實施過程。課前：教師提前梳理出自學方法所遵循的“邏輯鏈”(如圖5所示)，學生按此步驟課下自學并形成學習報告：

圖5 自學方法的“邏輯鏈”

課中：為了檢驗和保障學生的學習效果，課上安排答疑和小測驗；

課后：根據課堂上的檢驗和答疑情況，學生進一步完善學習報告并上交。

(4)學生能力培養。基本熱力過程尤其是定熵過程和多變過程的過程方程、熱力學能變Δu、焓變Δh、熵變Δs、膨脹功w、技術功ws和熱量q的表達式在后續內容中使用頻次非常高，其中過程方程、膨脹功w、技術功ws的表達式還比較復雜，僅靠死記硬背學生很難形成持久記憶。由于這些公式的推演過程不涉及新知識，學生完全可以利用知識點間的邏輯牽引功能自行推演出這些公式，要求學生課下自主推導公式，在這個過程既可以培養鍛煉學生的邏輯思維能力、分析計算能力和自主學習能力，還可以加深學生對公式的記憶。

3.3 實際熱力過程和熱力循環—“邏輯鏈”引領下的項目化教學、“拋錨式”教學+現場抽查、分組討論

(1)此部分教學內容特點。

① 有關氣體流動內容公式復雜，但推演過程中涉及的新知識點很少；

② 實際熱力循環的分析思路統一。

(2) “邏輯鏈”教學法的應用。

①“邏輯鏈”引領的項目化教學。

教學模式簡介：將學習過程看成一個項目的完成，因此待解決的某個問題或者待計算的某個量就是項目名稱。要完成這個項目，通過邏輯分析會梳理出一系列子問題，形成“邏輯鏈”。首先要解決的問題就是子問題1，子問題1解決完又衍生出子問題2，一個問題牽引出另一個問題，只要順著這些子問題的牽引鏈去思考，自然就得到了結論。這些子問題有的可以利用已學知識解決，有的要引入新知識點。具體如圖6所示。

圖6 “邏輯鏈”引領的項目化教學示意圖

教學模式適用范圍：適用于某些量的表達形式很復雜，但計算過程中涉及到的新知識點又很少，基本上利用已學知識點間的邏輯牽引功能就可以推演而得，比如噴管中氣體流速的計算，如圖7所示。

圖7 “邏輯鏈”引領下的項目化教學示例-噴管中氣體流速的計算

具體實施過程：課前，教師按照“邏輯鏈”給出子問題清單，要求學生順著“邏輯鏈”思考，解決各個子問題，完成“邏輯鏈”，形成學習報告。因為絕大多數子問題涉及到的基本都是已學知識，所以學生可以獨立完成，也可以借助優質的線上慕課資源完成。

課中，教師完全基于雨課堂的“邏輯鏈”引領進行授課。由于需要介紹的新知識點很少，所以教師授課主要就是帶領學生梳理邏輯關系。面對一個待解決的未知問題，從哪里入手，如何分析，先解決哪個問題、再解決哪個問題，引導學生一步步思考，牽引出一系列子問題。

由于這些子問題涉及到的都是已學知識點，所以將各子問題置于雨課堂智慧化教學工具中，按照邏輯分析每牽引出一個子問題，就讓學生限時在手機上作答，作為過程性考核的一部分，既是對已學知識的回顧，也檢驗了課前的學習效果。

課后，學生根據課堂上的學習情況進一步完善“邏輯鏈”清單，形成學習報告并上交。

學生能力培養：課前完成“邏輯鏈”清單這一環節，可以鍛煉培養學生的自主學習能力和分析計算能力；課中學生在教師的引導下順著“邏輯鏈”思考牽引出一系列子問題，并在雨課堂上一一作答，可有效訓練學生的邏輯思維能力。

②“拋錨式”教學+現場抽查、分組討論。

教學模式簡介：分析實際熱力循環遵循著統一的思路，即：分析實際循環的物理過程；對實際循環進行合理簡化，建立理想循環的物理模型；綜合運用熱力學第一定律、熱力學第二定律和工質的熱力性質定量計算理想循環的熱效率；根據熱效率的數學表達式找出提高熱效率的基本途徑，反過來再指導實際循環。

該統一思路即為分析實際循環的“邏輯鏈”，稱之為“拋錨式”教學的“錨”，將“錨”拋出去之后，所有的熱力循環學生均按此思路分析。

教學模式適用范圍：所有實際熱力循環。

具體實施過程：課前，教師將“錨”上四個分析步驟包含的知識點按照邏輯鏈關系進行拆解，形成“邏輯鏈”清單，學生結合慕課視頻完成“邏輯鏈”清單中的各個子問題。

課中，依據分析實際熱力循環的“邏輯鏈”檢驗學生各子問題的完成情況，采取現場抽查與分組討論相結合的方式。利用雨課堂智慧化教學工具的隨機點名功能進行現場抽查，每個學生都有被抽查的可能，而且不可預測，讓每個學生都有被抽到的“危機感”，可間接督促學生課下認真完成各個子問題，提高學習效果。此外，個別復雜問題還采取分組討論匯報的形式考察學生的課前學習情況。

課后，學生根據課上的學習情況完善“邏輯鏈”清單，形成學習報告并上交。

學生能力培養：學生課前獨立完成“邏輯鏈”清單中各子問題的過程可培養學生的邏輯思維能力和自主學習能力，課中分組討論匯報的環節可培養學生的歸納總結能力和語言表達能力。

4 結語

基于“邏輯鏈”的教學模式，既包括梳理概念間的“邏輯鏈”，還包括推演復雜公式所遵循的“邏輯鏈”。使用此種教學模式，不僅教會了學生專業知識，而且在向學生傳授知識的過程中培養了學生的邏輯思維和自主學習能力。

可能多年以后，工程熱力學課程的概念和復雜公式學生都忘記了，但在梳理概念和復雜公式“邏輯鏈”時潛移默化培養學生的科學思維和自主學習能力將伴隨學生終身。正如愛因斯坦說：當你把受過的教育都忘記了，剩下的就是教育；斯金納說，教育就是將學過的東西忘得一干二凈時，最后剩下來的東西?？茖W思維和自主學習能力是學生受益終身的財富，致力于學生學習能力培養的教學改革創新永遠在路上。