工科學生人文素養與科學教育實現路徑探索
——以工程熱力學課程教學為例

劉 龍，劉翠浴，時 偉，王海英，徐振軍，徐愛玲

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

在新工科背景下，工科專業應重視學生批判性思維、工程倫理意識和人文素質的培養。但長期以來，工科“重科技輕人文”的傳統觀念根深蒂固[1-2]，工科課程更多地強調專業知識教育，而忽視了學生人文素質的培養，導致學生核心競爭力不強、社會適應能力不強[3-4]。

工科應用型人才在具備人文素質的前提下，才能擔當應用的責任[5]。工科學生不僅要掌握扎實的專業知識和理論基礎，更應該具備較高的人文情懷[6-7]。當學生沉浸在專業知識中時，對社會、人生、自然缺乏深刻的理解和認識。加強工科大學生人文素養具有非常重要的意義[8]。

人文素養教育要求培養學生人文情懷，樹立正確的人生觀、世界觀、價值觀，樹立終身學習的觀念[9]。教師通過課程知識與思政點的融合，可以培養學生的思想內涵，培養有理想、有道德、懂技術和知人文的高素質人才[10]。

人文素質的培養可以通過教學方法創新改革和課程思政的方式實現[11]。課程思政育人有效實施的基礎在課程[12]，而專業課程是工科高等教育課程體系的重要組成部分[13]。所以，如何在專業課程中培養學生的人文素養，是值得思考和解決的問題。

一 工程熱力學課程教學痛點

工程熱力學是研究熱功轉換的學科，也是建筑環境與能源應用工程專業的基礎課之一。通過本課程學習，讓學生掌握熱力學基本定律、熱量與功量相互轉換的基本規律。熱力學第一定律、第二定律是理論基礎，動力循環與制冷循環是核心內容，如圖1 所示。以國家規劃教材為基礎，拓展“二氧化碳跨臨界制冷”“磁懸浮水冷機組”“補氣增焓”“冷熱電三聯供”“多聯機”等學科前沿，滿足行業與社會需求。

圖1 工程熱力學知識框架圖

其教學內容枯燥，理論抽象，公式繁多，以前學生“談課色變”[14]。即便是授課經驗豐富的教師，也很難將晦澀難懂的熱力學理論講的生動活潑，課堂氛圍往往很沉悶。每次遇到理論講解，教師和學生均存在畏難情緒。為提升課堂溫度活躍課堂氛圍，“工科文講”的方式走進工科學生的課堂，成為課堂大餐的“調味劑”。所謂工科文講，即用借助“文學作品”去解釋工科現象，達到入木三分且發人深省的效果。這些“文學作品”既可以是古典詩詞，也可以是自創詩詞。古典詩詞的運用體現文化自信，自創詩詞培養人文素養。

二 “工科文講”的用方法

通過“工科文講”的方式，將“文學作品”與工程熱力學教學內容深度融合，一方面讓學生理解專業知識，另一方面傳承中國博大精深的文化，可謂一舉兩得。這對主講教師的水平要求極高，不僅要對專業知識了如指掌、爐火純青，還要有一定的人文修養，旁征博引的同時又能出口成章。“工科文講”同樣適用于其他工科課程，使用技巧總結如下，以工程熱力學教學過程為例展開闡述。

（一）案例導入

在課堂導入環節，當主講教師要介紹生活案例或者闡述專業現象的時候，可以采用“工科文講”的方式。比如介紹結露的現象，可以引用《短歌行》中的一句話：“對酒當歌，人生幾何！譬如朝露，去日苦多”，提出問題“為什么結露現象一般出現在清晨呢”，然后給學生解釋：“因為清晨花草表面的溫度低于空氣的露點溫度，所以結露了”。

（二）原理解釋

在單純解釋工科現象時，理論性太強的表達往往讓晦澀難懂的知識點雪上加霜，這時候一個簡單的成語也許能指點迷津。在濕空氣分子量一節中，有這樣一段描述：“水蒸氣分壓力愈大，濕空氣的平均分子量愈小，濕空氣的密度越低。”即便是通過公式推導的方式去表達，學生理解時也存在困難：為什么空氣中的水蒸氣含量越多，密度反而降低了呢？其實一個“秋高氣爽”就能解決問題。“氣爽”指的是秋天天氣干燥，氣候涼爽宜人；而“秋高”指的是秋天晴空萬里，氣壓很高。氣壓高正是說明空氣密度大。所以空氣愈干燥，密度愈大，學生也就理解了。

（三）案例討論

詩詞中描述的某些現象與工科原理可能存在緊密的聯系，當深入思考某些詩詞時，能加深對工科原理的理解。為了活躍課堂氛圍，以“詩詞”為案例提出專業性討論問題，讓學生參與到案例討論的過程中，培養學生學以致用的能力。例如在孤立系統熵增原理這節課中提出問題：《曹劌論戰》中有句名言“一鼓作氣，再而衰，三而竭”，戰士們的士氣是否也與“熵增原理”有關系呢？從而引發學生深層次的思考，讓學生們的思維不只停留在物理性熱力學過程的領域，而是向著生物性、社會性等更復雜的領域延伸拓展。

（四）人生感悟

借助詩詞既能解釋工科現象，又能無痕思政，培養學生的文化自信和人文素養。濕空氣一章中，通過“雨、雪、霜、雹、霧、露”等自然現象的解釋，讓學生理解濕空氣的性質。這里可借鑒的詩詞很多，例如《二十四節氣歌》中提到的“春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連。秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。”《楓橋夜泊》中提到的“葉落烏啼霜滿天，江楓漁火對愁眠”。這里也可以通過解釋“雨”的現象向學生傳遞人生的感悟。春天多雨，“好雨知時節，當春乃發生”。秋天多雨，“空山新雨后，天氣晚來秋”。蔣捷的《聽雨》，通過三幅聽雨的畫面，打破時空界限，將一生的悲歡參透，融匯其中。蘇軾的《定風波·莫聽穿林打葉聲》，寄情于景“一蓑煙雨任平生”“也無風雨也無晴”，既是詩人的內心寫照，也能培養學生坦蕩樂觀、不畏坎坷的精神。之后再解釋雨產生的原因，加深學生對濕空氣性質的理解。

三 “工科文講”的優點及案例

（一）經典詩詞體現文化自信

借助唯美的古典詩詞解釋生活現象，探尋工程原理，培養學生文化自信，如圖2 所示。講述時極具吸引力，往往教師剛說完前半句，學生就會主動附和下半句。主講教師就像一個大大的磁場，把學生吸引在自己的課堂。

圖2 “工科文講”培養學生文化自信

1 可逆過程

一系列無耗散熱的準靜態過程組成了可逆過程。可逆過程一是要求做功沒有勢差，傳熱沒有溫差；二是要求過程沒有耗散熱。學生在理解時存在一些困難。采用逆向思維的方式，借助詩詞給學生講解不可逆過程，那么學生在理解可逆過程時就會事半功倍。

“挽狂瀾于既倒，扶大廈之將傾”狂瀾既倒、大廈將傾都是不可逆過程，闡述了勢差做功的不可逆性；“春蠶到死絲方盡，蠟炬成灰淚始干”表達了燃燒過程的不可逆性；“白日依山盡，黃河入海流”黃河不可能朝著東海洶涌奔流，這是機械功變成熱能的過程，也說明了熱功轉換的不可逆性；“疏影橫斜水清淺，暗香浮動月黃昏”，由于“密度勢差”引起的氣味彌漫也具有不可逆性；“昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路”，花草樹木的凋零，就像人的生老病死，都具有不可逆性。

2 熱力學第二定律的實質與表述

熱力學第二定律實質上是能量貶值定律，其表述主要分為兩種：克勞修斯說法和開爾文-普朗克說法。其揭示了能量在轉換與傳遞過程中具有方向性及能質不守恒的客觀定律。自然界中一切熱力學現象都遵循熱力學第二定律。在解釋生活現象時，可以借助詩詞進行講解。再輔助專業案例進行講解，達到深入淺出的效果。

為了表達溫度自發地從高到低傳遞，可以用“冰凍三尺，非一日之寒”。為了表達密度自發地從高到低擴散，可以用“蛾兒雪柳黃金縷。笑語盈盈暗香去”，或者“遙知不是雪，為有暗香來”；詩人未見梅花，但是聞到了梅花的香味，于是就能判斷，拐角之處一定是梅花。為了表達機械功自發地變成熱能，可以用“君不見，黃河之水天上來，奔流到海不復回”；或者“強弩之末，勢不能穿魯縞”。強弩最初如此之快的速度，末了連絲巾都穿透不了，動能在弓箭與空氣的摩擦中變成了熱能。

3 孤立系統熵增原理

孤立系統的熵只能朝著不變或者增大的方向進行。為了讓學生深刻理解這句話，可以引用著名物理學家薛定諤的名言：“生命以負熵為生”。學生們可能很難理解這句話的真正意義，所以要進行一些解釋。學生宿舍在不收拾的前提下只能越來越亂，這是一個熵增的過程；但是如果想讓宿舍內更整潔而實現熵減，那么就必須要收拾，也就是要付出代價。同樣，電變成高溫熱水，是一個能級衰減的過程，也是一個熵增的過程；但是如果是用高溫熱水來發電，實現能級的躍遷，也就是實現熵減，就必須要付出代價。就好像“人往高處走，水往低處流”一樣，水往低處走，是一種自然現象；而人往高處走，就一定付出努力。“負熵為生”就是告誡我們，持續不斷的努力才能實現人生的意義。

（二）原創詩詞培養人文素養

將專業概念賦值于詩詞，原理升華為人生哲理，用原創詩詞實現專業與思政之間的無痕嫁接，如圖3 所示；課堂富有感染力，氛圍融洽。這種表達方式，既能讓學生深刻理解專業內容，又能讓學生感悟人生道理，實現知識傳授和價值引領的統一。

圖3 原創詩詞培養人文素養

1 朗肯循環

朗肯循環也稱之為熱電循環。鍋爐內部的水被加熱成高溫高壓過熱蒸汽，是一個蓄能的過程；過熱蒸汽在汽輪機內定熵膨脹做功，是一個做功的過程。結合熱力學“”“”“熵”“功”的概念，組成十六字箴言，送給學生“：藏能于胸，御能為功；少多，不懼熵增”。意思是每個人內心里都應該充滿了正能量，而且要把這些正能量轉化為前進的動力；在這個過程中，多做有用功，少做無用功，不要懼怕做功能力的損失，即不能因為害怕失敗而不去努力。

2 卡諾循環

卡諾循環傳遞一種思想：“一切不以做功為目的的傳熱都是浪費”。而放熱溫度線將熱量分成了兩部分，比放熱溫度高的熱量被稱之為“”，即有用功；比放熱溫度低的熱量被稱之為“”，即無用功。為了讓學生深刻理解卡諾循環，同樣組成十六字箴言，送給學生，“一念善惡，一線功熱；非善不教，無功不學”。不是一個善良的老師很難用愛教學，不是一個用功的學生也很難取得好成績。

3 結露原理

結露是一種常見的自然現象，在專業中應用非常廣泛。為了表達結露的原理，自創一首詩《詠露》，送給學生：“露宿野草尖，最耐五更寒。晴天何處去，扶搖九重天”。告誡學生，越是寒冷的時候，越容易結露；人就像露水一樣，不耐五更寒，怎么有機會上九天呢？數年“工科文講”的方式，收獲了很多學生反饋，例如有學生反饋原創詩詞《墨雨》：“白云惹青顏，墨雨灑人間。雨打落葉去，志存風云巔”。最后一句畫龍點睛，充滿了正能量。

四 結束語

“工科文講”是培養工科學生人文素養的有效實現途徑之一。在案例導入、原理解釋、案例討論及人生感悟等環節均可以采用“工科文講”的方式。經典詩詞體現文化自信，原創詩詞培養人文素養。基于“工科文講”的方式，課堂溫度提高，課堂氣氛活躍，可有效培養學生的文化自信、精益求精的工匠精神和積極向上的正能量；激發學生對專業、社會和人生的深刻思考，真正成為“新工科”背景下培養的綜合型工科人才。