虚拟实验与PBL耦合式教学法在工程热力学教学中的实践

郑斌 孙鹏 孟建 王有镗 刘永启

摘 要：虚拟实验教学是信息化教学的重要组成部分，PBL教学法也是受到广泛认可的教学方式，将虚拟实验和PBL教学法耦合融合进入课堂教学已经成为一个研究热点。本项目引入了“实验先行”的虚拟实验环节融入课堂教学的理念，采用了三段反馈式教学模式开展核心知识点讲授，项目实施效果良好，可有效提高学生的学习效率。

关键词：虚拟实验；PBL教学法；工程热力学

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

1 前言

《工程热力学》是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，主要内容是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，是能源与动力工程专业的专业核心课程之一。在工程教育认证的大背景下，参与认证的各专业普遍将《工程热力学》纳入了课程体系中，该课程已经成为许多工科类专业的必修课程。

由于热是一种看不见摸不着的研究对象，同时整个课程学习过程中缺乏感性认知的内容，使学生在学习时感到难度较大，然而通过实验教学可以增加学生对热力过程的感性认识，可以有效提升学生对课程知识的理解，同时培养其动手能力和创新意识，因此实验教学在工程热力学教学过程中具有举足轻重的作用。但是现实中实验环节常受限于实验设备资源匮乏，实验教学中很难保障每位同学都能充分的参与到实体实验中，使教学效果变差。而在信息化教学的背景下，利用虚拟实验的方式可以有效解决这方面的问题[1-4]。PBL教学法的全称是“Problem Based Learning”，是一种国际上广为关注的教学模式。PBL教学法将学习与问题挂钩，使学生投入到复杂的、有意义的问题情景中，通过学生的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力[5-6]。本项目拟将虚拟实验和PBL教学法耦合应用于工程热力学的教学中，以期激发学生学习兴趣，提升学生综合能力。

2 虚拟实验的特点

虚拟实验是利用理论模型、数值方法、信息网络和计算机技术，将真实的物理现象或过程模型化，在计算机上以图片、视频、动画或曲线等直观形式展现，并通过网络共享使用[7-8]。虚拟实验具有以下几个方面的特点：（1）虚拟实验参数可调节范围大。学生能够轻松改变实验参数，实现不同条件下的实验研究，使实验变得简单易行。同时可以通过排除次要信息的混淆干扰，实现重要参数对结果影响的研究，获得实验的关键信息。（2）虚拟实验受客观条件限制相对较小，效率高。虚拟实验可以节省大量从非稳态到稳态工况的等待时间，可以在有限的时间内使学生完成较多的实验内容并获得更多的实验结果，进而提高学生对相应知识点的快速理解和掌握。（3）虚拟实验可以清晰展示不方便观察的细微观或变化量较小的实验现象。微观尺度下的许多实验是难以实现和观察的，虚拟实验可以将理论知识或模型方程与物理现象或零件应用直接联系，进而展现相应的实验结果。

3 虚拟实验与PBL耦合式教学法在课程中的实践

课程内共设置了空气定压比热测定实验、二氧化碳相变实验、饱和蒸汽温度压力关系测定实验和喷管特性实验共4个虚拟实验（如图1所示）。

在“以学生为中心”的大教学环境和理念背景下，本项目的教学过程中，树立了学生的学习中心地位，引入了“实驗先行”的实验环节融入课堂教学的理念，采用了三段反馈式教学模式开展课堂教学。具体方案为：（1）讲授前，安排学生分组并利用虚拟实验平台完成相关实验，并提出拟解决的科学问题，要求学生注意观察哪些实验现象并记录哪些相关实验数据，学生通过观察相关的实验现象，并结合查阅相关资料，形成待解决问题的解释；（2）课堂中，随时抽取其中一组学生讲述实验现象，并给出相关问题的理论解释，由老师和其他组同学进行小组讨论，从而明确知识点的内容；（3）课后，让学生带着答案再次重复相关实验内容，让实验结果再次印证相关知识点的内容，同时完成实验报告。在该教学模式下，由于学生在学习过程中处于一种寻因解惑的状态，使学生的投入性较好，同时课后的理论反馈实践环节可以让学生将感性认识的实验结果和理性认识的科学理论进行深度的融合，强化知识点的理解和记忆，最终达到学习效果明显提升的目标。

4 改革效果

本项目在能源与动力工程专业的工程热力学授课过程中进行了实践，设置常规班和改革班2个对比班，常规班采用以课堂讲授为主、授课后在进行实验的常规教学模式，而改革班则采用了本文第三部分介绍的教学模式。本项目的效果评价包括两部分：成绩考核和问卷调查。

4.1 成绩考核

对2个班的平均成绩进行了分析，结果如表1所示。由表可知：采用了本项目教学方案的改革班的平均成绩较常规班高6.4分。主要原因是在整个教学过程中，学生始终处于一种主动学习的状态，从发现问题（虚拟实验获得的实验现象和实验数据），到解决问题（自主确定的问题答案，并在课堂上进行讨论和完善），再到实践验证理论知识（课后的实验反馈课堂教学环节），使学生始终保持一种探究的状态，可有效提升学生学习的积极性和趣味性，进而实现了教学效果的提升（以最终成绩的形式表征）。

4.2 问卷调查

对于教学效果，本调查从课堂教学、知识掌握及能力培养三方面进行了评价，问卷设置分数范围0-5分，0分为无提高作用，5分为显著提高作用，问卷结果如图2所示。由图可知：学生对本项目的教学方案整体评价较高，认为该方案对学生的综合能力提升具有积极的意义。其中，在课堂教学方面，学生认为本项目的教学模式有利于课堂气氛活跃度的提升，增加了师生之间的有效交流；在知识掌握方面，该教学模式能使理论知识与实践相结合，促进独立思考，整体学习效率明显提升；在能力培养方面，该教学模式鼓励学生以项目驱动学习，提高了科研思维能力及分析问题的能力，同时，学生的组织能力及团队协作能力亦得以大幅提升。

5 总结

虚拟实验教学是信息化教学的重要组成部分，通过仿真、数字建模和多媒体等技术，在计算机上创建一个可视化的三维环境，营造出模拟的仪器性能、实验对象、实验条件和环境。在教学中，其有利于实验教学范围的扩展，丰富学生网上学习资源，打破传统实验教学模式在时间、空间上的限制，极大激发学生学习的积极性，弥补传统实验教学的不足，对提高教学质量有很大帮助。PBL教学法是对学生综合素质进行培养的一种学习方法，有利于培养学生团队合作意识，充分调动学生的学习热情，发挥主观能动性，提高对相关知识的感性认识，培养自主科研能力，促进师生之间的交流[9]。本项目树立了“以学生为中心”教学目标，引入了“实验先行”的实验环节融入课堂教学的理念，采用了三段反馈式教学模式开展课堂教学。本项目实施的教学效果良好，学生的学习效率明显提高，为相关课程的教学提供了一定的借鉴价值。

参考文献：

[1]冯立艳，关铁成，何世伟等.机械基础虚拟实验系统的研究与开发[J].实验室研究与探索，2018（01）：89-92.

[2]王顺，王丽慧.“机械设计”课程的真实实验与虚拟实验对比分析[J].黑龍江教育（高教研究与评估），2018（06）：26-28.

[3]殷亮，周斌，程建杰等.基于Modelica分析库的虚拟实验平台在能源专业教学中的应用[J].化工高等教育，2017（01）：63-67.

[4]胡长兴，李威，高夫燕等.热工基础虚拟实验在专业实验中的作用与意义——以浙江大学宁波理工学院能源与环境工程专业实验教学改革为例[J].教育教学论坛，2014（14）：267-268.

[5]王振辉，牛超，徐鹏飞等.PBL教学模式在河南理工大学药学教学改革中的初探与思考[J].求知导刊，2016（01）：141-142.

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[9]周迎春，李树学，陈磊等.虚拟实验教学与PBL教学法相结合在机能实验学中的应用[J].黑龙江中医药，2015（04）：5-7.

基金项目：教育部高等学校能源动力类新工科研究与实践项目（NDXGK2017Y-36），山东省卓越工程师教育培养计划项目（2013ZY027），山东理工大学教育信息化试点研究项目（2016XXH040）。

作者简介：郑斌（1982-），男，山东淄博人，副教授，主要从事虚拟实验与课程教学的融合改革、实践教学体系改革等研究。