专业基础课教学模式改革——以工程热力学课程教学实践为例

刘 龙，时 伟，王海英，沈 琳，徐振军，江 波

(1.青岛理工大学，山东 青岛 266520；2.青岛农业大学，山东 青岛 266109)

世界高等教育正在发生革命性变化，大体可分为两次转型：从注重技术应用的“技术范式”转换为主动科学研究的“科学范式”，再逐步过渡到注重实践的“工程范式”。“新工科”的提出，给高等工程教育的科学探索提供了全新的视角和发展方向。基于“新工科”的背景，本文以工程热力学作为教学实践案例，探索了一种“新工科”模式下专业基础课的教学改革模式。

在高等教育专业培养体系中，课程的构成主要分为四大类：通识课、专业基础课、专业核心课程和专业选修课。其中专业基础课一般是在通识课教育基础上开展的，为后续专业课程的教育提供基础。专业基础课的任课教师就是学生的专业领路人，其教学效果的好与坏，直接影响到学生对后续专业课的兴趣和理解。

专业基础课在专业课学习过程中占据重要地位，对后续课程的影响很大。以建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程专业的工程热力学课程为例，焓湿图是解决湿空气热湿处理过程的重要工具，是暖通空调这门课的重要工具；压焓图是研究制冷循环的重要工具，是空气调节用制冷技术这门课的重要工具。工程热力学课程在动力循环中所涉及到的朗肯循环、热电联产、内燃机循环和燃气轮机循环，是能源与动力工程专业的重要理论基础。工程热力学课程在制冷循环中所涉及到的空气制冷循环、蒸气压缩式制冷循环、吸收式制冷、喷射式制冷、热泵循环等是建筑环境与能源应用工程专业的重要理论基础。

工科类专业基础课大多具有基础理论内容多、与专业知识相结合但理论偏于抽象的特点。以工程热力学课程为例，其特点是基本概念多且抽象，公式多应用条件复杂，内容多且分散，又具有很强的应用性。在专业基础课程实际教学中，让学生掌握扎实的专业基础知识的同时，培养学生的自主学习能力和创新能力，是提升专业基础课教学质量和效果的重要环节。

传统“填鸭式”教学让学生不胜其烦，很多学生不爱听讲，学习过程没有压力，没有紧迫感，上课玩手机、看平板的现象也很多见。一堂课下来，主讲老师大汗淋漓，而学生却收获很少。学生上课时听不懂，课下不复习巩固，导致再次上课时，举步维艰，长此以往，恶性循环。传统的课堂教学以教师为中心，将知识学习作为教学目标，学生处在被动消极的地位，教学手段相对简单和刻板。由此产生的问题是：教学设计缺乏变通，教学过程过分程式化，不能与学生的需求相呼应；只注重知识教学而忽视了学生技能、思维和个性的发展；教师急于和盘托出学习的结果，忽视学习过程的引导；注重教学结果的标准化，忽视不同学生的学习差异；教师忽视学生的主体性和师生互动的价值；课堂上对学生的评估单一。

针对传统课堂教学的诸多问题，提出了“学习卡片”“分组案例教学”“科技创新比赛带动教学”三种教学模式改革方案。理念是“以学生为中心”，调动学生课堂学习的主动性，充分调动学生课下学习的积极性，培养学生的创新性和批判性思维能力，要求学生不仅成为知识的接受者，更要成为知识的探索者和创造者。教学改革方案如图1 所示。

图1 教学改革方案

一、学习卡片

为提高学生的听课质量，提出了“学习卡片”的教学改革方式，让学生带着任务去学习，边听边记边做题。这样，学生把目光从电子设备转移到了黑板和PPT 上面来，让学生在上课时存在紧迫感，同时学习卡片也作为过程化考核的依据之一。

(一)学习卡片制作

在每次讲课之前，为学生准备好学习卡片，人手一份。学习卡片上是本节课的重点内容。学习卡片内容设置原则：(1)简单可记。最好是填空或者判断题，主要考察对所讲内容的理解。(2)重点内容。卡片上的内容必须是需要学生掌握的内容，了解层面的内容尽量不设置。(3)要有提示性的语言。如果是比较难理解的问题，考虑到学生第一次接触所学内容，应设置提示性语言。(4)要有书写空间。如果涉及到作图题，应有学生作图、书写、草稿的空间。(5)时间顺序。卡片内容与讲课内容要一致，在顺序上要同步进行，不能具有跳跃性。(6)加入课堂思考和总结。在每章结束的位置，预留学生自行总结重点、难点的空间。

在最后一次课中，在学习卡片上设置两个问卷调查题目。第一题单选题“‘学习卡片’的教学模式是否有助于您对本门课程的学习？”；选项分别是A.非常有帮助；B.有帮助；C.无帮助；D.有负面影响。第二题问答题“请对任课教师的教学方法提出改进措施”。

(二)学习卡片使用方法

每次上课前，把上次课使用的已经批改过的学习卡片发给学生；并把本次课要使用的新的学习卡片下发给学生。下课后收回所有学习卡片进行批阅，并将批阅的成绩及时反馈到课程网站上。

(三)学习卡片的优点

学习卡片的优点：(1)能够起到点名的作用，每次课不用浪费时间点名。(2)能够让学生带着任务上课，让学生主动在课堂上寻找问题的答案，收获更大，也更容易掌握课堂上的重点，提高课堂听课效率。(3)教师在批阅学习卡片时，可以看到学生对知识的掌握情况，对于正答率较低的知识点，在下次讲课时，应当重点回顾；这样不但可以提高教学水平，而且还可以避免在以后的教学环节中出现类似问题。(4)学生将所有的学习卡片整理成册后，可以作为期末考试的复习资料，有助于学生理解课本上的重点内容。

(四)学习卡片的使用效果

从图2 中可以看出，选课人数共109 人，其中102人认为学习卡片对学习工程热力学非常有帮助，占比93.6%；另有6.4%的学生认为学习卡片有帮助。认为没有帮助或者有负面影响的人数为0。说明学习卡片的使用效果非常好，得到了学生们的一致认可。

图2 学习卡片使用效果调查问卷结果

二、分组案例教学

分组案例教学的主要目的是调动学生课下学习的积极性，加强学生对专业基础课知识点的理解和应用。分组案例教学的实施方式如下。

(一)学生分组

在第一次课堂上，提出让学生自行分组。以工程热力学课程为例，授课时间为15 周，让学生自行分成12个小组(刨除第一次课、法定节假日的课、最后一次课)。学生课下以自由组合的形式分组。

(二)分组题目

每个小组给定一个课后思考题目。这些思考题目与工程热力学课程教学内容紧密相关，可以是对现行政策的讨论，可以是对专业内最新技术的介绍，也可以向学生提出一些具体专业问题；这些问题难度适宜，让学生有能力解决但需要一定的思考。

分组题目的顺序与大纲的顺序一致。有些题目需要在课堂讲述之前提出，有些题目可以在课堂讲述之后提出。举例说明：在讲述热力学第二定律之前，可以让学生查找一些生活中、专业中用到的热力学第二定律的现象，比如温度自发地从高温物体传递到低温物体、压力自发地从高到低、密度自发地从高到低、摩擦生热、电变热等。通过学生对于热力学第二定律的讲述，就能知道学生的掌握情况，教师可以根据学生的掌握情况调整自己的授课内容，尤其是专业案例的引入，如果学生提到了，教师在上课的过程中则可以一笔带过。

再比如讲述喷管的一维稳定绝热流动方程，讲述完喷管的知识之后，在课堂上，会给学生讲一些用到喷管的案例，比如飞机引擎、汽轮机、人工造雪机、蒸汽喷射式制冷机等，课下提出问题：“生活中，还有没有用到喷管的案例呢？”学生熟悉喷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为下一年的教学素材。

(三)实施原则

各组成员课下完成查找和整理资料的工作。将所查到的内容，根据自己的理解，做成一个PPT，并且每人要写一篇相关论文。每周的第二次课，下课之前的15 分钟留给学生。15 分钟里面，让学生讲解10 分钟；答疑5 分钟，可以是教师提出问题，也可以是听课学生提出问题，当场回答。任课教师根据PPT 形式、内容、讲解情况、查阅文献、撰写论文质量等给出拓展得分，见表1。

表1 学生分组题目和成绩

学生分组题目制定原则：(1)跟课堂内容紧密相关，是课堂内容的拓展。拓展题目的主要目的是让学生加深对课堂内容的理解，通过查找资料，锻炼自己自学的能力。与本课程无关的任务题目不能出现。(2)时间顺序与课本保持一致。但是某些题目，比如热力学第二定律，本身就晦涩难懂，为了考察学生对于热力学第二定律的理解情况，可以在正式授课前提出该分组问题。某些题目，比如太阳能制冷或者喷管在生活中的应用等问题，可以在正式授课结束后提出，这样学生学习了制冷和喷管的相关知识，再让学生去查找相关内容，能够起到巩固、温故而知新的作用。(3)题目不能过于简单。重点是考察学生对所学知识的应用，而且需要学生查找文献才能找到答案。

要求：(1)整理汇报PPT 并讲述，时间控制在10 分钟以内。(2)PPT 中需罗列每个成员的分工及工作量。(3)每个成员需提交一份论文材料，不少于1 000 字，要求手写，不得抄袭。(4)最好是有不多于5 分钟的视频材料。(5)讲解过程中不得照着PPT 读，要声情并茂，富有感情。

每组同学讲述完以后，当堂打分。课后将学生所查找的资料收集起来，并将学生的成绩和查阅的资料(包括学生所查找的视频材料等)挂在课程网站上。

(四)分组案例教学的优点

分组案例的教学模式已推行两年，根据学生讲述的效果看，大大超出预期效果。

第一，学生查找了大量的动画和视频资料，极大地丰富了授课教师的教学素材。举个例子：上课时讲到满足理想气体的基本条件，理想气体的温度不能太低，因为当温度太低时，空气会液化，变成液态。将玫瑰花放入液氮中后再拿出来会变得很脆，一敲就碎了；将金鱼放入液氮中后再拿出来会变得跟砖头一样，但是一放入温水里，就能活过来。学生利用课余时间找到了视频材料，节省了教师备课时间。而坐在台下的学生听得很认真，收获很大。视频材料可作为下一年的教学素材。学生在欢声笑语中收获了知识。

第二，通过分组案例教学，学生的表达能力、团队合作能力得到锻炼，甚至会对教师所讲述的内容作出回应。比如在讲完湿空气这一节内容后，为了表达结露的原理，自创一首诗《咏露》：“露宿野草尖，最耐五更寒。晴天何处去，扶摇上九天。”学生在查找“雨、雪、露、雾、霜、雹”的生成机理时，不但成功完成任务，还对诗做了回应，原创《再咏露》：“源起一粒尘，凝水露成真。伴阳起轻舞，昊空流云痕。”

第三，在分组案例教学过程中，学生可能会突发奇想，提出一些很有见地但是可能不成熟的想法和理论，但加以引导，就可以碰撞出创新的火花。举例：在第一次让学生汇报“如何快速干燥消防水带”题目时，有个学生提出了一个想法“一种负压烘干机”，意思是只要让干燥小室内的气体升温，并保持负压，就容易干燥物体。在任课教师的帮助下，完成并授权了一项专利“一种负压烘干机”。在后续的讲述过程中，“一种负压烘干机”成为了教学素材，但在讲述的过程中，有学生提出来，“一种负压烘干机”中干燥小室内的空气未循环起来，干燥效果差，于是又提出了“一种热泵和太阳能耦合的消防水带干燥装置”，也已经申请专利并授权。

三、科技创新比赛带动教学

如果说学习卡片是课堂教学方法，分组案例是课上课下结合的教学方法，那科技创新比赛带动教学就是纯粹的课下教学方法了。

(一)带学生撰写专利

工程热力学课程内容很多，从动力循环到制冷循环，从水蒸气到湿空气，都与节能减排息息相关。在授课的过程中，教师应大量地提出思考性和批判性的问题，开阔学生思路，培养学生创新意识。带学生参加科技创新比赛，不仅回顾了专业基础课的知识，而且还锻炼了学生多方面的能力。因为在参加科技创新比赛的过程中，学生可能要准备BIM 模型、实物模型等，还要撰写专利，需要具备一定的文档编辑能力。教学数年，带学生写作专利情况见表2。

表2 源自工程热力学课程的学生专利

学生在申报专利的过程中，充分了解了项目的内容、实施方式，锻炼了各方面的能力，其收获不仅仅是教材上的知识点，还包括撰写、申请专利的注意事项等。

(二)带学生参与科技创新比赛

俗话说“手中有粮，心中不慌”，科技创新比赛同样如此。有了公开的专利或者是已经授权的专利证书，学生在申报科技创新比赛时信心更足，收获更大。学生的收获，不仅仅是获奖证书和喜悦，更重要的是在这个过程中锻炼和提高了各方面的能力和素质。数年来，带学生参与科技创新比赛获奖情况见表3。

表3 带学生参与科技创新比赛获奖情况

四、结束语

学习卡片、分组案例教学、科技创新比赛带动教学这三种多样化的教学方式，充分调动了学生课上、课下的学习积极性，对于专业基础课的学习大有裨益。另外，学习卡片、分组案例教学的覆盖面是所有学生，而科技创新比赛的覆盖面是有兴趣、敢于尝试的优秀学生，这也充分体现了因材施教的理念。

在新工科理念的指导下，多元化的教学方法将极大地调动学生的学习积极性，培养学生创新思维能力。三种方法不仅仅适用于工程热力学课程，也适用于其他工科专业的基础课教学过程。