基于問題驅(qū)動(dòng)式方法的卡諾循環(huán)教學(xué)設(shè)計(jì)探究

許佳婷 王紅霞 孫紅輝

摘? ?要：本文介紹了基于問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的卡諾循環(huán)教學(xué)設(shè)計(jì)的過程，通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目的和教學(xué)手段方法的分析，設(shè)計(jì)了整個(gè)教學(xué)思路。緊緊圍繞熱機(jī)效率的主題展開，將與熱機(jī)效率相關(guān)的幾個(gè)問題串聯(lián)起來，通過層層遞進(jìn)、步步深入的教學(xué)探討，啟發(fā)學(xué)生的思考和探究的能力，深化學(xué)生對(duì)熱機(jī)效率、可逆過程和熱機(jī)效率極限問題的理解。

關(guān)鍵詞：熱機(jī)效率? 卡諾循環(huán)? 可逆過程? 卡諾定理

教學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)情況來確定合適的教學(xué)方法和教學(xué)手段，將教學(xué)要素科學(xué)地安排、形成教學(xué)方案的過程;是為了學(xué)生實(shí)現(xiàn)有效學(xué)習(xí)而預(yù)先對(duì)教學(xué)進(jìn)行的決策活動(dòng)。在大學(xué)物理中，循環(huán)過程、卡諾循環(huán)、卡諾定理這部分內(nèi)容都是圍繞熱機(jī)效率展開的，內(nèi)容多、難度大，為了讓學(xué)生更好地理解這部分內(nèi)容，構(gòu)建起知識(shí)的整個(gè)邏輯關(guān)系，并且由于這部分內(nèi)容的主線清晰，而且整個(gè)熱機(jī)的發(fā)展過程也是為了解決效率問題而展開的，故而本文對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行了梳理，通過問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法做出了本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1? 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課以研究熱機(jī)效率為主旨，通過對(duì)循環(huán)過程、卡諾循環(huán)、可逆與不可逆過程和卡諾定理四部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，獲得掌握提高熱機(jī)效率的途徑。其中循環(huán)過程這部分內(nèi)容中，討論了循環(huán)過程的概念，探討熱機(jī)的工作過程，據(jù)此分析如何計(jì)算熱機(jī)的效率問題。通過介紹熱機(jī)工作的原理，給出熱機(jī)效率公式。

在卡諾循環(huán)這部分內(nèi)容中，首先介紹熱機(jī)問世以來，人類致力于提高熱機(jī)效率所經(jīng)過的緩慢的歷史過程，提出了卡諾循環(huán)，得到了卡諾熱機(jī)效率，引出提高效率的兩種方式：提高高溫?zé)嵩礈囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟取?/p>

在可逆和不可逆過程這部分內(nèi)容中，引入可逆過程和不可逆過程的概念，并分析造成這些過程不可逆的原因。反過來再來分析功熱轉(zhuǎn)換過程，分析其是否存在不可逆的因素，總結(jié)出該過程也是不可逆過程。

在卡諾定理這部分內(nèi)容中，分別從可逆熱機(jī)和不可逆熱機(jī)兩個(gè)角度證明熱機(jī)效率的極限。說明其他一切熱機(jī)的效率都小于卡諾熱機(jī)的效率。據(jù)此我們就解決了熱機(jī)效率極限的問題，并給我們提高熱機(jī)效率指明了方法。

2? 教學(xué)目標(biāo)分析

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)，首先使學(xué)員了解熱力學(xué)循環(huán)過程的熱點(diǎn)，其次要掌握卡諾熱機(jī)效率的計(jì)算，然后理解卡諾循環(huán)并計(jì)算卡諾熱機(jī)的效率，進(jìn)而理解可逆過程與不可逆過程，最后理解卡諾定理。

3? 教學(xué)重難點(diǎn)分析

本節(jié)課僅僅圍繞熱機(jī)展開，求解和提高熱機(jī)效率就是本節(jié)課的主要目的?；诖耍竟?jié)課的重點(diǎn)就在于包含熱機(jī)工作原理和效率的循環(huán)過程，以及解決熱機(jī)效率極限問題的卡諾循環(huán)。其中卡諾循環(huán)的特征涉及到卡諾循環(huán)過程的建立，不容易理解，所以是本節(jié)課的難點(diǎn)。為了求解熱機(jī)效率極限問題，涉及到可逆與不可逆過程，這部分內(nèi)容比較抽象，不容易理解，因而也是本節(jié)課的又一難點(diǎn)。

4? 教學(xué)方法分析

本節(jié)課我們采用問題驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法，基于本節(jié)課的內(nèi)容特點(diǎn)，也因?yàn)閱栴}驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法具備傳統(tǒng)教學(xué)方法更多的優(yōu)勢(shì)。問題是物理的心臟，把問題作為教學(xué)的驅(qū)動(dòng)力，以學(xué)生為主體，以問題為線索，通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)與相互討論，最終形成對(duì)知識(shí)的理解和接受，這就是驅(qū)動(dòng)式物理教學(xué)模式。面臨教育轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)，將問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式和大學(xué)物理現(xiàn)實(shí)教學(xué)相結(jié)合，有利于更好地貫徹素質(zhì)教育，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。教員通過提出問題，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)員解決相關(guān)問題，層層推進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，將教學(xué)的重點(diǎn)由淺入深、由易到難，由表及里，由此及彼，形成波浪式、遞進(jìn)式的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)。

5? 教學(xué)思路分析

本節(jié)課我們緊緊圍繞熱機(jī)效率問題展開，首先通過對(duì)之前內(nèi)容的討論，啟發(fā)學(xué)員思考：如何實(shí)現(xiàn)熱機(jī)？進(jìn)而引出熱機(jī)工作的基礎(chǔ)——循環(huán)過程，通過動(dòng)畫展示熱機(jī)的工作圖，分析循環(huán)過程的規(guī)律以及工質(zhì)的熱量轉(zhuǎn)化過程，得到熱機(jī)的效率公式。

緊接著討論熱機(jī)工作的首要問題：如何提高熱機(jī)效率？

通過對(duì)熱機(jī)發(fā)展過程的介紹，引出卡諾循環(huán)，著重介紹卡諾通過與水輪機(jī)對(duì)比的方法，通過理想實(shí)驗(yàn)思考。對(duì)比有兩點(diǎn)：第一，和水輪機(jī)對(duì)比，水流從高處流向低處，重力推動(dòng)水輪機(jī)做功，熱量從高溫流向低溫，推動(dòng)熱機(jī)做功，所以要實(shí)現(xiàn)熱機(jī)所滿足的條件，熱機(jī)要同時(shí)具備高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?。第二，水流從高處流向低處時(shí)，如果不放置水輪機(jī)，會(huì)造成水流做功的損失。同樣，在熱機(jī)中，工作物質(zhì)和熱源接觸時(shí)，如果有溫差，也會(huì)造成熱量的損失，這就要求工作物質(zhì)在和熱源接觸時(shí)必須是等溫過程。并且在理想情況下，為了減少損耗，工作物質(zhì)在不和熱源接觸時(shí)，沒有熱量的損失，必然為絕熱過程，由此可見，卡諾循環(huán)必須是由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程構(gòu)成的循環(huán)過程。進(jìn)而通過分析和高低溫?zé)嵩唇佑|時(shí)的吸放熱熱量的計(jì)算，結(jié)合兩個(gè)絕熱過程中的溫度和體積的絕熱方程，從而得到卡諾循環(huán)的效率公式，進(jìn)而討論熱機(jī)效率能否為1的問題？這實(shí)際上是在分析與熱有關(guān)的過程的可逆不可逆性。歸結(jié)于功熱轉(zhuǎn)換過程是不可逆過程，必然要對(duì)外界產(chǎn)生不可消除的影響，所以低溫?zé)嵩词菬釞C(jī)工作過程中不可或缺的一部分，所以，熱機(jī)效率不可能等于1。

最后就是實(shí)際熱機(jī)效率的極限值問題？

通過分析可逆與不可逆熱機(jī)的效率，引出卡諾定理，得到熱機(jī)效率的極限，那就是所有可逆卡諾熱機(jī)的效率，從而為我們提高熱機(jī)效率提供了方法。

本文通過幾個(gè)問題將整個(gè)知識(shí)串聯(lián)起來，在啟發(fā)思考問題的過程中，層層遞進(jìn)，步步深入的建立起整個(gè)知識(shí)體系，深化內(nèi)容，完成整節(jié)課的教學(xué)。我們通過著重分析卡諾建立理想模型的這個(gè)過程，一方面使同學(xué)們理解在物理學(xué)中如何建立理想模型，感受模型法對(duì)于分析物理問題的重要性;另一方面讓同學(xué)們感受物理科學(xué)發(fā)展的漫長(zhǎng)和科學(xué)家們的嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)中要有一種堅(jiān)持不懈的態(tài)度和敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神?？ㄖZ循環(huán)和卡諾定理是卡諾本人在熱力學(xué)中做出的突出的貢獻(xiàn)，不僅促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展，更促進(jìn)了人類社會(huì)文明和工程技術(shù)的發(fā)展，所以學(xué)習(xí)卡諾循環(huán)和卡諾定理意義深遠(yuǎn)。

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