英國“熱力學(xué)”課程教學(xué)模式探索及啟示

池寅 黃博 徐夢藝 劉素梅

[摘 要] 以英國蘭卡斯特大學(xué)工程系的“熱力學(xué)”課程為例，從課程研發(fā)、教學(xué)形式、課程實踐、成績評估等方面闡述了英國典型的工程學(xué)科教學(xué)模式，并結(jié)合我國工程學(xué)科高等教育的現(xiàn)狀，進一步提出了改善與發(fā)展我國工程學(xué)科相關(guān)課程的教學(xué)方法，以期培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)、科學(xué)探索精神和自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)意識，同時為國家培養(yǎng)高素質(zhì)高標(biāo)準(zhǔn)的國際復(fù)合型專業(yè)人才。

[關(guān)鍵詞] 高等教育;熱力學(xué);中英交流;教學(xué)改革

[基金項目] 2020年度武漢大學(xué)教學(xué)研究項目“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理線上線下混合式教學(xué)模式研究”（1403-413200076）

[作者簡介] 池 寅（1984—），男，江西分宜人，博士，武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院副教授，主要從事纖維混凝土材料與結(jié)構(gòu)研究;黃 博（1992—），男，湖南湘潭人，博士，英國蘭卡斯特大學(xué)助理講師（通信作者），主要從事生物纖維增強水泥基復(fù)合材料研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）09-0021-04? ? [收稿日期] 2020-12-16

一、引言

英國高等教育源遠流長，以其獨特的教育理念與教學(xué)方法為世界培養(yǎng)出眾多杰出人才，對人類文明的發(fā)展進程起到了積極的作用。中英兩國教育交流已有160余年的歷史。長期以來，中英教育合作交流一直是維系兩國戰(zhàn)略伙伴關(guān)系的重點。在雙方的共同努力下，中英之間的教育交流合作覆蓋了高等教育、職業(yè)教育、基礎(chǔ)教育和語言文化等多個領(lǐng)域。在中英政府與各級各類學(xué)校的廣泛參與下，通過雙向留學(xué)、科研合作、語言教育、合作辦學(xué)、實習(xí)培訓(xùn)、校級交流合作等模式加深了雙方在教育理念和政策上的了解與借鑒[1]。

在英國，“熱力學(xué)”作為工程學(xué)科的必修課之一，涉獵諸多工程領(lǐng)域，對于航空、航海、車輛、機械工程及材料科學(xué)等領(lǐng)域尤其重要。熱力學(xué)的發(fā)展對促進國家能源工程建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用[2]。英國科學(xué)家開爾文于1854年首次提出了熱力學(xué)的明確定義：“熱力學(xué)是一門描述熱和物體中各部分之間作用力的關(guān)系，以及描述熱和電器之間關(guān)系的學(xué)科[3]?！蔽覈鴩医逃瘑T會在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)制定了《高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計劃》，啟動了包括“熱工類系列教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的研究和實踐”在內(nèi)的一大批教改項目。項目在國內(nèi)的成功實施與蓬勃發(fā)展為我國熱工類課程教學(xué)改革的成功創(chuàng)造了優(yōu)良條件。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外對比研究指出，參考和學(xué)習(xí)英國工程學(xué)科教學(xué)模式是提升我國工程類科學(xué)教育的重要途徑之一，有助于創(chuàng)新和發(fā)展當(dāng)前的教學(xué)模式，以實現(xiàn)我國高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展[4]。

英國名校蘭卡斯特大學(xué)，在2019泰晤士英國大學(xué)排名中位居第6，是N8聯(lián)盟成員之一。筆者在英國蘭卡斯特大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院工程系連續(xù)擔(dān)任了4年“熱力學(xué)”課程的設(shè)計研發(fā)、教學(xué)交付、實驗課展示及評估。本文以蘭卡斯特大學(xué)“熱力學(xué)”課程為例剖析探討，著重介紹英國典型工程學(xué)科教學(xué)模式對我國工程學(xué)科范圍內(nèi)教學(xué)方法的啟示。

二、英國蘭卡斯特大學(xué)“熱力學(xué)”課程設(shè)置

（一）“熱力學(xué)”課程研發(fā)

“熱力學(xué)”課程是一門從科學(xué)實驗和工業(yè)生產(chǎn)實踐中發(fā)展起來的工程基礎(chǔ)學(xué)科。在課程研發(fā)方面，英國蘭卡斯特大學(xué)以布盧姆分類學(xué)教學(xué)理念為指導(dǎo)將所需講授的知識分成認(rèn)知范疇、技巧范疇及態(tài)度范疇，要求教學(xué)設(shè)計者和教學(xué)者對教學(xué)的三個范疇都要有所聚焦，以達整合的教育[5]。

如圖1所示，認(rèn)知范疇最為關(guān)鍵，針對“熱力學(xué)”課程，該課程知識通常伴隨著契合的實驗課以幫助學(xué)生理解新的知識點。課題組會根據(jù)專業(yè)學(xué)習(xí)目標(biāo)制定該學(xué)科的學(xué)習(xí)目標(biāo)，其中主要囊括了學(xué)科要求學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，這些知識會被細分成課程主題安排到每一周的學(xué)習(xí)活動中。每周授課相關(guān)的教學(xué)視頻、課件、作業(yè)、往屆試卷等，這些需要在開課前兩周內(nèi)準(zhǔn)備好供學(xué)生下載和預(yù)習(xí)。每周教學(xué)主題的交付主要包括大型講座（大于100個學(xué)生）和小型工作室討論會（小于20個學(xué)生）兩種核心模式。大型講座是知識轉(zhuǎn)播最快和最廣的教學(xué)模式，但是缺點在于難以使學(xué)生一次性消化全新的概念和理論并融會貫通[6]。尤其是像“熱力學(xué)”這樣的課程，概念和理論繁多，計算公式煩瑣，如何將理論性與實踐相結(jié)合，充分激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣是其中的難點。通過課后的工作室研討會鼓勵主動學(xué)習(xí)，引導(dǎo)和協(xié)助學(xué)生分析檢查隱藏在現(xiàn)象背后的原因，應(yīng)用新的知識來解決問題正好與大型講座功能互補。最后，通過小組合作上交共同試驗報告與答辯的評估方法來評價學(xué)生對知識技能的掌握程度，并留下課后思考/實驗來鞏固所學(xué)知識并培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力。

技巧范疇通常專注于學(xué)生實驗技巧的開發(fā)和動手能力的培養(yǎng)。為此，課題組設(shè)計了多個不同主題的實踐練習(xí)來培養(yǎng)課外實踐能力，學(xué)生需要通過自行分組來完成實踐聯(lián)系。例如，評估內(nèi)燃發(fā)動機的效率，這需要學(xué)生來拆卸發(fā)動機，并根據(jù)現(xiàn)有材料自主動手設(shè)計并制作一個熱傳導(dǎo)裝置，計算其轉(zhuǎn)換效率等。態(tài)度范疇方面的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生對工程學(xué)的熱愛與個人成長。為此，課程組每學(xué)期都會組織學(xué)生到工廠生產(chǎn)線參觀學(xué)習(xí)，提供短期實習(xí)的機會等。這讓剛步入校園的學(xué)生很早就能身臨其境地體驗職業(yè)環(huán)境，培養(yǎng)職業(yè)興趣和信仰，為職業(yè)方向的規(guī)劃與發(fā)展早做準(zhǔn)備。

長期以來的經(jīng)驗表明，“熱力學(xué)”課題組從這三個范疇來考慮課程設(shè)計能夠有效提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)、自主學(xué)習(xí)能力和實踐動手能力，但是這種完善的課程設(shè)計體系往往煩瑣且冗長的課程研發(fā)耗時耗力，其從設(shè)計到投入使用的周期很長，一般需要3～5年的時間。課程獲批后，課題組需要持續(xù)討論課程教材編寫，征求各方面的意見，將課程設(shè)計完成后送交經(jīng)驗豐富的校內(nèi)外課程專家和學(xué)生進行評議并出具評估反饋，上交各級學(xué)術(shù)委員會層層審批，經(jīng)反復(fù)修改后投入使用，并嚴(yán)格要求每5～6年需要更新一次。

相對而言，我國的課程設(shè)計一般由任課教師負責(zé)，教材大多采用行業(yè)著作，在課程設(shè)計方面會安排詳細的定律和方程解釋，以確保學(xué)生的知識體系較為完善，課程重心的安排以教師的思想為主，但不同教師對于教材的設(shè)置與理解不一。

（二）教學(xué)形式

蘭卡斯特大學(xué)“熱力學(xué)”的課堂重視輕松、自由、平等的學(xué)習(xí)氛圍。教學(xué)方式多種多樣，不拘泥于形式。例如，在大型講座中，教師大都會將幾個核心問題貫穿課堂，在授課過程中學(xué)生有任何的想法即可舉手示意并直接提出疑問開展討論，充分激發(fā)學(xué)生的獨立和批判性思考。在小型工作室討論會中，學(xué)生們會被分為3～5人的小組。小組自由選取組長組織討論，并組織組員回答問題與總結(jié)陳述。課后教師與助教定期組織小組答疑，并且大部分課程會安排演講。學(xué)生被要求實行小組或單人進行時長為3～15分鐘的演講與問答，最終由教師就學(xué)生的演講內(nèi)容和技能進行全方面評估并給予進一步引導(dǎo)，全過程以鼓勵為主旨，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。自主學(xué)習(xí)與課后能力拓展也是教學(xué)計劃的一部分，課程中期會安排閱讀周鼓勵學(xué)生自我預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，搜集、整理與閱讀課程相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)蘭卡斯特大學(xué)工程學(xué)院的學(xué)生問卷反饋，課后需要課時2～3倍的時間才能完成學(xué)習(xí)任務(wù)，自主學(xué)習(xí)與資源搜尋能力得到了極大的訓(xùn)練和提升。在我國，由于學(xué)生基數(shù)大，高校大多為大班授課，在師生比例高的情況下課堂更多的是注重課程體系的結(jié)構(gòu)與完整性。教師在照顧大部分學(xué)生的情況下不易充分激發(fā)每一名學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能動性，可能在對學(xué)生的思維拓展和技能開發(fā)上有所缺失。

（三）課程實踐

英國大學(xué)以最大限度地提升和培養(yǎng)學(xué)生的綜合就業(yè)能力為目的，其實踐課程設(shè)置緊跟社會需求。工程學(xué)科實踐主要包括實驗課和專業(yè)實習(xí)，具有很強的職業(yè)導(dǎo)向性?！盁崃W(xué)”實驗課主要是由眾多小實驗共同組成，實踐周期貫穿整個授課過程。實驗課主要是在技術(shù)教員的安全引導(dǎo)下自主實驗和摸索，不會有過多講解，而是引導(dǎo)和幫助學(xué)生解決問題，實驗結(jié)果無標(biāo)準(zhǔn)答案，在這樣的環(huán)境下培養(yǎng)出的學(xué)生具有較強的獨立解決問題的能力。正如任課教師Mohamed Saafi教授在實踐課程講授中強調(diào)：“熱力學(xué)”的學(xué)習(xí)就是要從實踐出發(fā)，經(jīng)過抽象、概括、演繹推理得出的實踐結(jié)果才能讓人信服，循序漸進地研究事物本質(zhì)的人才能成為一名優(yōu)秀的工程師。英國學(xué)生以此課程的安排滿意度普遍很高（2019年蘭卡斯特大學(xué)滿意度87.01%）[7]，而且如此培養(yǎng)的畢業(yè)生更容易直接上崗，招聘公司歡迎并信任蘭卡斯特大學(xué)所輸送的工程人才。相較而言，國內(nèi)的實驗課大多被安排在一周或數(shù)周內(nèi)集中突破，伴隨著教師與實驗員的深度講解與親自演示，確保了學(xué)生的安全與實驗的順利完成。但部分學(xué)生可能感覺其實訓(xùn)課的參與感較低，主動思考與實踐的空間有缺失，企業(yè)也普遍對剛畢業(yè)大學(xué)生的實踐能力有所懷疑。

（四）成績評估

英國的評估體系大致分為兩個階段：形成性評估（非正式）與總結(jié)性評估。蘭卡斯特大學(xué)“熱力學(xué)”課程的形成性評估不會計入學(xué)生的最終分?jǐn)?shù)，其主要是為了階段性評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)信心，引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)備總結(jié)性評估。總結(jié)性評估分為三個部分：作業(yè)（30%）、實驗（30%）和考試成績（40%）。在學(xué)期課程結(jié)束前有一個隨堂考試，教師根據(jù)學(xué)生的考試情況來安排考前答疑及考試難度的調(diào)整。英國大學(xué)對任何作業(yè)的評估都有嚴(yán)格的學(xué)術(shù)道德要求，學(xué)生在入學(xué)初期會接受系統(tǒng)且嚴(yán)格的學(xué)術(shù)道德理解培訓(xùn)，深刻認(rèn)識抄襲的嚴(yán)重危害及如何避免抄襲。中國主要采用作業(yè)與考試成績相結(jié)合的考核模式，評分體系也存在不夠透明的問題。學(xué)生對于抄襲的理解較為模糊，寫作中時有引用不當(dāng)?shù)那闆r，這對學(xué)術(shù)成果和知識版權(quán)的影響很大。

三、改善我國工程學(xué)科課程教學(xué)方法的建議

我國擁有特色社會主義的教育優(yōu)勢，黨和國家對高校教育的集中管理確保了高等教育改革實施的效率。但在改革進程中，我們在保持特色的同時仍然需要不斷學(xué)習(xí)和進取。英國教育實踐可以為中國的“熱力學(xué)”課程建設(shè)帶來啟示：我們需要遵循以實際應(yīng)用為第一標(biāo)準(zhǔn)，著重培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實際問題的能力。在教學(xué)過程中充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，用實例讓學(xué)生了解熱力學(xué)的應(yīng)用，為學(xué)生構(gòu)建更為完善的工程知識體系。下面將從課程設(shè)置、教學(xué)形式、課程實踐與成績評估四個方面提出建議，以期提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)、自主學(xué)習(xí)能力和實踐動手能力。

（一）優(yōu)化課程體系

在課程設(shè)計之前，我們可以嘗試統(tǒng)籌安排公共基礎(chǔ)與專業(yè)課程內(nèi)容，避免與之前課程內(nèi)容相似而造成資源浪費。在課程的設(shè)計過程中，我們可以嘗試改變教師傳統(tǒng)的獨立撰寫課程體系，發(fā)展具有同行參與評議和課程審核的專業(yè)體系。具體來說，積極組織任課教師相互交流不同的教學(xué)理念，將新穎的教學(xué)理念與自身教學(xué)風(fēng)格相結(jié)合，加強授課過程中與學(xué)生的互動。課程進度應(yīng)根據(jù)學(xué)生對知識的掌握程度而修正，鼓勵與獎勵在教學(xué)工作中投入更多精力的教師。在條件允許的情況下實行小班授課，并針對學(xué)生不同的背景與興趣愛好開展更有針對性的輔助教學(xué)（如實驗、工作室、實習(xí)等）。

（二）提升課堂授課氛圍

教師在課程設(shè)計中引入更多的元素，合理利用現(xiàn)有教學(xué)資源并且善用多媒體輔助多元化教學(xué)，構(gòu)建與增強學(xué)習(xí)難點間的邏輯性。主動與學(xué)生分析討論課件，讓學(xué)生從自身角度提出改良課件的建議。在授課過程中，應(yīng)給予學(xué)生更多的思考時間與空間，鼓勵學(xué)生更加主動地參與討論，積極地參與學(xué)習(xí)活動，培養(yǎng)學(xué)生自主歸納總結(jié)能力，弱化“唯標(biāo)準(zhǔn)答案”的陳舊觀念，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，注重技能培養(yǎng)，避免照本宣科。

（三）實踐能力的培養(yǎng)

“工欲善其事，必先利其器?！保ā墩撜Z·衛(wèi)靈公》）對剛?cè)雽W(xué)的大學(xué)生進行全套基礎(chǔ)技能培訓(xùn)，如文檔與電子表格制作、撰寫書面報告、時間管理等。在實驗課開展前讓學(xué)生自主對實踐內(nèi)容進行風(fēng)險評估。在培養(yǎng)實驗技能的同時，根據(jù)學(xué)生主觀意愿專項培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力，讓學(xué)生在每年的暑假參與實際工程項目實習(xí)，主動參與更多的鍛煉機會，充分培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，切實可行地提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（四）改革學(xué)生成績評估方式

學(xué)生成績不應(yīng)局限于一次考試，完善的成績評價系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)綜合評估學(xué)生知識掌控的深度與廣度，重視學(xué)生各方面能力均衡發(fā)展。改變臨考前給學(xué)生“劃重點”的陋習(xí)，引入形成性評估能夠更好地激勵學(xué)生學(xué)習(xí)，以測試、游戲、演講、小組活動等了解學(xué)生真實的學(xué)習(xí)近況，鼓勵引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)和完成期末總結(jié)性評估。期末成績評估要避免“唯考試”的考查方式，可以由作業(yè)、實驗報告與期末考試等形式共同組成，這有助于高等教育評估的公平性與精確性。在評分標(biāo)準(zhǔn)上更要提高對學(xué)生的透明度與知情權(quán)，嚴(yán)禁抄襲現(xiàn)象，設(shè)置并嚴(yán)格實施懲罰措施，營造一個公平、自主的學(xué)習(xí)環(huán)境。

四、結(jié)語

“熱力學(xué)”是土木工程專業(yè)的核心課程之一，由于課程內(nèi)容知識點繁多、理論抽象，短時間內(nèi)學(xué)生較難完全掌握。本文以蘭卡斯特大學(xué)工程系的熱力學(xué)模塊的教學(xué)為例深入剖析了“熱力學(xué)”課程在英國教學(xué)的現(xiàn)狀，突出探討了英國模式的優(yōu)點，并提出了發(fā)展我國該課程教學(xué)模式的建議。中國傳統(tǒng)教學(xué)模式與新理念結(jié)合，能夠充分激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，培養(yǎng)學(xué)生的批判思考能力，發(fā)展學(xué)生的職業(yè)發(fā)展興趣，以培養(yǎng)高素質(zhì)高標(biāo)準(zhǔn)的國際復(fù)合工程專業(yè)人才。

參考文獻

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Exploration and Enlightenment of the Teaching Mode of Thermodynamics Course：

A Case Study of Lancaster University （UK）

CHI Yin1，2， HUANG Bo2， XU Meng-yi3， LIU Su-mei1

（1. School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China;2. Department of Engineering， Lancaster University， Lancaster， England LA14YW， the U.K.;3. School of Management， Anglia Ruskin University， Cambridge， England CM11SQ， the U.K.）

Abstract： This paper takes the Thermodynamics course of the Department of Engineering in Lancaster University as an example， expounds the typical teaching model of engineering subject in Britain from the aspects of course development， teaching form， course practice and performance assessment. Combined with the current situation of higher education in engineering subject in China， this paper puts forward the teaching methods of improving and developing the related courses of engineering subject in China in order to cultivate students scientific thinking literacy， scientific exploration spirit and independent innovative learning consciousness， and at the same time to train high-quality and high-standard international compound professional talents for the country.

Key words： higher education; Thermodynamics; communication between China and Britain; teaching reform