“三位一体”教学模式在《燃烧学》课程的探索

  为了有效提高燃烧学课程的教学效果,提出了三位一体的新型教学模式:将教学内容所要求的知识点设计成层层递进的三个部分,匹配三种不同的教学方式,构建基于过程考核的三元评价体系方法。针对该课程教学不足,介绍了三位一体教学模式特点、设计及实施方法,该模式可形成一个内容方式评价的有机整体,使教师讲授教学、学生积极参与互动、科研创新训练三项活动形成互动机制,相互促进,增强成效,从而达到较好的教育教学效果。

 

目前,世界总能源的80%来自煤、石油、天然气等矿物燃料的燃烧,而且绝大部分污染物和CO2的排放也源自于燃烧。《燃烧学》正是研究燃料化学能向热能转换的一门专门课程,在能源高效利用、污染有效控制等节能减排方面具有举足轻重的地位。[1]国内著名高校在能源类专业培养方案中均开设了《燃烧理论》课程,《燃烧学》不仅为能源动力类专业的骨干课程,还可服务于自动化专业、化学工程、机械工程相关领域的本科教学。国内高校通常把本课程定位为专业必修课,大约48学时。

 

[2]《燃烧学》是一门具有复杂性和多学科交叉性的课程,特点是内容多、发展迅速、实用性强,涉及化学动力学、传热学、热力学、热化学、工程技术和高等数学等多学科知识,如何在有限的学时内完成教学任务是一个难题,特别是在教学学时不断受到压缩的情况下,教学内容和学时数之间的矛盾就更加突出了。在教学内容上,燃烧原理和燃烧技术在课程中都非常重要,如何处理好它们之间的关系直接关系到教学质量和教学效果。[34]

 

  中国矿业大学于2008开设了本课程,课程建设目前尚处于探索阶段,在此背景下,需对《燃烧理论》教学内容、教学方法以及评价体系进行调整,以适应能源与动力工程等相关专业学生继续深造和就业的要求。

 

  一、教学中存在的问题

 

  1.从教学内容来看,由于化学热力学和热科学传递现象耦合过程过于复杂,产生了火焰结构、火焰传播速度、火焰稳定、火焰极限、点火和熄灭等诸多物理化学现象或知识,导致概念难理解、现象不直观性和理论缺乏前沿性。[3](1)学生对于传递现象、Fick扩散定律方程以及Arrinus定律这些抽象模型的物理本质理解存在一定的困难。(2)学生对于层流预混火焰、层流扩散火焰、液滴火焰等燃烧现象没有直观认识。(3)目前,无论是燃烧理论还是燃烧技术,仍然处于不断发展的状态。而《燃烧理论》课程的内容却是相对固定的,难以适应教学对象和环境的变化,自然对学生的吸引力也就降低了。

 

  2.从教学方式来看,基本以课堂讲授为主,手段单一,通过燃烧学教师的传道、授业、解惑,可以使学生在短时间内了解和掌握较为系统、全面的燃烧学知识;但教师占用了太多的教学时间,课堂气氛较沉闷,学生在教学过程中处于被动接受的地位,限制了学生主观能动性的发挥,进而阻碍了学生创新精神和实践能力的形成。

 “三位一体”教学模式在《燃烧学》课程的探索

  3.从评价体系来说,原考核方式主要包括两部分:闭卷考试成绩(70%)和平时成绩(30%)。这种考试方式存在以下主要问题:一是考试形式单一,缺乏对课程考核的过程管理,不能全面地反映学生的真实水平;二是知识考核多,能力考核少,课程考试内容局限于教材、课堂笔记、教师划定的范围和指定的重点,缺乏对学生综合能力和素质的评价。因此,很容易形成平时不学,考前突击的作风,教学效果不理想。

 

  二、教学模式改革

 

  针对《燃烧学》课程特点以及我校教学中存在的问题,我们在课程实践中提出三位一体的新型教学模式:将教学内容所要求的知识点设计成层层递进的三个部分(难以理解的定义、机理、技术原理;缺乏直观认识的燃烧现象;发展中的前沿性课题),以三种与之相匹配的教学方式(多样性的课堂讲授,简短、开放、快捷、灵活、互动的大学生微视频为形式的自主式互评活动和探究式的科研创新训练),构建基于过程考核的三元评价体系(闭卷考试、微视频材料、科研报告),从而形成一个内容方式评价的有机整体,使教师讲授教学、学生积极参与互动、科研创新训练三项活动形成互动机制,相互促进,增强成效。该教学模式由浅入深,让学生掌握所需要的知识点,有利于进一步提高学生的积极性和主动性,也有利于就一些前言性问题对学生进行合理引导,达到既加深学生对理论知识的理解,又提高学生的综合思维能力和分析能力,从而培养适应新世纪我国现代化建设需要的具有创新精神、实践能力的高素质人才。

 

1.课程设计。以《燃烧学》课程内容为基础,开展多样化的教学形式,构建综合评价体系。(1)教学内容的合理分配。根据三项教学方式的特点,对教学内容进行分配,这样一方面可以保证课程内容的完整性,另一方面可以实现教师讲授教学、学生积极参与互动、科研创新训练三项活动的有机结合,获得更好的教学效果。(2)多样性的课堂讲授。采用问题驱动的知识引入、启发式的提问方法及板书和多媒体工具的交叉应用,将枯燥和抽象的理论与概念形象化。(3)以大学生微视频为形式的自主式互评方式。

 

微视频短则30秒,长则不超过20分钟,内容广泛,视频形态多样,短、快、精是其最大的特点。它已经成为大学生社会交往和表达的重要方式。这部分教学实行团队制度,即68人自由组成一个团队参与研讨活动,在视频制作过程中,教师要起到引导作用,还要积极主动对评价过程实行有效的监督和控制。(4)探究式的科研创新训练。通过开展课程内学术前沿讲座让学生了解学科发展的最新动态,进一步设计难度适中、应用性强、趣味性强的科研训练题目,引导学生积极主动进行创新训练,是一项具有实践性的研究课题。(5)多元评价体系的构建。由于实行多种教学方式,这样学生成绩就不仅仅依赖于考试成绩,而是一个基于过程的包括多项成绩在内的综合成绩,从而实现评价体系的过程性和多元性,以获得一种更准确的评价结果,同时可以改善某些学生平时不学,考前突击的不良学习风气。

 

2.课程实施。根据教学过程可分为备课阶段、课堂教学阶段、课下作业阶段和成绩评定阶段。(1)在备课阶段,根据课程内容进行调整,并对微视频内容及科研训练课题进行设计。教学内容调整为三个部分:第一部分为难以理解的定义、机理、技术原理等知识,掌握这些知识是完成后两部分的前提和基础;第二部分为挑选和设计容易制作微视频的直观燃烧现象,并介绍制作微视频的预备知识,让学生对微视频的基本情况作一个初步了解,从而引出所要进行的微视频的内容;第三部分为选择适宜的科研创新训练前言课题,激励学生进行探究式科研活动。同时,注意添加一些趣味性的知识点:在燃料这一章补充一些新奇的燃料,诸如吃火锅用的固体酒精、海底的绿藻、南极的可燃冰等。

 

(2)在课堂教学阶段:采用视频展示、图片展示、表格对比等多样性的教学手段进行启发式课堂讲授,引入一些生活中常见的燃烧现象来解释一些抽象的燃烧理论。例如:例用家用多孔燃气灶来详细解释扩散预混火焰;在讲解活化能这个概念时,可利用origin软件详细讲解活化能的求解过程。

 

以大学生微视频为形式的自主式互评方式开展教学活动,应尽可能地采用师生互动的方式,营造一种会话式教学氛围,激发学生的学习热情,可设计一些学生感兴趣的热点话题,引导学生展开谈论,教师应注意把握启发激励、掌握进程、突出主题、加强引导的原则,保证过程的活跃性和可控性。

 

让学生了解最新的燃烧技术(如富氧燃烧技术、化学链燃烧技术),脱硫、脱硝以及二氧化碳减排和储存方面的最新技术,并引导学生从燃烧原理角度对这些新技术进行解释。(3)在课下作业阶段,实施基于团队合作的微视频及科研训练准备工作。根据各自要求,积极引导学生如何收集资料、理清思路、准备视频、撰写报告,如何进行汇报,如何分工合作。在增强学生综合能力的同时,培养学生的团队精神和创新能力。(4)在成绩评定阶段,构建基于过程的多元评价体系。采用综合评判的方式,综合点名成绩、自主式互评成绩、研究报告成绩、闭卷考试成绩等因素,构建一种基于过程而不仅仅是考试成绩的多元评价体系。

 

  综上所述,燃烧学教学如何提高教学效果,解决学生难学、教师难讲的问题,是目前多数青年教师一直思索的问题。三位一体教学模式符合学生的认知规律,有利于调动学生的学习积极性,培养学生自主学习的习惯,有利于拓宽学生的知识面,培养学生的应用能力、团队精神、合作意识、勇于创新等多方面的综合素质。

 

  作者:王珂 张保生 赵鹏飞 来源:教育教学论坛 201626