热力学三大定律混合式智慧教学方法研究

［摘 要］ 热力学三大定律是物理、化学、材料等理工类学科的基础课程内容，对理论研究和实践应用均有非常重要的指导作用，但因其理论性较强，概念也相对抽象，不太容易被学生理解和掌握。为进一步激发学生的学习兴趣，调动学生的主观能动性，提升育人效果，通过阐述热力学三大定律实施混合式智慧教学的意义、具体实施方法及相应的评价机制，同时注重思政元素与课程体系的有机融合，实现教学模式的创新发展，并落实立德树人根本任务。

［关键词］ 热力学三大定律；智慧教学；思政元素

［基金项目］ 2020年度河南省本科高校课程思政项目“热学”（教高〔2020〕531号）；2021年度河南省一流本科课程“热学”（教高〔2021〕174号）；2021年度河南省教师教育课程改革研究项目“构建师范专业物理学基础课程协作教学模式培养卓越教师物理核心素养”（2021-JSJYYB-021）

［作者简介］ 陈明星（1989—），男，河南长垣人，博士，河南师范大学材料科学与工程学院讲师，主要从事电催化研究；齐 静（1992—），女，辽宁昌图人，博士，河南师范大学材料科学与工程学院讲师，主要从事电催化研究；贾光瑞（1980—），男，河南长垣人，博士，河南师范大学材料科学与工程学院副教授（通信作者），主要从事光电材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）27-0129-04 ［收稿日期］ 2022-09-16

热力学是自然科学的重要分支之一，主要研究宏观系统的热现象及与其他形式能量之间的相互转化关系，适用于科学和工程的众多领域［1］。热力学三大定律是热学、物理化学等课程中最基本的定律，具有高度的普适性和可靠性，其概念、方法、结论等甚至被社会学科所引用。热力学三大定律也是解决实际问题的理论依据，对生产生活均有指导意义，因此占据十分重要的地位。由于热力学三大定律涉及抽象的概念、繁多的公式、晦涩的理论及复杂的计算等，按照传统课堂以教师为中心的教学模式，教师在教学活动中占据主体地位，学生的参与度较低，学习的自觉性、积极性和主动性不高，导致学生在学习热力学三大定律相关内容的过程中，觉得较为“难学、难懂、难掌握”，从而容易产生畏难心理和厌学情绪。教师“满堂灌”“一言堂”“单声道”的教学效果不理想，也不能及时地对学生的学习状况做出反馈和评价，因而呈现“学生难学、教师难教”的教学现状［2］。

新时代对热力学的教学改革发展提出了新的要求。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要用好课堂教学这个主渠道，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应［3］。各高校课程思政的建设正如火如荼地进行。以信息技术为代表的新兴产业在不断地重塑教育和学习的形态，为教育事业的发展带来了重大机遇。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中指出，要发挥在线教育优势，完善终身学习体系，建设学习型社会［4］。基于互联网技术的线上教育具有教学反馈即时化、教学资源多元化及师生交流立体化等特点［5］，为实现学习方式、教学结构、教学评价和师生关系等改革与优化创造了条件。对于理论性较强的热力学三大定律的教学，既要注重传统课堂的作用，也要加强新兴技术的应用。因此，通过不断探索和实践创新教育思想，改革教学模式，推动线上教育和线下教育的有机融合，对丰富学习资源，转变学习思路，激发学习兴趣，调动学习积极性，建立以学生为中心的教学方式，具有重要的意义。

线上线下混合式智慧教学有利于充分发挥线下教学与线上资源的优势，实现“1+1＞2”的效果，突出教师的主导作用和学生的主体地位，拓展课堂的互动性和开放性，促进学生能力提升和价值引领，提升教学效果［6］。本文基于“学生中心、产出导向、持续改进、立德树人”的教学理念，创新“课前—课中—课后”全过程混合式教学设计，探索思政元素的有机融入，优化整合线上线下资源，使热力学三大定律的教与学满足信息化时代的教学要求，创新智慧教学模式，提升智慧教学能力，丰富智慧教学资源，为全面提升人才培养质量、落实立德树人根本任务做出贡献。本文基于微课、慕课、雨课堂等在线平台，以热力学三大定律为具体课程内容，采用线上线下融合的方式，促进信息技术与教育教学深度融合，科学融入课程思政元素，重塑混合式智慧教学模式。

一、热力学三大定律混合式智慧教学的顶层设计

在智慧教育改革的大环境下，本文通过科学设计热力学教学模式，落实“学生中心、产出导向、持续改进、立德树人”的教学理念，优化整合线上线下资源，依据学生反馈持续更新改进，实现创新型人才的培养。

（一）“学生中心”的智慧教学设计

本文采用“课前—课中—课后”的教学模式，首先，在课前推送PPT或讲解知识点的短视频，引导学生开展探究性学习。其次，根据学生的课前预习情况，在课中基于学生感兴趣的点引入新课或基于相关任务对学生进行分组协作学习。最后，针对学生的课堂表现情况，布置个性化的课后练习题，鼓励学生利用相关软件平台做出及时的反馈。同时，结合热力学三大定律的发展历史。科学家的精神与历程等，实现润物无声的课程思政建设。

（二）“相互赋能”的课程资源优化

线上线下混合式教学并非将一部分章节放在线上，另一部分章节安排在线下，而是把二者看成密不可分的整体。本文基于先进的教育理念，辩证地看待传统课堂与现代技术的作用，避免信息技术与教育的割裂，科学探索“线上+线下”的优化整合以及评价机制，实现课程开发和教学模式的创新性发展。

二、热力学三大定律混合式智慧教学的实施方案

（一）智慧教学课堂的设计

基于以人为本和立德树人的教学理念，本文采用“课前—课中—课后”的教学模式（图1）。首先，在课前为学生推送热力学PPT，结合视频、图片及声音等多媒体形式引入故事，设置情境，提出问题等，激发学生对热力学的学习热情和兴趣。之后引导学生开展探究性学习，查阅相关资料，了解热力学的历史发展，明确热力学的重点和难点，并通过投票或练习题对学生的生活经验、知识基础及学习习惯等进行学情分析。其次，根据学生的课前预习情况，在课中选取学生感兴趣的故事、人物、新闻、历史等，巧妙地融入爱国主义情怀、民族精神、传统文化及大国工匠等思政元素，以此引入新课知识点的讲解，或布置相关任务对学生进行分组协作学习，培养学生的竞争意识、合作意识、团结意识及创新意识，提高科学文化素养和实际应用能力。教师根据学习软件的实时反馈（如不懂反馈、弹幕讨论、随堂测评等）了解学生的课堂学习情况，在听懂课程内容、掌握知识点的基础上，鼓励学生探究热力学相关知识的前沿进展、实际应用以及可拓展延伸的相关领域。最后，教师根据学生课堂表现情况和本节课的学习数据，布置个性化的课后练习题以巩固课堂知识，设置部分主观题让学生发散思维，或提供虚拟仿真实验平台让学生提高应用能力，鼓励学生在学习平台发布学习心得体会，对课堂效果及时进行反馈，实现以学定教的课堂转型。

（二）智慧互动课堂的构建

基于线上线下构建研讨式、体验式及开放式的创新互动教学新模式，如探究学习、协作学习等进行课堂翻转，帮助有相同学习需求和兴趣的学生形成学习共同体，通过实时反馈，指导帮助小组的讨论和合作探究，培养学生团结协作、互学互鉴和责任担当意识。

探究学习是指在教师的启发和引导下，学生基于学科内容知识点发现并提出问题，利用丰富的线上资源和线下资料，经过调查研究和分析研讨，最终解决问题、掌握知识。例如，冰箱和空调都有调节温度的功能，那么夏天将室内冰箱的门打开，再接通电源并紧闭门窗，能否使室内的温度降低，冰箱是否具备空调的降温作用呢？以此为问题，鼓励学生通过互联网、课本书籍等，查询总结各种学习资源，探究热现象的本质，培养学生的创新精神和实践能力，以此提高学生的课程参与度和积极性，让学生由被动接受转为主动探究获取，不仅掌握了具体的知识，还掌握了多种解决问题的方法和培养了思考问题的能力，并朝着自主探索、独立学习的方向发展。

协作学习是一种通过小组团队的形式组织学生学习的策略。群体动力学理论认为，当一群人为公共任务而努力工作时，个人的智力水平、知识结构及思维方式等都能得到互补，因而能促进问题的解决和任务的完成。按照4～6人一组将学生分为若干小组，布置相同或不同任务。例如，永动机有哪些分类？为什么不能实现？小组根据课下分工，在课堂规定的时间内阐述观点或者原因，通过教师点评、小组互评和学生自评等方式进行成绩评定。基于小组团队模式的协作性学习，既有内部合作，又有外部竞争，可利用信息技术的即时通信、资源共享等优势，通过商讨、争论、协商、竞争及分享等方式对学习内容进行论证，完成学习目标。这样有利于提高课堂效率，培养学生的高阶认知技能和人际交往技能，同时也锻炼了表达能力与交流能力。

三、热力学三大定律混合式智慧教学的亮点

（一）强化课程思政建设，落实立德树人根本任务

热力学课程的公式推导多，概念原理多，内容抽象，逻辑性强。因此，在教学中更要遵循隐性教育理念，将思政元素和热力学知识有机融合，做到大道至简、润物无声。

在课前，注重积累热力学发展史、科学家逸事、中华优秀传统文化、国家发展政策和最新发展前沿动态，并建立思政元素库。牢记立德树人的教育使命，充分发掘课程中的思政元素，激发学生求真务实的科学精神和追求理想的科学品质，培养科技报国的家国情怀和使命担当。例如，在热力学三大定律讲授中，课前通过雨课堂发布热力学三大定律发展的小故事，了解恩斯特·迈尔、赫姆霍兹和詹姆斯·普雷斯科特·焦耳等科学家的实验探索过程，使学生体会到认识世界需要长期的理论积累。

在课堂上，将理论知识和思政元素有机融合。例如，讲述热力学第一定律的内容时，既不依靠外界供给能量，也不减少本身能量，却能不断地对外工作的第一类永动机是不可能存在的。机器如此，人也是一样。只有好好学习并储备知识，让自身强大起来，将来才能成为对社会有用的人才，也就是说不劳而获、坐享其成是违反热力学第一定律的。热力学第二定律涉及热机工作原理和热机效率问题，简要介绍热机的发展历程，如从瓦特改良蒸汽机到世界上第一台可连续工作的蒸汽机，再到将它用于船舶、铁路机车、内燃机、电力机车及高铁等。中国高铁经历从无到有，从追赶到超越，目前中国自主研发的“复兴号”高铁处于世界领先水平，且我国正在积极研发下一代超级高铁，通过展示我国高铁的发展历程增强学生的民族荣誉感和自信心。根据第二类永动机是不可能造成的，强调实践是检验真理的唯一标准，任何理论知识都需要通过实践验证。结合热传导和热功转换的方向性和不可逆性，树立正确的生态文明理念，达到宣传节能减排和保护环境的目的。

在课后，运用开放性习题引导学生积极思考热力学在高新科技和日常生活中的应用。例如，搜集航天飞船隔热材料的演变，感受国家科技的飞快进步，激发学生的爱国主义情怀和使命担当，树立远大科学理想。了解内燃机和空调的工作原理，提高应用实践能力，培养创新意识。

（二）整合线上线下资源，提升知识的广度和深度

线上与线下是密不可分的，二者互为补充。本文通过探讨线上线下教学方法，针对性地促进线上线下的深度融合。例如，在课前线上自主学习阶段，主要侧重学生对知识重点、难点和盲点的了解，通过在线学习平台发布相关热力学PPT、学习小视频或课前测试题等资料，使学生明白本节课热力学知识的重点、难点和学习目标，督促学生围绕学习目标制订具体可行的学习计划，并接收学生预习情况的反馈，总结学生自学过程中遇到的问题，鼓励学生查阅相关资料并解决问题。在课中线下课程阶段，注重学生对知识点的掌握和应用，教师通过对知识重点和难点的系统讲解，巩固学生线上自学内容，组织小组讨论，加深对知识的理解和探究问题的根源，并有针对性地解答学生的共性问题。在课后阶段，强调知识的拓展和应用，通过布置主观题让学生发散思维，或基于虚拟仿真实验平台锻炼学生的实践应用能力，培养学生的创新意识。

（三）打造课后服务专区，培养高阶思维能力

以开放性问题代替封闭式作业，注重与真实生活情境的联系，引导学生开展创新、反思、批判的思维活动。例如在热化学章节，提出如何测量运载火箭所用推进剂的热值，以此判别燃料的质量；如何计算食品中营养成分的热值，从而指导营养滋补品的配方；在讲解制冷循环的原理、制冷装置和热泵装置时，可以与家用空调、冰箱等实际生活联系起来；在热机效率学习时，引导学生探究限制热机效率的主要因素，思考在技术层面提高热机效率的方法。

结语

本文以热力学三大定律为例，探索了混合式智慧教学的新模式，激发了学生的学习热情，提高了学生的课堂参与度和获得感，使学生具备探究热力学现象本质的科学思维和科学精神，并引导学生理论联系实际，加强培养学生的创新意识，实现知识目标、能力目标和育人目标相统一。