概念法教学模式在工科教学中实践与探讨

孙始财

山东科技大学土建学院 山东 青岛 266510

0 引言

在多年的教学实践中发现，很多工科专业学生在专业课程的学习过程中存在 “死记公式，忽视概念”的现象。在他们的认识中公式必须牢牢记住，而与公式直接密切关联的概念却往往被忽略。更有甚者，对公式中涉及的物理量及其物理意义一概不知，也不清楚公式的适应范围，只是生搬硬套。在计算具体的题目时，一旦计算结果不正确，就不知道该如何分析，也找不出原因在那里。当然，对于应用错误的公式碰巧得出正确结果的情况，更不可能意识到。在这种情况下，学生为了应付考试不得不进行大量的习题练习。即便如此，考试中出现平时训练中没有做过的题目，也照样束手无策。这种现象即我们常说的应试教学模式：例题-习题-解题方法分类-模拟考试-正式考试。这种模式在教师和学生头脑中早已轻车熟路、根深蒂固，可操作性极强。应试教学模式对于中学阶段的教学或许有它的实际作用，即应付高考。但是对大学教学，特别是工科专业课程的教学来说，没有太多的价值。因为工科专业课程中很多公式来源于工程实践和实验结果，并在技术发展过程中不断改进，同一个概念在不同的工程领域中可能有不同的表达公式。如果去死记硬背这些公式以及各自的应用条件，那是一件非常困难和枯燥的事情。实际上，这些公式根本无需去记忆，只要能够理解其对应的基本概念就足够了。在多年讲授《燃气燃烧与应用》课程的基础上，分析每年学生反馈的课堂教学信息，结合从事燃气行业的毕业生提供的信息，不断摸索、改进教学方法，提出概念法教学模式，并应用于该课程的教学实践，发现教学效果明显提高，而且学生学习的积极性和自觉性大大提高。这里，以概念法教学模式在《燃气燃烧与应用》课程中的教学实践为例，对其进行总结、探讨，供同行讨论交流。

1 概念法教学模式

概念是思维的基本形式之一，反映了客观事物的一般的、本质的特征。人类在认识过程中，把所感觉到的事物的共同特性提取出来、加以概括，就成为概念。概念不但是抽象思维的起点，也是任何学科知识结构体系的原始支撑点，是自然科学与人文科学的真正灵魂。然而，在长期的应试教学模式下，基本概念（特别是比较抽象的基本概念）的教学显得非常薄弱。尽管很多人认识到基本概念的重要性，但在教学过程的具体操作上，往往不自觉地退化到应试模式上。因此，要打破传统的应试教学模式，从根本上来讲，需要建立一套行之有效的新的概念法教学模式。概念法教学模式简要的内涵及形式为：概念理解-概念分析-概念组合-概念对比-概念应用。上述简要形式中并没有关于课程性质的限定，并且概念存在于任何课程中，也是任何课程的基础。所以，从理论上讲概念法教学适应于任何课程。但是，从可操作性和其自身要求来看，概念法教学模式更适合基础课程教学，如高等数学等。根据长期的教学实践和概念法理论，提出以概念贯穿公式，以概念贯穿章节的教学模式（这里仍简称之为概念法教学模式），极大地提高了课堂效率，获得了教与学双赢。

2 《燃气燃烧与应用》课程介绍

《燃气燃烧与应用》是建筑环境与设备工程专业的一门学位课程，授课内容要求学生具备较好的燃烧学、化学和物理学基础，大多数学生认为该课程枯燥难学、不易理解。现有版本的教材内容和章节组织结构基本相似，重点内容不够突出，明显优秀的教材缺乏。总结一下主要存在以下几个问题：①重点概念没有进行详细阐述，只是一般性简单描述，有的甚至没有任何解释，如火孔热强度的概念。这种情况下，如果授课教师缺乏教学经验、照本宣科，不加引导和强调的话，学生肯定会忽略它的重要性，那么后续课程的学习只能生搬硬套。②公式直接给出，没有任何推导。如华白指数公式，从表面看来，这个概念和公式简单、容易理解，实际上管网压力和燃气物性的不同，其表达式也不同，这也是华白指数和广义华白指数的区别。③同一个概念/公式出现在不同章节时，没有承上启下贯穿、过渡，而是直接给出其不同的表达形式。如喷嘴流量公式，在教材第七章第一节和第四节都用到这个物理量，但是教材中没有进行任何推导或说明就直接给出不同的公式。如果授课教师也不加以说明，很多学生会以为这又是一个新的公式。所以，如果忽视概念的重要性，一味地讲解计算公式和工艺/设备设计过程，可能会本末倒置。另外，这门课程安排在大四上学期，这时候很多学生面临考研和找工作，如果教学方法不当，学生很容易厌学，课堂出勤率很低，更谈不上教学效果。因此，探索一种实用的教学方法，不仅能提高课堂教学效果、激发学生的学习兴趣，而且更重要的是能为学生继续深造和以后的工作打下坚实的基础。

3 教学实施方法

在最初讲授《燃气燃烧与应用》课程时，主要采用以内容主线贯穿、循序渐进的方式，绝大多数学生也能够随堂理解授课内容。但是，当后续内容出现前面章节的概念而其表达形式与之不同时，学生普遍不能理解。例如火孔热强度的概念在教材中没有明确给出定义，教材中仅仅提到了燃烧热强度的概念，并且是在括号中用一句话说明的。然而火孔热强度是燃烧器设计过程中使用的非常重要的基本参数，教材中也频繁出现和应用。因此，在课程第一次出现火孔热强度概念时，就对其进行了严格的定义和详细的解释，并再三强调它的重要性，随之给出了扩散式燃烧器中火孔热强度的公式。后来讲到大气式燃烧器时，在随堂小测试中让学生结合火孔热强度的基本概念和扩散式燃烧器火孔热强度的公式，推导大气式燃烧器火孔热强度公式，结果令人吃惊：两个班级（合堂）68个学生，只有4个学生推导出来。这说明64个学生对火孔热强度的概念没有真正理解和掌握，他们困惑为什么同一个概念会出现两个不同的公式。在这种情况下，学生只能用记忆公式的办法弥补对概念的不理解。这种现象在讲授热力着火、支链着火、火焰传播速度、回火、脱火、华白指数等重要的概念时也出现类似的情况。后来笔者经过几次研究、改进教学方法，包括提问法、案例法、讨论法，都没有收到明显效果。在最近三年采用以概念贯穿公式，以概念贯穿章节的教学方法后，教学效果极大改善，学生普遍反应“这门课程只要好好听课，很简单”。在这里，还是以火孔热强度为例简单介绍这种概念法教学模式。

火孔热强度定义是单位时间燃烧器头部单位火孔面积燃气燃烧释放出的热量。根据这一定义，可以直接给出公式其中Q为单位时间燃气燃烧释放的热量，仅与燃气热值和燃气流量有关，与燃烧方式无关。所以无论是扩散式燃烧器、大气式燃烧器还是完全预混式燃烧器，都有Q=Hl×Lg。但是不同的燃烧方式引射的一次空气量不同，混合气体的流量也不同。所以，如果火孔出口速度相同，火孔面积A就不同。假设燃烧器火孔面积用A表示，则大气式燃烧器和完全预混式燃烧器的火孔面积A=将不同燃烧方式下Q和A的表达式分别代入火孔热强度的基本概念公式就很容易得到扩散式燃烧器火孔热强度大气式燃烧器和完全预混式燃烧器火孔热强度也就是教材中直接给出的公式 （在推导过程全部采用国际标准单位，所以不存在单位转化系数10-6）。这种概念法教学模式将不同章节中的火孔热强度概念和公式有机地串讲，学生不仅可以理解概念本身，而且能够区别不同工况下其不同的数学表达形式。这样可以通过一个概念（当然还有其它几个基本概念）将教材中第六章扩散式燃烧器、第七章大气式燃烧器和第八章完全预混式燃烧器中三种燃烧器的教学内容整合，强化共性，突出异性，把貌似各自独立的三章内容行云流水般地阐释清楚。这种概念法教学模式从最基本的概念入手，结合不同的条件一步步推导出实际应用的公式，学生一目了然，也不会出现公式错误套用的问题，使教与学都轻松高效，学生学习专业课程的兴趣也极大地提高。

4 总结

大多数工科专业课程的概念和公式较多，枯燥难学，无论是教师授课还是学生学习，都需要结合实际课程研究行之有效的方法。而教师采用恰当的课堂教学方法对提高课堂授课效率、激发学生学习兴趣和主动性非常关键。通过多年讲授《燃气燃烧与应用》课程，初步探索、积累、研究出的概念法教学模式以概念贯穿公式，以概念贯穿章节，在课堂教学实践中取得了非常明显的教学效果，并逐步应用到其它专业课程的教学过程，得到多届学生的肯定和欢迎。

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