第5章教学实践与分析

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1、第5章 教学实践与分析下面将基于CSCL的研究性学习平台的活动设计流程应用于热力学基本原理教学设计中。热学是湖南大学大学物理（上册）第11章和第12章的教学内容。我们选取其中的两个主题：热力学中能量知识能力结构和PBL在热力学中的应用开展教学活动。5.1 热力学中能量知识能力结构的研究1. 课程目标分析大学物理协作式研究性学习互动平台的使用对象定位在湖南大学所有理工科一二年级必修大学物理课程的学生。要求学习者通过这样一个互动平台能够更加方便的与其他学习者或者教师进行协同学习，共同讨论，共同提高，通过教师布置的课题任务进一步加深对大学物理学知识的理解，能够熟练的运用研究性学习学会与人合作，学习和

2、生活，体现协作式研究性学习的特点，知其然更知其所以然，促进知识的建构。2. 知识内容分析在热力学能量知识结构研究这一主题下，对于热力学基本原理的学习和理解是进一步加深对能量守恒定律认识的一个重要过程。通过分析热力学过程中功、热量与内能变化之间的关系引入热力学第一定律。作为应用的具体例子，讨论和计算理想气体几种典型准静态过程（主要为等温、等容、等压、绝热过程）中功、热量与内能变化的情况，热机效率的计算为综合应用。对功变热及热传导过程进行分析可以得到反映力学过程进行的方向性的基本规律热力学第二定律的两种表述；对可逆与不可逆过程的分析可以揭示出热力学第二定律两种表述的共同本质；对典型不可逆过程作微观

3、分析可以挖掘出不可逆过程的微观实质从无序走向有序；利用熵来描述热力学系统的无序程度，可以导出热力学第二定律的数学表达式。热力学能量知识结构对于大学低年级的学生来说并不是全新的知识，热学部分的知识学生在初高中阶段就有了不同程度的了解，如何使学生系统准确的掌握热力学过程所服从的基本规律，从而建立起热力学理论体系，并进一步用于分析和研究各种具体的热现象与热力学过程才是这个章节的重点。本课程采用网络协作式研究性学习活动方式，教学目标主要靠小组协作探究来落实，通过活动过程分析和成果分析等来考察是否达到了学生的学习目标。3. 学习者分析学生在网络环境下的自我调控能力有待加强，并且缺乏网络环境下的学习计划、

4、自控和反思能力。所以在整个学习活动的每一阶段都需要教师给与引导和监督，否则进行协作式研究性学习只会流于形式。以任务主题的形式进行协作式研究性学习，可以提高学生学习的积极性和学习的自主性，而以平台来支撑学习环境，便于教师的引导促进，保证学习的顺利开展。4. 协作式研究性学习活动目标设计基于平台的学习活动的基础目标，按照互动教学的理论基础的思考，依据大学物理教学目标（了解、理解、掌握）三个层次要求，我们将学习目标分为知识技能目标、方法策略目标和态度体验目标。（1）知识技能目标：掌握功、热量和内能的概念，理解平衡过程，掌握热力学第一定律，掌握理想气体各等值过程和绝热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺

5、循环的效率；理解宏观过程方向性的微观本质和可逆、不可逆过程，理解热力学第二定律及两种表述的等价性，了解热力学第二定律的统计意义，理解熵和熵增加原理。（2）方法策略目标：提高分析问题、解决问题的能力，加强资料收集、整理、加工的能力，培养合作意识、协作交流能力和反思评价能力。（3）态度体验目标：使学生认识到微观和宏观的相互转化是研究物理的科学方法之一。培养学生热爱科学，实事求是的学风和创新意识，创新精神。5. 学习活动任务情境设计通过对课程内容和学习目标的分析，确定采用基于平台的协作式研究性学习活动方式，对活动任务和学习环境的相关设计是开展学习活动的基础。所以从任务的驱动性，易参与性，生成性和促进

6、知识建构的角度出发，主题设计的活动是小组主题作品报告创作，要求小组通过协作交互，将问题探究，知识探索融入作品。普通物理学既可从力、热、光、电、原子的角度建立“五板块”知识结构，又可从能量、实验、历史等角度建立知识结构。热力学部分从能量的角度建立热学知识结构。由于学习的课程已经由力学到了热学，从机械运动到了热运动，研究对象发生了变化，这也导致了新的概念，新的特征，新的描述和新的思维方法的出现，并引起基本观念和基本性质的深刻变化。纵观热学发展史，有许多科学研究和发明的产生都为研究性学习的开展提供了大量支撑。如果需要你在热学这门学科中选择一个主题来为其他同学做一个报告，你需要准备哪些基础知识？（1）

7、能够画出热学中的功能关系知识结构图，能推导出知识结构图中的各种关系；（2）通过推导认识以下关系和规律，并能利用它们解决物理问题。l 掌握功、热量与内能等重要概念。注意应用热力学第一定律时，有关物理量的符号约定。l 掌握理想气体准静态过程中功、热量与内能等的计算。应抓住要害，掌握方法：内能计算是基础，功的计算是关键，第一定律是桥梁（求热量）。l 掌握循环与热机效率的计算方法：主要归结为循环过程中各子过程是吸热还是放热的分析及其量值的计算。l 推导出热力学第一定律对理想气体四种等值过程的应用的各种关系，能画出理想气体四种等值过程中的功能关系知识结构图，要求包含：特征、状态方程、PV图、热量、功、内

8、能增量、三个量的关系、摩尔热容等内容。l 理解热力学第二定律的两种表述，宏观与微观本质；了解熵的概念及热力学第二定律的数学表述。大家尽量在学习过程中抓住自己感兴趣的知识点，多收集资料，进行深入学习和分析，大家将以小组合作的形式，建立学习共同体共同完成各小组报告，然后提交后与其他同学分享。6. 活动流程及活动方式设计本次学习活动完成的时间大约需要两周。活动顺序基本采用协作式研究性学习模式提供的流程，即明确任务，小组计划，协作研究，成果汇总提交，反思评价。将活动流程与具体学习目标对照，进一步细化学习目标，使活动的每一过程与应达到的学习目标对应，理顺设计思路，如表5.1。表5.1 协作式研究性学习活

9、动流程表具体目标活动过程知识技能目标方法策略目标态度体验目标明确任务回忆先知分析判断激发兴趣小组计划接受新知资料收集整理交流思想协作研究探究新知问题分解，分工合作，解决问题情感体验成果汇总提交报告撰写教师指导情感体验最后评价建构知识反思评价情感升华根据上述具体目标的填写，表5.2给不同的学习阶段设计不同的子活动类型。表5.2 各阶段子活动类型表具体目标活动过程知识技能目标方法策略目标态度体验目标明确任务目标提示，任务呈现，先决知识考察，基础知识讲授、确定小组研究内容，资源提供小组计划问题分解，小组分工，思想交流协作研究收集资料、获取信息，对资料加工处理，报告撰写，组内成果发布成果汇总提交报告、

10、小组计划任务表、分工表提交，报告展示最后评价自评，组内互评，小组自评，组间互评，教师对个体和小组评价，教师总结性评价7. 活动内容设计对建构主义学习理论的“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构” 等四大学习环境要素和WebQuest课程计划的引言、任务、过程、资源、评估和结论六个模块的分析，结合课程内容，分别设计各部分学习活动内容，如表5.3。表5.3 各部分学习活动内容表活动流程子活动类型学习活动内容设计活动形式明确任务目标提示同学们，我们将在互动学习平台上学习热力学能量知识结构研究一课，通过同学们协同学习和自主探究，要求大家掌握功、热量和内能的概念，理解平衡过程，掌握热力学第一定律，掌握

11、理想气体各等值过程和绝热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺循环的效率；理解宏观过程方向性的微观本质和可逆、不可逆过程，理解热力学第二定律及两种表述的等价性，了解热力学第二定律的统计意义，理解熵和熵增加原理关于这一研究主题，我们继续采用小组学习和个人学习相结合的方式，大家可以在教师指导下完成学习任务活动，最终得到小组报告，这将是一个非常有意义的学习过程。下面我们开始体验之旅公告栏任务呈现普通物理学既可从力、热、光、电、原子的角度建立“五板块”知识结构，又可从能量、实验、历史等角度建立知识结构。热力学部分从能量的角度建立热学知识结构。由于学习的课程已经由力学到了热学，从机械运动到了热运动，研究对象

12、发生了变化，这也导致了新的概念，新的特征，新的描述和新的思维方法的出现，并引起基本观念和基本性质的深刻变化。纵观热学发展史，有许多科学研究和发明的产生都为研究性学习的开展提供了大量支撑。如果需要你在热学这门学科中选择一个主题来为其他同学做一个报告，你需要准备以下基础知识能够画出热学中的功能关系知识结构图，能推导出知识结构图中的各种关系通过推导认识以下关系和规律，并能利用它们解决物理问题l 掌握功、热量与内能等重要概念。注意应用热力学第一定律时，有关物理量的符号约定l 掌握理想气体准静态过程中功、热量与内能等的计算。应抓住要害，掌握方法：内能计算是基础，功的计算是关键，第一定律是桥梁（求热量）l

13、 掌握循环与热机效率的计算方法：主要归结为循环过程中各子过程是吸热还是放热的分析及其量值的计算l 推导出热力学第一定律对理想气体四种等值过程的应用的各种关系，能画出理想气体四种等值过程中的功能关系知识结构图，要求包含：特征、状态方程、PV图、热量、功、内能增量、三个量的关系、摩尔热容等内容l 理解热力学第二定律的两种表述，宏观与微观本质；了解熵的概念及热力学第二定律的数学表述大家尽量在学习过程中抓住自己感兴趣的知识点，多收集资料，进行深入学习和分析，大家将以小组合作的形式，建立学习共同体共同完成各小组报告，然后提交后与其他同学分享公告栏、置顶精华帖先决知识考察1.已知温度为27的气体作用于期比

14、上的压强为105Pa，求此气体内单位体积里的分子数2.已知275K和1.00103Pa条件下气体的密度 = 1.2410-5gcm-3，求：（1）气体的方均根速率；（2）气体的摩尔质量，并指出是什么气体3.某些恒星的温度达到108K的数量级，此时原子已不存在，只有质子存在，求：（1）质子的平均动能；（2）质子的方均根速率4.质量为6.210-14g的微粒悬浮于27的液体中，观察到它的方均根速率为1.4cms-1由这些结果计算阿佛加德罗常数NA5.在标准状态下CO2气体分子的平均自由程= 6.2910-8m，求两次碰撞之间的平均时间和CO2气体分子的有效直径论坛调查、电子白板基础知识讲授确定小组

15、研究内容普通物理学中热力学的知识可以由热力学第一定律推导而来。我们可以先对热一律中涉及的三个量：热量、内能、功的计算方法作探讨，列出热一律在理想气体中的应用，如图5.1。然后，把等容过程、等温过程、等压过程、绝热过程看作四个基本过程，用他们中的34个过程组合成多个正循环过程和逆循环过程，分别计算了多个正循环过程的热机效率和多个逆循环过程的制冷系数，得出了只有卡诺循环的效率就高的结论热力学第二定律是独立于热力学第一定律的另一实验定律，它指出系统变化进行的可能方向和达到平衡的必要条件，是自然界最基本、最普遍的规律之一引入熵，热力学第二定律可表述为：孤立系内，任何变化不可能导致熵的总值减少,即 S

16、0 (孤立系)“=”号-绝热可逆等熵过程“”号-绝热不可逆熵增加过程基础知识部分已经讲授完毕了，大家肯定能在其中发现自己感兴趣的知识点，下面请大家根据分组，讨论确定小组研究内容公告栏、电子白板资源提供下面提供给同学们一些资源，包括网络链接地址，Word、PDF文档以及热力学知识的相关flash动画演示，请大家认真查阅资料。并在阅读资料的过程中把你认为重要的内容记录到小组空间（1）网络链接地址热力学四大定律发现者,历史过程http:/www.instrument. BBSArchive_771826_1.htm制冷的基本热力学原理熵：冷冻的尸体比活人更有序（2）WORD文档：热力学基础、热力学第

17、一定律的建立（3）PDF文档：热力学定律的知识整合与例析；永动机与热力学定律；用热力学原理测量循环水流量；熵与绝热去磁制冷的物理原理；范氏气体准静态过程的研究；实际的内能和摩尔热容量（4）热力学知识的相关flash动画演示和外文程序库不可逆过程、等容过程、等温过程、电冰箱的工作原理、卡诺循环、麦氏分布与温度、热机、自由膨胀不可逆等flash动画实验学物理程序库（java）论坛附件资源共享、小组空间小组计划问题分解小组分工大家可以看到自己所在小组成员名单了，然后再小组聊天室或者电子白板上与你的伙伴们交流一下工作内容，对内容进行分解确定分工吧。这时你们应该能明确自己的研究方向了小组空间、电子白板思

18、想交流请大家根据分组，通过小组合作来完成你们自己小组选定的小课题任务报告，比如卡诺的遗憾、永动机研究的历史经验和教训或者热力学第一定律与热力学第二定律的逻辑联系、热机或者制冷剂的调查报告、耗散结构理论在国家关系中的应用等等，选题不要太大太难，也不要太容易，根据我们之前讲座的时候说的研究性学习课题选择的原则来确定论坛聊天室、电子白板协作研究收集资料获取信息经过前面的准备计划工作，现在到了大家各显身手的时候了，看看谁的研究内容最丰富，最有深度，报告阐述的最清楚。请各位同学根据自己的分工，确定准备的关键词，带着你们的问题查找资料，在网上图书馆里面搜索期刊文献，在百度和Google中进行信息检索。大家

19、分头行动吧小组空间对资料加工处理请大家仔细的阅读分析你们所查找的资料，提取其中的有效信息，多角度，全面的分析总结归纳有用信息小组空间，论坛报告撰写组长负责将个人报告汇总，在小组空间贴出，撰写小组报告。其中小组报告撰写要点包括：（小组）课题提出、任务驱动、研究过程、学习资源、成果与评价、结论与体会等。大家的研究报告都必须遵照建构主义学习理论进行设计和完成，包含或隐含以下基本要素：情境要素；任务要素；组织要素；过程要素；资源要素；评价要素小组空间组内成果发布组长在组内同时发布个人分报告和小组报告，并讨论改进小组空间，成果提交作品提交展示请各小组组长将小组报告和个人报告、小组计划任务表、分工表提交尽

20、快提交。待报告提交截止后进行报告展示公告栏，资源上传最后评价评价大家可以就任务的设计、实施过程、所取得的成果和学习效果进行总结；对意义建构的归纳总结（认知、态度、情感等）；就你们选择的任务拓展的新问题进一步思考和探究。各小组报告和个人报告如下，请同学们做出评价，可以指出不足，也可以说出优点，评价形式包括个人报告自评、组内互评，小组报告自评、组间互评，教师对个体和小组评价，教师总结性评价电子版版和论坛图5.1 热一律在理想气体中的应用8.学习活动的开展（具体过程略）（1）用公告栏实现目标提示图5.2 公告栏实现目标提示（2）用公告栏实现学习活动任务的呈现图5.3 学习活动任务的呈现（3）论坛实现

21、先决知识的考察图5.4 先决知识的考察（4）用公告栏呈现活动主题的基础知识图5.5 活动主题的基础知识（5）用资源共享工具实现资源提供图5.6 资源提供的实现（6）对学习者进行学习风格测量，教师根据多种因素对学生分组。用电子白板，小组留言板和论坛系统实现各个小组内部的实时讨论和异步交流。同时小组长记录小组讨论的结果，包括研究内容、研究思路、小组计划和分工等。（7）提供给各个小组网上资源收集的范例，教师给与适当引导。（8）先实现组内成果共享，小组各成员提交各自的学习任务心得报告，组内成员互评。（9）学生通过在论坛系统提交小组作品，教师在论坛中给每个小组设立一个主题帖，限定作品提交时间，所有小组作

22、品提交完成后，实现所有小组成果共享。小组之间才可以互相阅读分享。（10）对小组成果进行评价。每个同学都可以对各小组作品评价。5.2 PBL在热力学中的应用在基本要求的教学内容要求中对热力学部分提出了10条核心内容，4条扩展内容。表5.4是PBL教学主要考虑的热力学A类知识点细分PBL问题和教学建议表。表5.4 热力学A类知识点细分PBL问题和教学建议表主题名称PBL问题数说明和建议平衡态、态参量、热力学第零定律21.对于中学物理介绍较多的气体宏观规律，如气体的舞台方程、热力学第一定律等应注意展开适度，减少不必要的重复2.温度是热学的重要概念，除了说明温度的统计意义外，还应讲述为其提供实验基础的

23、热力学第零定律3.注重讲授大量粒子组成的系统统计研究方法和规律，以及热现象研究中宏观量与微观量之间的区别与联系4.通过理想气体压强和气体分子平均自由程等公式建立讲授科学研究的建模方法5.要强调热力学第二定律从重要性，使学生理解和掌握熵和熵增加原理是自然界最普遍实用的定律之一理想气体物态方程4准静态过程、热量和内能4热力学第一定律、典型热力学过程7循环过程、卡诺循环、热机效率、制冷系数10热力学第二定律、熵和熵增加原理、玻尔兹曼熵关系式15统计规律、理想气体的压强和温度6理想气体的内能、能量按自由度均分定理4麦克斯韦速率分布律、三种统计速率8气体分子的平均碰撞频率和平均自由程3根据在国内大学最有

24、可能推广实行的基于问题的学习Problem-based learning这一基本模式，按照中学与大学物理知识衔接与过渡的需要、学生学习普遍难点、知识应用扩展等，我们制定了webquest的问题库，图5.7是热力学部分问题库。图5.7热力学webquest问题库学生参考5.1中的活动步骤进行基于问题的自主学习与协作学习，过程与表5.1中的主题发布学习过程类似，这里不再叙述。教师给出或学生经过引导解决问题。以问题1（热力学中经常用到理想气体,理想气体与热力学究竟是什么关系?）为例，引导步骤如下：1. 让学生明白热力学的理论框架无需理想气体。让学生小组总结基础物理热力学的理论框架。2. 归纳总结理想气体在热力学中的作用，包括理想气体为热力学提供了一个简单的实例和理想气体为测量热力学温度提供了一种简单的温度计。然后教师和学生根据PBL学习过程做出总结评价。