基于问题驱动式方法的卡诺循环教学设计探究
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作者:许佳婷 王红霞 孙红辉
摘 要：本文介绍了基于问题驱动式教学方法的卡诺循环教学设计的过程，通过对教学内容、教学目的和教学手段方法的分析，设计了整个教学思路。紧紧围绕热机效率的主题展开，将与热机效率相关的几个问题串联起来，通过层层递进、步步深入的教学探讨，启发学生的思考和探究的能力，深化学生对热机效率、可逆过程和热机效率极限问题的理解。
关键词：热机效率 卡诺循环 可逆过程 卡诺定理
教学设计是根据教学内容、教学对象、教学目标、教学重点和难点情况来确定合适的教学方法和教学手段，将教学要素科学地安排、形成教学方案的过程;是为了学生实现有效学习而预先对教学进行的决策活动。在大学物理中，循环过程、卡诺循环、卡诺定理这部分内容都是围绕热机效率展开的，内容多、难度大，为了让学生更好地理解这部分内容，构建起知识的整个逻辑关系，并且由于这部分内容的主线清晰，而且整个热机的发展过程也是为了解决效率问题而展开的，故而本文对这部分内容进行了梳理，通过问题驱动的教学方法做出了本节课的教学设计。
1 教学内容分析
本节课以研究热机效率为主旨，通过对循环过程、卡诺循环、可逆与不可逆过程和卡诺定理四部分内容的学习，获得掌握提高热机效率的途径。其中循环过程这部分内容中，讨论了循环过程的概念，探讨热机的工作过程，据此分析如何计算热机的效率问题。通过介绍热机工作的原理，给出热机效率公式。
在卡诺循环这部分内容中，首先介绍热机问世以来，人类致力于提高热机效率所经过的缓慢的历史过程，提出了卡诺循环，得到了卡诺热机效率，引出提高效率的兩种方式：提高高温热源温度和降低低温热源的温度。
在可逆和不可逆过程这部分内容中，引入可逆过程和不可逆过程的概念，并分析造成这些过程不可逆的原因。反过来再来分析功热转换过程，分析其是否存在不可逆的因素，总结出该过程也是不可逆过程。
在卡诺定理这部分内容中，分别从可逆热机和不可逆热机两个角度证明热机效率的极限。说明其他一切热机的效率都小于卡诺热机的效率。据此我们就解决了热机效率极限的问题，并给我们提高热机效率指明了方法。
2 教学目标分析
通过本节课的学习，实现以下几点教学目标，首先使学员了解热力学循环过程的热点，其次要掌握卡诺热机效率的计算，然后理解卡诺循环并计算卡诺热机的效率，进而理解可逆过程与不可逆过程，最后理解卡诺定理。
3 教学重难点分析
本节课仅仅围绕热机展开，求解和提高热机效率就是本节课的主要目的。基于此，本节课的重点就在于包含热机工作原理和效率的循环过程，以及解决热机效率极限问题的卡诺循环。其中卡诺循环的特征涉及到卡诺循环过程的建立，不容易理解，所以是本节课的难点。为了求解热机效率极限问题，涉及到可逆与不可逆过程，这部分内容比较抽象，不容易理解，因而也是本节课的又一难点。
4 教学方法分析
本节课我们采用问题驱动式的教学方法，基于本节课的内容特点，也因为问题驱动式的教学方法具备传统教学方法更多的优势。问题是物理的心脏，把问题作为教学的驱动力，以学生为主体，以问题为线索，通过学生自主学习与相互讨论，最终形成对知识的理解和接受，这就是驱动式物理教学模式。面临教育转型的新形势，将问题驱动式教学模式和大学物理现实教学相结合，有利于更好地贯彻素质教育，激发学员的学习兴趣，培养学员的自主学习能力、创新能力和实践能力。教员通过提出问题，进一步引导学员解决相关问题，层层推进，环环相扣，将教学的重点由浅入深、由易到难，由表及里，由此及彼，形成波浪式、递进式的课堂教学结构。
5 教学思路分析
本节课我们紧紧围绕热机效率问题展开，首先通过对之前内容的讨论，启发学员思考：如何实现热机？进而引出热机工作的基础——循环过程，通过动画展示热机的工作图，分析循环过程的规律以及工质的热量转化过程，得到热机的效率公式。
紧接着讨论热机工作的首要问题：如何提高热机效率？
通过对热机发展过程的介绍，引出卡诺循环，着重介绍卡诺通过与水轮机对比的方法，通过理想实验思考。对比有两点：第一，和水轮机对比，水流从高处流向低处，重力推动水轮机做功，热量从高温流向低温，推动热机做功，所以要实现热机所满足的条件，热机要同时具备高温热源和低温热源。第二，水流从高处流向低处时，如果不放置水轮机，会造成水流做功的损失。同样，在热机中，工作物质和热源接触时，如果有温差，也会造成热量的损失，这就要求工作物质在和热源接触时必须是等温过程。并且在理想情况下，为了减少损耗，工作物质在不和热源接触时，没有热量的损失，必然为绝热过程，由此可见，卡诺循环必须是由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环过程。进而通过分析和高低温热源接触时的吸放热热量的计算，结合两个绝热过程中的温度和体积的绝热方程，从而得到卡诺循环的效率公式，进而讨论热机效率能否为1的问题？这实际上是在分析与热有关的过程的可逆不可逆性。归结于功热转换过程是不可逆过程，必然要对外界产生不可消除的影响，所以低温热源是热机工作过程中不可或缺的一部分，所以，热机效率不可能等于1。
最后就是实际热机效率的极限值问题？
通过分析可逆与不可逆热机的效率，引出卡诺定理，得到热机效率的极限，那就是所有可逆卡诺热机的效率，从而为我们提高热机效率提供了方法。
本文通过几个问题将整个知识串联起来，在启发思考问题的过程中，层层递进，步步深入的建立起整个知识体系，深化内容，完成整节课的教学。我们通过着重分析卡诺建立理想模型的这个过程，一方面使同学们理解在物理学中如何建立理想模型，感受模型法对于分析物理问题的重要性;另一方面让同学们感受物理科学发展的漫长和科学家们的严谨负责的科学态度，培养学生们在学习中要有一种坚持不懈的态度和敢于创新的科学精神。卡诺循环和卡诺定理是卡诺本人在热力学中做出的突出的贡献，不仅促进了物理学的发展，更促进了人类社会文明和工程技术的发展，所以学习卡诺循环和卡诺定理意义深远。
参考文献
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[2] 白静，赵龙.基于潜科学分析理念的“卡诺循环”教学课件设计[J].湘潭师范学院学报，2009，31（6）：170-171.
[3] 滕吉红，黄晓英.问题驱动式教学模式在高等数学教学中的探究[J].高等教育研究学报，2012，35（4）：89-90.
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