调查学生对热机的理解：以斯特林发动机为例的研究

我们报告了在本科高年级热物理课程中，关于学生在斯特林循环背景下对热机困难的研究。三个班级参加了关于带回热器的斯特林发动机的课堂测试，要求学生完成最基本的活动之一——计算热机效率。我们的数据表明，相当多的学生尚未对热机的基本工程知识形成扎实的概念性理解，包括回热器的功能以及活塞运动对发动机中涉及的热和功的影响。最值得注意的是，尽管三个班级的科学错误率相似（约 10%），但三个班级的工程错误率都很高（超过 50%），而被给予热机工程知识简要教程的班级的工程错误率比其他两个班级显著低约 20%。此外，书面回答和测试后访谈均显示，大多数学生只能将卡诺定理与卡诺循环联系起来，而不能与在两个热源之间工作的其他可逆循环联系，可能是因为传统热力学教材中除卡诺循环外未涵盖足够多的循环。我们的结果表明，科学知识和工程知识都很重要，应纳入教学方法中，特别是在不太重视实验教育或工程训练传统国家和地区所讲授的热力学课程中。