論大學(xué)物理熱學(xué)部分與中學(xué)物理的有效銜接

于軍 朱偉玲

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院 廣東 茂名 525000)

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》(以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》)的頒布是進(jìn)入新世紀(jì)后我國(guó)基礎(chǔ)物理教育的一件大事．從形式上看，《新課標(biāo)》取代了以往的《教學(xué)大綱》；從實(shí)質(zhì)內(nèi)容看，《新課標(biāo)》較以往的“教學(xué)大綱”要豐富、全面得多．《新課標(biāo)》從課程性質(zhì)、課程基本理念、課程結(jié)構(gòu)與模塊、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容等方面給出了高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，即應(yīng)該做到什么程度；同時(shí)，《新課標(biāo)》又用了很大篇幅給出了課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施建議，即怎樣才能做到這個(gè)程度；建議包含教學(xué)建議、評(píng)價(jià)建議、教科書(shū)編寫(xiě)建議、課程資源利用與開(kāi)發(fā)建議等多個(gè)方面，非常具體，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性．在高中《新課標(biāo)》推出不久，由教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)分委會(huì)提交的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(以下簡(jiǎn)稱《基本要求》)正式發(fā)布，《基本要求》從課程的地位、作用和任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容基本要求、能力培養(yǎng)基本要求、素質(zhì)培養(yǎng)基本要求、教學(xué)過(guò)程基本要求、有關(guān)說(shuō)明等六個(gè)方面對(duì)非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程的開(kāi)設(shè)提出了基本要求，它是一份指導(dǎo)性文件．高中物理《新課標(biāo)》與大學(xué)物理《基本要求》形式上有一定差異，但指導(dǎo)思想是一致的．這兩份綱領(lǐng)性的文件是由兩個(gè)不同的專家團(tuán)隊(duì)分別起草制定，又分別用來(lái)指引兩個(gè)不同階段：高中與大學(xué)的物理課程教學(xué)工作.兩個(gè)階段不同的指引，能否實(shí)現(xiàn)不同階段的有效銜接？對(duì)此，本文以熱學(xué)內(nèi)容為例進(jìn)行了探討．探討的目的在于找出在《新課標(biāo)》高中物理基礎(chǔ)之上，為更合理有效搞好兩個(gè)階段物理理論課教學(xué)——熱學(xué)部分教學(xué)內(nèi)容的處理方法．

1 模塊主題的異同

熱學(xué)內(nèi)容在高中《新課標(biāo)》里占有一個(gè)獨(dú)立模塊《選修3-3》(我校理工類學(xué)科在校大學(xué)生高中階段物理課程大多選修該模塊，如不特別說(shuō)明，以下討論中均指《選修3-3》模塊)． 高中熱學(xué)模塊劃分為四個(gè)二級(jí)主題：分子動(dòng)理論與統(tǒng)計(jì)思想，固體、液體與氣體，熱力學(xué)定律與能量守恒，能源與可持續(xù)發(fā)展．大學(xué)物理中的熱學(xué)通常也是作為一個(gè)獨(dú)立模塊出現(xiàn)，按其內(nèi)容又被分為兩個(gè)主題：氣體動(dòng)理論、熱力學(xué)基礎(chǔ)．

從模塊主題看，熱學(xué)部分在高中階段與大學(xué)階段有明確對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩個(gè)階段都是將氣體動(dòng)理論與熱力學(xué)理論兩個(gè)主題作為主要、重點(diǎn)內(nèi)容處理．高中階段的另兩個(gè)主題(固體、液體與氣體，能源與可持續(xù)發(fā)展)內(nèi)容少且與高考關(guān)系不大，在實(shí)際教學(xué)中往往是作為了解性內(nèi)容，由學(xué)生課下完成(液體表面張力、氣體狀態(tài)參量、氣體實(shí)驗(yàn)定律三個(gè)內(nèi)容除外，其中氣體狀態(tài)參量與氣體實(shí)驗(yàn)定律兩部分內(nèi)容在以下討論中被歸入氣體動(dòng)理論主題)．大學(xué)階段與“能源及可持續(xù)發(fā)展”等相關(guān)的內(nèi)容也是作為課程非必修內(nèi)容出現(xiàn)．模塊主題對(duì)比反映出的這種良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為兩個(gè)階段的教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的有效銜接創(chuàng)造了基礎(chǔ)、提供了線索．在各相應(yīng)模塊主題范圍內(nèi)進(jìn)行的銜接應(yīng)當(dāng)是最直觀、有效的，也是最簡(jiǎn)單易行的．下面，我們就以上兩個(gè)階段共有的、主要內(nèi)容構(gòu)成的兩個(gè)主題進(jìn)行探討．

2 氣體動(dòng)理論主題部分的比較與建議

2.1 高中階段主要內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)及教學(xué)要求

高中階段內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)主要有：阿伏伽德羅常量、分子的大小、分子熱運(yùn)動(dòng)(布朗運(yùn)動(dòng))、分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與溫度、分子間的相互作用力、分子勢(shì)能、物體的內(nèi)能、氣體分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、氣體的實(shí)驗(yàn)定律、理想氣體、 克拉珀龍方程、 普適氣體恒量、氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)、氣體壓強(qiáng)的微觀意義．

高中階段的教學(xué)要求(《新課標(biāo)》中被稱為“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”)主要有五條：

(1)認(rèn)識(shí)分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)，知道其實(shí)驗(yàn)依據(jù)．知道阿伏伽德羅常量的意義．

(2)了解分子運(yùn)動(dòng)速率的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律．認(rèn)識(shí)溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志．理解內(nèi)能的概念．

(3)用分子動(dòng)理論和統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)解釋氣體壓強(qiáng)．

(4)通過(guò)調(diào)查，了解日常生活中表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的事例．

(5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解氣體實(shí)驗(yàn)定律，知道理想氣體模型．用分子動(dòng)理論和統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)解釋氣體壓強(qiáng)和氣體實(shí)驗(yàn)定律．

2.2 大學(xué)階段主要內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)及教學(xué)要求

大學(xué)階段內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)主要有：氣體物態(tài)參量、平衡態(tài)、理想氣體物態(tài)方程、物質(zhì)的微觀模型、統(tǒng)計(jì)規(guī)律性、理想氣體的壓強(qiáng)公式、理想氣體分子的平均平動(dòng)能與溫度的關(guān)系、能量均分定理、理想氣體內(nèi)能、麥克斯韋氣體分子速率分布律、玻爾茲曼能量分布律*、等溫氣壓公式、分子平均碰撞次數(shù)和平均自由程、氣體的遷移現(xiàn)象*、實(shí)際氣體的范德瓦耳斯方程*．(*號(hào)為非必修內(nèi)容)

大學(xué)階段的教學(xué)要求主要有四條：

(1)了解氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的圖像．理解理想氣體的壓強(qiáng)公式和溫度公式及其物理意義；通過(guò)推導(dǎo)氣體壓強(qiáng)公式，了解從提出模型、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均、建立宏觀量與微觀量的聯(lián)系到闡明宏觀量微觀本質(zhì)的思想和方法．

(2)了解氣體分子平均碰撞頻率和平均自由程．

(3)了解玻爾茲曼能量分布律．了解麥克斯韋速率分布律及速率分布函數(shù)和速率分布曲線的物理意義．了解氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的算術(shù)平均速率、方均根速率和最可幾速率的求法和意義．

(4)理解氣體分子平均能量按自由度均分定理．會(huì)應(yīng)用該定理計(jì)算理想氣體的等體、等壓熱容量和內(nèi)能．

2.3 大學(xué)階段主要知識(shí)點(diǎn)的處理建議

通過(guò)對(duì)比，結(jié)合筆者多年的教學(xué)體會(huì)，就氣體動(dòng)理論中主要知識(shí)點(diǎn)提出如下處理建議.

在“氣體物態(tài)參量、平衡態(tài)、理想氣體物態(tài)方程”這一部分重復(fù)較多，對(duì)“氣體物態(tài)參量”應(yīng)精講，不要消耗太多時(shí)間，其中的“氣體體積與分子體積無(wú)關(guān)”應(yīng)是重點(diǎn).“平衡態(tài)”在中學(xué)不曾講到，是一個(gè)極其重要的概念，一定要講透，最好結(jié)合“氣體物態(tài)參量”講.“理想氣體物態(tài)方程”是重復(fù)內(nèi)容，最好給出新的形式:p=nkT，以便于后續(xù)內(nèi)容中的計(jì)算推導(dǎo)用．

在“物質(zhì)的微觀模型、統(tǒng)計(jì)規(guī)律性”中雖有較多重復(fù)，但從學(xué)生的實(shí)際掌握情況看還是應(yīng)該細(xì)講，否則后續(xù)內(nèi)容“統(tǒng)計(jì)假設(shè)”很難接受．至于“理想氣體的壓強(qiáng)公式、理想氣體分子的平均平動(dòng)能與溫度的關(guān)系”，高中時(shí)僅是“無(wú)根據(jù)”的定性提到而已，大學(xué)階段則應(yīng)仔細(xì)推證之后深挖內(nèi)涵，講深講透．

在“能量均分定理、理想氣體內(nèi)能”這部分，“能量均分定理”中學(xué)不曾提到，而“理想氣體內(nèi)能”中學(xué)已講過(guò)概念，但無(wú)定量表式．大學(xué)階段同樣應(yīng)深挖內(nèi)涵，講深講透．

對(duì)于“麥克斯韋氣體分子速率分布律”，應(yīng)在高中介紹過(guò)的概念“氣體分子速率分布曲線”的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講解分布函數(shù)的意義與計(jì)算．

“分子平均碰撞次數(shù)和平均自由程”應(yīng)重點(diǎn)講解“平均碰撞頻率”與“平均自由程”，計(jì)算式可推可不推．

3 熱力學(xué)理論主題部分的比較與建議

3.1 高中階段主要內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)及教學(xué)要求

高中階段內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)主要有：物體的內(nèi)能、熱量、改變內(nèi)能的兩種方式、熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律、熱力學(xué)第二定律、永動(dòng)機(jī)不可能、熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)、熵．

高中階段的教學(xué)要求(《新課標(biāo)》中被稱為“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”)主要有三條：

(1)通過(guò)有關(guān)史實(shí)，了解熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程．體會(huì)科學(xué)探索中的挫折和失敗對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義．

(2)認(rèn)識(shí)熱力學(xué)第一定律．理解能量守恒定律．用能量守恒觀點(diǎn)解釋自然現(xiàn)象．體會(huì)能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一．

(3)通過(guò)自然界中宏觀過(guò)程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律．初步了解熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量．

3.2 大學(xué)階段主要內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)及教學(xué)要求

大學(xué)階段內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)主要有：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、功、熱量、內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律、理想氣體的等體過(guò)程和等壓過(guò)程、摩爾熱容、理想氣體的等溫過(guò)程和絕熱過(guò)程、循環(huán)過(guò)程、熱機(jī)效率、制冷系數(shù)、卡諾循環(huán)、熱力學(xué)第二定律、卡諾定理、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程、熵、熵增加原理、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義．

大學(xué)階段的教學(xué)要求主要有四條：

(1)理解準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程．掌握功、熱量、內(nèi)能的概念和熱力學(xué)第一定律．能熟練地分析、計(jì)算理想氣體各等值過(guò)程和絕熱過(guò)程中的功、熱量、內(nèi)能改變量和摩爾熱容．能計(jì)算卡諾循環(huán)和其他簡(jiǎn)單循環(huán)的效率．

(2)理解可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程．理解熱力學(xué)第二定律的兩種敘述及其等價(jià)性．

(3)了解熵的概念和熵增加原理以及與熱力學(xué)第二定律的關(guān)系．

(4)了解熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義．

3.3 大學(xué)階段主要知識(shí)點(diǎn)的處理建議

通過(guò)對(duì)比可以看出：“準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程”是新的、重要的概念，它貫穿全章大部分的重要計(jì)算，是教學(xué)中的重點(diǎn)．

“功、熱量、內(nèi)能”高中已講過(guò)，應(yīng)精講，可介紹“兩種改變內(nèi)能方式的微觀區(qū)別”作為高中知識(shí)的進(jìn)一步深化、補(bǔ)充．

“熱力學(xué)第一定律與能量守恒、熱力學(xué)第二定律的兩種形式、永動(dòng)機(jī)不可能”這些內(nèi)容的文字表述部分與高中無(wú)本質(zhì)差異，差異主要體現(xiàn)在大學(xué)階段的“熱力學(xué)第一定律在幾個(gè)特殊準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的應(yīng)用以及熱力學(xué)第二定律兩種形式的等價(jià)性證明”．這些內(nèi)容都是大學(xué)階段的重點(diǎn)內(nèi)容，應(yīng)要求學(xué)生熟練掌握．

“熵”的概念在高中階段僅與“物體分子無(wú)序性”作了定性聯(lián)系，既無(wú)“概率熵”，也無(wú)“熱溫熵”，更談不上定量要求．所以大學(xué)階段圍繞“熵”的教學(xué)任務(wù)還是比較重的．

“熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義”與高中階段“熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)”要表達(dá)的意思是一致的，前者在教材表述中往往借助于“熱力學(xué)概率、熵、熵增加原理”這些學(xué)生不熟悉的知識(shí)點(diǎn)，雖然深刻，但終究不如后者的表述“一目了然”，學(xué)生也很難學(xué)的透徹．建議在學(xué)生確實(shí)理解、掌握了“熱力學(xué)概率、熵、熵增加原理”后，再“照本宣科”．對(duì)那些學(xué)時(shí)緊張且對(duì)這些內(nèi)容要求不高的專業(yè)而言，可以將該內(nèi)容的教學(xué)要求降低到不低于高中《新課標(biāo)》的水準(zhǔn)．

摩爾熱容、循環(huán)過(guò)程、熱機(jī)效率、制冷系數(shù)、卡諾循環(huán)、卡諾定理、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程等在高中未講到的知識(shí)點(diǎn)都是大學(xué)階段的重點(diǎn)內(nèi)容，應(yīng)細(xì)講．

4 實(shí)現(xiàn)大學(xué)與高中教學(xué)銜接的意義與要求

大學(xué)與高中教學(xué)的銜接工作做得好，可以在學(xué)生的頭腦中將“高中物理”與“大學(xué)物理”很好地結(jié)合為一個(gè)“物理學(xué)”．銜接工作的好壞取決于主客觀兩個(gè)方面.主觀方面主要由擔(dān)負(fù)兩個(gè)階段教學(xué)工作的教師在這方面精力、時(shí)間的投入決定．作為大學(xué)物理教師，不僅要熟悉大學(xué)階段的“基本要求”，還應(yīng)了解高中階段的《新課標(biāo)》，甚至應(yīng)抽出時(shí)間，深入中學(xué)做些實(shí)際調(diào)研．為做好銜接，在教學(xué)內(nèi)容的處理上，應(yīng)做到區(qū)別對(duì)待．對(duì)那些大學(xué)階段才出現(xiàn)的新的知識(shí)點(diǎn)我們應(yīng)盡可能讓它從學(xué)生熟悉的知識(shí)點(diǎn)逐步“生長(zhǎng)”出來(lái)，盡可能從學(xué)生熟悉的物理圖像中尋求理解之道.而對(duì)那些與高中階段共有的知識(shí)點(diǎn)，我們既不能輕易忽略，以致為后續(xù)學(xué)習(xí)造成障礙，也不能勞而無(wú)功，僅僅是高中階段的翻版；可以精講(串講)達(dá)到教學(xué)目的即可，也可在原高中基礎(chǔ)之上有所側(cè)重，使之深化或升華．

5 結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)階段的內(nèi)容遠(yuǎn)多于高中階段，大學(xué)階段的教學(xué)要求也遠(yuǎn)高于高中階段；大學(xué)階段側(cè)重于讓學(xué)生了解關(guān)于熱現(xiàn)象的研究方法及其基本規(guī)律，而高中階段更側(cè)重于讓學(xué)生了解關(guān)于熱現(xiàn)象的基本知識(shí)(常識(shí))及應(yīng)用．實(shí)際教學(xué)中，大學(xué)物理的理論體系可以在高中物理基礎(chǔ)知識(shí)上進(jìn)一步深化逐步構(gòu)造出來(lái)．這就要求大學(xué)物理教師不僅要熟悉大學(xué)階段的“基本要求”，還應(yīng)了解高中階段的《新課標(biāo)》，并應(yīng)廣泛調(diào)研，深入了解中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)際．為做好銜接，在教學(xué)內(nèi)容的處理上，應(yīng)做到有所側(cè)重，有所加深，有所拓展，且避免不必要的重復(fù)．

參考文獻(xiàn)

1 教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì). 非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求 . 物理與工程,2006，16(5)：1～8

2 中華人民共和國(guó)教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)). 北京: 人民教育出版社,2003

3 廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開(kāi)發(fā)中心物理教材編寫(xiě)組. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理(選修3-3).廣州：廣東教育出版社，2005

4 張三慧.大學(xué)物理學(xué)第二冊(cè)·熱學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，1999