《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程建設(shè)和教學(xué)改革初探

曹海靜++蔣秀麗++蔣峰

摘 要：汲取《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程的教學(xué)經(jīng)驗，根據(jù)目前的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)效果，對該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行了嘗試性的課程建設(shè)和教學(xué)改革，期待取得較理想的教學(xué)效果。面對教學(xué)現(xiàn)狀，該團隊進行了《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》這門課程的課程建設(shè)，力求做到對教材最大程度的整合，做到知識點重復(fù)率降低，同時擴大知識面，將物理前沿的知識帶到課堂；在教學(xué)方法上進行改進，提高學(xué)生的聽課效率，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，從而為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)與統(tǒng)計物理 課程建設(shè) 教學(xué) 改革

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0191-01

《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》屬于理論物理課程，是高等院校物理學(xué)專業(yè)本科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)理論課，它對于后續(xù)課程，如《量子力學(xué)》，《固體物理》等課程的學(xué)習(xí)具有非常重要的作用。該課程的特點是：（1）授課時間上位于《熱學(xué)》這門課程之后，所以知識上存在重復(fù)性，需要授課教師對熱學(xué)這一部分的知識進行重新構(gòu)建；（2）該課程統(tǒng)計物理部分包含大量的公式和推導(dǎo)，尤其是數(shù)學(xué)上的東西用的很多，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不好就會出現(xiàn)掌握困難的的現(xiàn)象。另一方面，授課教師也容易忽略一些科學(xué)思維訓(xùn)練和科學(xué)思維方法的培養(yǎng)。在教學(xué)方法上，熱學(xué)部分用到的多是偏微分，統(tǒng)計物理上大多是大段的推導(dǎo)。所以老師采取的教學(xué)方法多是老師在推導(dǎo)公式，而學(xué)生越聽越?jīng)]興趣，昏昏欲睡。面對這樣的教學(xué)現(xiàn)狀，該團隊進行了《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》這門課程的課程建設(shè)，力求做到對教材最大程度的整合，做到知識點重復(fù)率降低，同時擴大知識面，尤其是將物理前沿的知識帶到課堂；在教學(xué)方法上進行改進，提高學(xué)生的聽課效率，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，從而為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。

1 教材的整合

1.1 知識結(jié)構(gòu)的整合

根據(jù)該學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的課程設(shè)置，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》設(shè)置在《熱學(xué)》課程之后，所以會出現(xiàn)知識的重復(fù)。例如對于熱力學(xué)中的內(nèi)容（如平衡態(tài)、溫度、物態(tài)方程、熱力學(xué)第一定律、功、熱量與焓、理想氣體、熱力學(xué)第二定律、熵、卡諾定理等）和統(tǒng)計物理中的內(nèi)容（如等概率原理、玻耳茲曼統(tǒng)計、能均分定理、麥克斯韋分布）與《熱學(xué)》的重復(fù)率高，在教學(xué)時適量減少課時。同時要注意對于一些重要的知識點，對于學(xué)生的遺忘率偏高的現(xiàn)象，要重點突出的再講，才能起到強調(diào)的作用?！读孔恿W(xué)》和《固體物理》等課程設(shè)置在本課程之后，所以要對他們用到的知識點，如德拜理論，要重點講授，起到承上啟下的作用。通過知識結(jié)構(gòu)的整合，可以提高教學(xué)效率，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，緩解授課學(xué)時和教學(xué)內(nèi)容的矛盾，從而明確了課程的主線。

1.2 知識點的整合

由于《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》統(tǒng)計物理部分中有很多理論的堆積和繁雜的推導(dǎo)過程等內(nèi)容，而對課程中蘊含的思維訓(xùn)練和科學(xué)思想、科學(xué)方法等內(nèi)容很少涉及，在傳統(tǒng)的教學(xué)中，大部分時間都是花在推導(dǎo)公式上，忽視了應(yīng)用人才的培養(yǎng)。在《熱力學(xué)統(tǒng)計物理》教學(xué)中，盡量做到從最普遍的基本原理出發(fā)，運用歸納、演繹的方法導(dǎo)出實驗規(guī)律，然后培養(yǎng)學(xué)生運用物理理論解決一些典型實際問題的方法和能力。同時強調(diào)對物理概念和意義、物理意義的理解，簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使學(xué)生形成較完整的物理學(xué)圖像。

1.3 物理前沿進課堂

在講授課本知識的同時，增加物理前沿課題進課堂的嘗試。例如講解獲得低溫的方法時，增加介紹3He、4He稀釋致冷和激光致冷；補充相變中朗道連續(xù)相變理論和臨界點附近漲落與關(guān)聯(lián)的理論；增加介紹統(tǒng)計物理中玻色愛因斯坦凝聚的新進展等。通過增加前沿知識的學(xué)習(xí)和介紹，加深學(xué)生對基本內(nèi)容的理解，開闊學(xué)生的視野，引起學(xué)生的興趣，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

1.4 與應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)相結(jié)合

在講授理論知識課的同時，注重聯(lián)系本專業(yè)的知識，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性。由于《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》是理論性很強的課程，在教學(xué)中往往重視理論教學(xué)，學(xué)生漸漸失去了學(xué)習(xí)的興趣，這不利于應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。可以嘗試開一個專題討論課，讓學(xué)生自己調(diào)研，嘗試將在《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程中學(xué)習(xí)到的知識如何應(yīng)用到本專業(yè)中去，從而培育學(xué)生的創(chuàng)新知識，加強其科研能力的培養(yǎng)。通過與相關(guān)專業(yè)的結(jié)合，讓學(xué)生更愛自己的專業(yè)，從而為將來的工作和學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

2 教學(xué)方法改革

2.1 加強對比

由于《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》存在大量的物理意義相同或相近的物理概念、物理量、物理規(guī)律和處理方法等，可通過增加對比讓學(xué)生掌握該門課的主線，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和方法。例如對于內(nèi)能、自由能、吉布斯函數(shù)、焓的概念；麥?zhǔn)详P(guān)系；熵、自由能、焓、吉布斯、內(nèi)能等的各種判據(jù)和條件；微正則分布、正則分布、巨正則分布；玻爾茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計、費米統(tǒng)計等內(nèi)容，教學(xué)時主要講授部分內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生對比分析物理概念和研究方法的區(qū)別和聯(lián)系。通過對比教學(xué)，既加深了學(xué)生對基本感念、基本研究方法的理解，又能起到舉一反三的教學(xué)效果。

2.2 增加討論

教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾胗懻撌降慕虒W(xué)方法，改變以往課堂教學(xué)的傳統(tǒng)模式，不是老師一味的枯燥在講，而是讓學(xué)生加入，提出他們的觀點，從而加深知識的印象，甚至可以讓學(xué)生來講課，會得到事半功倍的效果，從而激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性和自我學(xué)習(xí)的能力。在教學(xué)中，增加一些基本概念、定律和處理方法的討論。例如討論分析熱力學(xué)第二定律的微分表達式和熱力學(xué)基本微分關(guān)系的不同之處；討論熵的概念以及不可逆過程中熵變的計算方法比較。根據(jù)熵增原理討論了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未來和宇宙的演化等。通過討論進一步明確了概念、規(guī)律的適用條件和一般處理方法等，并在互動過程中逐步培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)意識、參與意識、群體意識和問題意識，提高了學(xué)生的積極性和主動性。

在《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》教學(xué)中還可以進行其他方面的改革和實踐。譬如，上課形式可以采取板書加多媒體的形式，學(xué)生當(dāng)小老師的形式等等。在考核方面，采用閉卷考試、開卷、論文等多種考核方式。為適應(yīng)教學(xué)的需要，針對教學(xué)內(nèi)容可以制作比較完整的習(xí)題解答和復(fù)習(xí)資料。

總之，針對《熱力與學(xué)統(tǒng)計物理》教學(xué)中存在的問題，提出教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面的改革和嘗試是十分必要的。期待該學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)過程中，能夠取得一定的成果，提高學(xué)習(xí)效率。

參考文獻

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