創(chuàng)新視域下的熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)教學(xué)實踐探索

馬晴 李耀宗 郭秋芬 華雪俠

摘 要 熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)是物理學(xué)及相關(guān)專業(yè)的一門重要理論課，具有理論抽象、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、教學(xué)難度大等特點(diǎn)。基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，在熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)教學(xué)中突出問題導(dǎo)向、突出科學(xué)方法教學(xué)、運(yùn)用信息技術(shù)并參透人文教育，優(yōu)化教學(xué)活動，突破教師難教，學(xué)生難學(xué)的狀態(tài)，使學(xué)生創(chuàng)新能力得到提高。

關(guān)鍵詞 問題導(dǎo)向 方法教學(xué) 人文教育 創(chuàng)新

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.06.058

Abstract Thermodynamics and statistical physics is an important theoretical course in physics and related majors. It has the characteristics of theoretical abstraction， high requirements of mathematics foundation， and great difficulty in teaching. Based on the requirements for training innovation ability， in the process of teaching thermodynamics and statistical physics the problem-oriented and scientific teaching method is highlighted. And information technology is used as humanistic education is penetrated， optimizing the teaching activities and breaking the difficulty of teaching and learning so as to improve students innovation ability.

Key words problem-oriented； teaching method； humanity education； innovation

0 引言

創(chuàng)新是民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。創(chuàng)新的關(guān)鍵在人才，人才的成長靠教育。變革教學(xué)理念與方法，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，強(qiáng)化科學(xué)素養(yǎng)，是當(dāng)下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑。

1 突出問題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

在學(xué)生已具備熱學(xué)及高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識的前提下，教師通過對生活與工程中的一些與熱現(xiàn)象或熱統(tǒng)問題有關(guān)的現(xiàn)象進(jìn)行分析凝煉，設(shè)計一套隱含教學(xué)目標(biāo)要求的問題鏈，在課前讓學(xué)生帶著問題閱讀教材和指定的資料，閱讀過程中通過積極思考，自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)；在課堂上由老師根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況，引導(dǎo)學(xué)生開展討論，進(jìn)行歸納和總結(jié)；涉及理論推導(dǎo)的問題，教師給出要使用的數(shù)學(xué)工具，并說明工具的用途及使用方法，學(xué)生自己選擇工具并嘗試使用，通過學(xué)生和教師的互動，在做中學(xué)，在合作探究中完成數(shù)學(xué)推導(dǎo)。需進(jìn)一步作出推論的，可再給出問題，讓學(xué)生自主選擇工具來完成。推論過程中學(xué)生遇到的難點(diǎn)，教師通過引導(dǎo)、啟發(fā)，由學(xué)生自主探索解決，學(xué)生在分析、歸納、綜合“舊”知識的過程中探索出“新”知識。比如，理想氣體的內(nèi)能和熱容量一節(jié)中，可以不從自由度及配分函數(shù)的計算出發(fā)，而從實驗曲線出發(fā)，讓學(xué)生觀察不同溫度區(qū)間曲線的特點(diǎn)，再分析為什么是這樣的結(jié)果，猜測數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的函數(shù)，最后得出有關(guān)自由度及配分函數(shù)的問題。通過對結(jié)論進(jìn)一步提問，又可獲得不同分子或原子構(gòu)成的氣體系統(tǒng)的情況。

在此過程中，通過不斷地思考問題、表述觀點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生的獲得感及自信心，學(xué)習(xí)的能動性也得到了激發(fā)。學(xué)生為解決問題需要查閱課外資料，需要?dú)w納、整理所學(xué)的知識與技能，在討論中展示自己的觀點(diǎn)，有效地提高了自主學(xué)習(xí)能力，也改變了“我講你聽，我做你看”傳統(tǒng)教學(xué)方法，讓呆板孤立的知識片化作整體知識鏈，觸類旁通，突出了“課堂是靈魂，學(xué)生是主體，教師是關(guān)鍵”的教學(xué)理念，學(xué)生興趣濃了，課堂也變得更有生機(jī)了。

2 突出科學(xué)方法教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

科學(xué)方法是人們認(rèn)識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的正確的思維方式和行為方式，①②是人們在研究和解決科學(xué)問題過程中所運(yùn)用的策略、程序、辦法，是人們認(rèn)識和改造世界的有效工具。熱統(tǒng)課程中包含著豐富的物理思想和方法，如理想化法、類比法、科學(xué)假設(shè)法、分析綜合法等（如表1）。

整體認(rèn)識這些方法，有利于學(xué)生理解熱力學(xué)與統(tǒng)計物理的物理思想、建立相應(yīng)的物理圖像。通過這種方法引導(dǎo)和運(yùn)用，將知識轉(zhuǎn)化為能力，進(jìn)而形成學(xué)生學(xué)習(xí)、探究的價值取向。在教學(xué)中注重科學(xué)方法教育，使學(xué)生受到良好的科學(xué)思維訓(xùn)練。創(chuàng)設(shè)科學(xué)的探究情境，讓學(xué)生以和科學(xué)家對話的方式了解物理學(xué)家是如何提出問題的，是采用什么方法進(jìn)行研究的，從而使學(xué)生受到物理學(xué)家思維的啟迪、熏陶和感染。打破對科學(xué)的神秘感，增強(qiáng)學(xué)生敢于懷疑、敢于對固有模式顛覆的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生最基本的科學(xué)精神和態(tài)度：疑問和批判。

3 運(yùn)用信息技術(shù)，創(chuàng)設(shè)學(xué)生自主探究的環(huán)境

以計算機(jī)和信息技術(shù)為代表的新技術(shù)自誕生以來，已經(jīng)改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，也深刻地改變著人類的學(xué)習(xí)和對學(xué)習(xí)的認(rèn)識。諸多新技術(shù)能夠為學(xué)生創(chuàng)造一種做中學(xué)、及時反饋、互動交流、不斷精練和深化各自理解的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠?qū)⒛切╇y以理解的概念可視化，充分發(fā)揮人的形象思維。在教學(xué)過程中，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)整合課程內(nèi)容、輔助教學(xué)實踐，對一些抽象的微觀運(yùn)動和現(xiàn)象，利用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模和仿真，使學(xué)生對抽象問題產(chǎn)生直觀的、形象的認(rèn)識。通過建模、參數(shù)假設(shè)等發(fā)揮其主觀能動性，把仿真結(jié)果與實際情況進(jìn)一步聯(lián)系、比較，作出分析和判斷。從而使難理解的抽象問題變得直觀簡單，解決問題的思路變得更加清晰。如在討論布朗運(yùn)動問題時，很難把微粒運(yùn)動的軌跡描述清楚。這時可借助計算機(jī)，使用蒙特卡羅法來模擬布朗運(yùn)動，從而使學(xué)生可以直觀地看到微觀粒子運(yùn)動的雜亂性，把雜亂的軌跡再做處理，又可得到隨機(jī)的軌跡方程，這樣，隨機(jī)問題也變得有規(guī)律了。在討論液滴的形成和麥克斯韋速度或速率分布律問題時，如果直接用理論推導(dǎo)來說明，就會枯燥乏味，學(xué)生也記不住推導(dǎo)出來的結(jié)論。而利用軟件構(gòu)造液滴形成的環(huán)境，仿真液滴形成的全過程，通過觀察，學(xué)生很容易弄清液滴形成的條件，自然也會聯(lián)想起下雨和人工降雨的天氣條件等，對氣象問題作出解釋，并用于指導(dǎo)生產(chǎn)生活實踐。討論麥克斯韋速度或速率分布律問題，也可利用繪圖軟件，將抽象的微觀粒子的各種運(yùn)動速度模擬成空間圖像，直觀地仿真出來，從獲得的曲線形式及特點(diǎn)推測曲線的數(shù)學(xué)函數(shù)，再通過仿真計算，驗證推測的結(jié)果，得到速度分布函數(shù)。

現(xiàn)代信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，使學(xué)生不僅熟悉了現(xiàn)代工具的使用，使抽象的理論變得直觀、生動，還有助于學(xué)生對抽象問題的理解，能把枯燥的推導(dǎo)問題變成形象的畫面，并由此產(chǎn)生深刻的聯(lián)想。學(xué)生綜合思維能力得到鍛煉，學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，自主探究的能力進(jìn)一步提高。

4 滲透人文教育，提升學(xué)生的精神境界

熱統(tǒng)教學(xué)的目的不只是要學(xué)生掌握科學(xué)知識，掌握獲取科學(xué)知識的方法，更重要的是通過滲透人文教育培養(yǎng)學(xué)生追求真理的科學(xué)精神和態(tài)度，提升學(xué)生自身的精神境界。

單純的物理學(xué)知識是枯燥的，但物理學(xué)發(fā)展過程卻是曲折、充滿人文與歷史氣息的，③④物理學(xué)中的一些原理是可以與學(xué)生實際生活相關(guān)聯(lián)的，教學(xué)過程中若以知識為載體，通過對物理學(xué)艱難曲折發(fā)展過程、對科學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識過程中的質(zhì)疑與批判、思考與探索、意志與毅力等的追溯，向?qū)W生傳播科學(xué)家的科學(xué)思想、方法、精神和態(tài)度，將使學(xué)生與科學(xué)家產(chǎn)生思想的共鳴，從而彰顯知識的內(nèi)涵和魅力，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣。

在熱統(tǒng)教學(xué)實踐中，圍繞焦耳、克勞修斯、開爾文、能斯脫、麥克斯韋、玻爾茲曼、吉布斯等科學(xué)家對的“熱”本質(zhì)的爭論展開教學(xué)，通過角色置換展現(xiàn)他們的思想交鋒和艱苦探索經(jīng)歷，提高了學(xué)生的辯證思維能力和追求真理、破除迷信的精神，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。有效激勵了學(xué)生對問題進(jìn)行批判性、創(chuàng)造性的思考，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維水平，這樣的教學(xué)，有助于學(xué)生從整體上理解物理學(xué)知識體系，體驗物理學(xué)的批判精神，從而形成整體性的物理知識觀。

在熱統(tǒng)教學(xué)活動中，可以采用的方法、手段及理念很多。作為教師要不斷更新教育理念，改變課堂教學(xué)方法，立足學(xué)科基礎(chǔ)，融入人文精神，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，突出學(xué)科思想方法、工具和手段的運(yùn)用；要不斷提高教學(xué)設(shè)計能力和水平，把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力作為主要目標(biāo)，為學(xué)生深度學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)環(huán)境與條件。

基金項目：咸陽師范學(xué)院教學(xué)研究項目（200801007）；咸陽師范學(xué)院教學(xué)改革研究項目（201202016）；咸陽師范學(xué)院教學(xué)改革研究項目（201302006）

注釋

① 徐序，鄭秋南.熱力學(xué)與統(tǒng)計物理若干教學(xué)方法探討[J].新西部，2013（33）.

② （美）梅拉妮·米歇爾.復(fù)雜[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2014.5.

③ （美）多諾萬.學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的[M].廣西師范大學(xué)出版社，2011.3.

④ 熱力學(xué)·統(tǒng)計物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.12.