熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的教與學(xué)

張雪華+張明+李林+戚輝

【摘 要】熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理是物理專業(yè)學(xué)生的必修課，是銜接宏觀物理與微觀物理的重要課程。雖然在過去的多年里國內(nèi)各大學(xué)對本課程的教學(xué)方面積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但是隨著時代的發(fā)展，交叉學(xué)科越來越多的出現(xiàn)，原課程內(nèi)容已經(jīng)滿足不了需要，所以要把該課程的相關(guān)科研內(nèi)容融入課程中。為了提高教學(xué)質(zhì)量，本文從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方式和考核方式方面提出了改革新措，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本，在教學(xué)的同時關(guān)注相關(guān)方向的科研前沿，老師能夠教研相結(jié)合，學(xué)生能夠?qū)W研相結(jié)合。

【關(guān)鍵詞】熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理 教學(xué)改革 學(xué)習(xí)主動性 考核方式改革

【中圖分類號】：04I4-4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）14-0029-02

【Abstract】Thermodynamics statistical physics is a required course for students majoring in physics， which is the combination of macro and micro physics. Although there was much experience of the course， but with the development， there are more and more cross subjects， the original curriculum content already can not meet the needs of students， the content of science research about the curriculum should be added. For improving the teaching quality， The reform measures about teaching contents， teaching methods and examination style has been putted forward. Based on students， teachers Pay attention to the newest research， then the teacher can integrate the teaching and scientific researching ， students can combine learning and researching.

【Key words】thermodynamics and statistical physics； teaching methods reform； learning initiative； examination reform

1.熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理課程在本科教學(xué)中的重要

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究的是自然界中與冷熱有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)以及這些性質(zhì)變化的規(guī)律和內(nèi)在的物理本質(zhì)[1，2]，其內(nèi)容包括熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理兩大部分。熱力學(xué)是熱運(yùn)動的宏觀理論[3]，而統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是熱運(yùn)動的微觀理論。本課程給出了兩個角度看問題的方法，對物理專業(yè)的其它后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中及相關(guān)學(xué)科的研究都具有重要意義，是固體物理，量子力學(xué)課程的基礎(chǔ)，為后續(xù)在凝聚態(tài)，量子信息，低溫技術(shù)等方向的科研做了鋪墊。并對其他相關(guān)專業(yè)，如化學(xué)，工程熱物理，流體力學(xué)等課程也有著重要影響。同時，熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中的概念和方法在原子核和基本粒子中也有許多應(yīng)用，而且日益廣泛地滲透到化工、生物等學(xué)科中去。

2.根據(jù)時代需要，合理安排教與學(xué)

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是物理本科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生的必修課，本課程設(shè)在本科二年級下學(xué)期或者三年級上學(xué)期講授，此時物理專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)有高等數(shù)學(xué)，力學(xué)和電磁學(xué)等知識基礎(chǔ)，便于接受。在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)以課程大綱為中心，以學(xué)生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)和對課程知識的理解為出發(fā)點(diǎn)，由淺入深，逐步增加學(xué)生知識。其目標(biāo)定位是：通過對本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明晰熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)在整個物理學(xué)中的學(xué)科地位，牢固掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理、基本理論框架和知識要點(diǎn)，以及運(yùn)用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理基本思想和知識解決實(shí)際問題的技能和方法，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。基于這一思想，本課程在理論教學(xué)的過程中，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式與歸納法教學(xué)，注重重要概念與規(guī)律的歷史沿革，講解基礎(chǔ)理論時，由淺入深，多用生動的物理圖像，并聯(lián)系日程生活中的感性認(rèn)識，即使抽象的理論也用物理圖象來說明。

2.1 教學(xué)方式討論化

高校存在著學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高的現(xiàn)狀，特別是對熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理這些相對枯燥的學(xué)科[4]，為著激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，集中精力利用好上課時間，提高教學(xué)質(zhì)量的原則，本課程的教學(xué)中課題組引入討論式教學(xué)方式，在平常的課堂中，討論式教學(xué)方式可以使學(xué)生學(xué)習(xí)由被動變?yōu)橹鲃?。例如講述均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)時，談到用偏導(dǎo)數(shù)表示某個物理現(xiàn)象之后，讓學(xué)生討論其他偏導(dǎo)數(shù)的代表的物理過程或物理效應(yīng)，以及與此類現(xiàn)象相類似的現(xiàn)象有哪些，最后做一下總結(jié)，這樣加深同學(xué)們對枯燥的物理規(guī)律的理解，也使得課程的內(nèi)容更加有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，并不斷完善教學(xué)內(nèi)容。同時，為了擴(kuò)展學(xué)生對熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理前沿知識的了解，授課內(nèi)容不局限于傳統(tǒng)的熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程的教學(xué)內(nèi)容。重視教學(xué)內(nèi)容應(yīng)與目前國內(nèi)外與本課程相關(guān)方向在科學(xué)技術(shù)研究方面取得的新進(jìn)展以及本校課程組科研取得的新成果的銜接，把這些新信息融會貫通到熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理課程的教學(xué)中，比如在熵增加原理這章節(jié)增加了信息熵以及生物熵的內(nèi)容，談到氣體節(jié)流和絕熱膨脹制冷時同時講授了其他三種制冷方式，以及每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和近期進(jìn)展。

2.2 教學(xué)手段現(xiàn)代化

加強(qiáng)多媒體教學(xué)的應(yīng)用，組建較為完善的電子課件和電子教案，供教師授課使用。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容制作了成套的多媒體課件，利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，模擬物理上理想的環(huán)境及條件，從而把抽象的物理過程具體化。引進(jìn)或制作了分子運(yùn)動統(tǒng)計(jì)分布的動態(tài)模擬視頻和熱力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)等多媒體素材，做到全程使用多媒體教學(xué)，使課堂教學(xué)直觀生動，利于學(xué)生對知識的理解。比如講解麥克斯韋速率分布內(nèi)容的時候，可以把測定氣體分子速率分布的實(shí)驗(yàn)裝置用示意圖和實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)的裝置采用多媒體視頻的方式展示給學(xué)生。用示意圖講解實(shí)驗(yàn)原理，用實(shí)驗(yàn)室裝置來說明實(shí)際的操作。多媒體教學(xué)把教師從繁重的板書中解放出來，使他們有更多的時間去講解、把許多問題引向深入，并針對某些問題展開熱烈地討論。同時考慮到熱學(xué)這門課程的特點(diǎn)，對于重難點(diǎn)還需要必要的理論推導(dǎo)，因此應(yīng)使用多媒體加板書的教學(xué)手段。另外充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，開設(shè)以學(xué)生自學(xué)為主的網(wǎng)絡(luò)課程，教案、習(xí)題庫與試題庫及答案分析等教學(xué)資源都上網(wǎng)，從而減輕了學(xué)生記筆記的負(fù)擔(dān)，有助于提高聽課效果，便于學(xué)生課后復(fù)習(xí)提問和討論，掌握知識要點(diǎn)，充分發(fā)揮教師和學(xué)生的能動性。開發(fā)網(wǎng)絡(luò)和多媒體教學(xué)平臺，豐富教學(xué)資料庫。將具有特色，授課效果好的教學(xué)筆記和教案加以整理，作為教學(xué)研究資料積累供教師和學(xué)生參考。對課程內(nèi)容進(jìn)行選擇性發(fā)布，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。實(shí)踐表明，豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，滿足了學(xué)生的要求，方便了學(xué)生課后學(xué)習(xí)，使學(xué)生利用課余時間掌握更多的本專業(yè)知識。

2.3 考核方式靈活化

鑒于現(xiàn)在的教學(xué)目標(biāo)，課程組對本課程的考核方式進(jìn)行了改革，使考試靈活化，把以往筆試的考試形式分成兩部分，筆答部分和科研小論文部分。筆答部分偏重對基礎(chǔ)的理論知識的理解和應(yīng)用能力，主要使學(xué)生掌握熱力學(xué)的三個定律和統(tǒng)計(jì)物理的基本理論，會用來解決一些基本的和與專業(yè)有關(guān)的一些熱運(yùn)動方面的問題。掌握熱力學(xué)的基本規(guī)律和統(tǒng)計(jì)物理的基本理論，理解系統(tǒng)的各種平衡條件和正則分布，了解系統(tǒng)的相變理論，非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)和漲落理論。這些基本理論知識為學(xué)生后續(xù)的相關(guān)方面的學(xué)習(xí)和科研鋪墊堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。科研小論文可以分為三類：一是談?wù)剬δ承┮?guī)律的記憶與理解，二是有關(guān)涉及熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理有關(guān)知識在日常生活中的應(yīng)用；例如：如果學(xué)生對熱學(xué)基本規(guī)律比較感興趣，學(xué)生通過自己總結(jié)和上網(wǎng)查詢與本章內(nèi)容相關(guān)的知識，先列出提綱：如是否可以將孤立系統(tǒng)的熵增原理應(yīng)用到人類社會這樣一個復(fù)雜的體系中，如是否可以將孤立系統(tǒng)的熵增原理應(yīng)用到宇宙中等，這些信息會使學(xué)生感到新奇，學(xué)生自由選擇自己感興趣的課題，使他們主動的學(xué)習(xí)。在寫論文的過程中，加深了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，增強(qiáng)了學(xué)生收集信息的能力和表達(dá)能力。三是對熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理在科研領(lǐng)域的最新進(jìn)展的熱點(diǎn)的發(fā)表自己的觀點(diǎn)，比如信息熵、超導(dǎo)材料、激光制冷、超流以及原子激光等方面，通過上網(wǎng)查閱信息和自己的思考以及相互討論，以論文的形式呈現(xiàn)出來。

靈活化的考核方式要求老師積極挖掘?qū)W生小論文的閃光點(diǎn)，不過高強(qiáng)調(diào)學(xué)生在論文中所取得的應(yīng)用性、創(chuàng)造性成果，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生積極主動的學(xué)習(xí)意識，并幫助學(xué)生形成良好的深入思考、大膽假設(shè)、敢于實(shí)踐的創(chuàng)新精神。同時，鑒于目前人們對熱物理相關(guān)方向的研究，教師要積極提高自己的業(yè)務(wù)水平和科研能力[5]，積極的籌建教學(xué)組，教學(xué)組應(yīng)在教學(xué)和科研方面雙管齊下，學(xué)術(shù)各有專長而又相得益彰的教學(xué)梯隊(duì)，特別是把教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前熱點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容提煉深化為學(xué)生的論文課題，做出的成果又可以作為重要資料放入資料庫中，供學(xué)生參考，從而使得課程更加有利于學(xué)生的科研素質(zhì)與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，起到了吸引有潛質(zhì)的學(xué)生參與研究工作，為科研輸送后備人才的積極作用，收到了科研教學(xué)雙促進(jìn)的良好效果。

3.結(jié)論

通兩年的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理教與學(xué)方式變更，從對學(xué)生平時的學(xué)習(xí)效果來看，改革還是很有必要的。把科研融入教學(xué)使本課程受到了學(xué)生的歡迎，目前畢業(yè)一屆學(xué)生，已經(jīng)有5為畢業(yè)生在做畢業(yè)論文時從本課程中選取的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。討論式教學(xué)提高學(xué)生積極性，現(xiàn)代化的教學(xué)手段擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，靈活化的考核方式培養(yǎng)創(chuàng)新性人才。

參考文獻(xiàn)：

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