以學(xué)生為主體的熱學(xué)課程教學(xué)改革嘗試與思考

李曉東 程仁志 于景新

摘要：熱學(xué)課程是本科物理學(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，學(xué)好這門課程對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)其他物理相關(guān)課程有重要的作用。然而，熱學(xué)課程的內(nèi)容較多.且較為抽象，很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探索熱情。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，本研究積極進(jìn)行了熱學(xué)課程教學(xué)改革的嘗試和思考。實(shí)踐證明，豐富教學(xué)形式、構(gòu)建課程知識(shí)體系、理論聯(lián)系實(shí)際、開展專題講座與專題討論等方式有助于提升課程的教學(xué)效果，可以為學(xué)生創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

關(guān)鍵詞：教學(xué);熱學(xué)課程;物理

熱學(xué)課程是本科物理學(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建有十分重要的作用。學(xué)生學(xué)好這門課程能為后續(xù)學(xué)習(xí)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、固體物理、原子物理等課程打下良好的基礎(chǔ)。然而，熱學(xué)課程的知識(shí)內(nèi)容較為陳舊，多為一個(gè)世紀(jì)以前已經(jīng)建立起來的經(jīng)典理論，并且學(xué)生在中學(xué)階段已或多或少地學(xué)習(xí)過這部分內(nèi)容，因此很多學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容提不起太大的興趣。同時(shí)，傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生聽，學(xué)生課后復(fù)習(xí)和做題”的教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足新時(shí)代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。因此，為了提高熱學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們嘗試在教學(xué)過程中采用實(shí)例分析、講座、專題討論等形式豐富教學(xué)過程，建立以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，從而增加學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的獲得感。

一、采用多種方法。豐富教學(xué)形式

熱學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容較多，既有微觀上的分子動(dòng)理論的平衡態(tài)理論和非平衡態(tài)理論，又有宏觀上的熱力學(xué)第一、第二定律，還有物態(tài)和相變等內(nèi)容。如果教師只是一味地照書本講解，沒有任何計(jì)劃性，很容易使學(xué)生感到熱學(xué)課程枯燥難懂。因此，我們?cè)诮虒W(xué)過程中應(yīng)根據(jù)各部分內(nèi)容的不同特點(diǎn)采用不同的教學(xué)方法。首先，分子動(dòng)理論的平衡態(tài)理論，熱力學(xué)的第一、第二定律是需要學(xué)生重點(diǎn)掌握的部分，我們就重點(diǎn)講解基本概念、理論和規(guī)律，并加強(qiáng)訓(xùn)練學(xué)生建立物理模型和分析熱力學(xué)過程的能力，同時(shí)注意適當(dāng)降低計(jì)算的難度。其次，對(duì)于分子動(dòng)理論的非平衡態(tài)理論，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程較為煩瑣，我們就簡(jiǎn)要講解其中的重點(diǎn)概念，幫助學(xué)生理清知識(shí)脈絡(luò)，然后讓學(xué)生通過自學(xué)了解氣體輸運(yùn)過程的基本物理思想。同時(shí)，我們會(huì)給出實(shí)例供學(xué)生參考，并讓學(xué)生采用分組研究的方式解決實(shí)際問題。最后，對(duì)于物態(tài)和相變的內(nèi)容，我們采用專題講座的形式，讓學(xué)生知曉自己所學(xué)內(nèi)容與科學(xué)前沿的緊密聯(lián)系，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

二、強(qiáng)調(diào)知識(shí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)建課程知識(shí)體系

在熱學(xué)課程中，概念性的內(nèi)容比較多。通過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)習(xí)慣于逐個(gè)概念、逐個(gè)定理定律的單獨(dú)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí).這樣的結(jié)果就是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)某個(gè)概念理解較清晰，但是課程結(jié)束后不能形成完整的知識(shí)體系。課程結(jié)束后，學(xué)生總結(jié)自己通過這門課程學(xué)到了什么時(shí)，往往是簡(jiǎn)單地羅列出部分概念的定義或定理、定律的一些內(nèi)容，很難有條理地系統(tǒng)講出課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)脈絡(luò)。究其原因，主要是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)一味地把精力投入到具體某一知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)上，沒有站在一個(gè)更高的角度來領(lǐng)會(huì)整個(gè)課程的知識(shí)體系。

鑒于以上情況.在學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中.我們要注重建立學(xué)生完整的熱學(xué)知識(shí)體系，以避免“只見樹木，不見森林”的零散化記憶。首先，在熱學(xué)課程第一節(jié)緒論課上，我們?cè)敿?xì)地列出了課程的基本知識(shí)體系，讓學(xué)生對(duì)課程有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。其次，每一章節(jié)的開始和結(jié)束，我們都要對(duì)本章節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，讓學(xué)生對(duì)章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)，能在知識(shí)結(jié)構(gòu)中找到每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)相應(yīng)的位置。最后，在課程結(jié)束時(shí)，我們會(huì)給出本課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，保證學(xué)生能根據(jù)結(jié)構(gòu)圖有條理地把握本課程的知識(shí)脈絡(luò)，并據(jù)此講出相應(yīng)的具體內(nèi)容，讓學(xué)生做到“既見樹木，又見森林”。通過這種訓(xùn)練，學(xué)生在談到熱學(xué)課程時(shí)，能夠思路清晰地講解出熱學(xué)課程的知識(shí)體系，而不是簡(jiǎn)單地羅列幾個(gè)概念或定律，并且學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)過程中能夠快速回憶起相關(guān)的熱學(xué)內(nèi)容。

三、注重知識(shí)應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際

熱學(xué)課程的內(nèi)容較為瑣碎、零散，純粹的理論知識(shí)講授容易使學(xué)生提不起學(xué)習(xí)興趣，因此，我們根據(jù)各章節(jié)中的不同知識(shí)的特點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際，提出一些生產(chǎn)和生活中有待解決的問題，讓學(xué)生通過查閱各種文獻(xiàn)資料、運(yùn)用熱學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。比如，在學(xué)習(xí)分子動(dòng)理論的非平衡態(tài)理論內(nèi)容時(shí)，我們采用實(shí)例分析的形式進(jìn)行教學(xué)。在高溫環(huán)境下工作時(shí)，人們需要穿著專用服裝以避免灼傷。專用服裝通常由三層織物材料構(gòu)成，記為I、Ⅱ、Ⅲ層。其中，I層與外界環(huán)境接觸，Ⅲ層與皮膚之間的空隙記為Ⅳ層。為設(shè)計(jì)專用服裝，研究者需要將體內(nèi)溫度控制在37℃左右的假人放置在實(shí)驗(yàn)室的高溫環(huán)境中，以測(cè)量假人皮膚外側(cè)的溫度。在已知每層的密度、比熱、熱傳導(dǎo)率和厚度等相關(guān)參數(shù)和一定的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，讓學(xué)生根據(jù)不同的環(huán)境條件要求，采用理論建模的方法來確定人體皮膚外側(cè)的溫度變化情況。這道題的解決除要用到熱傳導(dǎo)的相關(guān)知識(shí)外，還需要用到數(shù)學(xué)中的微積分知識(shí)。我們將班級(jí)學(xué)生分成若干小組，以專題作業(yè)的形式讓每個(gè)小組先自主學(xué)習(xí)熱學(xué)課本上熱傳導(dǎo)的內(nèi)容，再查閱相關(guān)文獻(xiàn)和各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。我們要求小組內(nèi)部討論并給出解決方案，最后再進(jìn)行分組匯報(bào)。在這個(gè)過程中，我們可以直觀地看到學(xué)生的參與熱情有了極大的提高。此外，學(xué)生在解決問題的過程中既學(xué)習(xí)了新知識(shí)，又鍛煉了查閱資料和分析解決問題的能力，還增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。我們?cè)诮虒W(xué)過程中積極搜尋有價(jià)值的實(shí)際問題，通過理論聯(lián)系實(shí)際，將學(xué)生從枯燥的理論學(xué)習(xí)中解放出來，使得課堂教學(xué)變得生動(dòng)活潑。

四、開展專題講座與專題討論。開闊學(xué)生視野

熱學(xué)課程涉及的內(nèi)容較多，但一些知識(shí)的學(xué)習(xí)要求是屬于了解層面的.針對(duì)這部分內(nèi)容我們采用專題講座的形式進(jìn)行教學(xué)。比如，熱學(xué)課程中的物態(tài)與相變的內(nèi)容難度較大但只要求學(xué)生了解，同時(shí)這部分內(nèi)容也與凝聚態(tài)物理、等離子物理、材料科學(xué)等相關(guān)研究較為密切。因此，我們采用專題講座的形式組織教學(xué)。我們邀請(qǐng)研究凝聚態(tài)物理、等離子物理、材料科學(xué)等方向的專家學(xué)者走進(jìn)課堂，為學(xué)生介紹物態(tài)和相變的相關(guān)研究領(lǐng)域，并通過討論與交流為學(xué)生答疑解惑。由于熱學(xué)課程是在大學(xué)一年級(jí)開設(shè)的，可能一些學(xué)生對(duì)物理專業(yè)的認(rèn)識(shí)還不夠，這種形式不僅有助于開闊學(xué)生的視野，也增進(jìn)了學(xué)生對(duì)物理專業(yè)的認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另外，隨著科學(xué)的發(fā)展，熱學(xué)課程中的一些知識(shí)、概念日漸豐富，在不同課程中其內(nèi)涵也在不斷擴(kuò)充，我們認(rèn)為有必要讓學(xué)生更全面地理解這些內(nèi)容。針對(duì)此類內(nèi)容，我們采用專題討論的形式進(jìn)行教學(xué)。比如，“熵和熵增加原理”，這部分內(nèi)容過于抽象，學(xué)生只聽教師講解很難完全把握。然而，“熵”的概念在信息科學(xué)、生命科學(xué)、天體物理等學(xué)科領(lǐng)域有更豐富的內(nèi)涵。于是，我們以專題的形式給學(xué)生（學(xué)生自己完成分組）布置任務(wù)，要求學(xué)生通過圖書資料查閱、網(wǎng)絡(luò)及新媒體搜索等方式學(xué)習(xí)與“熵和熵增加原理”相關(guān)的內(nèi)容，每一組都要形成總結(jié)報(bào)告。然后，我們組織課堂討論，每組推薦一個(gè)代表作報(bào)告，全班學(xué)生共同討論。通過專題討論，學(xué)生加深了對(duì)熱學(xué)課程中熵的理解.有的學(xué)生還討論了信息熵、熵與宇宙學(xué)、熵與生命科學(xué)等內(nèi)容。這樣的專題討論讓學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索，從查閱相關(guān)資料到制作電子課件，再到參與課堂討論，學(xué)生充分發(fā)揮了自身的主觀能動(dòng)性與積極性。

通過教學(xué)改革嘗試，我們豐富了教學(xué)形式，增加了實(shí)例分析、專題講座和專題討論的教學(xué)模式，提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，得到了學(xué)生的認(rèn)可和好評(píng)。我們通過重點(diǎn)講解課程主干知識(shí)，使學(xué)生對(duì)知識(shí)脈絡(luò)的把握更為清晰：通過實(shí)例分析，讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索，提高了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，增加了學(xué)生的獲得感;通過專題講座，提高了課程的時(shí)效性，也提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)和學(xué)科的認(rèn)識(shí)，開闊了學(xué)生的視野：通過專題討論，提高了課堂教學(xué)的有效性，鍛煉了學(xué)生探索新知識(shí)的能力。當(dāng)然，這只是我們初步的嘗試和思考，仍需進(jìn)一步完善和提高。我們的初衷是通過不斷的教學(xué)改革探索，提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。