創(chuàng)新視域下《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》課程教材比較研究

朱勵(lì)霖 向 鋼

(四川大學(xué)物理學(xué)院,四川 成都 610065)

《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》是一門(mén)國(guó)內(nèi)外物理專(zhuān)業(yè)不可缺少的核心課程,隸屬“四大力學(xué)”之一,在物理學(xué)知識(shí)體系中占有極為重要的地位?！稛崃W(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》是我們了解微觀世界和宏觀世界聯(lián)系的重要課程,它同時(shí)運(yùn)用了其他課程中罕見(jiàn)的思維方式——宏觀視角與微觀視角的交替綜合運(yùn)用——深刻揭示了自然界的規(guī)律。這門(mén)課程是一門(mén)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)格思維訓(xùn)練的最重要課程,并不斷啟迪其他學(xué)科的研究。因此,國(guó)內(nèi)外高校對(duì)《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》課程都十分重視。

《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》也是一門(mén)即古老又常新的學(xué)科。古老,意味著這門(mén)課內(nèi)容多、系統(tǒng)性強(qiáng),同時(shí)因涉及到《量子力學(xué)》等多門(mén)前置課程,對(duì)教與學(xué)是一大挑戰(zhàn)。常新,意味著隨著人們對(duì)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理研究不斷深入,新理論不斷涌現(xiàn)、知識(shí)更新周期縮短、教學(xué)內(nèi)容日益豐富,對(duì)所選用教材提出了高要求。到目前為止,無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,該門(mén)課程的教材都非常豐富,有些教材理論性很強(qiáng),有些教材更偏重于實(shí)際應(yīng)用,有些教材涉獵非常廣泛、包羅萬(wàn)象。不同教材,甚至同一教材不同版本都各有其特點(diǎn)。教材是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要保證。因此,面對(duì)如此大量的教材,如何選擇一本優(yōu)秀的、能夠激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新意識(shí)的教材是每一位任課教師教學(xué)時(shí)面臨的首要問(wèn)題?；诖丝紤],在教育部高等學(xué)校物理學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)立項(xiàng)資助和四川大學(xué)新世紀(jì)教改項(xiàng)目資助下,我們與華中師范大學(xué)物理學(xué)院合作,研究了國(guó)內(nèi)外高校《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》主流教材的特點(diǎn)。兩所學(xué)校的教師采用不同的主教教材,通過(guò)備課、課堂講授與討論以及課后與學(xué)生交流的反復(fù)實(shí)踐,深入了解每本教材的總體架構(gòu)和主要內(nèi)容、特點(diǎn)以及適用情況。為此,我們希望通過(guò)深入比較研究中外主流教材的異同,為《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理》任課教師選擇教材及教學(xué)方法提供重要參考或指導(dǎo)。

1 兩所學(xué)校選用不同的主講教材

鑒于本科生的平均專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)水平,四川大學(xué)與華中師范大學(xué)均選用國(guó)內(nèi)作者編撰的教材:四川大學(xué)采用汪志誠(chéng)編寫(xiě)的第五版《熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理》[1];華中師范大學(xué)采用劉連壽主編的《理論物理基礎(chǔ)教程》[2]。這兩本教材分別代表了《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》課程的兩種教學(xué)體系:玻耳茲曼理論主線和吉布斯系綜理論主線。前者內(nèi)容翔實(shí),覆蓋面廣,但熱力學(xué)比重過(guò)大,以至于對(duì)統(tǒng)計(jì)物理的講授略顯倉(cāng)促。另外,熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立,沒(méi)有相應(yīng)的銜接和過(guò)度章節(jié)幫助學(xué)生理解這兩部分內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系。后者從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)開(kāi)始著手,直接從統(tǒng)計(jì)規(guī)律引導(dǎo)讀者學(xué)習(xí)熱力學(xué),雖然更加強(qiáng)調(diào)了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)與熱力學(xué)的關(guān)系,但統(tǒng)計(jì)物理學(xué)比較抽象,使得學(xué)生難以從熱力學(xué)的角度理解熱力學(xué)的一些基本概念和定律。與此同時(shí),我們還選用了大量參考教材,比如:《統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)》(梁希俠)[3],《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》(蘇汝鏗)[4],《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》(林宗涵)[5],《熱學(xué) 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》(曹烈兆、周子舫)[6],《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》(歐陽(yáng)容百)[7]等。這些教材多為國(guó)內(nèi)名校編著的教材,國(guó)內(nèi)使用量較大,評(píng)價(jià)較好,雖然結(jié)構(gòu)內(nèi)容稍有差異,但總體上也可歸納為上述兩類(lèi)體系。

同時(shí),考慮到一部分優(yōu)秀本科生的英文水平較高、對(duì)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)領(lǐng)悟能力更強(qiáng),我們也為這部分學(xué)有余力的同學(xué)選取如下國(guó)外教材作為本門(mén)課程的輔助教材:《Statistical Mechanics》(Kerso nHuang)[8](四川大學(xué)),《Statistical Mechanics》(R.K.Pathria)[9](華中師范大學(xué))。這兩本教材是國(guó)外較為廣泛采用的統(tǒng)計(jì)物理教材。前者簡(jiǎn)明精煉,但它的確涵蓋了統(tǒng)計(jì)物理的幾乎全部?jī)?nèi)容,并且對(duì)現(xiàn)代物理概念和應(yīng)用數(shù)學(xué)工具的介紹很透徹。后者教材系統(tǒng)性很強(qiáng),使用的方法或者觀點(diǎn)非常新穎,具有非常強(qiáng)的耐讀性,更能激發(fā)讀者的興趣與求知欲;但公式推導(dǎo)不夠詳盡,給學(xué)生閱讀帶來(lái)困難。

兩校老師雖然采用不同的教材,但課題組的老師定期交流教材的使用情況和心得體會(huì),分享一些基本概念的教學(xué)方法,探討教學(xué)改革的思路及方法。通過(guò)這些經(jīng)常性的、及時(shí)的交流,主講教師更快地了解和熟悉了不同教材的總體架構(gòu)和主要內(nèi)容、特點(diǎn)以及適用情況。在此過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》主流教材相比,各有特色,互為補(bǔ)充。簡(jiǎn)述如下:首先,國(guó)內(nèi)教材的特點(diǎn)是內(nèi)容更為系統(tǒng)和深入,但是很少有教材側(cè)重于個(gè)別方面深入講解,這就使得國(guó)內(nèi)的每一本教材都很全面,但是很難找到重點(diǎn)講解某個(gè)方面的教材或參考書(shū)籍;而國(guó)外英文教材特別是歐美教材,更注重于把某一些知識(shí)點(diǎn)講透。其次,國(guó)內(nèi)教材的內(nèi)容呈現(xiàn)方法比較實(shí)用、比較傳統(tǒng),但少有風(fēng)格新穎而獨(dú)特的教材激發(fā)讀者的興趣與求知欲。這與國(guó)內(nèi)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程課時(shí)少而內(nèi)容多是有關(guān)的。最后,國(guó)外教材中的圖像、表格應(yīng)用得更多,設(shè)計(jì)、制作的也更精心,很多時(shí)候,圖像、列表在表達(dá)物理含義時(shí)要比文字更加形象,更加逼真,這些都能有效地幫助學(xué)生理解深?yuàn)W的物理知識(shí)。

2 設(shè)計(jì)并完成《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》課程問(wèn)卷調(diào)查

學(xué)生是教學(xué)的主體之一。為了全方位了解學(xué)生對(duì)所用主講教材的反饋意見(jiàn),我們?cè)O(shè)計(jì)了一套關(guān)于《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》課程的調(diào)查問(wèn)卷。問(wèn)卷的調(diào)查對(duì)象是四川大學(xué)和華中師范大學(xué)2015級(jí)和2016級(jí)本科生。問(wèn)卷共計(jì)151道題,其中包含149道選擇題和兩道簡(jiǎn)答題。內(nèi)容涉及教材結(jié)構(gòu)、講授方式、主講教材評(píng)價(jià)和知識(shí)體系等方面,比如:講授的內(nèi)容次序是以歷史發(fā)展為序,還是以內(nèi)容本身的邏輯為序;在此兩種不同順序的教材寫(xiě)法中,具體內(nèi)容的闡述其先后、詳略的區(qū)別是什么;內(nèi)容是否充實(shí)新穎,物理概念是否清晰透徹,是否配有生動(dòng)形象的圖像解釋和說(shuō)明,例題和習(xí)題的選擇與解答是否適當(dāng),與實(shí)際運(yùn)用的聯(lián)系是否緊密;學(xué)生對(duì)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的熟悉和難易程度等。

通過(guò)分析問(wèn)卷,我們發(fā)現(xiàn):兩校學(xué)生對(duì)所用主教材料普遍比較滿意,主要體現(xiàn)在內(nèi)容設(shè)計(jì)、基本概念準(zhǔn)確、理論闡述科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、例題詳盡有針對(duì)性和啟發(fā)性,但由于兩所學(xué)校所選主講教材出版較早,沒(méi)有涵蓋本學(xué)科前沿研究知識(shí),導(dǎo)致教材缺乏耐讀性,不能激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲。另外,國(guó)內(nèi)教材注重系統(tǒng)性,缺少實(shí)際應(yīng)用,學(xué)生在其中找不到書(shū)本理論應(yīng)用于實(shí)際生活的范例,這就使得抽象的物理思想更加晦澀難懂。

3 科技前沿知識(shí)與生活實(shí)例融入課堂教學(xué)

從以上的教學(xué)實(shí)踐和問(wèn)卷調(diào)查,我們可以看出,現(xiàn)行的《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》主流教材可以讓學(xué)生掌握熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理的基本思想、基本理論,但這些教材的內(nèi)容相對(duì)滯后,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中,新舊知識(shí)點(diǎn)之間、理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間難以銜接。學(xué)生迫切地希望了解教材中的理論知識(shí)在生活實(shí)際中的運(yùn)用以及國(guó)際上本學(xué)科最新的科學(xué)研究動(dòng)態(tài),這也是培養(yǎng)他們專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)的前提條件。因此,在本課程的教學(xué)活動(dòng)中,我們根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況,融入生活實(shí)例的講解和相關(guān)科技前沿的介紹。四川大學(xué)還開(kāi)設(shè)一門(mén)配套的專(zhuān)業(yè)選修課《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用》。老師為學(xué)生精心挑選和設(shè)計(jì)了八個(gè)課題,比如:量子熱機(jī)、量子測(cè)量、開(kāi)放量子系統(tǒng)凝聚態(tài)模型、信息熵、恒星演化與白矮星電子氣體簡(jiǎn)并壓,等等。如此,既讓學(xué)生加深了對(duì)基本的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理知識(shí)的理解,也了解到當(dāng)今熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的理論還可以應(yīng)用到其他自然科學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域,包括信息學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物學(xué)、宇宙學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等。例如,眾所周知,人工智能與大數(shù)據(jù)是當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究熱點(diǎn),雖屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)的分支,但熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是其重要基石——事實(shí)上,人工智能與大數(shù)據(jù)研究的論文,絕大多數(shù)發(fā)表于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)期刊。

除了課堂集中講授,主講老師也組織學(xué)生圍繞課堂知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的生活實(shí)際應(yīng)用和當(dāng)前研究熱點(diǎn)進(jìn)行小組討論,以此增加課堂教學(xué)互動(dòng),提高教學(xué)效果。利用所學(xué)的內(nèi)容解釋自然和社會(huì)現(xiàn)象,提高課程的吸引力和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極度。討論式教學(xué)方法,結(jié)合科研前沿融入課程教學(xué)內(nèi)容,極大地豐富了我們現(xiàn)有教材的內(nèi)容。開(kāi)放的教學(xué)內(nèi)容和模式不但加深了學(xué)生對(duì)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)知識(shí)的理解,更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的開(kāi)放性思維能力和靈活應(yīng)用科學(xué)的思路與方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之,我們通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外高?！稛崃W(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》主流教材的深入調(diào)查和研究,以期為國(guó)內(nèi)高校教師在選擇教材和參考書(shū)時(shí)提供一定的建議和幫助,也希望能夠?qū)Α稛崃W(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》教材的編寫(xiě)提供一些的借鑒,豐富國(guó)內(nèi)高校的教材,改變國(guó)內(nèi)高校教材比較單一、內(nèi)容不夠新穎的現(xiàn)狀,增強(qiáng)國(guó)內(nèi)教材的耐讀性,從而激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲,為培養(yǎng)更具創(chuàng)新能力的物理學(xué)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).