熱力學(xué)統(tǒng)計物理教學(xué)內(nèi)容研究與改革實(shí)踐
——以嶺南師范學(xué)院為例

藍(lán)善權(quán)，何煥典

(嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048)

1 教學(xué)現(xiàn)狀

熱力學(xué)統(tǒng)計物理是高等院校本科物理學(xué)專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)理論課程[1]，它對于量子力學(xué)、固體物理等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及學(xué)生今后從事相關(guān)科研或教學(xué)工作都具有積極意義。本研究以嶺南師范學(xué)院為例，對熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.1 熱學(xué)與熱力學(xué)統(tǒng)計物理的部分教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)性，兩門課的教學(xué)大綱和教材沒有很好地銜接到一起

從授課時間上來看，熱學(xué)先于熱力學(xué)統(tǒng)計物理，屬于前續(xù)后續(xù)的關(guān)系[2]。這兩門課的研究對象都是熱現(xiàn)象，有些教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)是不可避免的[3-4]。但它們之間的差異也很明顯，熱學(xué)側(cè)重于對熱現(xiàn)象的描述和宏觀規(guī)律的總結(jié)，而熱力學(xué)統(tǒng)計物理側(cè)重于揭示描述熱現(xiàn)象的宏觀和微觀物理量之間的關(guān)系、熱現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和微觀機(jī)理[5]。嶺南師范學(xué)院的《熱學(xué)》教材是李椿等人編著的[6]，《熱力學(xué)統(tǒng)計物理》教材是汪志誠編著的[7]，它們的編著者不同，教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同，教學(xué)大綱也不同。

熱力學(xué)統(tǒng)計物理的教學(xué)內(nèi)容較為豐富，而教學(xué)學(xué)時卻很少，在物理學(xué)專業(yè)的授課學(xué)時為48學(xué)時，需要教師對教學(xué)內(nèi)容有所取舍。該課程的主要教學(xué)內(nèi)容是第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律(10課時)、第二章均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)(6課時)、第三章單元系的相變(4課時)、第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布(7課時)、第七章玻耳茲曼統(tǒng)計(8課時)、第八章玻色統(tǒng)計和費(fèi)米統(tǒng)計(8課時)、第九章系綜理論(3課時)、總復(fù)習(xí)(2課時)。需要組織這兩門課程的授課教師對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱進(jìn)行整合與優(yōu)化。

1.2 較為關(guān)注數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，有些忽視了物理思想和物理方法的重要性

熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程的理論性較強(qiáng)，物理圖像抽象，物理模型眾多，教材中包含大量公式及復(fù)雜的推導(dǎo)過程，不像普通物理課那樣生動直觀，一些學(xué)生將注意力放在了公式推導(dǎo)上，難以感受到其中的物理思想和物理方法，不利于教師與學(xué)生之間的交流。對此，教師必須調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，分清主次，豐富教學(xué)方法，減少公式推導(dǎo)的時間，多給學(xué)生留一點(diǎn)獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的時間。

1.3 題型有些單調(diào)，題庫中的題量較少

熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程所用教材的課后習(xí)題只包含證明題和計算題兩種題型，平時作業(yè)也是這樣，而期末考試卻包含了簡答題、選擇題、填空題、證明題和計算題這些題型，使得部分學(xué)生在期末考試中面對眾多新題型有些不太適應(yīng)。平時作業(yè)中沒有簡答題、選擇題、填空題的原因在于題庫中這三類題型的題目較少。

2 教學(xué)內(nèi)容改革策略

2.1 整合熱學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計物理的教學(xué)內(nèi)容

熱學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計物理這兩本教材在平衡態(tài)、溫度、物態(tài)方程、熱力學(xué)第零定律、功、理想氣體、內(nèi)能、熱量、熱力學(xué)第一定律、焓、卡諾循環(huán)、熱力學(xué)第二定律、卡諾定理、熵、熵增加原理、能量均分定理、麥克斯韋分布等內(nèi)容上是有所重復(fù)的。對此，教師需要明確熱學(xué)課程的教學(xué)大綱中有哪些內(nèi)容是要求學(xué)生掌握的，哪些內(nèi)容是只要理解就可以的，如熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律及其相關(guān)內(nèi)容要求掌握，而熵、能量均分定理、麥克斯韋分布的內(nèi)容只需理解即可，對它們的物理意義和微觀來源不作要求。在此基礎(chǔ)上，將熱力學(xué)統(tǒng)計物理的主要教學(xué)內(nèi)容變?yōu)榈谝徽?4課時)、第二章(6課時)、第三章(4課時)、第六章(8課時)、第七章(8課時)、第八章(8課時)、第九章(8課時)，做到有效降低課程內(nèi)容的重復(fù)率。

2.2 引進(jìn)物理學(xué)史和前沿知識，連接中學(xué)物理

引進(jìn)物理學(xué)史和前沿知識可以增加課堂的趣味性，讓學(xué)生了解物理問題的來龍去脈，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，加深學(xué)生對相應(yīng)知識的理解，開闊學(xué)生視野。教師可以在課堂上介紹物理學(xué)史和前沿知識，并將某個物理學(xué)史或前沿知識作為課后作業(yè)，讓學(xué)生以小組合作的方式通過互聯(lián)網(wǎng)查找資料，然后進(jìn)行討論總結(jié)和組員講解。物理學(xué)史和前沿知識的內(nèi)容較多，教師需要精心挑選進(jìn)行設(shè)計。例如，在講解光子氣體時，教師可以介紹量子力學(xué)之父普朗克的故事和他解決黑體輻射問題的過程；在講解玻色-愛因斯坦凝聚時，教師可以介紹玻色和愛因斯坦的故事以及他們研究該問題的過程，還可以介紹最新的研究進(jìn)展和與之相關(guān)的冷原子氣體、量子化渦旋、超流湍流等前沿知識；在講解熵時，可以介紹馮·諾依曼熵和糾纏熵及其在通信領(lǐng)域、量子計算機(jī)領(lǐng)域和引力領(lǐng)域中的應(yīng)用。

物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后大多數(shù)會從事中學(xué)物理教學(xué)工作。中學(xué)物理中有關(guān)熱現(xiàn)象的內(nèi)容主要包括空氣中的聲速大約為304 m/s；高度每升高1 km大氣溫度就會降低大約6℃；黑體輻射的能量密度與溫度的四次方成正比。中學(xué)物理對這些內(nèi)容只給出了結(jié)果，而熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程給出了推導(dǎo)過程并解釋了成因。在高等教育物理教學(xué)過程中，教師要結(jié)合中學(xué)物理來強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)性，將教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)能力相融合，使學(xué)生能從理論物理的高度來解釋中學(xué)物理中的熱問題。

2.3 減少數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，重視物理思想教學(xué)

部分學(xué)生覺得熱力學(xué)統(tǒng)計物理的學(xué)習(xí)難度較大，理不清其中大量的公式和各式各樣的物理模型。首先，教師需要減少數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，主要推導(dǎo)重要公式，把過于復(fù)雜的、不太重要的公式推導(dǎo)過程放到PPT里邊，借助多媒體實(shí)現(xiàn)快速講解或者讓學(xué)生自學(xué)，然后進(jìn)行物理模型的分析。實(shí)踐表明，弄清楚了物理模型會有助于數(shù)學(xué)公式的記憶和推導(dǎo)，如理想氣體方程和范德瓦爾斯氣體方程，后者就是在前者的基礎(chǔ)上做了兩個修正，修正的依據(jù)為兩種氣體分子物理模型的差別，范德瓦爾斯氣體則是考慮了分子的體積和分子之間的相互作用。還有自由粒子、線性諧振子、轉(zhuǎn)子、玻色子、費(fèi)米子、愛因斯坦固體、光子氣體、自由電子氣體、微正則系綜、正則系綜、巨正則系綜等物理模型，當(dāng)學(xué)生深入理解了這些物理模型，在推導(dǎo)公式的過程中自然就有了思路。其次，要重視物理思想教學(xué)。研究熱現(xiàn)象可以從宏觀角度出發(fā)也可以從微觀角度出發(fā)，即熱力學(xué)理論和統(tǒng)計物理理論。統(tǒng)計物理又包含基于最概然分布中的微觀狀態(tài)數(shù)的統(tǒng)計物理和基于系綜理論的統(tǒng)計物理，如熱力學(xué)第二定律的各種表述、黑體輻射問題、微觀狀態(tài)數(shù)的計算、光子氣體內(nèi)能的計算等內(nèi)容。

2.4 加強(qiáng)思政教育

專業(yè)課是思政建設(shè)的重要載體。熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程主要的思政教育體現(xiàn)在物理問題的分析討論上，這樣有助于提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力，強(qiáng)調(diào)科學(xué)精神和價值理念。教師需要更加深入地挖掘思政元素，并將其融入課堂教學(xué)中，注重科學(xué)思維方法訓(xùn)練和科學(xué)倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷，達(dá)到潤物無聲的育人效果。

教師在傳授專業(yè)知識的同時，要注重提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。首先，在課程的緒論部分講述課程由來、課程現(xiàn)狀、課程發(fā)展趨勢等內(nèi)容，從理論和實(shí)踐等多個視角講清道理和方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，在具體教學(xué)內(nèi)容中挖掘思政元素。例如，在熱力學(xué)第一定律這一節(jié)中介紹物理學(xué)家焦耳以及他進(jìn)行的長達(dá)四十年的熱功當(dāng)量測量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生意識到科學(xué)研究需要堅持不懈、精益求精的精神；在獲得低溫方法這一節(jié)中介紹各種降溫方法是如何提出的以及在磁懸浮列車、量子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，讓學(xué)生感受到科學(xué)思維之花綻放的美麗及物理學(xué)的應(yīng)用對人類生活的改變；在玻色-愛因斯坦凝聚這一節(jié)介紹超流氦、超冷原子和超導(dǎo)的研究歷史和現(xiàn)狀，還要介紹我國科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。

2.5 做好電子題庫建設(shè)

根據(jù)熱力學(xué)統(tǒng)計物理的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)，可以開發(fā)出大量的簡答題、選擇題、填空題和判斷題等新題型。擴(kuò)充題庫較為重要，一方面，有利于教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行全面考核，期末考試出題也將會更加客觀公平，實(shí)現(xiàn)教考分離；另一方面，有利于學(xué)生的復(fù)習(xí)，特別是對于考研的學(xué)生，題庫顯得較為重要。

熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程每一章都包含大量的物理概念，以所選教材第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布為例，主要包含了μ空間、費(fèi)米子、玻色子、系統(tǒng)微觀運(yùn)動狀態(tài)、全同粒子、近獨(dú)立粒子、全同性原理、簡并度、等概率原理等內(nèi)容。這些物理概念不太適合通過證明題和計算題的形式來體現(xiàn)，它們比較適合于簡答題，有一些內(nèi)容還可以出選擇題(電子、質(zhì)子、光子中哪一種是玻色子？)、填空題(雙原子分子在三維空間中自由運(yùn)動，它的μ空間的維度是多少？)和判斷題。除此之外，該課程還包含大量的物理量(熵、內(nèi)能、焓、自由能、吉布斯函數(shù))、物理模型、公式(內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分)、條件判據(jù)(平衡態(tài)、熵判據(jù)、自由能判據(jù)、吉布斯函數(shù)判據(jù)、經(jīng)典極限條件)等內(nèi)容，這些內(nèi)容很適合出選擇題、填空題和判斷題。教師可以通過互聯(lián)網(wǎng)收集各種經(jīng)典題型題目，并根據(jù)各章節(jié)內(nèi)容設(shè)計出各題型的題目，然后進(jìn)行分類整理，建立電腦本地電子題庫和雨課堂端的電子題庫。

3 結(jié)語

對嶺南師范學(xué)院熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從五個方面對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了研究和改革實(shí)踐：(1)對熱學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計物理兩門課程重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合與優(yōu)化，把熱學(xué)宏觀規(guī)律的教學(xué)內(nèi)容放到了熱學(xué)課程中，增加了系綜理論的教學(xué)；(2)引進(jìn)了物理學(xué)史和前沿知識，并與中學(xué)物理相連接，使學(xué)生能夠從理論物理的高度去解釋中學(xué)物理中的熱問題；(3)減少了數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，采用多媒體課件對復(fù)雜的公式推導(dǎo)過程進(jìn)行講解，提高教學(xué)效率。同時，更加重視物理思想教學(xué)，特別是物理模型的構(gòu)建；(4)挖掘思政元素，加強(qiáng)思政教育；(5)建立題型多樣、題目豐富的電子題庫。實(shí)踐表明，對熱力學(xué)統(tǒng)計物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性得到了明顯提高，課堂的互動氛圍得到了有效改善，教師有更充足的時間來講解系綜理論，但還是需要學(xué)生花一些時間來復(fù)習(xí)熱學(xué)知識。