智慧教學(xué)改革下大學(xué)物理課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)
--以“熵增加原理”為例

劉文彥,陳長(zhǎng)蘭,王長(zhǎng)昊*

(1.吉林化工學(xué)院 理學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.吉林市第二十九中學(xué)校,吉林 吉林 132013)

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展,自2017年,教育部出臺(tái)了一系列開展“新工科”建設(shè)文件[1-5]?！靶鹿た啤钡奶岢?反映出現(xiàn)有的高等工程教育培養(yǎng)的人才不能滿足新時(shí)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,需要尋求高等工程教育的創(chuàng)新與變革[6]。大學(xué)物理作為“新工科”專業(yè)必修的一門公共基礎(chǔ)課,主要培養(yǎng)工科學(xué)生的科學(xué)思維方式和研究問題的方法,使學(xué)生具備一定的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力,為今后專業(yè)領(lǐng)域廣度和深度的發(fā)展打下基礎(chǔ)[7]。為此我們提出了大學(xué)物理智慧教學(xué)模式改革,旨在借助智能化的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)啟迪學(xué)生的智慧。

“新工科”的提出歸根究底是對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高的要求。教育部2017年2月20日發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》中就特別強(qiáng)調(diào)了要培養(yǎng)出創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才[2]。黨的十八大以來,習(xí)近平總書記圍繞“培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人”這一根本問題,提出高等學(xué)校的根本標(biāo)準(zhǔn)就是立德樹人的成效。這說明在“新工科”背景下,對(duì)人才的培養(yǎng)由單純的知識(shí)性傳授向“專業(yè)技能+能力培養(yǎng)+人格塑造”全方位人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。而作為公共基礎(chǔ)課的大學(xué)物理課程,以學(xué)生受眾廣、內(nèi)容涵蓋廣、育人資源廣等特點(diǎn)而必然在整個(gè)人才培養(yǎng)過程中起到重要的作用。但目前大學(xué)物理課程無論是在能力培養(yǎng)還是在價(jià)值引領(lǐng)等方面均未發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié);理論與實(shí)驗(yàn)在教學(xué)環(huán)節(jié)中不匹配;“課程思政”在實(shí)施過程中存在“兩張皮”、“片面化”、“生搬硬套”等問題[8-9],這些都大大制約大學(xué)物理課程在“新工科”人才培養(yǎng)中的育人功能,成為大學(xué)物理教學(xué)改革中急需解決的問題。為此,在智慧教學(xué)改革的基礎(chǔ)之上,對(duì)大學(xué)物理課程思政進(jìn)行了探索與嘗試。本文就以“熵增加原理”為例來談大學(xué)物理課程思政的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 教學(xué)目標(biāo)

熵增加原理是大學(xué)物理熱學(xué)部分一個(gè)與能量守恒定律同等重要的定理(在知識(shí)體系中的地位見圖1)。且廣泛應(yīng)用于信息學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、甚至哲學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,對(duì)理工科各專業(yè)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)有著十分重要意義。

圖1 學(xué)生展示不可逆過程--冷熱水混合實(shí)驗(yàn)

圖1 本章節(jié)在知識(shí)體系中的地位

圖2 學(xué)生講解熵增與溫?zé)岜汝P(guān)系

圖3 由胡剛復(fù)創(chuàng)造文字“熵”談中國(guó)文字博大精深

圖4 小組討論不可逆過程熵增的求解方法

圖5 學(xué)生講解不可逆熵增問題的求解方法

圖6 學(xué)生講解熵增加原理

圖7 由熵增加原理引出“只爭(zhēng)朝夕”的拼搏精神

圖8 由熵增加原理適用條件引出“負(fù)熵”精神

圖9 學(xué)生講解本小組繪制的思維導(dǎo)圖

因而將本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為:

1.知識(shí)目標(biāo):(1)能夠闡明“熵”及“熵增”概念的物理含義及性質(zhì);(2)會(huì)計(jì)算可逆/不可逆熱力學(xué)過程的熵增,并區(qū)分兩者在求解方法上的異同;(3)能夠正確描述熵增加原理的物理內(nèi)涵。

2.能力目標(biāo):(1)通過課前研討培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力;(2)通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、展示及講解培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、語言表達(dá)能力和實(shí)踐能力;(3)通過思維導(dǎo)圖的繪制培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和歸納總結(jié)能力。

3.情感目標(biāo):(1)通過主題研討培養(yǎng)學(xué)生的批判精神;(2)通過對(duì)“熵”的說文解字和相關(guān)詩詞引入人文情懷;(3)通過熵增加原理的適用條件引出“負(fù)熵”精神。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與課堂教學(xué)過程

2.1 引課:熱力學(xué)第二定律--不可逆過程--實(shí)驗(yàn)展示--引出“熵”

通過【選人】隨機(jī)選擇兩組學(xué)生進(jìn)行“不可逆過程”實(shí)驗(yàn)展示(服務(wù)性學(xué)習(xí)任務(wù),注意多鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生),在復(fù)習(xí)不可逆過程相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)的同時(shí),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入思考:如何能夠更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嘏袛酂崃W(xué)過程的可逆性與否?引出本節(jié)課的內(nèi)容-“熵”。

2.2 熵 熵增:保守力做功--勢(shì)能--熵與溫?zé)岜确e分的關(guān)系

可逆過程:通過類比“保守力做功引入勢(shì)能”的方法,啟發(fā)(鼓勵(lì)學(xué)生上臺(tái)來講解)學(xué)生引出“可逆過程中熵增與溫?zé)岜鹊年P(guān)系”。(注意對(duì)學(xué)生歸納總結(jié)能力和邏輯思維能力的鍛煉培養(yǎng))并從說文解字的角度解釋“熵”字的來源(近代物理學(xué)奠基人--胡剛復(fù)教授),加深學(xué)生對(duì)“熵”這個(gè)概念的理解。

【思政元素講解】其實(shí)“熵”這個(gè)字是1923年才出現(xiàn)的。是中國(guó)近代物理學(xué)奠基人胡剛復(fù)教授在1923年為來南京講學(xué)的普朗克當(dāng)翻譯時(shí)創(chuàng)造出來的字。其中右半部分的“商”指的是熱量與溫度之比;左半部分的火字旁指這一過程與熱學(xué)有關(guān),很形象生動(dòng)的說明了熵這個(gè)物理量的由來。這也說明雖然中國(guó)文字有著幾千年的歷史,但仍然具有著勃勃生機(jī)。

(3)不可逆過程:設(shè)問“那是不是不可逆過程就不能求解熵增了?”熵是狀態(tài)函數(shù),與過程無關(guān)--可逆過程與否不影響熵增--引導(dǎo)學(xué)生向“熱力學(xué)過程”方面思考--求解不可逆熵增的辦法:在始末狀態(tài)間假想一個(gè)可逆過程求熵增--小組討論:求解理想絕熱自由膨脹過程熵增的具體值--隨機(jī)選擇一組講解分析及求解過程(鼓勵(lì)學(xué)生上臺(tái)來講解)。

設(shè)問:同樣的始末狀態(tài)間,是否是可逆過程求解出的熵增并不同,這是不是與“熵是狀態(tài)函數(shù),與過程無關(guān)”相矛盾啊?熵與過程無關(guān),但溫?zé)岜扰c過程有關(guān)--熵增在數(shù)值上等于可逆過程溫?zé)岜鹊姆e分,而不等于不可逆過程溫?zé)岜鹊姆e分(使學(xué)生正確理解熵增與溫?zé)岜鹊年P(guān)系)。

2.3 熵增加原理

(1)在課前推送“熵增原理證明過程”相關(guān)視頻的基礎(chǔ)上,讓同學(xué)們?cè)谡n堂上總結(jié)熵增加原理的主要內(nèi)容。(鼓勵(lì)學(xué)生上臺(tái)來講解,檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況);

(2)以前面的“理想氣體自由膨脹過程”為例--引出熵增加原理的應(yīng)用--布置課后實(shí)踐作業(yè):利用熵增加原理判斷冷熱水混合過程是否為可逆過程(強(qiáng)化學(xué)生對(duì)熵增加原理的理解及應(yīng)用)--由李白《將進(jìn)酒》進(jìn)而引出“只爭(zhēng)朝夕”的拼搏精神。

【思政元素講解】雖然物理學(xué)意義上的熵增加原理是由西方提出的,但在我國(guó)傳統(tǒng)的文化中其實(shí)早就有蘊(yùn)含了這種思想。例如詩仙李白的《將進(jìn)酒》有這么一句“君不見高堂明鏡悲白發(fā),朝如青絲暮成雪”其實(shí)就是在說萬事萬物都有其運(yùn)行的方向,既然時(shí)光不能重來,我們就要只爭(zhēng)朝夕。

以“生命周期”為例強(qiáng)調(diào)熵增加原理適用條件--孤立系統(tǒng)或絕熱過程--并引入“負(fù)熵”精神,我們要開放自己。

【思政元素講解】按照熵增加原理的觀點(diǎn),我們雖然終究會(huì)走向死亡,但慶幸的是我們并不是從一出生就馬上不斷的衰老直至死亡的,我們實(shí)際上經(jīng)歷了從一個(gè)小嬰兒成長(zhǎng)至壯年,再到老年的過程,這是為什么呢?這因?yàn)殪卦黾釉硎怯星疤岬?就是絕熱過程或孤立系統(tǒng)。薛定諤曾經(jīng)說過“生命之所以免于死亡,其主要原因就在于他能不斷地獲得負(fù)熵”。那我們?cè)趺床拍塬@得負(fù)熵?餓了吃飯、病了吃藥都是引入負(fù)熵的過程。其實(shí)負(fù)熵也是一種精神,我們開放自己、吐故納新、與時(shí)俱進(jìn),才能在有限的生命里經(jīng)歷一個(gè)富有勃勃生機(jī)的生命過程。

2.4 內(nèi)容總結(jié)

通過【小組活動(dòng)】引導(dǎo)學(xué)生繪制本節(jié)課的思維導(dǎo)圖--通過學(xué)生互評(píng)選擇繪制最好的一組對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。(鼓勵(lì)學(xué)生上臺(tái)來講解,注意學(xué)生知識(shí)體系的自我構(gòu)建過程)

3 結(jié) 論

從學(xué)生的教學(xué)反饋(見圖10)中可以看出,學(xué)生對(duì)課程的滿意度很高,認(rèn)為課程具有一定的挑戰(zhàn)度,且利他思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)明顯提升;學(xué)習(xí)體驗(yàn)感較強(qiáng),自我認(rèn)知能力有所提升,學(xué)習(xí)意愿增強(qiáng)。由此可以看出,智慧教學(xué)模式下的大學(xué)物理課程思政設(shè)計(jì)在達(dá)成課程育人目標(biāo)中起到了切實(shí)的作用。

圖10 學(xué)生的課后反饋