熱學(xué)課程“問題引導(dǎo)”教學(xué)法的教學(xué)實踐

李耀宗 王西明 華雪俠

[摘要] 本文通過案例介紹了熱學(xué)課程“問題引導(dǎo)”教學(xué)法的實施情況，“問題引導(dǎo)”教學(xué)法有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生探究性的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞] “問題引導(dǎo)”教學(xué)法 學(xué)習(xí)興趣 探究性學(xué)習(xí)

中圖分類號：G640O551.3

基金項目：教育部規(guī)劃課題項目（FIB07334）與咸陽師范學(xué)院課程教改項目（200802006）。

熱學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容的特點是：概念多，內(nèi)容雜，研究方法多樣，既有抽象的微觀統(tǒng)計方法，又有較復(fù)雜的宏觀實驗方法，理論抽象性強，與自然、生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系密切。課程教學(xué)面臨的困難可概括為以下三點：一是課時壓縮導(dǎo)致的單位課時的教學(xué)內(nèi)容增加，使教學(xué)難度加大。二是高校大量擴招導(dǎo)致的學(xué)生入學(xué)時的知識水平和學(xué)習(xí)能力顯著下降，學(xué)生學(xué)習(xí)難度加大，這一點對我們這樣的二本院校比較突出。三是社會、就業(yè)等綜合因素導(dǎo)致的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。針對上述困難，為保證教學(xué)質(zhì)量，我們將課堂教學(xué)方法的改革作為教學(xué)改革的重點，借鑒了蘭州大學(xué)、吉林師范大學(xué)、清華大學(xué)等多所高校教學(xué)改革的經(jīng)驗[1-2]，總結(jié)出一種能較好適應(yīng)學(xué)生實際及熱學(xué)課程特點的“問題引導(dǎo)”教學(xué)法。經(jīng)過筆者數(shù)年的教學(xué)實踐，“問題引導(dǎo)”教學(xué)法能將熱學(xué)理論與生活及生產(chǎn)實際相聯(lián)系，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生動的探究知識的情境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神和創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

熱力學(xué)第二定律一章“問題引導(dǎo)”教學(xué)法的教學(xué)案例

熱力學(xué)第二定律一章的教學(xué)，可分三次進(jìn)行，需6個課時，其中習(xí)題課1個課時。第一次課的實施情況如下：為導(dǎo)入該章內(nèi)容而設(shè)計的問題是：“實際熱力學(xué)過程在滿足能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律的同時有無方向性？如何定量描述熱力學(xué)過程的方向性？”為回答第一個問題，讓學(xué)生列舉生活中看到的熱力學(xué)現(xiàn)象，教師分析總結(jié)后提出兩個熱力學(xué)過程模型，即單純的熱傳遞過程和單純的功變熱過程，并以摩擦生熱及杯子中的熱水變涼分析兩種過程的方向性和不可逆性，此即熱力學(xué)第二定律的兩種表述。為了進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，又提一個問題即：“不可逆過程有無內(nèi)在聯(lián)系？導(dǎo)致過程不可逆的原因是什么？”可自然地進(jìn)行兩種表述等效性的證明、第二定律表述的多樣性以及第二定律的實質(zhì)的研究與學(xué)習(xí)。至此，回答了本章開始提出的第一個問題。為了引入卡諾定理一節(jié)的學(xué)習(xí)而設(shè)計的問題是：“不可逆熱機與理想可逆熱機的效率有怎樣的關(guān)系？”為便于比較，必須讓高低溫?zé)嵩吹臏囟染鶆蚯液愣?，涉及的模型有均勻恒溫?zé)嵩茨Ｐ秃涂赡孢^程模型，可順利進(jìn)行卡諾定理及其證明的教學(xué)。此時讓學(xué)生畫出均勻恒定高、低溫?zé)嵩撮g可逆熱機的循環(huán)圖線，便可判斷出該可逆熱機正是前一章學(xué)過的可逆卡諾熱機，可給出熱量與熱源溫度的關(guān)系，結(jié)合卡諾定理1，可順利地介紹熱力學(xué)溫標(biāo)。

第二次課的實施情況如下：為引入克勞修斯等式與不等式一節(jié)的學(xué)習(xí)而設(shè)計的問題是“任意可逆循環(huán)與不可逆循環(huán)熱量與熱源溫度存在怎樣的定量關(guān)系？”，采取由特殊到一般的分析方法，即由可逆與不可逆卡諾循環(huán)得出克勞修斯等式與不等式，再推廣到一般情況。熵概念是本章的重點，也是整個熱學(xué)課程的重點，為給出熵的定義提出的問題是：“克勞修斯等式的本質(zhì)是什么？”用類比法將克勞修斯等式與保守力（萬有引力、靜電場力）的條件進(jìn)行類比。由保守力必然存在對應(yīng)的勢能（引力勢能、電勢能），且勢能是位置的單值函數(shù)，類比出熱力學(xué)系統(tǒng)必然存在一個態(tài)函數(shù)，給出熵的定義式，并指出熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。由力學(xué)主要關(guān)注勢能的改變指出熱力學(xué)主要關(guān)注熵的改變。由力學(xué)中勢能的可加性指出熱力學(xué)中熵是廣延量。由熵的定義給出熱力學(xué)基本微分方程及熵變的計算方法，通過例題及課堂訓(xùn)練使學(xué)生掌握熵變的計算。通過幾種較典型的絕熱實際不可逆過程系統(tǒng)總熵變的計算（部分計算由學(xué)生自己完成），歸納出熵增加原理，強調(diào)該原理只能用于絕熱過程，至此，給出了絕熱過程方向性的描述，即部分地回答了本章的第二個問題。

第三次課的實施情況如下：要完整地回答本章的第二個問題便可引出熱力學(xué)第二定律的定量表述的教學(xué)，通過建立任意初、末狀態(tài)間的可逆過程和任意過程兩種過程模型，由克勞修斯等式與不等式及熵的定義式便可給出第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。至此，解決了本章開始提出的問題，完成了本章的基本教學(xué)任務(wù)。但若讓學(xué)生將熵與以前學(xué)過的壓強、溫度和內(nèi)能等概念進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)另一個問題，即：“熵的微觀本質(zhì)是什么？”建立N個分子在一定體積的容器內(nèi)雜亂運動的模型，定義宏觀分布態(tài)和微觀分布態(tài)概念，分析不同宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目，進(jìn)而給出玻耳茲曼熵表達(dá)式，此即熵的微觀本質(zhì)。

效果與分析

該章的教學(xué)活動基本是在不同層次問題的引導(dǎo)下圍繞解決問題分階段、分步驟進(jìn)行的，教學(xué)目標(biāo)明確，貼近生活實際，降低了學(xué)習(xí)難度，提高了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生對熱力學(xué)第二定律的定性表述、定量表述、熵及熵增加原理等基本知識掌握得比較牢固。教學(xué)的實施過程就是問題的探究過程，通過發(fā)現(xiàn)問題、建立模型、定義概念、分析研究問題最終解決問題完成課程教學(xué)，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理學(xué)的方法理論解決實際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉立華,華中,張勇等.熱學(xué)教學(xué)改革的實踐[J].赤峰學(xué)院學(xué)報2010,26(11):208-210

[2]陳澤民.基礎(chǔ)物理教學(xué)的四個理念[J].物理與工程2006,16(6):4-8

作者單位：咸陽師范學(xué)院 陜西咸陽