熱學(xué)課程“問(wèn)題引導(dǎo)”教學(xué)法的教學(xué)實(shí)踐

李耀宗 王西明 華雪俠

[摘要] 本文通過(guò)案例介紹了熱學(xué)課程“問(wèn)題引導(dǎo)”教學(xué)法的實(shí)施情況，“問(wèn)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(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞] “問(wèn)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(lèi)號(hào)：G640O551.3

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

熱學(xué)是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容的特點(diǎn)是：概念多，內(nèi)容雜，研究方法多樣，既有抽象的微觀(guān)統(tǒng)計(jì)方法，又有較復(fù)雜的宏觀(guān)實(shí)驗(yàn)方法，理論抽象性強(qiáng)，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(diǎn)：一是課時(shí)壓縮導(dǎo)致的單位課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容增加，使教學(xué)難度加大。二是高校大量擴(kuò)招導(dǎo)致的學(xué)生入學(xué)時(shí)的知識(shí)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(diǎn)對(duì)我們這樣的二本院校比較突出。三是社會(huì)、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(duì)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(diǎn)，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(yàn)[1-2]，總結(jié)出一種能較好適應(yīng)學(xué)生實(shí)際及熱學(xué)課程特點(diǎn)的“問(wèn)題引導(dǎo)”教學(xué)法。經(jīng)過(guò)筆者數(shù)年的教學(xué)實(shí)踐，“問(wèn)題引導(dǎo)”教學(xué)法能將熱學(xué)理論與生活及生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的探究知識(shí)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(wèn)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(gè)課時(shí)，其中習(xí)題課1個(gè)課時(shí)。第一次課的實(shí)施情況如下：為導(dǎo)入該章內(nèi)容而設(shè)計(jì)的問(wèn)題是：“實(shí)際熱力學(xué)過(guò)程在滿(mǎn)足能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律的同時(shí)有無(wú)方向性？如何定量描述熱力學(xué)過(guò)程的方向性？”為回答第一個(gè)問(wèn)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(gè)熱力學(xué)過(guò)程模型，即單純的熱傳遞過(guò)程和單純的功變熱過(guò)程，并以摩擦生熱及杯子中的熱水變涼分析兩種過(guò)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(gè)問(wèn)題即：“不可逆過(guò)程有無(wú)內(nèi)在聯(lián)系？導(dǎo)致過(guò)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(shí)質(zhì)的研究與學(xué)習(xí)。至此，回答了本章開(kāi)始提出的第一個(gè)問(wèn)題。為了引入卡諾定理一節(jié)的學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的問(wèn)題是：“不可逆熱機(jī)與理想可逆熱機(jī)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ǎ婕暗哪Ｐ陀芯鶆蚝銣責(zé)嵩茨Ｐ秃涂赡孢^(guò)程模型，可順利進(jìn)行卡諾定理及其證明的教學(xué)。此時(shí)讓學(xué)生畫(huà)出均勻恒定高、低溫?zé)嵩撮g可逆熱機(jī)的循環(huán)圖線(xiàn)，便可判斷出該可逆熱機(jī)正是前一章學(xué)過(guò)的可逆卡諾熱機(jī)，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(shí)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(jì)的問(wèn)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(diǎn)，也是整個(gè)熱學(xué)課程的重點(diǎn)，為給出熵的定義提出的問(wèn)題是：“克勞修斯等式的本質(zhì)是什么？”用類(lèi)比法將克勞修斯等式與保守力（萬(wàn)有引力、靜電場(chǎng)力）的條件進(jìn)行類(lèi)比。由保守力必然存在對(duì)應(yīng)的勢(shì)能（引力勢(shì)能、電勢(shì)能），且勢(shì)能是位置的單值函數(shù)，類(lèi)比出熱力學(xué)系統(tǒng)必然存在一個(gè)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(shì)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(shì)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(jì)算方法，通過(guò)例題及課堂訓(xùn)練使學(xué)生掌握熵變的計(jì)算。通過(guò)幾種較典型的絕熱實(shí)際不可逆過(guò)程系統(tǒng)總熵變的計(jì)算（部分計(jì)算由學(xué)生自己完成），歸納出熵增加原理，強(qiáng)調(diào)該原理只能用于絕熱過(guò)程，至此，給出了絕熱過(guò)程方向性的描述，即部分地回答了本章的第二個(gè)問(wèn)題。

第三次課的實(shí)施情況如下：要完整地回答本章的第二個(gè)問(wèn)題便可引出熱力學(xué)第二定律的定量表述的教學(xué)，通過(guò)建立任意初、末狀態(tài)間的可逆過(guò)程和任意過(guò)程兩種過(guò)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(kāi)始提出的問(wèn)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(guò)的壓強(qiáng)、溫度和內(nèi)能等概念進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)題，即：“熵的微觀(guān)本質(zhì)是什么？”建立N個(gè)分子在一定體積的容器內(nèi)雜亂運(yùn)動(dòng)的模型，定義宏觀(guān)分布態(tài)和微觀(guān)分布態(tài)概念，分析不同宏觀(guān)態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀(guān)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(guān)本質(zhì)。

效果與分析

該章的教學(xué)活動(dòng)基本是在不同層次問(wèn)題的引導(dǎo)下圍繞解決問(wèn)題分階段、分步驟進(jìn)行的，教學(xué)目標(biāo)明確，貼近生活實(shí)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(duì)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(shí)掌握得比較牢固。教學(xué)的實(shí)施過(guò)程就是問(wèn)題的探究過(guò)程，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、建立模型、定義概念、分析研究問(wèn)題最終解決問(wèn)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(shí)際問(wèn)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(shí)踐[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)2010,26(11):208-210

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

作者單位：咸陽(yáng)師范學(xué)院 陜西咸陽(yáng)