應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)熱物理課程體系整合探索

摘要：針對我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)熱物理課程教學(xué)中涉及到的“熱學(xué)”和“熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)”兩門課程，結(jié)合課程內(nèi)容及教學(xué)實際，提出了對熱物理體系整合的意義、目標(biāo)及方法。

關(guān)鍵詞：熱物理 熱學(xué) 熱統(tǒng) 整合

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（b）-0196-01

我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)被評為自治區(qū)品牌專業(yè)，“熱物理課程”是專業(yè)課教學(xué)中的一個大的教學(xué)系列，包括基礎(chǔ)物理的“熱學(xué)”和理論物理的“熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)”（簡稱“熱統(tǒng)”），屬于本專業(yè)的專業(yè)主干課，這兩門課程均是研究與熱現(xiàn)象有關(guān)的性質(zhì)和規(guī)律，分別從宏觀和微觀角度分析熱現(xiàn)象的理論和相關(guān)物性性能，兩課程內(nèi)容承前啟后，互有聯(lián)系，但也有很多的重疊。在高等教育教學(xué)改革不斷推進(jìn)的今天，在我校實行學(xué)分制、要求減少學(xué)生上課學(xué)時的背景下，怎樣整合兩門課程，優(yōu)化內(nèi)容設(shè)置，達(dá)到高效的教學(xué)目標(biāo)，是我們應(yīng)該考慮的一個問題。

1.整合的意義

我校應(yīng)用物理專業(yè)分別在大一下學(xué)期和大三上學(xué)期開設(shè)“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程，所用教材是當(dāng)前國內(nèi)高校采用較多的李椿等主編的《熱學(xué)》和汪志誠主編的《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》，開課學(xué)時較多，采用板書和多媒體結(jié)合教學(xué)的方式，考試為閉卷考試，但“熱統(tǒng)”考試題目中有近一半的考題還會涉及到“熱學(xué)”的內(nèi)容。

所用教材中《熱學(xué)》包括宏觀理論、微觀理論和物性學(xué)三大部分，結(jié)構(gòu)上是統(tǒng)計物理學(xué)初步，之后是熱力學(xué)基礎(chǔ)，最后是物態(tài)與相變；《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》內(nèi)容涵蓋熱力學(xué)與統(tǒng)計物理兩個部分，其中熱力學(xué)部分的內(nèi)容主要是熱力學(xué)的基本定律、熱力學(xué)函數(shù)、相平衡與化學(xué)平衡等；統(tǒng)計物理學(xué)部分的內(nèi)容主要是玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)和費米系統(tǒng)，及微正則分布、巨正則分布和正則分布等。其中，“熱統(tǒng)”課程中熱力學(xué)部分和統(tǒng)計物理部分內(nèi)容各占總內(nèi)容的45%和55%。而“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程中涉及到的熱力學(xué)部分的內(nèi)容重復(fù)率達(dá)1/3，如溫度、平衡態(tài)、物態(tài)方程、熱力學(xué)第一定律、熱容量、焓、熱力學(xué)第二定律、熵、卡諾定理等內(nèi)容涉及到重復(fù)；統(tǒng)計物理部分的內(nèi)容重復(fù)率達(dá)1/4，如能均分定理、麥克斯韋分布、等概率原理、玻耳茲曼統(tǒng)計等內(nèi)容有重復(fù)。其中涉及到的麥克斯韋分布、氣體分子動理論、輸運現(xiàn)象、熱力學(xué)定律、熵、玻耳茲曼分布等內(nèi)容重復(fù)尤為明顯。可見，這兩門課程之間存在著內(nèi)容重復(fù)的問題，導(dǎo)致講授時浪費許多時間去講解相同的內(nèi)容，不利于學(xué)生更好的連貫、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)。“熱學(xué)”作為“熱統(tǒng)”的初級基礎(chǔ)，學(xué)生在學(xué)習(xí)了“熱學(xué)”后，對“熱學(xué)”中的兩種研究方法所形成的兩部分理論體系還不是很清晰，把二者整合起來有利于幫助學(xué)生建立一個清晰的熱物理理論輪廓。另外，“熱學(xué)”是在一年級開設(shè)，“熱統(tǒng)”要等到三年級，這樣對教學(xué)也會造成不便，整合后可以使教學(xué)自然連貫，讓學(xué)生全面、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”的基本思想、研究方法以及當(dāng)今學(xué)科前沿相關(guān)技術(shù)。而且，通過對兩門課程重復(fù)內(nèi)容的整合，可以節(jié)約出近1/4課時，這應(yīng)該是新時期下課程教學(xué)改革的重要手段之一。

2.整合的目標(biāo)

“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”課程整合是為了形成一個新的有機(jī)體，首先，要保證整合后原有知識體系的系統(tǒng)性和完整性不被破壞，即以熱物理學(xué)的基本概念、定律、研究方法為主線，突出學(xué)科重點及特色；其次，還需整合教學(xué)的基本規(guī)律及學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，合理地處理好每一個知識點的先后順序，使學(xué)生的認(rèn)知能力具有階段性、漸進(jìn)性和層次性的特點，以便更好地學(xué)習(xí)這一系列課程；最后，把與課程體系有關(guān)的科研新進(jìn)展、新成果、新方法及新理論充實到整合后的內(nèi)容體系當(dāng)中，便于學(xué)生了解熱物理學(xué)在近代科學(xué)技術(shù)研究中的重要作用、開闊視野、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

因此，整合的目標(biāo)就是在保證知識體系完整的同時，對內(nèi)容的選取貫徹少而精的原則、避免內(nèi)容的簡單重復(fù)，同時還加大了課程的信息量、減少了課程的學(xué)時數(shù)。另外，減少重復(fù)性還可以避免學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高其學(xué)習(xí)效率。

3.整合的方法

為了使學(xué)生有一個循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)接受過程，“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”課程還是采取獨立分開教學(xué)，可以在連續(xù)的兩個學(xué)期內(nèi)完成教學(xué)。在教學(xué)過程中，采用兩本教材，對相同、重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行合二為一的整合教學(xué)。“熱學(xué)”課程中主要講授熱力學(xué)基礎(chǔ)和統(tǒng)計物理學(xué)基礎(chǔ)，使學(xué)生有一個初步的認(rèn)識，這部分內(nèi)容也比較簡單，容易掌握。主要涉及的內(nèi)容包括熱力學(xué)基礎(chǔ)部分的以熱力學(xué)定律為主線全面介紹溫度、內(nèi)能、熵、焓等態(tài)函數(shù)及其簡單應(yīng)用，其中還要突出熵在熱力學(xué)中的作用，涉及到其微觀實質(zhì)時，還應(yīng)向?qū)W生引入信息熵、社會熵和生物熵等知識；而在統(tǒng)計物理基礎(chǔ)部分，主要突出統(tǒng)計思想、統(tǒng)計方法及“漲落”的必然性，內(nèi)容主要包括理想氣體的壓強(qiáng)、溫度的統(tǒng)計解釋及意義、能均分定理及理想氣體的內(nèi)能、麥克斯韋玻耳茲曼統(tǒng)計分布、氣體分子的碰撞輸運過程等。“熱統(tǒng)”課程中主要講授相變理論、近獨立粒子的描述、玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計、系綜理論、漲落理論、非平衡態(tài)統(tǒng)計理論等。事實上，熱物理中的宏觀理論和微觀理論相符相稱、不可分割，在運用統(tǒng)計物理研究宏觀過程的規(guī)律時，勢必也會應(yīng)用熱力學(xué)函數(shù)、公式和相應(yīng)的方法，使學(xué)生得到相應(yīng)的訓(xùn)練。

在教學(xué)過程中，適當(dāng)加入一些與熱物理相關(guān)的科學(xué)前沿內(nèi)容和交叉學(xué)科領(lǐng)域的知識，采取專題講座的形式進(jìn)行講解，這樣可以使學(xué)生了解到所學(xué)的基礎(chǔ)知識和當(dāng)今科學(xué)前沿的聯(lián)系，擴(kuò)大知識面，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教材內(nèi)容更加豐富充實；還可以把現(xiàn)代工程技術(shù)中的問題引入到一些例題分析中，體現(xiàn)熱物理在實際中的廣泛應(yīng)用和社會價值。

4.結(jié)語

通過教學(xué)改革，使熱物理課程的內(nèi)容和體系更符合教學(xué)規(guī)律，同時考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，將學(xué)生認(rèn)知能力的階段性、漸進(jìn)性和層次性與熱物理體系的邏輯性結(jié)合起來。使學(xué)生系統(tǒng)準(zhǔn)確地掌握課程所涉及到的基本概念，全面靈活地運用熱物理理論解決實際問題，為下一步學(xué)習(xí)更深的專業(yè)知識和了解物理學(xué)的最新研究成果奠定扎實的基礎(chǔ)。通過探索研究及實踐，找出適合我校應(yīng)用物理專業(yè)熱物理教學(xué)改革的方法，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出社會需要的新型人才。