應用物理學專業熱物理課程體系整合探索

摘要：針對我校應用物理學專業熱物理課程教學中涉及到的“熱學”和“熱力學與統計物理學”兩門課程，結合課程內容及教學實際，提出了對熱物理體系整合的意義、目標及方法。

關鍵詞：熱物理 熱學 熱統 整合

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

我校應用物理學專業被評為自治區品牌專業，“熱物理課程”是專業課教學中的一個大的教學系列，包括基礎物理的“熱學”和理論物理的“熱力學與統計物理學”（簡稱“熱統”），屬于本專業的專業主干課，這兩門課程均是研究與熱現象有關的性質和規律，分別從宏觀和微觀角度分析熱現象的理論和相關物性性能，兩課程內容承前啟后，互有聯系，但也有很多的重疊。在高等教育教學改革不斷推進的今天，在我校實行學分制、要求減少學生上課學時的背景下，怎樣整合兩門課程，優化內容設置，達到高效的教學目標，是我們應該考慮的一個問題。

1.整合的意義

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

所用教材中《熱學》包括宏觀理論、微觀理論和物性學三大部分，結構上是統計物理學初步，之后是熱力學基礎，最后是物態與相變；《熱力學與統計物理》內容涵蓋熱力學與統計物理兩個部分，其中熱力學部分的內容主要是熱力學的基本定律、熱力學函數、相平衡與化學平衡等；統計物理學部分的內容主要是玻耳茲曼系統、玻色系統和費米系統，及微正則分布、巨正則分布和正則分布等。其中，“熱統”課程中熱力學部分和統計物理部分內容各占總內容的45%和55%。而“熱學”和“熱統”課程中涉及到的熱力學部分的內容重復率達1/3，如溫度、平衡態、物態方程、熱力學第一定律、熱容量、焓、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等內容涉及到重復；統計物理部分的內容重復率達1/4，如能均分定理、麥克斯韋分布、等概率原理、玻耳茲曼統計等內容有重復。其中涉及到的麥克斯韋分布、氣體分子動理論、輸運現象、熱力學定律、熵、玻耳茲曼分布等內容重復尤為明顯。可見，這兩門課程之間存在著內容重復的問題，導致講授時浪費許多時間去講解相同的內容，不利于學生更好的連貫、系統地學習。“熱學”作為“熱統”的初級基礎，學生在學習了“熱學”后，對“熱學”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生建立一個清晰的熱物理理論輪廓。另外，“熱學”是在一年級開設，“熱統”要等到三年級，這樣對教學也會造成不便，整合后可以使教學自然連貫，讓學生全面、系統地學習“熱學”與“熱統”的基本思想、研究方法以及當今學科前沿相關技術。而且，通過對兩門課程重復內容的整合，可以節約出近1/4課時，這應該是新時期下課程教學改革的重要手段之一。

2.整合的目標

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

因此，整合的目標就是在保證知識體系完整的同時，對內容的選取貫徹少而精的原則、避免內容的簡單重復，同時還加大了課程的信息量、減少了課程的學時數。另外，減少重復性還可以避免學生產生厭學情緒，增加學生學習的積極性，提高其學習效率。

3.整合的方法

為了使學生有一個循序漸進的學習接受過程，“熱學”與“熱統”課程還是采取獨立分開教學，可以在連續的兩個學期內完成教學。在教學過程中，采用兩本教材，對相同、重復的內容進行合二為一的整合教學。“熱學”課程中主要講授熱力學基礎和統計物理學基礎，使學生有一個初步的認識，這部分內容也比較簡單，容易掌握。主要涉及的內容包括熱力學基礎部分的以熱力學定律為主線全面介紹溫度、內能、熵、焓等態函數及其簡單應用，其中還要突出熵在熱力學中的作用，涉及到其微觀實質時，還應向學生引入信息熵、社會熵和生物熵等知識；而在統計物理基礎部分，主要突出統計思想、統計方法及“漲落”的必然性，內容主要包括理想氣體的壓強、溫度的統計解釋及意義、能均分定理及理想氣體的內能、麥克斯韋玻耳茲曼統計分布、氣體分子的碰撞輸運過程等。“熱統”課程中主要講授相變理論、近獨立粒子的描述、玻耳茲曼統計、玻色統計和費米統計、系綜理論、漲落理論、非平衡態統計理論等。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，在運用統計物理研究宏觀過程的規律時，勢必也會應用熱力學函數、公式和相應的方法，使學生得到相應的訓練。

在教學過程中，適當加入一些與熱物理相關的科學前沿內容和交叉學科領域的知識，采取專題講座的形式進行講解，這樣可以使學生了解到所學的基礎知識和當今科學前沿的聯系，擴大知識面，增強學生的學習興趣，使教材內容更加豐富充實；還可以把現代工程技術中的問題引入到一些例題分析中，體現熱物理在實際中的廣泛應用和社會價值。

4.結語

通過教學改革，使熱物理課程的內容和體系更符合教學規律，同時考慮學生的認知規律，將學生認知能力的階段性、漸進性和層次性與熱物理體系的邏輯性結合起來。使學生系統準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，為下一步學習更深的專業知識和了解物理學的最新研究成果奠定扎實的基礎。通過探索研究及實踐，找出適合我校應用物理專業熱物理教學改革的方法，不斷提高教學質量，培養出社會需要的新型人才。