《熱力學與統計物理》課程建設和教學改革初探

曹海靜++蔣秀麗++蔣峰

摘 要：汲取《熱力學與統計物理》課程的教學經驗，根據目前的教學現狀和教學效果，對該課程的教學內容和教學方法進行了嘗試性的課程建設和教學改革，期待取得較理想的教學效果。面對教學現狀，該團隊進行了《熱力學與統計物理》這門課程的課程建設，力求做到對教材最大程度的整合，做到知識點重復率降低，同時擴大知識面，將物理前沿的知識帶到課堂；在教學方法上進行改進，提高學生的聽課效率，調動學生的學習主動性和積極性，從而為后續課程的學習以及今后的科研工作打下堅實的基礎。

關鍵詞：熱力學與統計物理 課程建設 教學 改革

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0191-01

《熱力學與統計物理》屬于理論物理課程，是高等院校物理學專業本科學生必修的一門基礎理論課，它對于后續課程，如《量子力學》，《固體物理》等課程的學習具有非常重要的作用。該課程的特點是：（1）授課時間上位于《熱學》這門課程之后，所以知識上存在重復性，需要授課教師對熱學這一部分的知識進行重新構建；（2）該課程統計物理部分包含大量的公式和推導，尤其是數學上的東西用的很多，學生數學基礎不好就會出現掌握困難的的現象。另一方面，授課教師也容易忽略一些科學思維訓練和科學思維方法的培養。在教學方法上，熱學部分用到的多是偏微分，統計物理上大多是大段的推導。所以老師采取的教學方法多是老師在推導公式，而學生越聽越沒興趣，昏昏欲睡。面對這樣的教學現狀，該團隊進行了《熱力學與統計物理》這門課程的課程建設，力求做到對教材最大程度的整合，做到知識點重復率降低，同時擴大知識面，尤其是將物理前沿的知識帶到課堂；在教學方法上進行改進，提高學生的聽課效率，調動學生的學習主動性和積極性，從而為后續課程的學習以及今后的科研工作打下堅實的基礎。

1 教材的整合

1.1 知識結構的整合

根據該學院應用物理學專業的課程設置，《熱力學與統計物理》設置在《熱學》課程之后，所以會出現知識的重復。例如對于熱力學中的內容（如平衡態、溫度、物態方程、熱力學第一定律、功、熱量與焓、理想氣體、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等）和統計物理中的內容（如等概率原理、玻耳茲曼統計、能均分定理、麥克斯韋分布）與《熱學》的重復率高，在教學時適量減少課時。同時要注意對于一些重要的知識點，對于學生的遺忘率偏高的現象，要重點突出的再講，才能起到強調的作用。《量子力學》和《固體物理》等課程設置在本課程之后，所以要對他們用到的知識點，如德拜理論，要重點講授，起到承上啟下的作用。通過知識結構的整合，可以提高教學效率，優化課程結構，緩解授課學時和教學內容的矛盾，從而明確了課程的主線。

1.2 知識點的整合

由于《熱力學與統計物理》統計物理部分中有很多理論的堆積和繁雜的推導過程等內容，而對課程中蘊含的思維訓練和科學思想、科學方法等內容很少涉及，在傳統的教學中，大部分時間都是花在推導公式上，忽視了應用人才的培養。在《熱力學統計物理》教學中，盡量做到從最普遍的基本原理出發，運用歸納、演繹的方法導出實驗規律，然后培養學生運用物理理論解決一些典型實際問題的方法和能力。同時強調對物理概念和意義、物理意義的理解，簡化數學推導，使學生形成較完整的物理學圖像。

1.3 物理前沿進課堂

在講授課本知識的同時，增加物理前沿課題進課堂的嘗試。例如講解獲得低溫的方法時，增加介紹3He、4He稀釋致冷和激光致冷；補充相變中朗道連續相變理論和臨界點附近漲落與關聯的理論；增加介紹統計物理中玻色愛因斯坦凝聚的新進展等。通過增加前沿知識的學習和介紹，加深學生對基本內容的理解，開闊學生的視野，引起學生的興趣，有利于學生科學思維的培養。

1.4 與應用物理學專業相結合

在講授理論知識課的同時，注重聯系本專業的知識，增強學生學習的目的性。由于《熱力學與統計物理》是理論性很強的課程，在教學中往往重視理論教學，學生漸漸失去了學習的興趣，這不利于應用性人才的培養。可以嘗試開一個專題討論課，讓學生自己調研，嘗試將在《熱力學與統計物理》課程中學習到的知識如何應用到本專業中去，從而培育學生的創新知識，加強其科研能力的培養。通過與相關專業的結合，讓學生更愛自己的專業，從而為將來的工作和學習打下堅實基礎。

2 教學方法改革

2.1 加強對比

由于《熱力學與統計物理》存在大量的物理意義相同或相近的物理概念、物理量、物理規律和處理方法等，可通過增加對比讓學生掌握該門課的主線，培養學生的科學思想和方法。例如對于內能、自由能、吉布斯函數、焓的概念；麥氏關系；熵、自由能、焓、吉布斯、內能等的各種判據和條件；微正則分布、正則分布、巨正則分布；玻爾茲曼統計、玻色統計、費米統計等內容，教學時主要講授部分內容，引導學生對比分析物理概念和研究方法的區別和聯系。通過對比教學，既加深了學生對基本感念、基本研究方法的理解，又能起到舉一反三的教學效果。

2.2 增加討論

教學中適當地引入討論式的教學方法，改變以往課堂教學的傳統模式，不是老師一味的枯燥在講，而是讓學生加入，提出他們的觀點，從而加深知識的印象，甚至可以讓學生來講課，會得到事半功倍的效果，從而激發學生主動學習的積極性和自我學習的能力。在教學中，增加一些基本概念、定律和處理方法的討論。例如討論分析熱力學第二定律的微分表達式和熱力學基本微分關系的不同之處；討論熵的概念以及不可逆過程中熵變的計算方法比較。根據熵增原理討論了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未來和宇宙的演化等。通過討論進一步明確了概念、規律的適用條件和一般處理方法等，并在互動過程中逐步培養學生自學意識、參與意識、群體意識和問題意識，提高了學生的積極性和主動性。

在《熱力學與統計物理》教學中還可以進行其他方面的改革和實踐。譬如，上課形式可以采取板書加多媒體的形式，學生當小老師的形式等等。在考核方面，采用閉卷考試、開卷、論文等多種考核方式。為適應教學的需要，針對教學內容可以制作比較完整的習題解答和復習資料。

總之，針對《熱力與學統計物理》教學中存在的問題，提出教學內容和教學方法等方面的改革和嘗試是十分必要的。期待該學院應用物理學專業的學生在今后的學習過程中，能夠取得一定的成果，提高學習效率。

參考文獻

[1] 趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程：熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2] 林宗涵.熱力學與統計物理學[M].北京：北京大學出版社，2007.

[3] 汪志誠.熱力學統計物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 王竹溪.熱力學（第二版）[M].北京：北京大學出版社，2005.endprint