專題化教學模式在“熱力學與統計物理”課程中的探索與實踐

姜舟婷 焦志偉 徐鵬

摘 要 專題化教學指把教學內容分解成適當的物理專題，以專題的形式來組織教學內容，從而拓展學生知識面的教學模式。本文介紹了在《熱力學與統計物理》課程中實施專題化教學，引導學生通過分組討論的形式，讓學生通過不同專題的學習掌握相關的教學知識，從而增強教學效果。

關鍵詞 專題化 熱力學與統計物理 教學實踐

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.09.051

Exploration and Practice of Thematic Teaching Mode in the

"Thermodynamics and Statistical Physics" Course

JIANG Zhouting， JIAO Zhiwei， XU Peng

（Physics Department， College of Science， China Jiliang University， Hangzhou， Zhejiang 310018）

Abstract Thematic teaching refers to the teaching content broken down into appropriate physical topics， in the form of themes to organize the teaching content to expand student knowledge of the teaching mode. This article describes the implementation of thematic teaching in the "Thermodynamics and Statistical Physics" course guide students through the form of group discussions， so that students learn to master the different topics related to teaching knowledge， thereby enhancing the effectiveness of teaching.

Key words thematic; Thermodynamics and Statistical Physics; teaching practice

1 “熱力學與統計物理”課程的特點

“熱力學與統計物理”課程是物理學或者應用物理學專業的主干必修課程。它主要研究大量粒子組成的熱力學系統的運動規律及熱運動對物質宏觀性質影響。該門課程的研究方法和研究結果已廣泛地應用在化學、生物、氣象、生態等其他各門基礎學科之中。①

“熱力學與統計物理”作為理論物理中四大經典力學課程之一，和其它理論物理課相似，具有嚴密的邏輯推理和完備的物理思想。本課程主要是讓學生在完成普通物理學、熱學、原子物理學學習的基礎上，運用高等數學對物質熱運動規律有較系統和深入的認識。通過對本課程的學習，牢固掌握熱力學與統計物理學的基本原理、基本理論框架和知識要點，以及運用熱力學和統計物理基本思想和知識解決實際問題的技能和方法。

在我們的前期調研中發現，實際教學過程中大多數教師感到困難，特別是統計物理學部分，老師講得抽象，學生聽得含糊。本課程為物理專業的學生接觸到的第一門理論物理課程，與普通物理課程相比，學生第一次學習采用一套全新的理論研究方法——統計方法來研究科學問題，這需要學生具有概率論的數學儲備知識的同時，還要求學生對統計物理的基本概念和圖像有明確的認知。而這種物理思維的鍛煉在以往的普通物理課程中并沒有直接嘗試過，讓學生一下子很難適應，明顯感到學習阻力。此外，由于熱力學統計物理課程中還需要通過復雜的數學推導給出物理規律和結論，這占用了大部分的課堂時間，但是實際教學效果往往欠佳。比如通過統計理論給出理想氣體的物態方程時，結論很簡單，但是推導過程卻比較復雜，學生上課很容易走神。這種注入式教學，教師講學生聽，缺少師生間的互動，讓學生覺得這門課程熱力學部分只是大堆的偏導數，統計物理部分就是各種分布，要理解透徹很難。

目前，隨著高校招生規模大幅增加，生源質量有所下滑，入校學生學習能力參差不齊，很多學生在中學階段對物理就缺乏興趣且基礎薄弱，長此以往導致厭學，甚至恐懼。目前眾多院校在大力開展專業課程建設的同時，大幅縮減專業基礎課的課時，“熱力學與統計物理學”課程也不例外，從最初的68個課時減少到目前48個課時，若仍遵循原有的教學模式，把大量的教學內容講透是很難達到的。因此，引導學生開展專題化實踐性學習是非常必要的，它一方面能在有限教學時間內幫助學生加深專業知識的理解;另一方面對培養學生團隊協作精神、有效溝通能力等方面也起到積極的作用。②

2 專題化教學模式的實踐

專題化教學是指把教學內容分解成適當的物理專題，以專題的形式來組織教學內容，從而拓展學生知識面的教學模式。選擇好特定的物理專題，通過教師講授——學生分組討論——教師總結評價的形式，讓學生掌握特定的物理知識、研究問題的科學方法以及了解國內外相關技術的最新進展。在“熱力學與統計物理”課程中實施專題化的教育模式，不僅使學生由點及面系統地掌握知識，而且對知識進行擴展，大大提高他們分析問題和解決問題的能力，并激發創新實踐。具體實施過程包括：

2.1 教學內容的調整

“熱力學與統計物理”課程由“熱力學”和“統計物理學”兩部分組成，前者是研究熱現象和物質性質的宏觀唯象理論，后者是熱現象的微觀本質理論，兩者研究手段不同，但又是相互聯系的統一的理論體系。在專題化教學實踐過程中，我們可以把“熱力學”與普通物理課程“力學與熱學”中的熱學部分進行整合，③比如溫度、熱平衡、功、內能、熱量、熱力學第一定律和第二定律在兩門課程中都出現，就無需重復講解，杜絕繁冗，充實內容，提高教學效率。本課程的教學內容和普通物理課程相比，存在大量抽象的理論和模型，如果采用傳統的注入式教學，很容易使學生感到枯燥無味，從而產生厭學情緒。

2.2 教學專題的設計

“熱力學與統計物理”課程由“熱力學”和“統計物理學”兩部分組成，前者是研究熱現象和物質性質的宏觀唯象理論，后者是熱現象的微觀本質理論，兩者研究手段不同，但又是相互聯系的統一的理論體系。“熱力學與統計物理”這門課程就其本身而言，具有較強的專題性，例如熵、激光致冷、玻色—愛因斯坦凝聚、固體的熱容量、原子激光等都可以作為適當的專題進行教學實踐。選擇好專題內容后，以此內容為核心，并附加一些與本專題相關的輔導資料，突出專題教學內容重點的同時，也增大了信息量。譬如，選擇相平衡理論作為專題教學時，可將液滴的形成過程作為研究性材料，讓學生通過對復相平衡理論在液滴形成過程中的應用，對相平衡的概念有更全面、深入地認識，培養學生對知識的綜合應用能力。

學生對專題的研究過程，是整理經驗材料，提出科學假說，構造理論系統，進行推理證明的過程，比較和分類，歸納和演繹，分析和綜合，證明和反駁，以及類比、公理化等邏輯方法的運用，對提高他們的理論應用和創新能力都有非常大的幫助。其次，學生在觀察實驗的基礎上運用理性思維能力，或簡化復雜因素，純化主要因素，用理想化的客體或實驗進行研究，或根據已知的科學事實和科學原理，對探究的科學問題提出一種假設或對理論模型進行簡化。這些科學研究方法教育在熱力學和統計物理中的滲透，與知識教學、能力培養緊密聯系在一起。

另外，在我們的日常生活中，特別是廚房的角角落落，用到非常多的熱物理學知識。譬如灶具的進化，炊具的外觀設計，保溫瓶灌開水的小竅門，冰箱的制冷過程，電飯煲的工作原理，熱鍋上的水珠為什么能像水銀珠滾在玻璃上等等。對這些簡單的生活現象和科學問題的解釋完全可以讓學生自己結合課程內容完成。這樣，學生的學習積極性和實踐能動性充分調動了起來，使他們把已經學過的課程內容在生活實際中得到擴展和深化。也讓同學們在掌握基礎熱力學知識的同時，通過體驗科學探究的過程，受到科學態度、科學方法的訓練和熏陶。

2.3 實踐教學的強化

根據教學內容劃分為幾個教學模塊（均勻物質的熱力學性質、相平衡、近獨立粒子統計分布、系綜理論等），每個模塊設立3～4個專題。在設置教學專題時，盡量使每個專題有相對獨立的教學內容。教師講授環節，理論教學需要突出重點，對每個專題的基本概念、基本理論和重要的公式進行重點闡述和必要的推導，讓學生能夠清晰明了地掌握理論體系的精髓。選擇相關的題材新穎、結論開放的內容作為專題拓展部分，采取學生分組討論的形式，最后要求每個小組在規定的時間內，以合作研究的方式，交一份總結報告或者成果演示。小組的組建可以是自愿的，也可以由老師在學期初就把教學班級分解成若干個小組，每組4～5名學生，并由一名同學擔任組長，組織學生進行討論。教師對這些報告和成果進行評價，給整個小組一個總分。小組長可以根據成員的表現，在討論和撰寫報告中的所起的作用和貢獻大小，對這個分值進行二次分配。通過這些教學實踐，一方面幫助同學們深化理解教學專題的內容，另一方面，拓展學生專業知識視野，激發學習熱情。同時，通過團隊討論，也有助于培養學生團結、互助、友愛的道德品質，成為善于合作，心理健康，團結友善的班組一份子。

2.4 學習評價的改革

課程評價對課程的實施起著重要的導向作用。④在以往的教學過程中，對學生的評價大多采用“平時成績+期末考試”，平時成績占總成績的30%，期末考試占總評成績的70%。這種評價方法缺少實踐應用環節，學生會更多地采用臨考突擊，死記硬背考點來獲取高分。這對平時注重知識的理解和積累，但由于臨場發揮不佳的學生是有失公平，長期以往，傷害了學生的學習積極性，達不到良好的教學效果。⑤本次專題化教改實踐中，老師加大平時成績的比重，根據學生對專題內容的理解和完成情況，以及創造性解決實際問題的能力，對團隊整體給予總體評價，小組長還可以根據組員在討論中表現的積極性、活躍度、配合度等方面的表現，對總成績的分值進行二次分配。期末考試則主要考查學生對熱學和統計理論的宏觀掌握水平。在考題的設計上，更注重學生解決問題的方案和思路，考察其對具體現象的分析能力和解決實際問題的能力。通過評價方式的改革，不但能有效檢驗學生對“熱力學與統計物理”課程的掌握程度，還能有效激發學生積極主動地學習，提高其實踐創新能力和團隊協作精神。

3 專題化教學模式的成效

實踐表明，通過專題化教學實踐，本課程的學習內容進行了拓展和延伸，學生能更好地理解和掌握教學內容，同時，為了提高課堂效率，學生必須養成課前預習、課后復習的良好習慣，為了提升自己在團隊中的作用，樂于討論和探究問題的學生增多了，探究問題的方式也呈現多樣化，學習的積極性明顯提高。在專題化教學模式的實踐過程中，教師與學生之間，學生與學生之間的頻繁溝通，促進教學相長，對提高教學質量，實現培養目標起到積極的促進作用。

“熱力學與統計物理”課程已在應用物理專業2013級學生進行專題化實踐。從學生網上生評教的情況看，實施了專題教學實踐的班級，平均打分是97.07 分，比按常規教學模式講授這門課程的班級打分要高2 分。并且2013級應用物理專業的學生普遍反映“熱力學與統計物理”授課形式新穎，對自己的幫助很大。比如，有同學評論到“對熵增原理這個專題的探索過程，剛開始一頭霧水，不知道從哪下手，但通過與同學老師的交流，通過在圖書館及網上找到的資料的學習，當我們一起寫完綜述報告，我不僅拓寬了自己的知識面，而且逐漸學會了自學和探究的方法，這種能力對我來說是一種財富”。

今后，“熱力學與統計物理”課程準備進一步在如下幾個方面加強實踐和探索。一是繼續凝練專題的內容，根據學生的能力水平選擇相符合的專題，并跟蹤最新的相關成果，開拓教師和學生的視野。二是繼續規范實踐教學，加強對學生實踐過程的指導，對學生完成的研究報告進行客觀的評價，及時做好教學反饋。三是繼續完善考核體系，使其能更加客觀、全面、真實地反映學生的知識和能力;四是繼續提高教學組織和管理，為專題化教學實踐和深入的教學改革創造更好的條件。

注釋

① 汪志誠.熱力學·統計物理[M].北京：高等教育出版社，2013.

② 伊厚會，姚延立.“熱力學與統計物理”課程教學改革和實踐[J].教育教學論壇，2013.8：105.

③ 謝國秋，劉仁臣，程和平.熱學和熱力學與統計物理課程整合探索與實踐[J].高等理科教育，2010（3），91：29.

④ 陳玉琨.教育評價學[M].北京：人民教育出版社，1999.

⑤ 秦麗溶，趙建偉，張正嚴.物理免費師范生熱力學與統計物理課程教學改革探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2013（11），38：167.