熱力學統計物理的教與學

張雪華+張明+李林+戚輝

【摘 要】熱力學統計物理是物理專業學生的必修課，是銜接宏觀物理與微觀物理的重要課程。雖然在過去的多年里國內各大學對本課程的教學方面積累了不少經驗，但是隨著時代的發展，交叉學科越來越多的出現，原課程內容已經滿足不了需要，所以要把該課程的相關科研內容融入課程中。為了提高教學質量，本文從教學內容，教學方式和考核方式方面提出了改革新措，強調以學生為本，在教學的同時關注相關方向的科研前沿，老師能夠教研相結合，學生能夠學研相結合。

【關鍵詞】熱力學統計物理 教學改革 學習主動性 考核方式改革

【中圖分類號】：04I4-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）14-0029-02

【Abstract】Thermodynamics statistical physics is a required course for students majoring in physics， which is the combination of macro and micro physics. Although there was much experience of the course， but with the development， there are more and more cross subjects， the original curriculum content already can not meet the needs of students， the content of science research about the curriculum should be added. For improving the teaching quality， The reform measures about teaching contents， teaching methods and examination style has been putted forward. Based on students， teachers Pay attention to the newest research， then the teacher can integrate the teaching and scientific researching ， students can combine learning and researching.

【Key words】thermodynamics and statistical physics； teaching methods reform； learning initiative； examination reform

1.熱力學統計物理課程在本科教學中的重要

熱力學與統計物理學研究的是自然界中與冷熱有關的物質性質以及這些性質變化的規律和內在的物理本質[1，2]，其內容包括熱力學和統計物理兩大部分。熱力學是熱運動的宏觀理論[3]，而統計物理學是熱運動的微觀理論。本課程給出了兩個角度看問題的方法，對物理專業的其它后續課程的學習中及相關學科的研究都具有重要意義，是固體物理，量子力學課程的基礎，為后續在凝聚態，量子信息，低溫技術等方向的科研做了鋪墊。并對其他相關專業，如化學，工程熱物理，流體力學等課程也有著重要影響。同時，熱力學統計物理中的概念和方法在原子核和基本粒子中也有許多應用，而且日益廣泛地滲透到化工、生物等學科中去。

2.根據時代需要，合理安排教與學

熱力學與統計物理是物理本科專業的重要基礎課，是理學和應用物理學專業的學生的必修課，本課程設在本科二年級下學期或者三年級上學期講授，此時物理專業的學生已經有高等數學，力學和電磁學等知識基礎，便于接受。在教學內容上應以課程大綱為中心，以學生現有的知識結構和對課程知識的理解為出發點，由淺入深，逐步增加學生知識。其目標定位是：通過對本課程的學習，使學生明晰熱力學與統計物理學在整個物理學中的學科地位，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，提高學生的實際應用能力?；谶@一思想，本課程在理論教學的過程中，強調啟發式與歸納法教學，注重重要概念與規律的歷史沿革，講解基礎理論時，由淺入深，多用生動的物理圖像，并聯系日程生活中的感性認識，即使抽象的理論也用物理圖象來說明。

2.1 教學方式討論化

高校存在著學生的學習積極性不高的現狀，特別是對熱力學統計物理這些相對枯燥的學科[4]，為著激發學生學習積極性，集中精力利用好上課時間，提高教學質量的原則，本課程的教學中課題組引入討論式教學方式，在平常的課堂中，討論式教學方式可以使學生學習由被動變為主動。例如講述均勻物質的熱力學性質時，談到用偏導數表示某個物理現象之后，讓學生討論其他偏導數的代表的物理過程或物理效應，以及與此類現象相類似的現象有哪些，最后做一下總結，這樣加深同學們對枯燥的物理規律的理解，也使得課程的內容更加有利于學生綜合素質的培養，并不斷完善教學內容。同時，為了擴展學生對熱力學與統計物理前沿知識的了解，授課內容不局限于傳統的熱力學與統計物理課程的教學內容。重視教學內容應與目前國內外與本課程相關方向在科學技術研究方面取得的新進展以及本校課程組科研取得的新成果的銜接，把這些新信息融會貫通到熱力學統計物理課程的教學中，比如在熵增加原理這章節增加了信息熵以及生物熵的內容，談到氣體節流和絕熱膨脹制冷時同時講授了其他三種制冷方式，以及每種技術的優缺點和近期進展。

2.2 教學手段現代化

加強多媒體教學的應用，組建較為完善的電子課件和電子教案，供教師授課使用。根據教學內容制作了成套的多媒體課件，利用計算機輔助教學系統，模擬物理上理想的環境及條件，從而把抽象的物理過程具體化。引進或制作了分子運動統計分布的動態模擬視頻和熱力學基本實驗等多媒體素材，做到全程使用多媒體教學，使課堂教學直觀生動，利于學生對知識的理解。比如講解麥克斯韋速率分布內容的時候，可以把測定氣體分子速率分布的實驗裝置用示意圖和實驗室中真實的裝置采用多媒體視頻的方式展示給學生。用示意圖講解實驗原理，用實驗室裝置來說明實際的操作。多媒體教學把教師從繁重的板書中解放出來，使他們有更多的時間去講解、把許多問題引向深入，并針對某些問題展開熱烈地討論。同時考慮到熱學這門課程的特點，對于重難點還需要必要的理論推導，因此應使用多媒體加板書的教學手段。另外充分利用網絡資源，開設以學生自學為主的網絡課程，教案、習題庫與試題庫及答案分析等教學資源都上網，從而減輕了學生記筆記的負擔，有助于提高聽課效果，便于學生課后復習提問和討論，掌握知識要點，充分發揮教師和學生的能動性。開發網絡和多媒體教學平臺，豐富教學資料庫。將具有特色，授課效果好的教學筆記和教案加以整理，作為教學研究資料積累供教師和學生參考。對課程內容進行選擇性發布，引導學生自主學習。實踐表明，豐富的網絡學習資源，實現優質教學資源共享，滿足了學生的要求，方便了學生課后學習，使學生利用課余時間掌握更多的本專業知識。

2.3 考核方式靈活化

鑒于現在的教學目標，課程組對本課程的考核方式進行了改革，使考試靈活化，把以往筆試的考試形式分成兩部分，筆答部分和科研小論文部分。筆答部分偏重對基礎的理論知識的理解和應用能力，主要使學生掌握熱力學的三個定律和統計物理的基本理論，會用來解決一些基本的和與專業有關的一些熱運動方面的問題。掌握熱力學的基本規律和統計物理的基本理論，理解系統的各種平衡條件和正則分布，了解系統的相變理論，非平衡態統計和漲落理論。這些基本理論知識為學生后續的相關方面的學習和科研鋪墊堅實的基礎?？蒲行≌撐目梢苑譃槿悾阂皇钦務剬δ承┮幝傻挠洃浥c理解，二是有關涉及熱力學與統計物理有關知識在日常生活中的應用；例如：如果學生對熱學基本規律比較感興趣，學生通過自己總結和上網查詢與本章內容相關的知識，先列出提綱：如是否可以將孤立系統的熵增原理應用到人類社會這樣一個復雜的體系中，如是否可以將孤立系統的熵增原理應用到宇宙中等，這些信息會使學生感到新奇，學生自由選擇自己感興趣的課題，使他們主動的學習。在寫論文的過程中，加深了學生對課程內容的理解，增強了學生收集信息的能力和表達能力。三是對熱力學與統計物理在科研領域的最新進展的熱點的發表自己的觀點，比如信息熵、超導材料、激光制冷、超流以及原子激光等方面，通過上網查閱信息和自己的思考以及相互討論，以論文的形式呈現出來。

靈活化的考核方式要求老師積極挖掘學生小論文的閃光點，不過高強調學生在論文中所取得的應用性、創造性成果，應注重培養學生積極主動的學習意識，并幫助學生形成良好的深入思考、大膽假設、敢于實踐的創新精神。同時，鑒于目前人們對熱物理相關方向的研究，教師要積極提高自己的業務水平和科研能力[5]，積極的籌建教學組，教學組應在教學和科研方面雙管齊下，學術各有專長而又相得益彰的教學梯隊，特別是把教學內容與當前熱點相關的內容提煉深化為學生的論文課題，做出的成果又可以作為重要資料放入資料庫中，供學生參考，從而使得課程更加有利于學生的科研素質與創新意識的培養，起到了吸引有潛質的學生參與研究工作，為科研輸送后備人才的積極作用，收到了科研教學雙促進的良好效果。

3.結論

通兩年的熱力學統計物理教與學方式變更，從對學生平時的學習效果來看，改革還是很有必要的。把科研融入教學使本課程受到了學生的歡迎，目前畢業一屆學生，已經有5為畢業生在做畢業論文時從本課程中選取的畢業設計課題。討論式教學提高學生積極性，現代化的教學手段擴充教學內容，靈活化的考核方式培養創新性人才。

參考文獻：

[1]汪志誠.熱力學·統計物理 [M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]蘇汝鏗.統計物理學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]王竹溪.熱力學（第二版）[M].北京：北京大學出版社，2005.

[4]彭愛蓮，辛修芳.物理專業熱力學統計物理教學改革初探[J].科技信息，2009（30）.12.

[5]鐘云霄.我講熱力學統計物理的一點體會[J].大學物理，1994，13（3）.39-41