關于本科生物理基礎課程教學和教材編著的一些思考
——劉玉鑫編著《熱學》教材(北京大學出版社，2016年4月第1版)的前言

劉玉鑫

(北京大學物理學院，北京 100871)

?

風采實錄

關于本科生物理基礎課程教學和教材編著的一些思考
——劉玉鑫編著《熱學》教材(北京大學出版社，2016年4月第1版)的前言

劉玉鑫

(北京大學物理學院，北京 100871)

目前認識到的運動形式有機械的、熱的、電磁(包括光)的和“暗”的等。 熱學是研究熱運動的規律及其對物質宏觀性質的影響、以及熱運動與其它各種運動形式之間相互轉化的規律的物理學分支。很顯然，熱學的研究對象包括熱運動的規律和物質的宏觀性質兩個方面，宏觀性質可以根據其狀態的特征分為靜態的和動態的，并可以根據其運動形式分為力的、熱的和電磁(光)的、等等。物質系統(亦稱為熱力學系統)的最重要特征是其由大量微觀粒子組成，也就是說，熱力學系統既可以是宏觀上的大系統，也可以是宏觀小微觀大的系統，因此熱學的研究對象不僅包括宏觀可見的系統還包括通常意義上的微觀系統。再者，物質的狀態不僅包括固態、液態、氣態、等離子體態、高壓態、粉塵態等表觀(可見)的狀態，還包括僅微觀可見的由物質的組分粒子的關聯(或構型、結構)決定的微觀狀態，通常把僅宏觀可見的狀態簡稱為物態，把考慮微觀結構的狀態簡稱為物相，例如常見的物質 — 鐵，由其分子(原子)構成四種不同的晶體結構，于是鐵有體心立方δ鐵、面心立方γ鐵、體心立方β鐵和體心立方α鐵，并且其性質有較大差異，因此都呈現為固態的鐵有四種相。那么，物相是具有更普遍意義的描述熱力學系統狀態的概念。系統由一個相向另一個相的演化(變化)統稱為相變。現代物理學研究表明，物質的演化(包括宇宙等的演化)過程中相變起著至關重要的作用，因此相結構與相變已成為現代物理學的重要研究領域。

根據熱學的研究對象的上述特點，在長期的研究中逐漸形成了由宏觀入手和由微觀入手兩種方法，并分別簡稱為宏觀方法和微觀方法。宏觀方法是根據大量觀測事實，應用數學工具，通過邏輯推理和演繹，分析總結歸納出確定的、可觀測的宏觀量之間的關系及其變化規律。由于觀測事實既可以是靜態的也可以是動態的，因此這種方法既適用于研究狀態方程等靜態性質也適用于研究熱力學定律等動態規律，通常也稱之為熱力學方法。顯然，這種方法具有唯象和可靠、普適的特點。微觀方法是根據物質微觀結構的學說，從微觀層次出發，利用統計的方法闡述物質宏觀性質的物理本質，因此通常也稱之為統計物理方法。顯然，這種方法具有唯理和基本的特點，但由于受到對微觀結構及組分粒子間相互作用認識的水平和實際計算能力的限制，這種方法被認為具有近似的特點。由于宏觀物理量是相應的微觀量的統計平均值，因此熱力學(宏觀)方法和統計物理(微觀)方法相輔相成、互為補充。

作為基礎物理的熱學課程的教材或參考書，本書系統簡明地介紹熱運動的基本性質、規律以及熱物理學研究的基本方法及其應用。根據熱物理學的研究對象的上述特點，其內容共分七章：

第一章介紹熱力學系統及其平衡態的基本概念、狀態參量之間的關系及其微觀本質；

第二章介紹熱力學系統中微觀粒子熱運動的基本規律 — 按微觀運動狀態的統計分布；

第三章對偏離平衡態不大的系統(即近平衡態系統)中的輸運現象予以簡要介紹，并說明輸運現象的微觀本質；

第四章和第五章介紹熱力學過程的基本規律 — 熱力學的第一、第二和第三定律，并對內能、焓、熵、自由能、自由焓及化學勢等物理量予以討論；

第六章介紹液體的徹體和表面兩方面的基本性質(對于氣體性質的討論已穿插于前幾章之中，不再單列；對于固體，對其性質進行討論的課程已經被列為必修課程，并有大量教材和專著，本書也不專門討論)；

第七章介紹相和相變的基本概念以及單元系中常見相變的現象、性質、規律及其唯象理論描述。

按前述的熱力學系統的狀態的性質，本書內容采用將靜態性質與動態性質兩部分大致分開、分別討論的方式來展開。第一和第二章討論靜態性質和規律，第三、第四、第五和第七章重點討論動態性質和規律，第六章討論特殊系統的靜態和動態性質。從原理、方法及其應用的著錄展開方式來看本書的內容，其第一、第二、第三、第四和第五章主要介紹原理、規律和方法，穿插介紹一些應用；第六章和第七章主要介紹前述規律和方法的應用。為展示宏觀方法與微觀方法之間的關系，在各章節的介紹和討論中都兼顧兩種方法。當然，考慮各課程內容劃分的慣例，該書對微觀方法的介紹和討論在“分子”動理論的框架下來展開，不采用標準的統計物理的系綜理論方法。

全書的內容和分量與基礎物理學的熱學課程約45～54學時相匹配，可作為相應的教材或/和參考書。其基本內容也可供32～40學時的熱學課程的教學使用。

關于教學，尤其是基礎物理課程教學，經過多年的努力，人們基本上已經將其目標定位由單純地向同學們傳授知識轉變到了提高同學們自己獲取知識的能力、提高同學們批判性思維的能力和創新性研究的能力。為真正實現這一目標定位，作者認為至少應該注意下述事項或環節：

(1) 準確把握并宣揚物理的內涵和外延，避免被認為是“純粹理論”科學、甚至因所謂的加強應用技術而將物理課程邊緣化;

(2) 著重對基本概念的準確論述和講解，著重物理原理和機制的基礎性及其尋根求源的探索性，切莫讓人將“物理”誤認為是“無理”;

(3) 著重物理圖像和知識體系構建及解析計算能力、數據分析能力的培養，著重定理、定律及公式的實質及適用條件的分析，避免生拉硬套 甚至誤導學生;

(4) 積極調動和激發同學們探索未知的興趣和欲望，培養并提高同學們批判性思維的能力和創新性研究的能力，切忌抹殺同學們的好奇心和批判精神。

在目前情況下，讓同學們廣泛查閱研讀繁多的原始文獻仍不現實。因此，為落實上述事項和環節，首先需要建設相應的教材或/和教學參考書。況且，熱學是同學們接觸、了解組分單元極多、宏觀規律不完全遵守決定論的動力學規律的第一門課程，同學學習和教師講授的難度都很大。考慮預期目標與現實狀況的契合，在本教材的編寫過程中，作者始終貫徹“崇尚結構、力求平實、承襲傳統、注意擴展”的方針，具體的著力點包括：

(1) 不僅注意闡述理論及其導出或證明過程，還重視對實驗及應用的描述和分析，使得讀者可以由之體會到物理學不僅是深化并提高人類對自然界的認識的科學，更是幾乎所有高新技術的源泉的科學，從而窺得物理學是“見物講理、依理造物”的科學的學科真諦。

(2) 關于概念的準確性及學科本身的基礎性和探索性、避免被誤解，對于定理、定律及公式等，本書盡量在預判的同學們已具備的知識儲備基礎上給出完整的論述、論證或/和證明，避免“可以證明”的字樣；對于遠遠超出同學們知識儲備基礎和本課程范疇的問題，本書明確說明在后續的課程可以得以解決或處于正在研究的階段。例如，對于熵及熱力學第二定律，盡可能從多方面多視角展開論述和介紹，尤其是清晰地給出了克勞修斯熵與玻爾茲曼熵的等價性的論證，避免“物理學自說自話”的誤解和學術上有“一言堂”或“強詞奪理”甚至“無理取鬧”的嫌疑；又如，關于熱物理學研究對象及熱物理學原理的使用范圍，強調其核心在于由大量微觀粒子(微觀狀態)組成的特點，而不在于是否宏觀可見，在具體介紹和討論中，除了以宏觀系統為實例外，還適時提及由大量微觀粒子(微觀狀態)組成的微觀系統，并專列了附錄B介紹一個實例。

(3)關于知識體系構建及物理實質、使用范圍等，無論是對表征靜態性質的狀態方程、統計分布規律、態函數，還是對動態性質的近平衡態中的輸運、熱力學三定律和相變，本書始終在物理學本質上是實驗科學的基礎上來展開內容，并注意熱學的熱力學和統計物理兩種研究方法的相輔相成、相得益彰之處，以求使同學們不僅盡快適應熱學的特點和研究方法，而且構建起系統完整的熱學知識體系；更重要的，以之作為實例對同學們發現問題和提出問題的能力、分析問題和解決問題的能力等進行訓練，并且學習歸納總結、演繹推理、理論計算與分析等創新性研究的方法，以及適用條件分析、近似取舍等方法，從而使其創造性思維和創新性工作能力得以培養和提高。關于解析計算和數據分析，除在正文和例題中盡量完整嚴格展現之外，還引用和新編了相當大一部分習題進行相應的訓練。

(4) 盡可能在不超出同學們知識儲備水平層次上自然地引入前沿研究和發展現狀的介紹， 激發同學們的興趣和積極性，并以其為基礎進行展開和深化。

(5) 本書引用、改編和新編習題共236道，其中約四分之一是根據目前廣泛關心的自然現象和學術問題以及正在致力研究的問題或提出的方法改編和新編的，難度較大，尤其是對解析計算、數值分析、物理直覺及合理近似的要求較高，以期由之激發同學們的興趣、培養并提高其能力。

盡管該書是基于作者在北京大學物理系和物理學院講授熱學近20年的講義整理而成，并經多位同仁使用，但是，由于其中蘊含的材料不僅信息量較大，知識跨度也較大，尤其是探索之處甚多，加上作者水平所限，書中一定存在很多不妥和錯誤之處，懇請讀者不吝賜教。

在本書編著過程中，歐陽頎院士、李定平教授、劉川教授、馬中水教授、舒幼生教授、王稼軍教授、孟策副教授、穆良柱副教授、全海濤研究員等認真閱讀了全部書稿，并多次與作者進行深入具體的討論，提出了許多寶貴的修改意見；北京大學理論物理研究所、北京大學基礎物理教學中心、中國科學院理論物理研究所及其它單位的很多同仁也提出了許多寶貴意見和建議。穆良柱副教授還核對了所有習題的參考答案。在此，作者對諸位同仁表示衷心感謝！

■

劉玉鑫. 關于本科生物理基礎課程教學和教材編著的一些思考——劉玉鑫編著《熱學》教材(北京大學出版社，2016年4月第1版)的前言[J]. 物理與工程，2017，27(3)：95-96.