創新視域下《熱力學與統計物理》課程教材比較研究

朱勵霖 向 鋼

(四川大學物理學院,四川 成都 610065)

《熱力學與統計物理》是一門國內外物理專業不可缺少的核心課程,隸屬“四大力學”之一,在物理學知識體系中占有極為重要的地位。《熱力學與統計物理》是我們了解微觀世界和宏觀世界聯系的重要課程,它同時運用了其他課程中罕見的思維方式——宏觀視角與微觀視角的交替綜合運用——深刻揭示了自然界的規律。這門課程是一門進行嚴謹、嚴格思維訓練的最重要課程,并不斷啟迪其他學科的研究。因此,國內外高校對《熱力學與統計物理學》課程都十分重視。

《熱力學與統計物理》也是一門即古老又常新的學科。古老,意味著這門課內容多、系統性強,同時因涉及到《量子力學》等多門前置課程,對教與學是一大挑戰。常新,意味著隨著人們對熱力學與統計物理研究不斷深入,新理論不斷涌現、知識更新周期縮短、教學內容日益豐富,對所選用教材提出了高要求。到目前為止,無論是在國內還是國外,該門課程的教材都非常豐富,有些教材理論性很強,有些教材更偏重于實際應用,有些教材涉獵非常廣泛、包羅萬象。不同教材,甚至同一教材不同版本都各有其特點。教材是實現創新型人才培養目標的重要保證。因此,面對如此大量的教材,如何選擇一本優秀的、能夠激發和培養學生的思維能力和創新意識的教材是每一位任課教師教學時面臨的首要問題。基于此考慮,在教育部高等學校物理學類專業教學指導委員會立項資助和四川大學新世紀教改項目資助下,我們與華中師范大學物理學院合作,研究了國內外高校《熱力學與統計物理》主流教材的特點。兩所學校的教師采用不同的主教教材,通過備課、課堂講授與討論以及課后與學生交流的反復實踐,深入了解每本教材的總體架構和主要內容、特點以及適用情況。為此,我們希望通過深入比較研究中外主流教材的異同,為《熱力學統計物理》任課教師選擇教材及教學方法提供重要參考或指導。

1 兩所學校選用不同的主講教材

鑒于本科生的平均專業英語水平,四川大學與華中師范大學均選用國內作者編撰的教材:四川大學采用汪志誠編寫的第五版《熱力學·統計物理》[1];華中師范大學采用劉連壽主編的《理論物理基礎教程》[2]。這兩本教材分別代表了《熱力學與統計物理》課程的兩種教學體系:玻耳茲曼理論主線和吉布斯系綜理論主線。前者內容翔實,覆蓋面廣,但熱力學比重過大,以至于對統計物理的講授略顯倉促。另外,熱力學和統計物理知識點相對獨立,沒有相應的銜接和過度章節幫助學生理解這兩部分內容的內在聯系。后者從統計物理學開始著手,直接從統計規律引導讀者學習熱力學,雖然更加強調了統計物理學與熱力學的關系,但統計物理學比較抽象,使得學生難以從熱力學的角度理解熱力學的一些基本概念和定律。與此同時,我們還選用了大量參考教材,比如:《統計熱力學》(梁希俠)[3],《統計物理學》(蘇汝鏗)[4],《熱力學與統計物理》(林宗涵)[5],《熱學 熱力學與統計物理學》(曹烈兆、周子舫)[6],《熱力學與統計物理》(歐陽容百)[7]等。這些教材多為國內名校編著的教材,國內使用量較大,評價較好,雖然結構內容稍有差異,但總體上也可歸納為上述兩類體系。

同時,考慮到一部分優秀本科生的英文水平較高、對課程內容的學習領悟能力更強,我們也為這部分學有余力的同學選取如下國外教材作為本門課程的輔助教材:《Statistical Mechanics》(Kerso nHuang)[8](四川大學),《Statistical Mechanics》(R.K.Pathria)[9](華中師范大學)。這兩本教材是國外較為廣泛采用的統計物理教材。前者簡明精煉,但它的確涵蓋了統計物理的幾乎全部內容,并且對現代物理概念和應用數學工具的介紹很透徹。后者教材系統性很強,使用的方法或者觀點非常新穎,具有非常強的耐讀性,更能激發讀者的興趣與求知欲;但公式推導不夠詳盡,給學生閱讀帶來困難。

兩校老師雖然采用不同的教材,但課題組的老師定期交流教材的使用情況和心得體會,分享一些基本概念的教學方法,探討教學改革的思路及方法。通過這些經常性的、及時的交流,主講教師更快地了解和熟悉了不同教材的總體架構和主要內容、特點以及適用情況。在此過程中,我們發現國內外《熱力學與統計物理》主流教材相比,各有特色,互為補充。簡述如下:首先,國內教材的特點是內容更為系統和深入,但是很少有教材側重于個別方面深入講解,這就使得國內的每一本教材都很全面,但是很難找到重點講解某個方面的教材或參考書籍;而國外英文教材特別是歐美教材,更注重于把某一些知識點講透。其次,國內教材的內容呈現方法比較實用、比較傳統,但少有風格新穎而獨特的教材激發讀者的興趣與求知欲。這與國內熱力學與統計物理課程課時少而內容多是有關的。最后,國外教材中的圖像、表格應用得更多,設計、制作的也更精心,很多時候,圖像、列表在表達物理含義時要比文字更加形象,更加逼真,這些都能有效地幫助學生理解深奧的物理知識。

2 設計并完成《熱力學與統計物理》課程問卷調查

學生是教學的主體之一。為了全方位了解學生對所用主講教材的反饋意見,我們設計了一套關于《熱力學與統計物理》課程的調查問卷。問卷的調查對象是四川大學和華中師范大學2015級和2016級本科生。問卷共計151道題,其中包含149道選擇題和兩道簡答題。內容涉及教材結構、講授方式、主講教材評價和知識體系等方面,比如:講授的內容次序是以歷史發展為序,還是以內容本身的邏輯為序;在此兩種不同順序的教材寫法中,具體內容的闡述其先后、詳略的區別是什么;內容是否充實新穎,物理概念是否清晰透徹,是否配有生動形象的圖像解釋和說明,例題和習題的選擇與解答是否適當,與實際運用的聯系是否緊密;學生對熱力學和統計力學知識點的熟悉和難易程度等。

通過分析問卷,我們發現:兩校學生對所用主教材料普遍比較滿意,主要體現在內容設計、基本概念準確、理論闡述科學嚴謹、例題詳盡有針對性和啟發性,但由于兩所學校所選主講教材出版較早,沒有涵蓋本學科前沿研究知識,導致教材缺乏耐讀性,不能激發學生的興趣和求知欲。另外,國內教材注重系統性,缺少實際應用,學生在其中找不到書本理論應用于實際生活的范例,這就使得抽象的物理思想更加晦澀難懂。

3 科技前沿知識與生活實例融入課堂教學

從以上的教學實踐和問卷調查,我們可以看出,現行的《熱力學與統計物理》主流教材可以讓學生掌握熱力學和統計物理的基本思想、基本理論,但這些教材的內容相對滯后,學生在學習過程中,新舊知識點之間、理論知識與實際應用之間難以銜接。學生迫切地希望了解教材中的理論知識在生活實際中的運用以及國際上本學科最新的科學研究動態,這也是培養他們專業素養和創新意識的前提條件。因此,在本課程的教學活動中,我們根據學生學習情況,融入生活實例的講解和相關科技前沿的介紹。四川大學還開設一門配套的專業選修課《熱力學與統計物理在現代科技中的應用》。老師為學生精心挑選和設計了八個課題,比如:量子熱機、量子測量、開放量子系統凝聚態模型、信息熵、恒星演化與白矮星電子氣體簡并壓,等等。如此,既讓學生加深了對基本的熱力學和統計物理知識的理解,也了解到當今熱力學與統計物理的理論還可以應用到其他自然科學甚至社會科學領域,包括信息學、計算機學、生物學、宇宙學、經濟學等。例如,眾所周知,人工智能與大數據是當前國際國內的研究熱點,雖屬于計算機科學的分支,但熱力學與統計物理是其重要基石——事實上,人工智能與大數據研究的論文,絕大多數發表于統計物理學專業期刊。

除了課堂集中講授,主講老師也組織學生圍繞課堂知識點相關的生活實際應用和當前研究熱點進行小組討論,以此增加課堂教學互動,提高教學效果。利用所學的內容解釋自然和社會現象,提高課程的吸引力和學生學習的積極度。討論式教學方法,結合科研前沿融入課程教學內容,極大地豐富了我們現有教材的內容。開放的教學內容和模式不但加深了學生對熱力學與統計物理基礎知識的理解,更重要的是培養學生的開放性思維能力和靈活應用科學的思路與方法解決實際問題的能力。

4 結語

總而言之,我們通過對國內外高校《熱力學與統計物理學》主流教材的深入調查和研究,以期為國內高校教師在選擇教材和參考書時提供一定的建議和幫助,也希望能夠對《熱力學與統計物理》教材的編寫提供一些的借鑒,豐富國內高校的教材,改變國內高校教材比較單一、內容不夠新穎的現狀,增強國內教材的耐讀性,從而激發學生的興趣和求知欲,為培養更具創新能力的物理學人才打下堅實的基礎.