熱力學·統計物理課程線上線下混合教學的嘗試與實踐

于景新 楊培霞 魏永凱

摘 要：熱力學·統計物理課程是高等院校物理學和應用物理學專業本科生的一門必不可少的專業必修課，它對于后續的量子力學、固體物理等課程學習具有非常重要的作用。我們采用線上線下混合式教學模式對本門課程的教學內容進行了重構，對教學過程進行重新設計，針對每一個教學模塊設置討論專題，使用超星教學輔助平臺等改革教學環節，對熱力學·統計物理課程進行了積極的探索與實踐，探討如何線上線下合理結合來提高本門課程的教學效率。

關鍵詞：熱力學·統計物理;線上線下;混合教學

熱力學·統計物理課程是高等院校物理學和應用物理學專業本科生的一門必不可少的專業必修課，它對于后續的量子力學、固體物理等課程學習具有非常重要的作用。從內容上來看，熱力學·統計物理課程的理論性較強，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜，學生在學習的過程中會有些吃力。如果采取傳統的灌輸式教學方法，會使熱力學·統計物理課程的課堂教學枯燥無味，學生一味地被動接受知識，很可能會失去學習興趣。如何提高本門課程的教學效率及學生的學習興趣一直是筆者在教學過程中思考、探索的問題。

近年，大學生在線課程得到了前所未有的迅猛發展，尤其是突如其來的新冠肺炎疫情，更是讓2020年上半年的線上教學如火如荼。線上教學有著線下教學無可比擬的資源豐富、學習時間靈活等優勢，而線下教學又可以彌補線上教學的溝通、交流障礙等缺陷，因此二者合理結合必將為熱力學·統計物理這門課程的學習帶來新思路。筆者有幸將熱力學·統計物理課程的線上線下教學付諸實踐，使用線上線下混合式教學方法對教學內容進行重構，對教學過程進行重新設計，使用超星教學輔助平臺等改革教學環節，對熱力學·統計物理課程進行積極的探索與實踐。本文就基于超星學習通的線上線下混合學習模式，具體探討如何線上線下合理結合，來提高本門課程的教學效率。

一、優化教學內容

由于本門課程學時有限，而熱力學·統計物理課程的部分內容與先修課程——熱學課程的部分內容重復率較高，如熱力學部分（平衡態，溫度，物態方程，熱力學第一、第二定律，卡諾定理等）和統計物理部分（能量均分定理，麥克斯韋分布，玻爾茲曼統計等）。因此，教學中對有交叉重疊的部分進行壓縮和刪減，只作復習性的簡述或以學生自學的方式完成。通過這樣的調整，節省的教學學時可以用來重點講授量子力學、固體物理等課程知識點，以達到課程之間承上啟下的作用。

本門課程的特點是語言嚴謹但枯燥，課本中包含大量的公式和推導，對學生的數學基礎要求較高，導致學生學習時容易將注意力停留在物理公式的數學形式上，而不能深刻領悟其中的物理意義、物理思想和物理方法。因此，線下教學時我們把重點放在物理公式的理解上，盡量簡化公式的數學推導方面的教學，幫助學生從物理的角度對授課內容進行深入理解。

二、教學內容模塊化

我們在教學過程中使用的教材是汪志誠先生的《熱力學·統計物理》（第五版），此版教材的特點是起點較低，知識坡度不大，學生學習時很容易由淺入深，循序漸進。此教材的熱力學部分和統計物理部分相對分立，我們將熱力學部分分成三個模塊：模塊一為熱力學的基本規律，模塊二為均勻物質的熱力學性質，模塊三為單元及多元系的相變理論。統計物理部分也分成三個模塊：模塊一為近獨立粒子的最概然分布，模塊二為玻爾茲曼統計、玻色和費米統計，模塊三為系綜理論。

我們的教學過程從最簡單的基本概念入手，突出重點內容，培養學生課前預習的習慣。課前預習說起來簡單，其實能夠做到并一直堅持下去的學生并不多，超星學習通平臺在這里起到了很好的橋梁作用。我們將熱力學·統計物理課程教學中涉及的知識點的電子教案、視頻等上傳到超星平臺，學生可通過移動端登錄超星學習通平臺進行課程的預習和學習，教師也可以很清楚地了解到每位學生的學習情況。課堂講授采用多媒體配合板書教學，使用類比、分析、反證等多種教學方法，盡量使教學過程生動、豐富。針對課程公式比較多的特點，我們充分利用思維導圖，先對模塊內容進行分類，然后再對具體章節進行分層分級講授。

超星學習通平臺有作業專區、課程討論互動專區，這是在教學活動中使用最多的兩個模塊，也是本課程線上線下結合的得力助手。在作業專區，我們有針對性地設置訓練內容和習題，幫助學生復習鞏固學過的內容;課程討論互動專區則充分利用在模塊專題化教學過程中。

三、模塊內容專題化

針對教學內容的每一個模塊，我們都設計了一個討論專題。模塊一的專題：熵增加原理。模塊二的專題：獲得低溫的方法。模塊三的專題：相平衡理論。模塊四的專題：等概率原理。模塊五的專題：能量均分定理。模塊六的專題：玻色-愛因斯坦凝聚現象。

在超星學習通的課程討論互動專區，讓學生們針對某一個專題進行討論。比如，針對相平衡理論，學生已經對該模塊的基本概念、理論和重要公式有了了解。我們選擇一些題材新穎、結論開放的研究性材料，如液滴的形成過程，讓學生們分組討論。提前一周提出問題，讓學生充分調研，比如，熱鍋上的水珠為什么可以像水銀珠般滾在玻璃上？讓學生通過整理經驗材料，提出科學假設，最終嘗試著理解構造理論系統。

在傳統教學中，學生以個人學習為主，很少討論。在線上線下混合式教學實踐中，大量采用小組討論、小組解題的形式。通過這樣的專題討論，可以加強學生的合作研究意識。針對專題，每組給出一個總結報告，推選一位同學在課堂上進行成果展示，從而提高學生的理論應用和創新能力。最后專題討論的分數，在教師給出每組平均分的基礎上，組長可以根據每位組員的表現二次分配。通過這種方式可以增進學生之間的融洽關系，培養團隊精神，對學生們的未來就業也很有好處。

四、與物理學專業實際結合

傳統教學模式中，很多同學在學完熱力學·統計物理課程后，對涉及的概念、規律以及處理問題的方法都感覺比較模糊，導致不能與實際應用相結合。最終熱力學部分給學生留下的印象就是一大堆偏微商，偏來偏去;統計物理部分則是這分布那分布。教師在講臺上講得口干舌燥、筋疲力盡，學生在臺下卻是無精打采、昏昏欲睡。而采用線上線下相結合的模式，讓學生們參與進來進行討論，教師可以合理及時地補充一些物理學最新的學術成就與進展，有意識地突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內容，增加學科的前沿內容，這些對提高學生們的學習興趣起到了非常積極的作用。我們在線上線下專題討論的同時，要求學生們自己調研相關知識，調研的過程就是熱力學·統計物理課程知識的吸收過程，有意識地引導學生將熱力學·統計物理課程中的知識和應用物理學專業聯系起來。只有將知識與專業相結合，學生才會更愛自己的專業，從而為將來的工作與學習打下堅實的基礎。

五、課程考核

針對學生線上線下模式課程學習，我們也設置了相應的考核體系。學生的平時成績占本門課程成績的30%，而平時成績又由學生們在學習通的學習參與程度決定。其中課堂考勤占比20%，專題討論占比30%，測驗占比30%，課后作業占比20%。學生需要按照授課教師發布的任務進行學習并通過課程考核，最后方能獲得學分?？荚噷W生來說可能是一門課程的結束，對教師來說則是下一次課程的開始。為了更多地了解學生們的需求，我們除了平時多與學生溝通，讓學生直接反饋之外，也通過班級、輔導員反饋的形式來了解學生對課程的學習情況。同時，以在超星學習通平臺發布問卷的形式和學生對話，多渠道了解學生需求，不斷完善該課程的考試與評價體系。

針對熱力學·統計物理課程基于超星學習通的混合學習模式能否提升教學效果，我們采集了應用物理學專業2019—2020第二學期學習通平臺學生的相關統計資料，從整體情況來看，課程的總訪問量呈遞增趨勢，學生的成績也有較明顯提高。結合學生評教意見，滿意度較往年也有較大提升。綜合來看，與傳統的教學模式相比，線上線下混合教學模式提高了學生的學習熱情，增強了師生之間的互動，切實提升了教學效率。

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責編：文 竹