熱力學第二定律課堂教學設計與實踐

張亮 季振宇

摘 要 本文以公共基礎課程“大學物理”中熱力學第二定律為例，開展了以學生為主體的啟發式教學設計與實踐。通過對知識點進行梳理，構建新的知識邏輯框架：以自然過程的方向性問題為主線，從宏觀與微觀兩個角度串聯熱力學第二定律及其數學表征，讓學生理解并掌握熱力學第二定律和熵的物理內涵，并建立二者之間的邏輯聯系。同時融合當前熱點話題，組織思政要素，從知識到思想逐層推進，開展了科學知識與人文素養、理論學習與實踐認知相融合的閉環教學，實現了知識傳授與課程育人的教學目標，為大學物理課程教學與課程思政設計與實踐提供更多思路和參考。

關鍵詞 大學物理;課堂教學;課程思政;熱力學第二定律;熵

教育的目標就是育人。“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”是我國教育發展的根本問題[1]。教育部在《高等學校課程思政建設指導綱要》中指出，課程思政建設就是寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，是人才培養的應有之義，更是必備內容[2]。因此，教學活動不能僅僅停留于知識和技能層次，需要進一步上升到思想認識和價值觀層面。這對廣大教師提出了更高要求：要在深入理解課程教學內容的基礎上，結合課程和授課對象特點，充分挖掘思政元素，并將其與知識與技能、過程與方法、情感與價值觀有機融合，以達到“潤物無聲”的教學效果。

物理學是研究物質結構和運動變化規律的基礎科學，其不僅展現了數學的嚴密與邏輯、公式的簡潔與純粹，還展現了哲學的抽象與概括、思想的廣博與深邃，在西方曾被稱為自然哲學。這讓大學物理這門課在課程思政中具有鮮明的優勢。熱學是物理學重要組成部分，主要研究物質的熱現象性質與變化規律。其從微觀與宏觀兩個角度開展研究，形成了統計物理學和熱力學兩大理論。其中熱力學第二定律不僅是熱力學核心理論之一，對工程實踐具有重要的指導意義，還廣泛應用于生命、信息科學等其他領域[3-4]，在物理學中具有十分重要的地位。熱力學第二定律的發展史包含了豐富科學理論和哲學思想;熵概念的廣延化塑造了更多的知識要素和討論熱點。這些為課堂教學提供了豐富的思政元素和廣闊的設計空間。但同時熱力學第二定律概念抽象，不易論證，使得學生在學習過程中難以理解，給課堂教學帶來了不小的挑戰。

因此，本文在新時代高校大力推進課程思政的背景下，基于以學生為主體的啟發式教學，融合當前熱點話題，對熱力學第二定律這次課進行課堂教學設計與實踐。從現象出發到理論最后再回歸實踐，從知識到思想逐步推進，展現了科學知識與人文素養、理論學習與實踐認知相融合的閉環教學設計理念，為大學物理課程教學與課程思政設計與實踐提供更多思路和參考。

1 教學設計

1.1 教學目標與重難點

大學物理課程開設對象為本校生物醫學工程專業學生，其中熱力學第二定律授課于大一下學期，是整個熱力學基礎的最后一次課。依學情分析，本次課的教學目標為：

（1） 理解熱力學第二定律與熵的基本表述、本質內涵及二者之間的邏輯關聯;在推演過程中培養學生的邏輯思維能力;基于熱力學第二定律與熵的內涵理解，激發學生對個體正能量、群體秩序與價值導向必要性的思考。

（2） 了解熱力學第二定律與熵的概念外延;在闡述過程中培養學生的知識拓展能力;結合熱力學第二定律的歷史爭論，激發學生對科學探索道路的選擇性與堅持性的思考，鼓勵學生積極探索、勇攀高峰的科學精神。

本次課的教學重點是熱力學第二定律與熵邏輯關聯的闡述，教學難點是克勞修斯熵推演過程中對熱溫比dQ/T 、克勞修斯不等式以及熵等物理本質的理解。圖1給出了本次課的教學目標設定思路。

1.2 知識點邏輯結構框架

熱力學第二定律概念較多且抽象不易理解，各知識點之間的脈絡比較發散，需要對其進行梳理，建立邏輯結構框架，避免授課過程凌亂混雜。圖2給出了本次課的知識點邏輯結構框架。本次課的內容概括起來就是：一條主線串聯，一個核心凸顯，兩個角度探究，兩種表述總結。其中主線為自然過程的方向性問題。知識核心即為熱力學第二定律;圍繞核心主要從宏觀能量和微觀分子運動兩個角度對其進行研究探索;結論以開爾文、克勞修斯的兩種表述以及熵的數學表征兩種形式呈現。

1.3 教學策略設計

課題組一貫秉持以學生為主體的啟發式教學，在設計本次課教學過程時，注重知識邏輯的梳理，激發并引導學生進行自主思考與探究。

授課過程采用閉環式設計：通過現象認知激發學生興趣，觀察現象特征，凝練出待研究問題;通過解析問題，聯系現有知識對其進行建模;解析模型，討論其中的可變參量，最終總結規律，得到成果;將所得成果緊密聯系實際應用，讓學生能夠進一步感受所學有用，所得有益 （見圖3）。此外，在教學過程中注重多媒體與板書結合的方式，充分利用音畫資源將抽象概念具象化，創設豐富的教學情景，多角度表達教學內容的要義;涉及理論推演過程，則采用板書推導的方式，引導學生重視數學基礎，特別是微積分思想。

1.4 思政要素挖掘

熱力學第二定律包含豐富的思政要素，在實踐教學中運用較多的有對生命的思考以及節能環保的重要性啟示[5-6]。在本次課的教學設計中，思政要素的挖掘可從以下幾個方面考慮：一是緊跟時代步伐、圍繞熱點話題開展;二是貼合學生自身需求;三是關注科技前沿;四是從熱力學發展史上的爭議論題進行切入。以上四點的根本目的在于貼合學生興趣，提高其課堂教學參與度，進而提升課堂教學與課程思政的效果。

2 教學實施過程

2.1 問題引入與鋪墊

回顧上次課熱力學第一定律，從第一類永動機不可能實現出發，給出第二類永動機示例，啟發學生思考其是否滿足第一定律，是否可以實現？以此為伏筆點明熱力學過程發生不僅需要滿足能量的守恒，還需要遵守其他準則，開啟本次授課，實現課堂教學的承上啟下。

以香水氣味的擴散和熱咖啡自然冷卻至室溫為例給出現象：過程的進行具有方向性。并以此啟發學生思考：是否所有的過程都是單向發生。如圖2所示，引入可逆過程和不可逆過程的概念對一般過程的方向性進行標準化定義。通過分析給出結論：自然過程通常都是不可逆過程（特點：單向性）;隨后層層推進，將熱力學過程范圍擴展至循環過程，從能量效率的角度啟發學生思考可逆與不可逆循環過程的特點，并給出卡諾定理，完成課堂教學引入部分的知識鋪墊。最后提出問題：不可逆的自然過程如何判定其進行方向開啟本次課的核心內容———熱力學第二定律。

2.2 熱力學第二定律

熱力學第二定律在本次課中從宏觀和微觀兩個角度各有物理學現象描述和數學表征兩種形式存在。授課過程可以按照先宏觀再微觀，先現象描述再數學表征的邏輯順序進行展開（如圖2所示）。其中開爾文和克勞修斯的兩種表述，不能僅僅側重于二者的等價性論述，還應點明兩種表述的意義與差異性。克勞修斯在研究可逆熱力學循環過程中，論證了功熱轉換與熱量傳遞過程的等價性，進而給出了相關結論，基于此結論狀態量熵被導出[7]。開爾文則是以熱機效率為切入點，進而給出結論，基于此結論證明了第二類永動機不可能實現（以此結論為前面引言的伏筆收線，進一步強調第二類永動機和第一類的差別）。兩者都是以卡諾原理為基礎，并沒有直接提出過程的方向性，但又揭示了熱力學第二定律的本質內涵。這部分的論述授課老師應注意把握尺度，可引導感興趣的同學課后查閱相關資料開展討論。

對克勞修斯熵的講授側重于建立熱力學第二定律與熵的關聯性這一教學重點。可優先從熱溫比的概念進行突破，深入剖析其物理本質，逐步推進解析克勞修斯熵以及熵增原理的物理內涵，進而突出熱力學第二定律與熵增之間的物理現象描述與數學表征之間的聯系。

2.3 物理內涵

在克勞修斯熵的推演過程中，熱溫比dQ/T并非單純的數學概念，而是具有明確的物理意義：根據循環過程的能量分析，dQ 的大小恰好等于過程中做功的能量A 大小，且與系統溫度相關[8]。通常我們將系統可用于做功的能量視為有效能量，并用能質來進行表征[8]。因此，熱溫比dQ/T表征了熱力學過程中能質的大小。據此，克勞修斯不等式

其物理意義為熱力學系統每經歷一次可逆循環過程，其有效能量收支平衡不發生變化，而系統每經歷一次不可逆循環過程，其有效能量減小。而另一組不等式

其內在本質為熱力學過程中，系統實際使用的有效能量不會超過系統潛在可用的有效能量。據此可知熵S 是熱力學系統用于評定其能量有效性（能質）的狀態函數。根據孤立系統的熵增原理推斷，S 是表征系統無法用于做功的無效能量大小的狀態函數。根據能量守恒，無效能量的增加，表明系統的能質在減少。

至此，熱力學第二定律和克勞修斯熵在宏觀層面得到了統一。高溫物體只能自發向低溫物體傳熱，反之無法進行。其本質在于系統能質的退化。因此，孤立系統由于無法得到“補充”，其熵值將不斷增加。這里可以與熱力學第一定律形成呼應：熱力學第一定律主要探究熱力學過程中能量的量變規律，而熱力學第二定律則主要探究熱力學過程中能量的質變規律。如果將生命個體看作一個熱力學系統，要阻止系統自身的能質退化，就需要不斷地從外界進行補充（dS<0），但一旦“能量”攝入不當（dS>0），反而會加劇自身能質的退化。由此引入本次課的第一塊思政內容，啟發學生思考“正能量”引入的必要性。

另一方面從微觀角度來看，孤立系統內進行的過程總是向著分子均勻分布（系統無序度增大）的趨勢發展。由于系統內部無序度增大，分子運動產生的熱能轉換為功的效率降低，使得系統的質降低。這也告訴我們，一個穩定有序的系統，將具備較高的運作效率，反之將會阻礙系統的有效運轉。這里可舉美國國會騷亂事件和以美國為首的西方國家近期在全球范圍內引發的一系列沖突問題為反例，啟發學生思考秩序和價值導向對于社會的重要性，以此開展第二塊思政內容。

綜上所述，自然過程的方向性遵從熱力學第二定律，這是由于系統的能質在不斷退化，其根本原因在于系統內部的無序度在不斷增加，這一點通過熵增原理清晰的給予了闡明。揭示這一物理本質是本次課的難點。在教學過程中需要充分利用幻燈、圖示，將熱溫比、熵等抽象概念具象化以突出其本質內涵，同時采用提問互動的方法增加學生的參與度，促進其形成長期記憶。

2.4 知識拓展

適當對熱力學第二定律與熵的概念進行拓展，不僅可以豐富課堂教學內容，進一步增強學生興趣，還可以讓教學過程形成閉環———從實踐中提取理論，最終回歸到實踐中去。因此，可從以下幾個方面進行知識拓展：

首先，在應用層面將玻耳茲曼熵的概念內涵進一步拓展引入信息熵，并結合生物遺傳信息學和人工智能等當前較火的前沿科學，初步探討其對于信息不確定度和缺損度、遺傳組織復雜度和進化度的定量描述方法。既貼近學生所學專業，為其后續學習做好鋪墊，又貼合前沿，激發學生的探索熱情。

其次，將熵類比時間，在假定二者存在關聯性的前提下，啟發學生思考時間逆流的可能性，并以此開啟拓展部分內容的探討。這樣展開的目的一方面可以通過時間之矢的概念激發學生興趣，另一方面檢驗學生對本次課熱力學第二定律微觀層面統計意義的掌握程度。根據其統計意義的描述，自發過程可逆的可能性應該是存在，所以時間逆流也是可能的，但概率極低。

此外，從時間逆流的現實合理性出發，通過自由落體、完全彈性碰撞等示例，啟發學生思考自然過程的宏觀不可逆與微觀可逆之間的對立統一性，并以此引出物理學史上玻耳茲曼與龐加萊等人關于熵增的爭論。為學生呈現物理學探索道路的多樣性與自由性，啟發并引導學生思考在攀登科學高峰的過程中，選擇與堅持的意義。

援引2020年諾貝爾物理學獎得主羅杰.彭羅斯關于思想與意識的論點[9]，啟發學生思考并討論熵在現代信息學中的地位與作用。并以個體意識自由化為切入點，引入歷史上以拉普拉斯為代表的決定論觀點，留下問題由學生課后思考并探討：意識思維與物理學規律之間究竟誰占主導？以上設計的特點在于貼合熱點、激發學生興趣，同時與課程思政緊密聯系。

2.5 小結

對本次課的內容進行梳理總結。熱力學第一定律揭示了自然過程中能量的存在方式與總量不變的轉換準則，表現出時域內能量在量上的對稱性;而熱力學第二定律進一步揭示了自然過程中能量轉換的方向性準則，表現出時域內能量在質上的非對稱性。二者相輔相成共同支撐了熱力學理論體系。熱力學第二定律是熱力學研究得到的重要成果，其進一步完善了對自然過程中能量存在與轉換的規律揭示。特別是有序化與熵概念的提出，對熱量傳遞、熱功互變、化學反應、燃料燃燒、氣體擴散、混合、分離、溶解、結晶、輻射、生物化學、生命現象、信息理論等領域的研究都具有十分重要的指導意義。

最后對拓展部分內容給出自己的見解啟發學生思考，升華主題：對大家而言，在科學探索的道路上，觀點的分歧不代表對錯，只是各自踏上了不同的道路，看到了不同的風景。盡管殊途同歸，但現在的我們還遠未到達那個層次。影響我們的只在于道路的選擇以及堅持走下去的恒心，前者決定了我們走什么路，后者決定了我們能走多遠。

3 實施效果

本課堂設計自2020年起在本校生物醫學工程專業小班課開展實踐，取得了較為滿意的效果。通過課后與學生和聽課專家溝通得到了本課堂設計的相關反饋：（1）課程脈絡清晰，知識點之間的邏輯關系銜接較好;（2）重難點突出，學生對熱力學第二定律也有了更深入的理解，達到了預期教學目標;（3）授課內容豐富，既有知識傳授，又有哲學方面的思考與討論，有一定深度，且學生感興趣的要素較多，很多課堂互動主題都具有啟發意義;（4）思政元素豐富且貼近實際，有一定的育人價值。

本 課堂設計有待進一步優化的要點主要包括：（1）伴隨知識深度和廣度的拓展，授課難度有所提升，授課時間壓力較大，對教師的課堂掌控力有較高的要求;（2）可以進一步突出實踐需求導向，特別是本校醫學特色實踐，為后續臨床專業物理課程的教學實踐打下基礎。

4 結語

本次課采用以學生為主體的啟發式教學，以自然過程的方向性問題為主線，從宏觀與微觀兩個角度，對熱力學第二定律的表述和數學表征進行探究。重點把握熱力學第二定律與熵的本質內涵，并且建立二者之間的邏輯關聯。同時在課程思政設計上，融合當前熱點話題，貼合學生的興趣點，從知識、思想、境界三個層面逐層推進，展現了科學知識與人文素養、理論學習與實踐認知相融合的教學設計理念，在知識傳播的同時實現育人價值。

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