師范類“熱力學(xué)統(tǒng)計物理”教學(xué)過程中的思考*

周春麗 張 珍 楊會靜

(唐山師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 唐山 063000)

黨的二十大報告中提出“要加快建設(shè)教育強(qiáng)國、科技強(qiáng)國和人才強(qiáng)國”,對于師范類院校來說,培養(yǎng)高素質(zhì)的師范生是重中之重,而對于物理師范生來說,應(yīng)具備扎實的物理專業(yè)知識和物理學(xué)的思維方法,熱力學(xué)統(tǒng)計物理作為物理學(xué)四大力學(xué)課程之一,是研究熱現(xiàn)象和熱運動規(guī)律的重要課程[1-2],在學(xué)習(xí)本門課程之后,學(xué)生不僅應(yīng)該能夠完善物理學(xué)專業(yè)知識體系,還應(yīng)該能夠建立學(xué)習(xí)物理學(xué)知識的思維方式,同時也為以后成為合格的中學(xué)物理教師打下堅實的基礎(chǔ).而在講授本課程時發(fā)現(xiàn)了一些問題,首先本門課程理論性較強(qiáng),與實際結(jié)合較少,同時在課程內(nèi)容里涉及非常多的數(shù)學(xué)語言,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興致不高,對課程內(nèi)容望而卻步,因此對于教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計進(jìn)行深入思考是十分有必要的.

1 教學(xué)過程中存在的主要問題

首先,熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程內(nèi)容綜合性較強(qiáng),先修課程的掌握程度對本課程教學(xué)影響較大,在授課的過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生由于各種原因?qū)е禄A(chǔ)知識掌握不牢,不能很好地將已經(jīng)學(xué)過的課程知識聯(lián)系起來,未能形成很好的知識體系.比如本課程的第一章基本是“熱學(xué)”[3]中學(xué)習(xí)過的內(nèi)容,因此第一章在本課程的講述中應(yīng)該起到承接的作用,但是可能由于熱學(xué)和本門課程的學(xué)習(xí)時間間隔了一年,因此學(xué)生會在剛開始學(xué)習(xí)本門課程時接受度差.另外熱力學(xué)統(tǒng)計物理包含很多的數(shù)學(xué)語言,需要進(jìn)行大量公式推導(dǎo),而這些過程又是學(xué)生必須了解的內(nèi)容,所以容易造成教師滿堂灌的授課模式,學(xué)生普遍體現(xiàn)出數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的特點,因此教學(xué)的推進(jìn)產(chǎn)生了困難,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也會下降,綜合結(jié)果可能會使得課堂枯燥乏味,且不能達(dá)到良好的教學(xué)效果.且熱力學(xué)統(tǒng)計物理是從宏觀和微觀兩個角度研究熱運動的規(guī)律性和宏觀物質(zhì)的性質(zhì),因此理論知識較多,與實際生活聯(lián)系較少,同樣也會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高,教學(xué)過程乏味.

2 教學(xué)改革探索

2.1 探索教學(xué)方法

本課程知識內(nèi)容主要包含熱力學(xué)和統(tǒng)計物理兩大部分,從知識結(jié)構(gòu)上來說這兩部分是相輔相成的關(guān)系,熱力學(xué)從實驗觀測的角度去解釋熱現(xiàn)象的規(guī)律,進(jìn)而分析物質(zhì)的宏觀性質(zhì)和宏觀過程進(jìn)行的方向和限度等問題,而統(tǒng)計物理從微觀角度以物質(zhì)是由微觀粒子組成的事實出發(fā),通過建立模型利用統(tǒng)計物理學(xué)的理論得出物質(zhì)的特性,進(jìn)而分析微觀機(jī)理[1-2].因而這兩部分在知識內(nèi)容和要解決的問題方面存在著相同之處,基于這種課程特性,探索適合本門課程的學(xué)習(xí)方法是至關(guān)重要的,在課程的講授過程中,需要幫助學(xué)生找到好的學(xué)習(xí)方法,反映到授課上就是探索合適的教學(xué)方法.

2.1.1 以點帶面式教學(xué)法

基于大多數(shù)學(xué)生對已學(xué)過的物理專業(yè)課程知識并沒有形成好的知識框架的特點,在講授本門課程相關(guān)內(nèi)容前后積極引導(dǎo)學(xué)生看書預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí),如在講授“熱力學(xué)的基本規(guī)律”時向?qū)W生們提出幾個關(guān)鍵詞:“熱力學(xué)三大定律”“溫度”“內(nèi)能”“焓”“熵”“自由能”和“吉布斯函數(shù)”,讓學(xué)生們回憶之前熱學(xué)里講過的相關(guān)知識,同時在復(fù)習(xí)本章內(nèi)容時,以6個講到的狀態(tài)函數(shù)為起點,引導(dǎo)學(xué)生們回憶與這6個狀態(tài)函數(shù)有關(guān)的知識點.思維導(dǎo)圖能夠有效訓(xùn)練學(xué)生的思維能力[4],因此以思維導(dǎo)圖方式幫助學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí),如圖1所示,從而達(dá)到以點帶面地幫助學(xué)生建立知識網(wǎng)絡(luò),縷清各個知識點之間的關(guān)系,從而加深對于理論知識的理解效果.

圖1 由6個狀態(tài)函數(shù)復(fù)習(xí)熱力學(xué)基本規(guī)律章節(jié)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖

2.1.2 模塊化教學(xué)法

基于課程的熱力學(xué)和統(tǒng)計物理解決的問題的一致性,將對于物質(zhì)同一性質(zhì)的分析內(nèi)容進(jìn)行整合形成不同的模塊[5],在講授的過程中作為講授背景或者復(fù)習(xí)時的方式,也就是在縱向講解之后,進(jìn)行橫向的復(fù)習(xí),以此加深學(xué)生們對于知識的理解,促進(jìn)知識框架的形成.

在熱力學(xué)部分講到的非常重要的3個基本熱力學(xué)函數(shù)為內(nèi)能、物態(tài)方程和熵,而統(tǒng)計物理從統(tǒng)計學(xué)的角度借助數(shù)學(xué)語言也能夠?qū)懗鲞@3個函數(shù)的統(tǒng)計表達(dá)式,因此可以如表1所示以內(nèi)能、物態(tài)方程和熵分別建立模塊,將熱力學(xué)和統(tǒng)計物理部分的相關(guān)知識點羅列整合起來,達(dá)到幫助學(xué)生們學(xué)習(xí)知識的目的,同時也能加深學(xué)生們對知識在熱力學(xué)和統(tǒng)計物理兩個角度的理解.當(dāng)然熱力學(xué)和統(tǒng)計物理都講解到的實際氣體的物態(tài)方程、熱容和熱輻射等也可以采用此種方法,進(jìn)而加深學(xué)生們對于科學(xué)進(jìn)步的體會.

2.1.3 類比教學(xué)法

本課程中應(yīng)用到的數(shù)學(xué)語言較多,學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中往往容易迷失在數(shù)學(xué)公式中,但是各個章節(jié)的知識點之間是存在著相關(guān)性的,甚至是相似性,在教學(xué)的過程中為學(xué)生捋清楚關(guān)系,通過類比的方法強(qiáng)調(diào)各個知識點間的關(guān)系能夠很好地幫助學(xué)生記憶和理解課程內(nèi)容[6].比如在講解到開系的熱力學(xué)基本方程時,引導(dǎo)學(xué)生與前面章節(jié)講過的內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分方程進(jìn)行對比,可以發(fā)現(xiàn)開系的熱力學(xué)基本方程是在這些全微分方程的基礎(chǔ)上加一項,這是因為開系時系統(tǒng)與外界會有物質(zhì)交換導(dǎo)致的;在講解3個不同系統(tǒng)的最概然分布時可以發(fā)現(xiàn),在玻耳茲曼分布基礎(chǔ)上分母減1為玻色分布,分母加1為費米分布;在講解不同系統(tǒng)下的熱力學(xué)量的統(tǒng)計表達(dá)式時可以發(fā)現(xiàn),在記憶了玻耳茲曼統(tǒng)計下的內(nèi)能和物態(tài)方程的表達(dá)式后,除以N即為玻色/費米統(tǒng)計、正則系綜和巨正則系綜中的表達(dá)式,只不過后3個體系的配分函數(shù)表達(dá)式和符號不同.

課程內(nèi)容中還有許多地方存在著相似之處,在教學(xué)的過程中引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行類比,一方面使得知識點尤其是數(shù)學(xué)語言易于記憶,另一方面也能夠加深對于知識深化的逐步理解,提高學(xué)生對于課程內(nèi)容的接受度.

2.2 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

2.2.1 挖掘課程內(nèi)容與科學(xué)前沿知識的結(jié)合點

雖然本門課程與實際生活結(jié)合的地方較少,但是在更深層次的科學(xué)研究方面起著十分重要的作用,在授課過程中將科學(xué)前沿的知識展示給學(xué)生們,以此也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效果.如表2所示在講解溫度和熱力學(xué)溫標(biāo)后,向?qū)W生們介紹疫情時期出入各個場所用的比較多的測溫槍的工作原理;在講解到相圖知識點時,介紹鐵碳合金相圖在研究鋼鐵材料性能方面的重要應(yīng)用;在講解到熱輻射的熱力學(xué)理論時,了解了任何物體在任何溫度下都輻射電磁波后,向?qū)W生們介紹電磁波輻射在日常生活、醫(yī)用設(shè)備和航空航天等領(lǐng)域都有一定的危害,由此可以向?qū)W生們介紹當(dāng)前科學(xué)研究比較熱的吸波材料和電磁屏蔽材料;在講到平衡的穩(wěn)定性條件時會涉及亞穩(wěn)平衡狀態(tài),向?qū)W生們介紹國際上科學(xué)研究熱點亞穩(wěn)材料;在講解到系綜及系綜的分類時,向?qū)W生們介紹目前應(yīng)用比較多的理論計算分析材料的性質(zhì),如在VASP軟件中計算物質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)時就會用到系綜的知識,并介紹相關(guān)教師理論計算的成果,這樣學(xué)生們既能夠體會到課程知識和生活的結(jié)合,同樣也將提高他們對于科學(xué)研究的興趣,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.因此在課程設(shè)計的過程中不斷追蹤物理相關(guān)科學(xué)前沿,并在課上相關(guān)知識點部分給學(xué)生們進(jìn)行知識拓展,能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,開闊視野,同時加深對物理和生活、科學(xué)息息相關(guān)的認(rèn)識.

表2 課程知識點與科學(xué)前沿契合點

2.2.2 打造翻轉(zhuǎn)課堂,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性

物理師范生未來大多數(shù)將走上講臺成為一名教師,因此對于學(xué)生授課能力的培養(yǎng)是重要的,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性是必要的[7].可以在課程教學(xué)過程中合理地設(shè)計幾種以學(xué)生為主體的小課堂,培養(yǎng)教學(xué)能力,比如:(1)在課程學(xué)習(xí)的過程中選擇一些小的知識點,讓學(xué)生們自己去查閱相關(guān)資料,準(zhǔn)備一定時間的小課堂為大家講解,在這個過程中學(xué)生可以體會到“備課—授課”的全過程,同時通過查閱各種資料也能學(xué)習(xí)到很多的知識,激發(fā)學(xué)習(xí)的主動性,提高自主學(xué)習(xí)的能力;(2)將班級學(xué)生進(jìn)行分組,每個小組自行選取一小節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行拓展,通過查閱資料,讓學(xué)生們試著撰寫課程知識和生活、科研工作等聯(lián)系的報告,這樣既能夠加深對于課程知識的理解,也能夠發(fā)揮學(xué)生們的主觀能動性,讓課程內(nèi)容更加生動.學(xué)習(xí)成果計入最終考核成績,實現(xiàn)按照師范專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生進(jìn)行過程性考核;(3)提高學(xué)生的參與度,比如在講解到玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)和費米系統(tǒng)時,為了讓學(xué)生更加形象地理解不同系統(tǒng)的區(qū)別,可以讓兩名學(xué)生代表兩個粒子,讓學(xué)生們想象兩名學(xué)生進(jìn)入3間教室,分別展示出在不同系統(tǒng)中兩個粒子占據(jù)3個量子態(tài)的時候會有多少種可能的微觀狀態(tài),會使學(xué)生們對于不同系統(tǒng)的區(qū)別印象更為深刻.

2.3 做好數(shù)學(xué)語言準(zhǔn)備

由于本課程講授過程中包含著大量的數(shù)學(xué)語言,在講授新課程前必須為學(xué)生們打好數(shù)學(xué)基礎(chǔ),所謂“磨刀不誤砍柴工”,因此每次課程前先為學(xué)生講解本節(jié)課中要應(yīng)用到的數(shù)學(xué)知識,打通數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,防止學(xué)生在物理公式推導(dǎo)的過程中“迷路”,產(chǎn)生厭倦心理.如在講述麥?zhǔn)详P(guān)系時,將全微分和求偏導(dǎo)的知識先講解給學(xué)生,就會提高學(xué)生對于推導(dǎo)過程的接受程度.在講解熱動平衡判據(jù)時,先帶領(lǐng)學(xué)生們回憶一條曲線在某點上有極值和極大值的條件,加深學(xué)生們對于平衡條件和平衡穩(wěn)定性條件得出的理解.在講不同分布下的微觀狀態(tài)數(shù)求法時,先鋪墊獨立事件的乘法定理和排列組合的知識,提高學(xué)生對于微觀狀態(tài)數(shù)求法的理解.在講玻耳茲曼分布、玻色分布和費米分布時,先介紹斯特林公式和拉格朗日未定乘子法,幫助學(xué)生們很好地理解如何由微觀狀態(tài)數(shù)求解最概然分布,從而為后面玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計的講解打下基礎(chǔ).雖然數(shù)學(xué)語言在推導(dǎo)物理公式過程中是必要的,也是不可缺少的,但是一定要在推導(dǎo)之后為學(xué)生們展示物理公式推導(dǎo)過程的演化思路,加深學(xué)生們對于物理公式推導(dǎo)過程的理解.

3 結(jié)論

本文結(jié)合師范生熱力學(xué)統(tǒng)計物理課程教學(xué)的實際情況,提出了存在的問題和相應(yīng)的課程教學(xué)改革方法,從探索教學(xué)方法、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和做好數(shù)學(xué)語言準(zhǔn)備三大方面著手,得出提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能動性是有效提高教學(xué)效果的途徑,同時在這個過程中也能夠提高師范生的教學(xué)能力和邏輯思考能力,助力物理師范生的培養(yǎng).