應用物理學專業中熱力學與統計物理教學改革措施研究

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-7164（2025）17-0081-04

熱力學與統計物理是應用物理學專業的一門基礎必修課，主要研究物質在各種條件下的熱力學性質和統計規律。這涵蓋了宏觀熱力學系統的一般理論，微觀熱力學系統的基本理論，以及熱力學與統計物理學基本方程、統計定律和統計規律的應用等方面。

熱力學與統計物理課程的學習不僅可以使學生掌握基本的熱力學與統計物理的基本原理和處理問題的方法，而且能提高學生理解熱力學與統計物理學在物理學史中的重要作用以及其在現代科學技術中的廣泛應用，從而提高學生分析問題與解決問題的能力。

在教學過程中應根據應用物理學專業、課程以及前景發展為特點，充分利用先進教育理念、信息技術手段、豐富教學資源進行教學改革和創新，提高學生的學習興趣、學習效果和創新能力。通過改革，逐步形成具有鮮明特色的課程體系，從而激發學生的學習興趣和創造力，培養學生的科學素養，使學生獲得全方位的發展。

一、應用物理學專業熱力學與統計物理教學改革的目標與原則

（一）改革目標的設定

為了更好地適應新時代的人才培養自標以及學校應用物理學一流專業的建設需求，教師有必要對目前的熱學統計物理教學進行改革。應用物理學專業學生不僅要學習熱學、熱力學、統計物理學、量子力學以及固體物理等物理學課程，掌握基本的理論知識，還要在應用上具有一定的能力。傳統的熱力學統計物理教學內容主要是熱力學定律與函數、相變、微觀態和統計規律等，這些內容是物理學中最基本的知識，學生學完之后掌握相應的理論知識即可。[1]

（二）改革過程中應遵循的原則

熱力學與統計物理課程教學改革，需要遵循以下幾個原則。

1.以專業培養目標為導向，以培養應用型人才為目標。應用物理學專業培養目標是在掌握物理基本理論和方法的基礎上，深入理解物理本質，具有較強的分析、解決工程實際問題的能力，掌握本專業領域中的前沿知識和技術。

2.以學生為中心，以提高學生綜合能力為核心。教師要充分了解學生學習中存在的問題及困難，采用啟發式、探究式、互動式教學方式，提高教學質量，激發學生學習的積極性。

3.以素養為主線，注重課程思政。以能力培養為主線，通過課程思政，將課程內容與思想教育相結合，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀；挖掘課程內容中所蘊含的思政元素，形成潛移默化的教育效果；提升學生的人文素養和科學素養。[2]

二、應用物理學專業熱力學統計物理教學改革的具體措施與實踐

（一）教學方法的改革與實踐

1.改進教學手段，提高學習興趣

現代教學手段多種多樣，主要有多媒體課件、網絡教學平臺、電子教案、電子課本等。在多媒體課件制作過程中，應該注意以下兩點：第一，教師要精心準備多媒體課件，對一些重要概念的推導過程，可以利用多媒體課件來輔助講解；如熱力學化學勢、熵等，可以借助電子教案、電子課本等輔助工具，讓學生在理解的基礎上去記憶;在課堂教學中，用板書來概括課堂的重點難點，突出重點、難點。第二，教師在講授熱力學統計物理時，適當地利用網絡教學平臺，如學習通等，把學生平時不能直接接觸到的文獻資料上傳到平臺，學生在學習中遇到的問題可以通過網絡教學平臺進行交流，以達到解決問題的目的。[3]

2.引導學生構建思維導圖，建立學習檔案

思維導圖可以幫助學生梳理知識點，找出各知識點之間的聯系，加深記憶，促進其知識建構能力的提高。[4在以往的教學過程中，主要是教師代替學生進行逐章歸納知識，在此狀態下，反思和總結的是教師而非學生，學生處于被動學習的狀態。相反，教師引導學生構建思維導圖，學生處于主動學習的狀態，學生需要自身從根本上理解知識到掌握輸出圖譜。在此過程中，不僅可以梳理知識重點，還能進一步了解知識脈絡，起到融會貫通的作用。建立涵蓋學生課后習題、思維導圖、課后模擬實驗及其分析的學習檔案，搭建師生交流平臺，可以加強師生之間的溝通和交流。其一，教師收集作業，能夠從作業完成情況及時了解學生的學習情況，做到查漏補缺，改善自己的教學內容和調整教學進度，起到教學相長的作用；其二，學習檔案對學生而言是公開可查的，學生通過查看他人的課后作業，能夠相互比較，發現不足。

（二）教學內容的改革與實踐

1.針對性調整和修改部分內容

針對課程內容的特點，在教學內容上進行了調整和壓縮。首先，在課堂講授中，刪除了一些概念較為抽象的理論，如熵、熱力學熵、統計物理學中的熱力學函數等。其次，還將課程內容進行了適當地壓縮，把熱力學統計物理的基本概念和定律通過實例來說明，這樣既可使學生能夠更好地理解和掌握這些概念和定律，又可從增強學生的學習興趣。例如，在講解“系統的能量變化\"時，只需要講清楚系統中能量的變化和原因就可以了。這樣的簡化教學不僅使學生學習感到輕松愉快，而且也便于教師對學生學習情況進行監控。

2.增加課后計算機模擬實驗模擬環節

在教學中，如何讓學生掌握熱力學、統計物理的基本概念、基本原理，掌握其基本方法和技術，從而為后續課程的學習打下堅實的基礎，是本課程教學中需要解決的重要問題。為此，文章將熱力學與統計物理課程的教學內容分為兩部分：一是在第一章介紹熱力學的概念、基本定律及其應用；二是在第二章介紹統計物理的概念、基本定律及其應用。這樣安排既能讓學生從整體上把握熱力學和統計物理，又能使學生了解這兩門課在整個物理學科體系中的地位和作用。

實驗是將理論知識與實踐能力相結合的重要手段，實驗是學生獲取感性認識、培養動手能力和創新精神的重要環節。因此，在安排實驗內容時，要結合專業特點和實際需求，注重培養學生的動手能力和創新精神。以范德瓦耳斯狀態方程為例，以往的教學主要注重傳授理論化知識，要求完成相應的課后習題。這樣的狀態下，學生只能單純學習知識點，無法做到理論聯系實際。增加課后計算機模擬實驗模擬環節，學生在課堂上學習了狀態方程相關的理論知識后，還被要求課后通過實際氣體的參數結合已學習的Python或MATLAB等相關程序語言，實踐模擬不同溫度、壓力區間下氣體狀態方程，例如氫氣、氮氣以及氮氣等，對比相同狀態下不同氣體狀態方程的差異，這樣不僅可以進一步鞏固氣體物態方程等知識點，還可以鍛煉學生理論聯系實際的能力。

3.開拓線上，線下教育渠道

就熱力學統計物理教學改革而言，開拓線上與線下教育渠道是一種重要創新之舉。在信息技術快速發展的今天，傳統教學模式已經很難適應當代學生學習的需要。為此，有必要將線上教育和線下教育結合起來，建立多元化和個性化教學環境。開拓線上教育渠道，能給學生帶來更靈活更獨立的學習方式，通過搭建在線課程平臺對熱力學統計物理課程內容進行視頻、PPT、動畫等多形式展示，使學生能夠隨時隨地獲取學習資料并根據學習進度及興趣進行學習內容選擇。另外，線上平臺可提供習題練習和在線答疑，有利于學生鞏固所學內容和解決問題。線下教育渠道優化也不容忽視，傳統課堂教學在熱力學統計物理教學中仍占據著重要地位。通過舉辦小組討論，實驗操作，案例分析等形式多樣的教學活動能夠激發學生學習興趣并提升其實踐能力與團隊協作能力。與此同時，教師還可根據學生反饋及表現情況適時調整教學策略以保證教學質量。

在開拓線上和線下教育渠道時也要注重二者的結合和補充。線上教育能夠提供大量的學習資源，方便學生學習，但是缺少面對面的溝通與互動；而線下教育能為教學提供真實場景，加強人際互動。為此，有必要把線上和線下教學資源有效結合起來，構成無縫對接的教學體系。例如，教師可借助線上平臺公布預習資料、課后作業等，指導學生事先理解課程內容、鞏固所學內容；組織課堂討論、實驗等活動，以深化學生對所學內容的認識與運用。通過開拓線上和線下教育渠道，能給熱力學統計物理教學改革帶來新的生機。這一多元化教學模式既能提升學生學習效率與興趣，又能培養其自主學習能力與創新精神。在今后的教學實踐中要不斷地對這一教學模式進行探索與改進，以期對熱力學統計物理教學改革作出更大的貢獻。

4.跨學科知識的整合

將跨學科知識融入熱力學統計物理教學改革是有重要意義的教學策略，把熱力學統計物理等學科知識有機地結合在一起，能開拓學生眼界，培養學生綜合素質及創新能力。跨學科知識的整合有利于深化學生熱力學統計物理知識。熱力學統計物理，作為物理學中的一個關鍵子領域，與化學、生物學和材料科學等其他多個學科存在著緊密的相互關聯。引入其他學科的知識到熱力學統計物理的教學過程中，有助于學生更深入地掌握熱力學統計物理的核心觀念和基本理念。如引入分子運動論，可將化學上分子結構與反應動力學等知識相結合；敘述相變現象可介紹生物學上細胞膜相變及其他實例。在熱力學統計物理的教學中，通過引入其他學科的知識和方法，培養學生的跨學科思維能力和解決問題的能力。

（三）教學評價體系的改革與實踐

1.發展性評價和總結性評價相結合

傳統的考核方式是學生通過平時表現和期末考試獲得最終成績，期末考試成績的占比較高，即使平時上課不積極的學生也能靠著臨陣磨槍的“背多分”模式占領高地，不利于學生循序漸進地掌握知識。這對于堅持上課的學生而言缺乏公平性，僅靠最后一堂考試決定成績優劣并不全面。除此之外，終結性考試更是難以察覺學生個人的進步情況，學生得到的鼓勵和鞭策較少。對學生學習過程中的行為、表現和成果等方面進行觀察和分析的發展性評價有助于了解學生的發展情況和需要，為其提供個性化的支持和幫助，促進其全面發展。[5]在平常的課程教學中檢測學生的學習效果，讓學生了解到自己對所學知識的掌握程度，督促學生的日常學習。除此之外，發展性評價還應該注重評價學生的學習態度，不能以分數作為唯一評價標準，以此調動學生的學習積極性，鼓勵學生學習。將日常課上回答問題、課后作業、思維導圖構建以及模擬實驗等方式相結合，平時成績占總成績的比重增加到 40% ，這樣不僅能夠把握學生每次上課情況，還能最大限度地了解學生的學習進度與知識的掌握情況，還能及時鼓勵和鞭策學生。

2.加大課后實踐在全局評價中的權重

在應用物理學中加大課后實踐權重，既來源于學科特點，也和社會對人才的需求密切相關。應用物理學是以應用為導向的學科，理論知識的應用是其核心。首先，通過校內課后實踐，學生能夠將所學的理論知識應用于實際問題，驗證理論在不同條件下的適用性，加深對理論的理解。其次，應用物理學涉及實驗設計、儀器使用、數據采集與分析等實際技能。從社會需求角度上來說，社會更傾向于招聘能夠迅速適應工作環境、解決實際問題的應用型人才。因此，加大應用物理學中實踐的成分有助于學生更好地適應社會需求，提高其就業競爭力，也有助于形成提升專業素養。

三、應用物理學專業熱力學統計物理教學改革的效果與反思

（一）教學效果的評估與反饋

通過對應用物理學專業熱力學與統計物理教學改革的實踐，取得了以下顯著效果。

1.學生對熱力學與統計物理的基本概念、基本定律及應用有了更為深入的理解。通過優化課程內容，使得學生能夠從整體上把握這門課程，認識到它在物理學科體系中的地位與作用。

2.模擬實驗課程的改革，使得學生的動手能力與創新精神得到了培養。在實驗過程中，學生能夠將理論知識與實際操作相結合，以提高學習興趣。

（二）教學改革的反思

雖然取得了顯著效果，但在教學改革過程中也存在一些不足之處，值得反思。

1.在教學方法上，可以嘗試更多的互動式教學，如課堂討論、小組合作等，以提高學生的參與度和積極性。

2.對學生的個性化教育有待加強，具體可通過課后輔導、學術講座等形式，為學生提供更多學習機會和資源。

3.加強與其他高校及科研機構的交流合作，借鑒學界與業界先進的教育理念和教學方法，不斷提高教學質量。

四、結語

總而言之，通過對應用物理學專業熱力學與統計物理教學改革的實踐，取得了顯著的效果，學生的學習興趣和實際應用能力得到了提高。注重學生的學習需求和個性化教育，加強與其他高校及科研機構的交流合作，借鑒先進的教育理念和教學方法，不斷提高教學質量。通過不斷地探索和實踐，應用物理學專業熱力學與統計物理的教學質量將得到進一步提高，為我國培養更多優秀的應用物理學人才作出貢獻。

參考文獻：

[1]劉曉娣，李香宇，張靜.基于學習動力的模擬電子技術課程教學改革與實踐[J].高教學刊，2024，10（03）：129-132+137.

[2]張克生．應用型高校物理實驗教學改革與實踐探索[J].湖北開放職業學院學報，2022，35（20）：153-154+157.

[3]薛云，張立學，呂洲，等.高校物理化學課程教學改革與實踐研究[J].化學工程與裝備，2022（06）：298-300.

[4].塔金星，李春雷，李玉，等.思維導圖在熱力學與統計物理（二）教學中的應用研究[J].黑龍江科學，2021，12（09）：70-71.

[5]劉永鳳，袁頂國.高校學業評價[M].北京：高等教育出版社，2019：113-125.

（薦稿人：丁長春，副教授）

（責任編輯：邵秋露）