《热力学与统计物理》课程教学改革和实践

伊厚会　姚延立

摘要：在教学中结合《热力学与统计物理》的课程特点和教学中存在的问题，进行了教学内容和教学方法等方面的改革和尝试，并起到较好的效果。

關键词：热力学统计物理；教学改革；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）08-0105-02

《热力学与统计物理》属理论物理课程，是高等院校物理学专业本科学生在修完《热学》课程之后必修的一门基础理论课程，它对于后续课程的学习以及从事相关科研都具有重要的意义。《热力学与统计物理》语言严谨但枯燥，包含大量的公式和推导，教学中容易忽视科学思维训练和科学思想方法的培养。经过调查发现，大部分同学学完《热力学与统计物理》后，对涉及到的概念、规律和处理方法都感觉比较模糊，实际应用困难。在教学方法上，目前普遍采用的教学方法是老师推导公式，学生听讲，使学生整体感觉模糊。热力学是一大堆偏微商，偏来偏去；统计物理是这分布那分布。教师在讲台上讲的是口干舌燥，筋疲力尽，学生在台下却无精打采，昏昏欲睡。如何实现在教学中师生的互动，知识的传递、信息的交流和思维的碰撞在《热力学与统计物理》课堂教学中显得尤为重要。笔者在近几年的教学中，针对《热力与学统计物理》的现状进行了教学内容和教学方法的改革，在一定程度上调动了学生的学习兴趣和积极性，并收到了较好的效果。

一、教学内容改革

1.深化物理概念。由于《热力学与统计物理》教材中有很多理论的堆积和繁杂的推导过程，而对课程中蕴含的思维训练和科学思想、科学方法等内容很少涉及，在传统的教学中，大部分时间都是花在推导公式上，忽视了应用人才的培养。在《热力学统计物理》教学中，尽量做到从最普遍的基本原理出发，运用归纳、演绎的方法导出实验规律，然后培养学生运用物理理论解决一些典型实际问题的方法和能力。同时强调对物理概念和意义、物理意义的理解，简化数学推导，使学生形成较完整的物理学图像。

2.优化课程结构。根据《热力学与统计物理》和《热学》、《量子力学》、《固体物理》等课程的关系，尽量减少与《热学》、《固体物理》等相应课程内容的重复。例如对于热力学中的内容（如平衡态、温度、物态方程、热力学第一定律、功、热量与焓、理想气体、热力学第二定律、熵、卡诺定理等）和统计物理中的内容（如等概率原理、玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布）与《热学》的重复率高，在教学时适量减少课时。例如德拜理论等内容可以放在《固体物理》中并且要重点讲授。通过教学内容的整合，提高了教学效率，优化了课程结构，缓解了授课学时和教学内容的矛盾，从而明确了课程的主线。

3.增加前沿知识。在讲授课本知识的同时，适当增加前沿内容。例如讲解获得低温的方法时，增加介绍3He、4He稀释致冷和激光致冷；对于非线性不可逆过程热力学，重点介绍耗散结构的概念和应用；补充相变中朗道连续相变理论和临界点附近涨落与关联的理论；增加介绍统计物理中玻色爱因斯坦凝聚的新进展；介绍朗之万方程在光学粘胶、多普勒致冷和磁光陷阱等方面的应用。通过增加前沿知识的学习和介绍，加深学生对基本内容的理解，开阔学生的视野，引起学生的兴趣并有利于科学思维的培养。

4.注重实践环节。在讲授理论知识课的同时，注重实践性教学环节和课程设计环节。由于《热力学与统计物理》是理论性很强的课程，在教学中往往重视理论教学而忽视实践环节，这不利于应用性人才的培养。需要在教学中增加实践性教学环节和课程设计环节。例如熵变的计算、铁磁—顺磁相变、粒子输运问题、平衡态的确定、半透薄等知识和问题，结合Ising模型，郎之万方程，Monte Carlo、Random Walking等计算方法，有针对性的进行课程设计。通过实践教学，既加深了学生对物理学过程、物理概念的理解，又锻炼了学生计算机程序设计能力，从而增强了学生解决实际问题的能力。

二、教学方法改革

1.对比法的应用。由于《热力学与统计物理》存在大量的物理意义相同或相近的物理概念、物理量、物理规律和处理方法等，通过增加对比让学生掌握该门课的主线，培养学生的科学思想和方法。例如对于内能、自由能、吉布斯函数、焓的概念；麦氏关系；熵、自由能、焓、吉布斯、内能等的各种判据和条件；微正则分布、正则分布、巨正则分布；玻尔兹曼统计、玻色统计、费米统计等内容，教学时主要讲授部分内容，引导学生对比分析物理概念和研究方法的区别和联系。通过对比教学，既加深了学生对基本感念、基本研究方法的理解，又能起到举一反三的教学效果。

2.互动式教学的应用。教学中适当地应用互动式的教学方法，改变以往课堂教学的传统模式。激发学生主动学习的积极性和自我学习的能力。在教学中，增加一些基本概念、定律和处理方法的讨论。例如讨论热力学温标和理想气体温标的异同点；讨论理想气体状态方程和焦耳定律的独立性；讨论分析热力学第二定律的微分表达式和热力学基本微分关系的不同之处；讨论熵的概念以及不可逆过程中熵变的计算方法比较。根据熵增原理讨论了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未来和宇宙的演化等。在相变中除了物体的固、液、气三相变化，讨论自然界还存在许许多多的相变现象，例如物质从金属变成超导体的超导相变；液态氦从正常液体变成超流体的λ相变；磁铁在居里温度从铁磁性变成顺磁性等。通过讨论进一步明确了概念、规律的适用条件和一般处理方法等，并在互动过程中逐步培养学生自学意识、参与意识、群体意识和问题意识，提高了学生的积极性和主动性。

三、其他方面工作

在《热力学与统计物理》教学中我们还进行了其他方面的改革和实践。在考核方面，采用闭卷考试、一页开卷、课程设计、论文等多种考核方式。为适应教学的需要，针对教学内容作了完整的习题解答和复习资料，并作为教材配套的教学参考书。在保证本学科的基本理论、基本知识和基本技能的全面性，以及在精选内容时注意知识的科学性和系统性的前提下，制作了图文并茂、引人入胜的课件。在课堂上运用多媒体，VCD、DVD，教学软件、音像制品等这种直观的、形象化的演示，有利于学生增强感性认识，便于理解和记忆。

四、结论

在教学改革的指导思想下，针对《热力与学统计物理》教学中存在的问题，进行了教学内容和教学方法等方面的改革和尝试。实践证明，这些改革和实践缓解了授课学时和教学内容的矛盾，增加了学生的学习兴趣，拓展了学生的知识面和自主实践课的空间，增强了学生解决实际问题的能力，从而有利于人才的培养。

参考文献：

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[7]梁希侠.统计热力学（第二版）[M].北京：科学出版社，2008.

基金项目：滨州学院教学研究项目（BYJYZD201010）；滨州学院重点课程（BZXYZDKC200912）

作者简介：伊厚会（1976-），男，山东费县人，博士，副教授，主要从事大学物理、热力学统计物理学、计算物理学等方面的教学和研究。