热学教学改革的探索与实践

刘新海　王成志　丁开和

【摘要】针对“热学”教学中存在的问题，结合学校和学生的实际情况，对“热学”课程的教学在内容体系、教学手段、教学方法、考核方式以及指导学生开展课外研究等方面进行了一些探索性的改革尝试，取得了良好的效果。

【关键词】热学 教学改革 创新能力培养

【基金项目】本文是长沙理工大学教改课题“《热学》课程教学改革的探索与实践”（长理工大教〔2011〕18号）和湖南省教改课题“探索物理学专业本科毕业论文（设计）教学新模式，培养创新型人才”（湘教通[2011]308号）的研究成果。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）08-0162-02

新世纪知识经济时代要求培养具有创新意识和创新能力的各类高级人才，而我国高等教育长期以来是采用课堂讲授“满堂灌”的教学模式，师生互动少，重知识轻能力倾向严重，不利于学生创新意识和创新能力的培养。为了适应新时期人才培养的要求，从上世纪90年代开始，国内许多高校对“热学”课程教学的改革进行了很多有益的探索，尽管改革的内容和侧重点各有不同，但核心都是围绕“突出学生创新素质的培养，积极探索培养高素质创新型人才的途径和方法”这一主题[1-7]。这些对“热学”的教学改革所做的有益探讨和所取得的研究成果尽管对我们很有借鉴意义，但不能完全照搬，必须紧密结合我校物理学、电子信息科学与技术、光信息科学与技术三个专业的实际情况，来改革教学体系、调整教学内容，达到加强学生创新能力的目标。

一、进行教学改革的必要性

近几年我校热学课程的课时不断压缩，但对教学的要求却越来越高，不但要讲述传统的基础内容，而且要更加注重学生创新能力、解决实际问题能力的培养和知识面的扩展。另外，从2011年开始，电子信息科学与技术和光信息科学与技术两个专业也开设热学课程，这两个专业的后续课程与物理学专业的后续课程迥然不同，相应地，对热学课程各知识点的教学要求、重点难点以及扩展加深内容等方面也应有所区别。怎样根据三个专业的特点和要求来改革教学体系、调整教学内容、改进教学方法，加强学生创新能力的培养是摆在我们面前的一个亟需解决的问题。

为了适应新时期的教学要求，“热学”课程组成员针对当前“热学”课程教学中存在的问题，对“热学”课程教学在内容体系、教学手段、教学方法、考核方式等方面进行了一些探索性的改革，旨在增加课堂信息量、提高学生兴趣、提高学生创新能力和解决实际问题的能力。下面将笔者近几年在热学教学改革中所作的一些探索与实践作一简单总结，以便以后进一步深化提高。

二、主要改革实践

1.改革教学内容

我校现有物理学、电子信息科学与技术、光信息科学与技术三个专业开设“热学”课程，我们根据本课程和学生的实际情况重新修订了“热学”的教学大纲，分别构建适合三个专业的内容体系，并编写了详尽具体的讲授提纲。其中物理学专业的内容体系注重加强与后续课程“热力学与统计物理”的联系，而电子信息和光信息两个专业则注重加强与信息科学有关联的内容，弱化物性学和相变部分的内容。

根据新时期人才培养的要求，我们在教学中注重引入理论物理思维，推进“热学”教学内容的现代化。例如，鉴于熵在生命科学和信息科学领域中的重要应用，我们在教学中加强了关于熵的本质的讨论。再比如，在讲授热力学第一定律时，引导学生思考能量守恒定律与对称性之间的关系。

另外，对于一些经典内容我们在讲授时也根据实际情况对教学内容作了适当的调整。例如，在讲授麦克斯韦速率分布律时，教材上是先讲气体分子速率分布的测定（介绍的是1920年斯特恩的实验），后讲麦克斯韦速率分布律。然而，实验中测出的实际上不是分子源的分子速率分布，而是分子束的分子速率分布，而且斯特恩的实验装置有很大的缺陷。我们在讲授时，先讲麦克斯韦速率分布律和麦克斯韦速度分布律，阐明分子束速率分布函数的概念，然后介绍1955年密勒和库什的实验，引导同学们比较密勒-库什实验和斯特恩实验装置的不同之处，进而分析斯特恩实验装置的缺陷，最后要求同学们课下查阅我国物理学家葛正权在1934年所做的实验，了解我国科学家在这一领域的杰出贡献。实践表明，这样讲解更加合理，同学们理解得更透彻、更深入，也更有兴趣。又比如，在讲授玻耳兹曼分布律时，先由力学规律推导等温大气压强公式，然后结合麦克斯韦速度分布律引出玻耳兹曼分布律，这样讲解同学们更容易理解。

2.改革教学手段

为了增加课堂教学单位时间的信息量，克服课时紧张的困难，我们在保持传统教学方法的同时，引入多媒体教学，并力图使二者有机地结合起来。凡是有大量的推导与讲解以及学生可能要详细记笔记的内容，用粉笔和黑板讲解，一些抽象的过程、拓展性的内容和复杂的图形则用多媒体讲解。这样做的优点是既能发挥多媒体教学形式多样、信息量大、形象直观等优势，又能保留黑板板书的亲和力强，逻辑严密，交互性好等优点。

另外，通过建设课程网站，我们构建了网络教学系统和网上辅导答疑系统，加强师生互动。一方面培养学生的自学能力，拓展学生的学习空间和时间，提高学生课外的学习效果，另一方面便于教师及时了解学生对课程内容掌握的程度、学习的难点和不足之处，改进教学方法和内容，提高教学质量。

3.改进教学方法

（1）合理运用启发式、探究式教学，引导和启发学生思考问题、深化对知识的理解。

“热学”比较抽象，尤其是气体动理论部分，学生往往引起误解，为了克服这一困难，我们在课堂讲授时注意由浅入深，由具体到抽象，由特殊到一般的讲授方式。例如，讲了理想气体状态方程的基本形式之后，马上引导学生思考还有哪些变形形式；讲了密勒-库什验证麦克斯韦速率分布律的实验以后，引导学生思考斯特恩实验装置的缺陷；讲授气体黏性现象的微观解释时，引导学生思考碰壁分子的平均自由程与全体分子平均自由程之间的关系；推导了凸液面的附加压强公式后，引导学生思考凹液面的情况；讲三相点时引导学生思考汽化曲线、熔解曲线和升华曲线能否不交于一点；讲解临界态时引导学生思考超临界态，等等。

（2）授课时适当介绍一些教学内容的研究背景，简要介绍物理学家们当年所遇到的问题，适当穿插相关著名科学家的奇闻趣事，在活跃课堂气氛的同时，引导学生体会物理学家们天才思想的产生过程，培育创新思维。

（3）适当开展课堂提问和课堂讨论，加强师生互动。通过课堂提问，可以及时了解学生对讲授知识掌握的情况，并根据学生反馈回来的信息及时调整讲课的速度、内容和表达方法，以提高教学效果。课堂上讨论的问题是上一次课提出来的，学生已经进行了思考和讨论，这样就能达到活跃课堂气氛、激发学生的学习兴趣的目的，促使其更好地理解和消化课堂教学内容。

（4）在课堂教学中注重教学内容与日常生活以及当前科技前沿的联系，以提高学生的学习兴趣，培养他们解决实际问题能力。例如，讲到根据热力学第一定律，第一类永动机不可能实现时，介绍源于我国的科技玩具“吸水鸟”，要求大家课下查阅有关资料，揭示其不断“点头喝水”的工作原理；讲解热力学第二定律的微观本质时，介绍麦克斯韦妖，引导学生思考有没有违反热力学第二定律的克劳修斯表述，为什么？讲授毛细现象时，提出树液在树干中上升是否主要靠毛细现象的问题供学生思考和课下研究讨论；讲解云的形成和降雨的时候，介绍最近发表在《自然》杂志上研究内容为“降雨和云场自我组织”的一篇学术论文[8]；讲解肥皂泡内外的压强差时，介绍最近发表在《自然》杂志上研究“气泡破灭物理过程”的一篇论文[9]；讲解临界态时，介绍曾有在发电厂工作的同学向我咨询超临界态的问题，引导学生课下查阅超临界态的有关资料。这些例子都是生动的实例，容易引起学生的兴趣。

4.课外指导学生开展研究与探索

教师围绕热学的基本规律及其应用等内容，布置一些教学研究题目，让学生通过调研、分析、实验和讨论撰写出小论文，拓展学生的学习时间，进行创新意识和科学思维训练。

5.改进考核方式

按照学校要求，考试课程平时成绩占20%，期末考试的卷面成绩占80%。以往平时成绩主要以出勤和作业为主，但在实际的教学工作中，我们感到这样的评价方式并不全面。学习物理最重要的是领会科学家的物理思想，所有伟大的贡献无一不是天才思想的结晶。鉴于这一点，我们鼓励学生“胡思乱想”，提倡学生多质疑、多争论，并把独到见解纳入平时成绩。学生为了将自己的见解阐述清楚，需要在课下查阅大量的文献，这样做一方面提高了学生学习的积极性，另一方面锻炼了其写作能力。

三、教学改革效果

几年以来，通过上述改革尝试，热学课程的教学取得了良好的效果。通过启发式、探究式教学和课堂讨论、师生互动，学生学习的主动性明显增强，思维更加活跃。通过教学内容研究背景的介绍以及与日常生活和科技前沿的联系，学生的学习兴趣增加了，觉得热学不那么枯燥了。通过与教学内容联系密切的课外研究与探索，学生的创新能力和解决实际问题的能力得到了很好的锻炼，部分学生申请到了大学生研究性学习与创新性实验计划项目，有的还发表了水平较高的学术论文。另外，学生开始尝试着用理论物理的思维来思考并解决热学的有关问题，他们的发散性、创造性思维得到了相当程度的提高，为后续课程的学习打下了良好的基础。

参考文献：

[1]赵凯华，罗蔚茵.《新概念物理教程·热学》改革的思路[J].大学物理，1998，17（4）：35-37.

[2]陆夏莲，许东黎，黎培进，吴深尚. 热学课程教学改革初探[J]. 国际物理教育通讯，2000，11：23-25.

[3]秦允豪. 《热学》教材与课程建设中创新能力培养——教育部创名牌课程阶段报告[J].高教研究与探索（南京大学学报哲学社会科学版专辑），2001年，第3期.

[4]宋国利，梁红，李光耀. 以“面向21世纪课程教材”为切入点进行热学课程改革研究与实践[J]. 哈尔滨学院学报，2002，23（8）：18-20.

[5]高崇伊.改革“热学”课程教学加强对学生能力与素质的培养[J].高等理科教育，2003，3：36-38.

[6]庄得新，周玉芳. 热学课程的教学改革[J]. 山东科技大学学报（自然科学版），2003， 22：145-146.

[7]赵喜梅，尹世忠，王建勇. 《热学》教学改革初探[J]. 邢台学院学报，2005，20（4）：42-44.

[8]Graham Feingold， Ilan Koren， Hailong Wang， Huiwen Xue， Wm. Alan Brewer. Precipitation-generated oscillations in open cellular cloud fields. Nature[J]， 2010， 466： 849–852.

[9]James C. Bird， Riёlle de Ruiter， Laurent Courbin， Howard A. Stone. Daughter bubble cascades produced by folding of ruptured thin films. Nature[J]， 2010， 465： 759-762.

作者簡介：

刘新海，长沙理工大学物理与电子科学学院物理学教研室副教授。