浅谈大学《热学》课程教学

慕利娟+杨友松+韩向刚+郭云胜

摘要：经过几年的教学实践，针对大学本科物理专业的必修基础课程——热学，总结概括了课程的结构及特点，运用课程中的实例介绍了知识内容

热学在19世纪便已发展成为一门比较完备的科学，随着人们对客观世界的了解深入，关于热学的知识也在不断扩展。热学是物理学科的一个重要组成部分，是研究与热现象有关的规律的科学。课程教学的目的是掌握热现象规律，了解热现象作为“大数”粒子无序运动的本质，为大学阶段其他课程的学习打好理论基础，是本科物理专业学生必修的一门专业基础课。我们使用的热学教材是经典的李椿等编著的《热学》教材，通过几年的教学实践，对热学课程的教学内容及教学方法做了一系列的探索和总结。

一、热学课程的结构及特点

热学课程的主要内容分为三大部分：宏观理论部分，称为热力学，是通过直接观察和实验测量，再用严密的逻辑推理方法总结出来的有关热现象的规律，研究的方法是宏观法，所得出的热力学基本定律是自然界中的普适规律，具有可靠性与普遍性，但是它只适用于粒子数很多的宏观系统、主要研究物质在平衡态下的性质、把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构，没有解释事物的微观本质；微观理论部分，称为统计物理学，是从物质内部的微观结构出发，即从物质分子、原子的运动及它们之间的相互作用出发，用统计的方法来研究系统的热学性质，它可以揭示热现象的微观本质，但由于它在数学上遇到很大的困难，由此做出的简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符合；物性学部分，即热学理论的应用，利用前两部分的理论说明物态的性质及其相互变化的规律，包括液体、固体、相变的基础理论[1]。前两部分是课程要求的重点，宏观部分学生掌握起来较容易，但统计物理学部分涉及到微观领域及统计的方法，理解起来较难一些。

二、热学内容的表述方式

关于内容的表述，不外乎有文字表述、数学表述及图像表述等，而在热学中这三种表述在一个概念中可能都会出现。比如说热力学第一定律的应用，涉及到四个等值过程，其中在这些过程中会有过程的图示，即P-V图，也会有能量的转换关系的描述，当然不同的能量也可以由数学表达式表示出来。

1.文字表述。科学内容的表达力求严谨，文字力求精确、简洁，例如，平衡态的定义，“孤立系统宏观性质不随时间变化的状态”，定义简洁明了，其中的关键词是“孤立”二字，也说明了平衡态的特性，如没有这二字，也就不能称其为平衡态了。另外，在热学的表述中，很多地方用到了否定的语言，体现最为明显的是热力学第二定律，涉及到的定律的两种表述，开尔文表述和克劳修斯表述都是用“不可能”这样否定的词开头叙述内容，之后两种表述的等效性的证明也同样采用了反证法，而不是直接证明。还可以用反证的方法证明两条绝热线不能相交、绝热线和等温线不能相交于两点等类似的题目。

2.数学表述。对于热力学中的概念，文字的描述要多一些，内容也很好理解，学生一般接受也较容易，但对于统计物理中的概念，文字就变得比较抽象，不好理解，所以在微观方面，相比文字，数学更直观、更容易理解记忆。相比于物理专业中的其他课程，热学中涉及到的式子并不是很多，学生也可以根据内容体系，用数学表述的形式把学习到的知识串接在一起，进行系统、有对比、有条理的学习。

3.图像表述。在热学中也运用到了非常多的物理图像表述，相比于前两种表述，图像表述更形象、直观、容易理解。例如，在讲解气体分子按速率分布时，速率分布函数的概念较抽象，物理意义不好理解，但通过利用速率分布曲线图，从图中曲线的形状、曲线下包围的面积、曲线的峰值对应的速率等方面可以充分理解分子按速率分布的物理意义，使抽象的问题变得形象生动。所以，可以通过作图，把物理概念、数学计算变得简单化，直观化。

三、热学教学的方法

在热学课程教学中，怎样才能把学生认为枯燥的、难懂难记的知识内容变为有趣的、易于理解的内容呢？这就需要我们充分了解这门课程，注意每一个细节内容，把零散的看似不关联的内容整合起来，达到融会贯通、心中有数，这样讲给学生时才能有的放矢、游刃有余，学生学习的目标也会变得明确、理解透彻。在课程的讲解中，可采取以下几种教学方法。

1.归纳总结的方法。教师在讲完每一部分后要对内容做一个总结，把重点内容用一条主线串连起来，便于学生的理解和掌握。例如，在热力学第一定律这一部分，可以用几个字把这一部分的主要内容概括出来：一个定律、两个循环、三个物理量、四个过程，即热力学第一定律，热机循环和制冷循环，内能、功、热量三个物理量，等体、等压、等温、绝热四个过程。这样的总结使学生既了解了所学知识的重点，也更容易地掌握了所学的知识点。另外，在习题的讲解中，也应善于总结和归纳，学生在中学时习惯了大量的题目练习，即所谓的题海战术，通过熟练的做题来达到掌握知识的目的。在大学的学习过程中，教师应引导学生如何去学习，怎么去做总结，怎样用最短的时间掌握最多的知识。首先，课堂上教师针对所讲知识点应选取一两个例题进行讲解，对用到的知识及所用的解题方法进行归纳总结，学生学习之后对这类题目的解题思路、技巧、用到的知识点等非常熟悉，而且能够做到举一反三，提高了学习的效率及解题的准确性。

2.类比的方法。类比法是指一类事物具有某种属性，可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理的方法。通过类比，可以用熟知的知识引出未知的知识，节约学习时间，也使认知变得简单易懂。例如，在讨论热力学过程及其涉及到的内能、热量、功的转化时，可以在P-V图中进行描述，之后，在热力学第二定律中引出熵的概念后，可以通过T-S图表述理想气体的性质，特点。通过类比，会发现P-V图和T-S图有很多相似的地方，例如，我们用P-V图示法表示系统在准静态过程中做的功，即示功图，而用T-S图示法表示系统在准静态过程中吸收的热量，即示热图；在这两类图中，每一个点代表一个平衡态，每一条曲线代表一个可逆过程；闭合曲线所包围的面积等于系统经历一个可逆循环过程后从外界净吸收的热量，也等于系统对外做的功。通过这样的对比学习，会发现原来枯燥的内容也很有趣，在学习中发现物理中的相似的美。再如，在学习气体的输运过程时，粘滞、热传导、扩散三类输运现象也可以进行类比学习，它们分别对应当气体各处的流速、温度、密度不均匀时发生的过程，得出的宏观规律的表达式及微观解释都很相似。通过这样类比的学习，很容易掌握了新的内容，也对所学的内容有了更深刻的理解。

3.讨论学习的方法。目前，在教学中提倡贯彻“学生为主体，教师为主导”的教学原则[2]，教师给学生提供机会使学生积极地参与到教学活动中，调动学生学习的主动性、积极性。我们可以结合重要的知识点，课堂上让学生到讲台上参与问题的讨论及讲解，也可以以作业的形式布置下去所要讨论的问题，学生下去查资料、写小论文等，之后在课堂上以学生为主体进行讨论。例如，在讲解熵的概念时，不妨先让学生自己先查一些关于熵的内容，比如熵这个物理名词的提出、熵的概念的建立、熵增加原理、熵的应用等。学生通过调研，对熵这个抽象概念就有了一个初步认识，在课堂上讨论时，学生也把他们自己查到的资料讲解出来，既可以增加信息量，又可以使学生更深刻准确地认识熵。所以，通过这样的讨论学习，可以使每一位学生都在思考，互相启发，找出正确解决问题的方法，在这样的教学中，学生不但学习、积累了知识，而且锻炼了学生提出问题、解决问题的能力，对其综合能力的培养也起到了很好的作用。所以，教师在课堂上不能一味的自己在讲解，要加强与学生的交流，结合内容提出问题，引导学生参与到课堂教学中，培养学生的主体意识，激发学生主观能动性，使学生更好地掌握所学内容。

虽然热学课程只是一门专业基础课，学时也比较少，但是它是学生进入物理专业后最先学习到的一门课程，学习好这门课程会为后续专业课程的学习打下良好的基础。在教学中，充分掌握课程特点，采用合适的教学方法，使学生喜欢上这门课程，发现学习中的乐趣，进而学习好这门课程，增强探索求知和解决问题的能力。

参考文献：

[1]李椿，章立源，钱尚武.热学[M].第二版.北京：高等教育出版社，2008.

[2]黄秀雯，梁永丰.教师身份的确认：作为教育主体[J].教育教学论坛，2013，（22）：20-23.

基金项目：内蒙古科技大学2012年度教学（教改）研究项目（JY2012051）。

作者简介：慕利娟（1978-），女，内蒙古科技大学数理与生物工程学院副教授，硕士，主要从事高校物理教学研究。endprint