《热力学与统计物理》课程建设和教学改革初探

曹海静++蒋秀丽++蒋峰

摘 要：汲取《热力学与统计物理》课程的教学经验，根据目前的教学现状和教学效果，对该课程的教学内容和教学方法进行了尝试性的课程建设和教学改革，期待取得较理想的教学效果。面对教学现状，该团队进行了《热力学与统计物理》这门课程的课程建设，力求做到对教材最大程度的整合，做到知识点重复率降低，同时扩大知识面，将物理前沿的知识带到课堂；在教学方法上进行改进，提高学生的听课效率，调动学生的学习主动性和积极性，从而为后续课程的学习以及今后的科研工作打下坚实的基础。

关键词：热力学与统计物理 课程建设 教学 改革

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0191-01

《热力学与统计物理》属于理论物理课程，是高等院校物理学专业本科学生必修的一门基础理论课，它对于后续课程，如《量子力学》，《固体物理》等课程的学习具有非常重要的作用。该课程的特点是：（1）授课时间上位于《热学》这门课程之后，所以知识上存在重复性，需要授课教师对热学这一部分的知识进行重新构建；（2）该课程统计物理部分包含大量的公式和推导，尤其是数学上的东西用的很多，学生数学基础不好就会出现掌握困难的的现象。另一方面，授课教师也容易忽略一些科学思维训练和科学思维方法的培养。在教学方法上，热学部分用到的多是偏微分，统计物理上大多是大段的推导。所以老师采取的教学方法多是老师在推导公式，而学生越听越没兴趣，昏昏欲睡。面对这样的教学现状，该团队进行了《热力学与统计物理》这门课程的课程建设，力求做到对教材最大程度的整合，做到知识点重复率降低，同时扩大知识面，尤其是将物理前沿的知识带到课堂；在教学方法上进行改进，提高学生的听课效率，调动学生的学习主动性和积极性，从而为后续课程的学习以及今后的科研工作打下坚实的基础。

1 教材的整合

1.1 知识结构的整合

根据该学院应用物理学专业的课程设置，《热力学与统计物理》设置在《热学》课程之后，所以会出现知识的重复。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。同时要注意对于一些重要的知识点，对于学生的遗忘率偏高的现象，要重点突出的再讲，才能起到强调的作用。《量子力学》和《固体物理》等课程设置在本课程之后，所以要对他们用到的知识点，如德拜理论，要重点讲授，起到承上启下的作用。通过知识结构的整合，可以提高教学效率，优化课程结构，缓解授课学时和教学内容的矛盾，从而明确了课程的主线。

1.2 知识点的整合

由于《热力学与统计物理》统计物理部分中有很多理论的堆积和繁杂的推导过程等内容，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。

1.3 物理前沿进课堂

在讲授课本知识的同时，增加物理前沿课题进课堂的尝试。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；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等。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，有利于学生科学思维的培养。

1.4 与应用物理学专业相结合

在讲授理论知识课的同时，注重联系本专业的知识，增强学生学习的目的性。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，学生渐渐失去了学习的兴趣，这不利于应用性人才的培养。可以尝试开一个专题讨论课，让学生自己调研，尝试将在《热力学与统计物理》课程中学习到的知识如何应用到本专业中去，从而培育学生的创新知识，加强其科研能力的培养。通过与相关专业的结合，让学生更爱自己的专业，从而为将来的工作和学习打下坚实基础。

2 教学方法改革

2.1 加强对比

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，可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。

2.2 增加讨论

教学中适当地引入讨论式的教学方法，改变以往课堂教学的传统模式，不是老师一味的枯燥在讲，而是让学生加入，提出他们的观点，从而加深知识的印象，甚至可以让学生来讲课，会得到事半功倍的效果，从而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。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。

在《热力学与统计物理》教学中还可以进行其他方面的改革和实践。譬如，上课形式可以采取板书加多媒体的形式，学生当小老师的形式等等。在考核方面，采用闭卷考试、开卷、论文等多种考核方式。为适应教学的需要，针对教学内容可以制作比较完整的习题解答和复习资料。

总之，针对《热力与学统计物理》教学中存在的问题，提出教学内容和教学方法等方面的改革和尝试是十分必要的。期待该学院应用物理学专业的学生在今后的学习过程中，能够取得一定的成果，提高学习效率。

参考文献

[1] 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程：热学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2] 林宗涵.热力学与统计物理学[M].北京：北京大学出版社，2007.

[3] 汪志诚.热力学统计物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 王竹溪.热力学（第二版）[M].北京：北京大学出版社，2005.endprint