思维导图在热力学与统计物理教学中应用的实践研究＊

戴玉梅

（沈阳大学师范学院 辽宁 沈阳 110044）

马凤才

（辽宁大学物理学院 辽宁 沈阳 110036）

张 会

（沈阳大学师范学院 辽宁 沈阳 110044）

丁 勇

（辽宁大学物理学院 辽宁 沈阳 110036）

曾 涛 陈 思

（沈阳大学师范学院 辽宁 沈阳 110044）

《热力学与统计物理》是高师物理专业理论物理课程之一.它是固体、液体、气体、等离子体理论、激光理论等诸多物理分支的基础之一，它的概念和方法在原子核、基本粒子理论以及化学、生物学等学科中也产生了极大影响，并日益广泛地渗透到了环境、经济、人文等社会科学领域之中.它的概念多而抽象，方法多而生疏，涉及的知识面广而繁杂，是物理专业难度最大的课程之一［1］.随着我国人才培养模式的不断发展［2］，为了提高《热力学与统计物理》课程的教学效果，我们对该课程的教学方法进行改进.将思维导图［3］引入到《热力学与统计物理》课程的教学过程中，取得比较满意的结果.

思维导图是基于对人脑功能的科学研究与人类行为模式的实证探究所获得的科学思维模式，是表达发散性思维的有效图形思维工具，目前在不同领域得到广泛应用［4～10］.思维导图的认知功能与人类大脑的认知功能相类似，有助于信息的储存和提取，进而有益于教学和学习效率的提升.思维导图的应用可以提高学习者对教学内容的理解力和学习效率；提高学习者的学习兴趣，使抽象知识概念变得可视化，方便了对所学知识的加工，能够帮助提高学习者的理解力和记忆力；也有助于激发学生参与教学活动，有利于学习者之间实现对所学知识的共同建构.思维导图不仅作为一种认知工具可以帮助学生提高学习效率，同时作为一种学习策略也可以提高教学效率［11］.

1 基于思维导图的课堂教学案例

1.1 思维导图呈现教学思路

在热力学与统计物理的教学过程中要最大限度的使用包括多媒体在内的多种教学方法，在课堂教学中要紧抓住师生互动与独立思考这个主题，使用讲授、提问、分析讨论、边讲边练、书写课程论文、前沿问题讲座等多种方法相结合的教学方式教学，为学生自主学习和复习提供必要的条件.思维导图能够很好地保证本课程的讲授与学习.

以汪志诚所编著的《热力学与统计物理》（第五版）第二章3节“气体节流和绝热膨胀过程”为例，热力学中往往用偏导数描述一个物理效应，本节课在已经学习了麦克斯韦关系后继续进行深入学习［12］.本节课讨论气体的节流过程和绝热膨胀过程，这两种过程都是获得低温的常用方法.因此，在本节课的教学过程中，选取并使用思维导图制作软件NovaMind，首先复习热力学函数的全微分表达式，接着复习麦克斯韦关系的由来，其后复习自变量不同时的有用偏微分结果，分析讨论其应用，最后将麦克斯韦关系应用于研究获得低温的方法中.总体教学思路的思维导图如图1所示.

图1 基于思维导图的“气体节流和绝热膨胀过程”教学思路框架图

本节课教学核心内容是应用麦克斯韦关系计算气体的节流过程和绝热膨胀过程热力学量偏微分关系.使用思维导图可以直观地向学生展示上述教学核心内容，教学中不易发生知识系统混乱，在方便同学理解的同时可以最大限度保证学习质量，提高学习效率，规范学习方法.

1.2 各级主题分级分层确定

为保证该节课的顺利进行，使用思维导图对本节课内容进行简单分类，在保证核心问题前提和基础下，对具体授课内容进行分级分层.

首先，利用思维导图对其状态函数全微分进行介绍，得到麦克斯韦关系式.帮助学生记忆几种变量的状态函数及其偏微分关系，如图2.因为，麦克斯韦关系式是本节重点要应用的公式，建议同时也将4个关系式书写在黑板上.

图2 思维导图展示状态函数全微分及麦克斯韦关系式

复习完麦克斯韦关系后，具体分析不同独立变量时推导出的一些重要偏微分结果，如图3所示.

图3 麦克斯韦关系式应用举例

利用思维导图帮助学生复习麦克斯韦关系及其简单应用以后，接下来开始新课学习，通过思维导图直接呈现新课内容所处位置，如图1所示.利用布朗运动内容进行引课，随后开始学习获得低温方法的物理过程，应用麦克斯韦关系导出节流过程和绝热膨胀过程的几个偏导数，重点介绍焦汤效应、焦汤系数、等焓线等内容，完成本节课主要授课内容，新课知识一级、二级思维导图截图如图4和图5所示.

图4 新课知识一级框架导图

图5 新课知识二级框架导图

2 基于思维导图课堂教学的评价

2.1 有利于师生知识结构的构建和教学内容全景的体现

思维导图符合人的思维方式，利用思维导图进行备课和授课，能够最大限度地降低“教学内容有所遗漏”这种情况的发生概率，课程结束后，使用思维导图可构建一副完整的知识体系图，有限地避免了可能出现的教学信息遗漏，真正地做到教学内容的全景体现.而且教师利用制作好的思维导图教学提纲向学生讲解相关的知识，有利于引导学生边记忆、边思考、边理解、边记笔记.总之，思维导图教学，可将单调繁复的软件操作变得有章可寻，使学生对本节课的知识点有个详尽的了解，可将平面的知识生动完整地展现在学生面前，从而使教学设计更趋于科学合理.

2.2 有利于学生巩固知识与查缺补漏

根据艾宾浩斯的理论，人们在完好地记忆信息后，仅仅经过20min的间隔，便会遗忘40%左右的信息.48h后，会有70%以上的信息被遗忘.因此，复习是增强记忆和帮助理解知识的有效手段之一.利用思维导图进行复习，学生对学过的知识体系能够做到完整、系统、准确、层次分明，从而最大效果地提升学生学习效率.

2.3 有利于学生全脑的开发

将思维导图同物理学习二者有机结合，我们在应用思维导图时感到：思维导图就是抓住事物的关键，引导学生与教师一起对教材中的知识提炼出合适的关键词，并对各关键词之间的层级关系和逻辑关系进行深入思考、分析、理解和组织，然后进行总体规划、合理布局，必要的时候还需要将关键词转化成合适的图形，这样将各要点用图像和色彩合理而系统地绘制在一幅思维导图中，树状的自然延伸结构，非常形象直观，且能够协调左、右脑工作，实现全脑并用.

3 基于思维导图课堂教学模式的优势

3.1 激发学生学习动机 提高学习兴趣

实践证明，更为形象、有趣的信息对学生更具吸引力.电子课件版的思维导图丰富的线条和鲜明的色彩也能够吸引学生群体，培养并激发其学习兴趣和学习热情，保留了引进多媒体课件的初衷，很好地保证了课堂的多样化和丰富性.同时能够鼓励和激发学生学习的积极性和主动性，提高学习《热力学与统计物理》兴趣，把被动学习变为主动学习.

3.2 便于总结与复习

思维导图具有高度组织化与概括化，即具有极高的压缩率，利用思维导图梳理各章节中知识点及主题间的脉络关系，能够让学生对所要了解和掌握的知识有整体感，能够培养学生的总体设计和规划能力，提高学生的归纳总结能力，更能够方便学生进行总结与复习.通过预习、课堂交流、复习这几个环节构建与完善思维导图，使得知识以一种创造性的方式表达出来.学生在对《热力学与统计物理》整门课程进行复习时，翻看每节课的思维导图式总结，可以很容易找到自己没掌握的知识点，并进行有目的的复习，可以大大提高复习效率.

3.3 促进人类思维的功能

思维导图以图文并重的形式，把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级关系表现出来，把主题关键词与图像、颜色等建立记忆链接，充分运用左右脑的机能，利用记忆、阅读、思维的规律，协助人们在科学与艺术、逻辑与想象之间平衡发展，从而开启人类大脑的无限潜能.因此，思维导图具有促进人类思维的强大功能.它不仅是一种非常有效的教与学工具，而且是一种理念和思维方式.

3.4 教学方法的最优组合

《热力学与统计物理》课的教学内容决定它不可能向普通物理课那样生动直观，大量抽象的理论容易使人感到枯燥无味.因此不适合使用传统的“一讲到底”的教学方法.将传统教学方法配合多媒体课件及思维导图，既能够减少传统板书的书写时间，增加课程的趣味性，同时又能提供给学生正确的思维方式和复习总结方法，真正做到一举多得.

4 结束语

本文将思维导图与《热力学与统计物理》课程学习二者有机结合，不仅有助于教师整体把握教材内容，从而更好地组织和呈现教学内容，提高教学质量，更有利于学生更好的认识，学习和掌握《热力学与统计物理》课程的相关知识和技能.培养学生的创新能力，提高学生的学习效果.与传统的课堂讲授法相比，这种方法可以加深学生对热力学与统计物理概念的理解，便于教师跟踪学生的学习思维过程，发现传统教学不易发现的思维漏洞和理解上的偏差.教学实践证明，此教学模式不但可以促进教师的教，也可以促进学生的学.当然，一种新模式的推广和应用要经过不断的实践和完善，接下来我们还需不断扩大研究范围，对不同专业、不同课程进行更加广泛和持久的实践，不断总结经验.

1 廖碧涛，陈月花，祝恒江.高等师范院校热力学与统计物理教学中的科学方法教育.新疆师范大学学报（自然科学版），2006，25（3）：377～380

2 袁兴国.基于人才强国战略的高校人才培养模式改革探析.黑龙江高等研究，2011，212（12）：79～82

3 （英）东尼·博赞著.思维导图宝典.卜煜婷，陆时文译.北京：化学工业出版社，2014.1～2

4 Ertug Evrekli，Didem inel，Ali Günay Balrm，Development of a scoring system to assess mind maps.Procedia Social and Behavioral Sciences，2010（2）：2330～2334

5 刘晓宁.我国思维导图研究综述.四川教育学院学报，2009，25（5）：109～116

6 杨凌.概念图、思维导图的结合对教与学的辅助性研究.电化教育研究，2006（6）：59～61

7 钱奇兰.思维导图在物理教学中的应用.物理通报，2013（2）：2～4

8 杨丽娜，邹霞，周浩.思维导图对个性化教学的启示及其应用价值.现代教育技术，2009，19（3）：119～122

9 张武威，黄宇星.思维导图应用于物理解题的探究.电化教育研究，2009（9）：97～101

10 何露.利用思维导图提高化学教学的有效性.教学导刊，2009（12）：47～49

11 于承敏.基于思维导图的课程教学模式研究.计算机时代，2014（1）：66～71

12 汪志诚.热力学·统计物理（第五版）.北京：高等教育出版社，2013.56～59