专题化教学模式在“热力学与统计物理”课程中的探索与实践

姜舟婷 焦志伟 徐鹏

摘 要 专题化教学指把教学内容分解成适当的物理专题，以专题的形式来组织教学内容，从而拓展学生知识面的教学模式。本文介绍了在《热力学与统计物理》课程中实施专题化教学，引导学生通过分组讨论的形式，让学生通过不同专题的学习掌握相关的教学知识，从而增强教学效果。

关键词 专题化 热力学与统计物理 教学实践

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.09.051

Exploration and Practice of Thematic Teaching Mode in the

"Thermodynamics and Statistical Physics" Course

JIANG Zhouting， JIAO Zhiwei， XU Peng

（Physics Department， College of Science， China Jiliang University， Hangzhou， Zhejiang 310018）

Abstract Thematic teaching refers to the teaching content broken down into appropriate physical topics， in the form of themes to organize the teaching content to expand student knowledge of the teaching mode. This article describes the implementation of thematic teaching in the "Thermodynamics and Statistical Physics" course guide students through the form of group discussions， so that students learn to master the different topics related to teaching knowledge， thereby enhancing the effectiveness of teaching.

Key words thematic; Thermodynamics and Statistical Physics; teaching practice

1 “热力学与统计物理”课程的特点

“热力学与统计物理”课程是物理学或者应用物理学专业的主干必修课程。它主要研究大量粒子组成的热力学系统的运动规律及热运动对物质宏观性质影响。该门课程的研究方法和研究结果已广泛地应用在化学、生物、气象、生态等其他各门基础学科之中。①

“热力学与统计物理”作为理论物理中四大经典力学课程之一，和其它理论物理课相似，具有严密的逻辑推理和完备的物理思想。本课程主要是让学生在完成普通物理学、热学、原子物理学学习的基础上，运用高等数学对物质热运动规律有较系统和深入的认识。通过对本课程的学习，牢固掌握热力学与统计物理学的基本原理、基本理论框架和知识要点，以及运用热力学和统计物理基本思想和知识解决实际问题的技能和方法。

在我们的前期调研中发现，实际教学过程中大多数教师感到困难，特别是统计物理学部分，老师讲得抽象，学生听得含糊。本课程为物理专业的学生接触到的第一门理论物理课程，与普通物理课程相比，学生第一次学习采用一套全新的理论研究方法——统计方法来研究科学问题，这需要学生具有概率论的数学储备知识的同时，还要求学生对统计物理的基本概念和图像有明确的认知。而这种物理思维的锻炼在以往的普通物理课程中并没有直接尝试过，让学生一下子很难适应，明显感到学习阻力。此外，由于热力学统计物理课程中还需要通过复杂的数学推导给出物理规律和结论，这占用了大部分的课堂时间，但是实际教学效果往往欠佳。比如通过统计理论给出理想气体的物态方程时，结论很简单，但是推导过程却比较复杂，学生上课很容易走神。这种注入式教学，教师讲学生听，缺少师生间的互动，让学生觉得这门课程热力学部分只是大堆的偏导数，统计物理部分就是各种分布，要理解透彻很难。

目前，随着高校招生规模大幅增加，生源质量有所下滑，入校学生学习能力参差不齐，很多学生在中学阶段对物理就缺乏兴趣且基础薄弱，长此以往导致厌学，甚至恐惧。目前众多院校在大力开展专业课程建设的同时，大幅缩减专业基础课的课时，“热力学与统计物理学”课程也不例外，从最初的68个课时减少到目前48个课时，若仍遵循原有的教学模式，把大量的教学内容讲透是很难达到的。因此，引导学生开展专题化实践性学习是非常必要的，它一方面能在有限教学时间内帮助学生加深专业知识的理解;另一方面对培养学生团队协作精神、有效沟通能力等方面也起到积极的作用。②

2 专题化教学模式的实践

专题化教学是指把教学内容分解成适当的物理专题，以专题的形式来组织教学内容，从而拓展学生知识面的教学模式。选择好特定的物理专题，通过教师讲授——学生分组讨论——教师总结评价的形式，让学生掌握特定的物理知识、研究问题的科学方法以及了解国内外相关技术的最新进展。在“热力学与统计物理”课程中实施专题化的教育模式，不仅使学生由点及面系统地掌握知识，而且对知识进行扩展，大大提高他们分析问题和解决问题的能力，并激发创新实践。具体实施过程包括：

2.1 教学内容的调整

“热力学与统计物理”课程由“热力学”和“统计物理学”两部分组成，前者是研究热现象和物质性质的宏观唯象理论，后者是热现象的微观本质理论，两者研究手段不同，但又是相互联系的统一的理论体系。在专题化教学实践过程中，我们可以把“热力学”与普通物理课程“力学与热学”中的热学部分进行整合，③比如温度、热平衡、功、内能、热量、热力学第一定律和第二定律在两门课程中都出现，就无需重复讲解，杜绝繁冗，充实内容，提高教学效率。本课程的教学内容和普通物理课程相比，存在大量抽象的理论和模型，如果采用传统的注入式教学，很容易使学生感到枯燥无味，从而产生厌学情绪。

2.2 教学专题的设计

“热力学与统计物理”课程由“热力学”和“统计物理学”两部分组成，前者是研究热现象和物质性质的宏观唯象理论，后者是热现象的微观本质理论，两者研究手段不同，但又是相互联系的统一的理论体系。“热力学与统计物理”这门课程就其本身而言，具有较强的专题性，例如熵、激光致冷、玻色—爱因斯坦凝聚、固体的热容量、原子激光等都可以作为适当的专题进行教学实践。选择好专题内容后，以此内容为核心，并附加一些与本专题相关的辅导资料，突出专题教学内容重点的同时，也增大了信息量。譬如，选择相平衡理论作为专题教学时，可将液滴的形成过程作为研究性材料，让学生通过对复相平衡理论在液滴形成过程中的应用，对相平衡的概念有更全面、深入地认识，培养学生对知识的综合应用能力。

学生对专题的研究过程，是整理经验材料，提出科学假说，构造理论系统，进行推理证明的过程，比较和分类，归纳和演绎，分析和综合，证明和反驳，以及类比、公理化等逻辑方法的运用，对提高他们的理论应用和创新能力都有非常大的帮助。其次，学生在观察实验的基础上运用理性思维能力，或简化复杂因素，纯化主要因素，用理想化的客体或实验进行研究，或根据已知的科学事实和科学原理，对探究的科学问题提出一种假设或对理论模型进行简化。这些科学研究方法教育在热力学和统计物理中的渗透，与知识教学、能力培养紧密联系在一起。

另外，在我们的日常生活中，特别是厨房的角角落落，用到非常多的热物理学知识。譬如灶具的进化，炊具的外观设计，保温瓶灌开水的小窍门，冰箱的制冷过程，电饭煲的工作原理，热锅上的水珠为什么能像水银珠滚在玻璃上等等。对这些简单的生活现象和科学问题的解释完全可以让学生自己结合课程内容完成。这样，学生的学习积极性和实践能动性充分调动了起来，使他们把已经学过的课程内容在生活实际中得到扩展和深化。也让同学们在掌握基础热力学知识的同时，通过体验科学探究的过程，受到科学态度、科学方法的训练和熏陶。

2.3 实践教学的强化

根据教学内容划分为几个教学模块（均匀物质的热力学性质、相平衡、近独立粒子统计分布、系综理论等），每个模块设立3～4个专题。在设置教学专题时，尽量使每个专题有相对独立的教学内容。教师讲授环节，理论教学需要突出重点，对每个专题的基本概念、基本理论和重要的公式进行重点阐述和必要的推导，让学生能够清晰明了地掌握理论体系的精髓。选择相关的题材新颖、结论开放的内容作为专题拓展部分，采取学生分组讨论的形式，最后要求每个小组在规定的时间内，以合作研究的方式，交一份总结报告或者成果演示。小组的组建可以是自愿的，也可以由老师在学期初就把教学班级分解成若干个小组，每组4～5名学生，并由一名同学担任组长，组织学生进行讨论。教师对这些报告和成果进行评价，给整个小组一个总分。小组长可以根据成员的表现，在讨论和撰写报告中的所起的作用和贡献大小，对这个分值进行二次分配。通过这些教学实践，一方面帮助同学们深化理解教学专题的内容，另一方面，拓展学生专业知识视野，激发学习热情。同时，通过团队讨论，也有助于培养学生团结、互助、友爱的道德品质，成为善于合作，心理健康，团结友善的班组一份子。

2.4 学习评价的改革

课程评价对课程的实施起着重要的导向作用。④在以往的教学过程中，对学生的评价大多采用“平时成绩+期末考试”，平时成绩占总成绩的30%，期末考试占总评成绩的70%。这种评价方法缺少实践应用环节，学生会更多地采用临考突击，死记硬背考点来获取高分。这对平时注重知识的理解和积累，但由于临场发挥不佳的学生是有失公平，长期以往，伤害了学生的学习积极性，达不到良好的教学效果。⑤本次专题化教改实践中，老师加大平时成绩的比重，根据学生对专题内容的理解和完成情况，以及创造性解决实际问题的能力，对团队整体给予总体评价，小组长还可以根据组员在讨论中表现的积极性、活跃度、配合度等方面的表现，对总成绩的分值进行二次分配。期末考试则主要考查学生对热学和统计理论的宏观掌握水平。在考题的设计上，更注重学生解决问题的方案和思路，考察其对具体现象的分析能力和解决实际问题的能力。通过评价方式的改革，不但能有效检验学生对“热力学与统计物理”课程的掌握程度，还能有效激发学生积极主动地学习，提高其实践创新能力和团队协作精神。

3 专题化教学模式的成效

实践表明，通过专题化教学实践，本课程的学习内容进行了拓展和延伸，学生能更好地理解和掌握教学内容，同时，为了提高课堂效率，学生必须养成课前预习、课后复习的良好习惯，为了提升自己在团队中的作用，乐于讨论和探究问题的学生增多了，探究问题的方式也呈现多样化，学习的积极性明显提高。在专题化教学模式的实践过程中，教师与学生之间，学生与学生之间的频繁沟通，促进教学相长，对提高教学质量，实现培养目标起到积极的促进作用。

“热力学与统计物理”课程已在应用物理专业2013级学生进行专题化实践。从学生网上生评教的情况看，实施了专题教学实践的班级，平均打分是97.07 分，比按常规教学模式讲授这门课程的班级打分要高2 分。并且2013级应用物理专业的学生普遍反映“热力学与统计物理”授课形式新颖，对自己的帮助很大。比如，有同学评论到“对熵增原理这个专题的探索过程，刚开始一头雾水，不知道从哪下手，但通过与同学老师的交流，通过在图书馆及网上找到的资料的学习，当我们一起写完综述报告，我不仅拓宽了自己的知识面，而且逐渐学会了自学和探究的方法，这种能力对我来说是一种财富”。

今后，“热力学与统计物理”课程准备进一步在如下几个方面加强实践和探索。一是继续凝练专题的内容，根据学生的能力水平选择相符合的专题，并跟踪最新的相关成果，开拓教师和学生的视野。二是继续规范实践教学，加强对学生实践过程的指导，对学生完成的研究报告进行客观的评价，及时做好教学反馈。三是继续完善考核体系，使其能更加客观、全面、真实地反映学生的知识和能力;四是继续提高教学组织和管理，为专题化教学实践和深入的教学改革创造更好的条件。

注释

① 汪志诚.热力学·统计物理[M].北京：高等教育出版社，2013.

② 伊厚会，姚延立.“热力学与统计物理”课程教学改革和实践[J].教育教学论坛，2013.8：105.

③ 谢国秋，刘仁臣，程和平.热学和热力学与统计物理课程整合探索与实践[J].高等理科教育，2010（3），91：29.

④ 陈玉琨.教育评价学[M].北京：人民教育出版社，1999.

⑤ 秦丽溶，赵建伟，张正严.物理免费师范生热力学与统计物理课程教学改革探索[J].西南师范大学学报（自然科学版），2013（11），38：167.