以学生为主体的热学课程教学改革尝试与思考

李晓东 程仁志 于景新

摘要：热学课程是本科物理学专业的一门重要基础课程，学好这门课程对学生学习其他物理相关课程有重要的作用。然而，热学课程的内容较多.且较为抽象，很难引起学生的学习兴趣与探索热情。为了提高学生学习的主动性，本研究积极进行了热学课程教学改革的尝试和思考。实践证明，丰富教学形式、构建课程知识体系、理论联系实际、开展专题讲座与专题讨论等方式有助于提升课程的教学效果，可以为学生创造有意义的学习经历。

关键词：教学;热学课程;物理

热学课程是本科物理学专业的一门重要基础课程，对学生知识体系的构建有十分重要的作用。学生学好这门课程能为后续学习热力学与统计物理、固体物理、原子物理等课程打下良好的基础。然而，热学课程的知识内容较为陈旧，多为一个世纪以前已经建立起来的经典理论，并且学生在中学阶段已或多或少地学习过这部分内容，因此很多学生对这部分内容提不起太大的兴趣。同时，传统的“教师讲，学生听，学生课后复习和做题”的教学方式已经不能满足新时代学生的学习需求。因此，为了提高热学课程的教学质量，培养学生的学习兴趣，我们尝试在教学过程中采用实例分析、讲座、专题讨论等形式丰富教学过程，建立以教师为主导、以学生为主体的教学模式，从而增加学生学习过程中的获得感。

一、采用多种方法。丰富教学形式

热学课程的教学内容较多，既有微观上的分子动理论的平衡态理论和非平衡态理论，又有宏观上的热力学第一、第二定律，还有物态和相变等内容。如果教师只是一味地照书本讲解，没有任何计划性，很容易使学生感到热学课程枯燥难懂。因此，我们在教学过程中应根据各部分内容的不同特点采用不同的教学方法。首先，分子动理论的平衡态理论，热力学的第一、第二定律是需要学生重点掌握的部分，我们就重点讲解基本概念、理论和规律，并加强训练学生建立物理模型和分析热力学过程的能力，同时注意适当降低计算的难度。其次，对于分子动理论的非平衡态理论，其数学推导过程较为烦琐，我们就简要讲解其中的重点概念，帮助学生理清知识脉络，然后让学生通过自学了解气体输运过程的基本物理思想。同时，我们会给出实例供学生参考，并让学生采用分组研究的方式解决实际问题。最后，对于物态和相变的内容，我们采用专题讲座的形式，让学生知晓自己所学内容与科学前沿的紧密联系，从而激发学生学习的热情。

二、强调知识结构。构建课程知识体系

在热学课程中，概念性的内容比较多。通过调查，我们发现学生在学习时习惯于逐个概念、逐个定理定律的单独知识点的学习.这样的结果就是学生在学习过程中对某个概念理解较清晰，但是课程结束后不能形成完整的知识体系。课程结束后，学生总结自己通过这门课程学到了什么时，往往是简单地罗列出部分概念的定义或定理、定律的一些内容，很难有条理地系统讲出课程的知识结构脉络。究其原因，主要是学生在学习时一味地把精力投入到具体某一知识内容的学习上，没有站在一个更高的角度来领会整个课程的知识体系。

鉴于以上情况.在学生学习的过程中.我们要注重建立学生完整的热学知识体系，以避免“只见树木，不见森林”的零散化记忆。首先，在热学课程第一节绪论课上，我们详细地列出了课程的基本知识体系，让学生对课程有一个初步认识。其次，每一章节的开始和结束，我们都要对本章节的知识结构进行梳理，让学生对章节知识结构有一个总体的认识，能在知识结构中找到每一个知识点相应的位置。最后，在课程结束时，我们会给出本课程的知识结构图，保证学生能根据结构图有条理地把握本课程的知识脉络，并据此讲出相应的具体内容，让学生做到“既见树木，又见森林”。通过这种训练，学生在谈到热学课程时，能够思路清晰地讲解出热学课程的知识体系，而不是简单地罗列几个概念或定律，并且学生在以后的学习过程中能够快速回忆起相关的热学内容。

三、注重知识应用，理论联系实际

热学课程的内容较为琐碎、零散，纯粹的理论知识讲授容易使学生提不起学习兴趣，因此，我们根据各章节中的不同知识的特点，理论联系实际，提出一些生产和生活中有待解决的问题，让学生通过查阅各种文献资料、运用热学知识解决实际问题。比如，在学习分子动理论的非平衡态理论内容时，我们采用实例分析的形式进行教学。在高温环境下工作时，人们需要穿着专用服装以避免灼伤。专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、Ⅱ、Ⅲ层。其中，I层与外界环境接触，Ⅲ层与皮肤之间的空隙记为Ⅳ层。为设计专用服装，研究者需要将体内温度控制在37℃左右的假人放置在实验室的高温环境中，以测量假人皮肤外侧的温度。在已知每层的密度、比热、热传导率和厚度等相关参数和一定的原始实验数据的前提下，让学生根据不同的环境条件要求，采用理论建模的方法来确定人体皮肤外侧的温度变化情况。这道题的解决除要用到热传导的相关知识外，还需要用到数学中的微积分知识。我们将班级学生分成若干小组，以专题作业的形式让每个小组先自主学习热学课本上热传导的内容，再查阅相关文献和各种网络数据。我们要求小组内部讨论并给出解决方案，最后再进行分组汇报。在这个过程中，我们可以直观地看到学生的参与热情有了极大的提高。此外，学生在解决问题的过程中既学习了新知识，又锻炼了查阅资料和分析解决问题的能力，还增强了团队协作意识。我们在教学过程中积极搜寻有价值的实际问题，通过理论联系实际，将学生从枯燥的理论学习中解放出来，使得课堂教学变得生动活泼。

四、开展专题讲座与专题讨论。开阔学生视野

热学课程涉及的内容较多，但一些知识的学习要求是属于了解层面的.针对这部分内容我们采用专题讲座的形式进行教学。比如，热学课程中的物态与相变的内容难度较大但只要求学生了解，同时这部分内容也与凝聚态物理、等离子物理、材料科学等相关研究较为密切。因此，我们采用专题讲座的形式组织教学。我们邀请研究凝聚态物理、等离子物理、材料科学等方向的专家学者走进课堂，为学生介绍物态和相变的相关研究领域，并通过讨论与交流为学生答疑解惑。由于热学课程是在大学一年级开设的，可能一些学生对物理专业的认识还不够，这种形式不仅有助于开阔学生的视野，也增进了学生对物理专业的认识，提高了学生的学习兴趣。

另外，随着科学的发展，热学课程中的一些知識、概念日渐丰富，在不同课程中其内涵也在不断扩充，我们认为有必要让学生更全面地理解这些内容。针对此类内容，我们采用专题讨论的形式进行教学。比如，“熵和熵增加原理”，这部分内容过于抽象，学生只听教师讲解很难完全把握。然而，“熵”的概念在信息科学、生命科学、天体物理等学科领域有更丰富的内涵。于是，我们以专题的形式给学生（学生自己完成分组）布置任务，要求学生通过图书资料查阅、网络及新媒体搜索等方式学习与“熵和熵增加原理”相关的内容，每一组都要形成总结报告。然后，我们组织课堂讨论，每组推荐一个代表作报告，全班学生共同讨论。通过专题讨论，学生加深了对热学课程中熵的理解.有的学生还讨论了信息熵、熵与宇宙学、熵与生命科学等内容。这样的专题讨论让学生变被动学习为主动探索，从查阅相关资料到制作电子课件，再到参与课堂讨论，学生充分发挥了自身的主观能动性与积极性。

通过教学改革尝试，我们丰富了教学形式，增加了实例分析、专题讲座和专题讨论的教学模式，提高了课程的教学质量，得到了学生的认可和好评。我们通过重点讲解课程主干知识，使学生对知识脉络的把握更为清晰：通过实例分析，让学生理论联系实际，变被动学习为主动探索，提高了学生利用所学知识解决实际问题的能力，增加了学生的获得感;通过专题讲座，提高了课程的时效性，也提高了学生对专业和学科的认识，开阔了学生的视野：通过专题讨论，提高了课堂教学的有效性，锻炼了学生探索新知识的能力。当然，这只是我们初步的尝试和思考，仍需进一步完善和提高。我们的初衷是通过不断的教学改革探索，提高教学质量，为学生创造有意义的学习经历。