热力学统计物理课程混合式教学研究

杨志红 王海云

摘 要：热力学与统计物理是高等学校物理本科专业学生必修的一门专业基础课，根据课程教学中发现的问题，作者通过不断的探索与实践，对课程进行了教学改革，基于SPOC、雨课堂平台构建了一种热力学统计物理的混合式教学模式。与之相应，调整了教学内容，改变了教学方法，建立了相应的考核机制，深化了课程思政，从而更好地实现了课程目标。

关键词：热力学统计物理；混合式教学；课程思政

一、概述

热力学统计物理是高等院校物理学专业本科学生必修的一门基础理论课，该课程是对普通物理学中热学课程的进一步深化，从理论体系上加以系统化。课程包含热力学和统计物理两部分，热力学是热运动的宏观理论，统计物理学是热运动的微观理论，它们采用完全不同的研究方法分别讨论了热现象。该课程属于理论物理课程，对于后续理论课程，如固体物理学、量子统计等课程的学习具有较重要的影响。并且课程理论性强，公式多，物理概念抽象，理论推导与高等数学课程结合紧密，是物理学专业学生认为比较难的一门课程。多年来，授课教师总是努力地想办法，如何将授课内容讲解清楚，仿佛教师不讲或讲得不到位，学生就不能学会。这种充分发挥教师的主导作用，以老师为教学主体的传统教学方式，就教学效果而言并不理想，即使老师备课很充分，上课很精彩，但面对的学生层次参差不齐，真正的授课对象一般总是班级的部分学生。这是因为基础好的学生感觉授课内容深度不够，收获较少，而基础差的学生，又跟不上老师的进度，因此学生缺课或课堂上不集中注意力听课等现象仍频频出现，这就是以教为主教学模式的缺陷，不能因材施教，学生在学习上一直处于被动地位。最终，学生为了通过课程，在考试前背公式、押题、背答案，以期侥幸过关，完全背离了课程所需要达到的教学目标，这种情况必须改变。

近年来，授课教师针对热力学统计物理课程教学中发现的问题，就教学内容、教学方法、考核方式进行了一些改革，一定程度上调动了学生的学习积极性，也取得了一些成效，但与新时代对人才的需求相差较远。正如F.Reif在《伯克利物理学教程》（SI版）“统计物理学”卷中给学生提出的忠告：“学习是一个积极主动的过程，单纯阅读或死记硬背得不到什么真正效果。对待书中的内容要像你自己去力图发现它那样，教科书只是一种指导，你应当超过它。科学的任务在于学会思考的方法，这些方法对描述和预言所观测世界特性来说是有效的。学会新的思考方法的唯一办法是具体思考。应努力去追求深入的知识，努力在前人还未发掘的地方去寻找新的关系和简单性。尤其不能死记公式，要学会推理的方式、方法。”［1］。学会思考的唯一办法是具体思考，发展能力的唯一办法是自己锻炼能力。要启发学生学习的主动性积极性，改变被动状态，作为教师，在教育思想上首先应该实现这个转变。应建立“强调学生主体地位、突出学生能力培养、加强物理思想方法渗透、体现时代感与前沿性”的教学理念，使学生通过本课程的学习，能够提高物理素养，培养独立思考、分析和处理物理问题的能力，提高自学和吸收新知识的能力，拥有科学精神、批判性思维和创新意识。

近年来，随着教育改革的不断深入以及网络和信息技術的飞速发展，SPOC、MOOC、雨课堂、腾讯课堂等教学平台的兴起已经打破了传统教学模式在时空上的限制，课堂教学和在线教学两种独立的教学模式相结合的混合式教学模式应运而生［2］。混合式教学以线上线下的有机融合、全面系统的资源整合、灵活多变的教学手段见长，突出学生的课堂主体性与主观能动性，是对传统教学形式的创新，丰富的教学形式弥补了传统教学模式的不足，而且着重强调学习的主体是学生，能更好地激发学生的学习热情及主观能动性，提升课程教学的教学效果。本文从自身教学实践出发，对热力学与统计物理课程进行了混合式的教学改革，以期提高课程的教学质量，更好地达成课程的教学目标。

二、混合式教学模式的探索和实践

所谓混合式教学目前一般指的是线上线下混合式，已有很多老师在不同的课程中进行了探索，形成了多种混合教学模式，一般分成三种方式［3］。第一种方式是完全的线上线下翻转式，这种方式需要有充分的线上资源，主要的教学的内容由学生在线上自主学习完成，线下课堂师生主要进行的是更深入的探讨，学生课外需投入较多的时间和独立的思考。第二种方式是部分的线上线下翻转式，也就是部分课程内容要求学生在线上学习完成，部分内容在线下课堂教师教学讲授。第三种方式称作迷你翻转式，基本上是学生线上学习，教师只用少许时间进行线下总结和讨论。热力学统计物理课程是一门理论性较强、对学生而言有一定难度的课程，套用上述任意一种方式都不太合适。“教学有法，教无定法”这句话对混合式教学也是适用的，对照教学的知识点和要实现的课程教学目标，我们分别采用了不同的混合式教学方式。

（一）完全线上线下混合式教学

本校采用的教材是汪志诚编的《热力学·统计物理》［4］，教材第一章是热力学的基本规律，其中大部分内容（如平衡态、热力学第零定律、温度、物态方程、功、热量、热力学第一定律、内能与焓、理想气体、热力学第二定律、熵与熵增加原理、卡诺定理等）与普通物理《热学》课程重复，如果花费较多课时去讲解，会使部分学生产生厌烦的心理，不利于学生的学习，但这部分知识是基本概念和基本规律，又是后续内容的基础，学生必须熟练掌握，而许多学生已经遗忘。针对这一矛盾，在教学中我们采取完全线上线下混合式教学方法，学生利用线上资源完成主要内容的学习，师生在线下课堂上进行高质量的深入讨论。利用我们在中国大学MOOC平台建立的热力学统计物理SPOC课程资源，教师布置学习任务，要求学生在课前先进行线上自主学习，观看SPOC课程视频，并进行自测，然后在线下课堂进行讨论交流，教师可以通过随机提问、课堂习题测验、抽选学生上台总结等方式了解学生线上学习情况，考核学生对课程内容的掌握程度，此外还可以选择理论知识与实践相结合的案例，引导学生思考，检验学生学习效果。学生自讲自学，让学生成为课堂的主体，深度参与教学过程，既检查了学生的学习效果，也培养锻炼了学生的表达能力，提高了学生的综合素质。

（二）部分线上线下混合式教学

热力学统计物理作为一门理论课，与高等数学知识密切相关，有大量的理论推导，热力学部分与偏微分密不可分，统计物理部分涉及三个部分，用到较多的微积分。在教学上，普遍采用的教学方法是老师仔细推证，学生被动地听，结果是学生好像听懂了，但课后却抓不住重点，遇到问题不会应用。如何提高教学效果？我们发现课程内容存在多个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。例如，内能、焓、自由能、吉布斯函数四个与能量相关的物理量及对应的热力学四个基本微分方程、四个判据和条件；麦氏关系；玻尔兹曼统计、玻色统计、费米统计等内容［5］。在教学中，我们主要通过对比、类比教学方法，让学生掌握课程内容的主线，培养学生的科学思想和方法，理解物理概念和规律。教学时为了引导学生如何自己分析推证，教师先在线下课堂讲授部分内容，推导相关规律，如：根据热力学基本方程dU=TdS-pdV，得到偏微分关系式，进而得到麦克斯韦关系式。然后利用焓的定义H=U+pV，得到dH=TdS+Vdp基本方程式，及其對应的偏微分关系式和麦克斯韦关系式。引导学生对比分析物理概念和研究方法，让学生自己课后观看线上资源，理解自由能和吉布斯函数对应的规律，线下课堂再抽查学生到黑板上推证，检查学生是否认真学习，了解学生掌握程度。通过对比教学，线上线下结合，引导学生积极参与，逼迫学生独立思考，既加深了学生对基本概念、基本研究方法的理解，又起到举一反三的教学效果，培养了学生的自学能力。

（三）迷你线上线下混合式教学

热力学统计物理作为物理专业学生的必修专业基础课，传授的主要是基本的物理概念和规律，而物理学每次重大突破或重要发现，都会改变人们的思想观念，对科学和技术产生重大影响，也会带动一大批高新技术产业的发展。在热力学统计物理的教学过程中，在讲授课本知识的同时，适当增加前沿内容，将相关内容的科研成果介绍给学生，对拓宽学生的知识面、提高研究能力有着重要的作用。但因课程性质和学时有限，课堂教学又不可能详细地讲述，这时可以采用迷你线上线下混合式教学。我们在线上提供讲座、视频、文献等课程资源，指导学生拓展学习所给资料，引导学生独立地获得知识，而线下课堂老师只用少许时间进行总结和讨论。例如，学习卡诺循环时，介绍有限时间热力学理论；学习了熵增加原理，可讨论宇宙的起源及演化问题；在学习相变分类时，介绍超导、超流相变等；讲解教材中获得低温的几种方法时，增加介绍书本中没有提及的激光致冷技术和3He/4He稀释致冷方法；学习玻色统计时，增加介绍统计物理中玻色爱因斯坦凝聚的新进展。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，激发学生的科研兴趣，培养学生科学思维能力。此外线上还推荐部分英文参考教材，让学生用中文翻译，进行中英文教材比较，提供一些与课程内容相关的科研英文文献，让学生阅读，以期为学生将来从事科学研究打下基础。迷你线上线下混合式教学，其目标是给学生提供自主学习的选择权，有一定的灵活性。

三、课程思政教育的混合式教学模式

教育部就高等学校课程思政建设方面明确指出“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”是教育的根本问题［6］，立德树人、教书育人的成效是检验高校工作的重要依据。热力学统计物理作为物理专业学生的专业基础课，课程目标是学生通过认真系统的课程学习，能够掌握热力学统计物理的基本理论知识和科学思想方法，训练科学思维，激发探索自然的热情，提升创新能力，而把思政教育有机融入教学中，实施课程思政教育也是课程教学目标之一。据此目标，在课程设计时需要合理、适度地挖掘热力学统计物理教学内容中的思政元素，把价值引领、知识传授与能力培养融入教学过程的每一个环节中，有目的、有方法地开展思政教育，才能起到细雨润无声的效果，引起学生的共鸣，实现教书育人。但热力学统计物理课程本身教学内容多、教学任务重、课时紧张，如何有效开展思政教育，需要授课教师合理设计，而混合式教学为思政教育提供了较好的平台，也构建了课程思政的混合式教学模式。

我们建设了与课程内容相配套的思政教学素材库，其中有科学家的故事、杰出校友的事迹、新闻报道和纪录片视频等，这部分思政素材通过线上形式展示，老师按教学计划指导学生阅读，让学生课下自学，课上适当讨论总结，实行的是迷你线上线下混合式思政教育方法。对于有些思政元素，老师在线下课堂授课中传授，但还要求学生课后在线上查阅资料，补充课堂相应内容，这时采用的是部分线上线下混合式思政教育方法。例如，在理解熵的概念和熵增加原理时，引导学生思考熵与能量的关系，说明能量是有“品质”的，熵的增加导致能量的贬值。我们提倡节能，节约的是能量的“品质”，节约的是可以做功的能量，以此知识点教育学生养成节能环保的良好习惯。将熵进一步引申到与时间的关系上，教育学生珍惜美好时光。同时布置学生自己线上查找资料的任务，讨论熵涉及的心理学时间箭头、热力学时间箭头、宇宙学时间箭头，让学生在讨论区自由发表见解和想法，使学生潜移默化地受到思想教育的熏陶。而本课程特有的两种研究方法：热力学方法和统计物理学方法，两者既有明显的区别，又有深刻的联系，但它们在研究热现象中相辅相成。两种研究方法本身就蕴含着辩证唯物主义观点，因为没有绝对分立的事物，要辩证地看待问题，课程蕴含的丰富的科学思想方法、辩证唯物主义世界观，一直贯穿在整个课程教学过程中，这时基本采用的是完全线下课堂的思政教育方法。

在传授物理知识的同时将思政元素有机融入课堂中，在提高学生的物理素养的同时培养学生的科学精神和社会责任感，引导学生建立正确的人生观、价值观和世界观，真正实现全过程和全方位协同育人。课程思政的混合式教学方法实现了占用课堂时间少、课程思政效果好的目的。

四、混合式教学模式下的课程考核评价机制

混合式教学模式是线上线下的混合，开展这种模式的教学，前提是学生在线上或课外学习的有效投入和认真准备，才有线下课堂上的高质量的讨论和提高。这两者是相辅相成的，课外学习有成效，可以保证课堂教学活动的正常进行，而课堂上学生学习参与度高，反过来又提升了学生课外学习的积极性。一个较好的课程考核机制可以解决上述问题，适合的考核机制可以保证混合式教学模式的实施。传统教学的课程考核方法比较简单，基本以期末考试成绩作为课程考核的依据，但一次考试成绩有一定的偶然性，而且以作业、课堂表现给出的平时成绩，因考核依据不够全面和充分，区分度不高，不能科学、全面地反映学生的平时成绩，也不能激励学生参与课程的学习。针对热力学统计物理混合式教学模式，我们对课程考核机制进行了改革，研究制订了相应的课程考核评价方案。

课程考核分成三部分［7］：第一部分是课程期末考试成绩，以期末卷面成绩为依据，卷面成绩100分，按权重45%计入总成绩。第二部分是阶段性测试成绩，占总成绩的15%，阶段性测试是为了促进学生定期进行复习总结而进行的考核，根据教学内容可安排多次阶段性测试。测试利用校内热力学统计物理SPOC平台在线上进行，测试题以选择题为主，判断、填空为辅，测试在指定时间内进行，测试题随机组卷，且选项也随机排序，以期尽量减少学生“互相帮助”的情况。阶段性测试最后折合成100分，按权重15%计入总成绩。因测试成绩在课程总成绩中占有一定权重，每一次的成绩都会影响学生最后的课程成绩和绩点，故绝大多数学生都能认真对待考核，促进了学生进行阶段性复习。第三部分是学生的平时成绩，占课程总成绩的40%，其中线上占40%，线下占60%。平时的线下成绩具体包括：课堂考勤（占25％）、课后作业（占30％）、专题讨论（占30％）、课堂测验（占15％）。课堂考勤总分是6分（40×60%×25%），利用雨课堂记载的学生进入课堂的时间等数据，按出勤1分、缺勤0分、请假或迟到或早退05分确定成绩，具体计算如下：热力学统计物理共48学时，考勤24次，若某学生雨课堂签到22次，且有一次迟到，考勤成绩为6×22.5/24=5.63分，不需要教师浪费时间进行课堂点名，只需要在结束课程后查看雨课堂反馈的数据即可。课后作业根据学生所交作业情况进行评判，作业完成较好1分、未交0分、完成一般0.5分，具体计算可类似考勤成绩计算。专题讨论成绩包括专题课堂汇报和讨论、每章学习结束后学生提交知识点的思维导图、思政拓展资料汇报以及老师所给研究小课题完成的报告等，根据学生完成情况给定成绩。课堂测验是在线下课堂的授课过程中教师实时发布的小测试，习题与本节课重要知识点或学生容易理解错误的知识点有关，以期帮助教师了解学生对知识点掌握程度，通常为选择题，让学生在规定时间内提交结果。利用雨课堂平台，通过对学生回答问题答案的统计，回答正确的同学得1分，回答错误的同学得0.5分，没有回答的同学得0分，类似考勤成绩的计算得到学生的课堂测试得分。而平时线上成绩具体包括：观看课程视频（占35％）、线上测验占（20％）、课外资料阅读（占25％）、探究课题（占20％），利用课程SPOC平台实时记录学生学习过程的统计数据，得到相应的成绩。

最终，学生热力学统计物理课程成绩=平时考核成绩（40%）+阶段性考核成绩（15%）+期末卷面成绩（45%）。新的课程考核评价机制有效地促进了热力学统计物理课程混合式教学模式的实施。

结语

混合式教学是立足在教学目标的基础上，为了实现教学效果最优化，将传统课堂教学与在线教学有机整合的一种教学模式，也是未来教学发展的趋势。这样的教学既强调教师的主导性，也注重学生的主体性，可以满足不同基础和追求的学生的学习需求，可以调动学生的学习主动性，进而提高学习成绩，真正实现因材施教，是一种较好的教学模式，但还需要广大教师不断探索和总结。本文构建的一种混合式教学模式，还要在将来的教学实践中不断改进，以期更加有效地达成热力学统计物理课程教学目标。

参考文献：

［1］F.瑞夫.伯克利物理学教程（SI版）.统计物理学［M］.第五卷.北京：机械工业出版社，2015.

［2］于景新，杨培霞，魏永凯.热力学·统计物理课程线上线