智慧教学改革下大学物理课程思政教学设计--以“熵增加原理”为例

刘文彦,陈长兰,王长昊*

(1.吉林化工学院 理学院,吉林 吉林 132022;2.吉林市第二十九中学校,吉林 吉林 132013)

为主动应对新一轮科技革命与产业变革,支撑服务创新驱动发展,自2017年,教育部出台了一系列开展“新工科”建设文件[1-5]。“新工科”的提出,反映出现有的高等工程教育培养的人才不能满足新时期经济发展的需求,需要寻求高等工程教育的创新与变革[6]。大学物理作为“新工科”专业必修的一门公共基础课,主要培养工科学生的科学思维方式和研究问题的方法,使学生具备一定的科学素养、创新能力,为今后专业领域广度和深度的发展打下基础[7]。为此我们提出了大学物理智慧教学模式改革,旨在借助智能化的技术手段实现启迪学生的智慧。

“新工科”的提出归根究底是对人才培养提出了更高的要求。教育部2017年2月20日发布的《关于开展新工科研究与实践的通知》中就特别强调了要培养出创新型和应用型人才[2]。党的十八大以来,习近平总书记围绕“培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人”这一根本问题,提出高等学校的根本标准就是立德树人的成效。这说明在“新工科”背景下,对人才的培养由单纯的知识性传授向“专业技能+能力培养+人格塑造”全方位人才培养转变。而作为公共基础课的大学物理课程,以学生受众广、内容涵盖广、育人资源广等特点而必然在整个人才培养过程中起到重要的作用。但目前大学物理课程无论是在能力培养还是在价值引领等方面均未发挥出其应有的作用。理论教学与实际应用脱节;理论与实验在教学环节中不匹配;“课程思政”在实施过程中存在“两张皮”、“片面化”、“生搬硬套”等问题[8-9],这些都大大制约大学物理课程在“新工科”人才培养中的育人功能,成为大学物理教学改革中急需解决的问题。为此,在智慧教学改革的基础之上,对大学物理课程思政进行了探索与尝试。本文就以“熵增加原理”为例来谈大学物理课程思政的教学设计。

1 教学目标

熵增加原理是大学物理热学部分一个与能量守恒定律同等重要的定理(在知识体系中的地位见图1)。且广泛应用于信息学、生命科学、环境科学、甚至哲学等学科领域,对理工科各专业学生的专业学习有着十分重要意义。

图1 学生展示不可逆过程--冷热水混合实验

图1 本章节在知识体系中的地位

图2 学生讲解熵增与温热比关系

图3 由胡刚复创造文字“熵”谈中国文字博大精深

图4 小组讨论不可逆过程熵增的求解方法

图5 学生讲解不可逆熵增问题的求解方法

图6 学生讲解熵增加原理

图7 由熵增加原理引出“只争朝夕”的拼搏精神

图8 由熵增加原理适用条件引出“负熵”精神

图9 学生讲解本小组绘制的思维导图

因而将本节课教学目标设定为:

1.知识目标:(1)能够阐明“熵”及“熵增”概念的物理含义及性质;(2)会计算可逆/不可逆热力学过程的熵增,并区分两者在求解方法上的异同;(3)能够正确描述熵增加原理的物理内涵。

2.能力目标:(1)通过课前研讨培养学生自学能力;(2)通过实验设计、展示及讲解培养学生团队协作能力、语言表达能力和实践能力;(3)通过思维导图的绘制培养学生的逻辑思维能力和归纳总结能力。

3.情感目标:(1)通过主题研讨培养学生的批判精神;(2)通过对“熵”的说文解字和相关诗词引入人文情怀;(3)通过熵增加原理的适用条件引出“负熵”精神。

2 教学设计与课堂教学过程

2.1 引课:热力学第二定律--不可逆过程--实验展示--引出“熵”

通过【选人】随机选择两组学生进行“不可逆过程”实验展示(服务性学习任务,注意多鼓励引导学生),在复习不可逆过程相关知识要点的同时,引导学生进一步深入思考:如何能够更为严谨地判断热力学过程的可逆性与否?引出本节课的内容-“熵”。

2.2 熵 熵增:保守力做功--势能--熵与温热比积分的关系

可逆过程:通过类比“保守力做功引入势能”的方法,启发(鼓励学生上台来讲解)学生引出“可逆过程中熵增与温热比的关系”。(注意对学生归纳总结能力和逻辑思维能力的锻炼培养)并从说文解字的角度解释“熵”字的来源(近代物理学奠基人--胡刚复教授),加深学生对“熵”这个概念的理解。

【思政元素讲解】其实“熵”这个字是1923年才出现的。是中国近代物理学奠基人胡刚复教授在1923年为来南京讲学的普朗克当翻译时创造出来的字。其中右半部分的“商”指的是热量与温度之比;左半部分的火字旁指这一过程与热学有关,很形象生动的说明了熵这个物理量的由来。这也说明虽然中国文字有着几千年的历史,但仍然具有着勃勃生机。

(3)不可逆过程:设问“那是不是不可逆过程就不能求解熵增了?”熵是状态函数,与过程无关--可逆过程与否不影响熵增--引导学生向“热力学过程”方面思考--求解不可逆熵增的办法:在始末状态间假想一个可逆过程求熵增--小组讨论:求解理想绝热自由膨胀过程熵增的具体值--随机选择一组讲解分析及求解过程(鼓励学生上台来讲解)。

设问:同样的始末状态间,是否是可逆过程求解出的熵增并不同,这是不是与“熵是状态函数,与过程无关”相矛盾啊?熵与过程无关,但温热比与过程有关--熵增在数值上等于可逆过程温热比的积分,而不等于不可逆过程温热比的积分(使学生正确理解熵增与温热比的关系)。

2.3 熵增加原理

(1)在课前推送“熵增原理证明过程”相关视频的基础上,让同学们在课堂上总结熵增加原理的主要内容。(鼓励学生上台来讲解,检验学生的预习情况);

(2)以前面的“理想气体自由膨胀过程”为例--引出熵增加原理的应用--布置课后实践作业:利用熵增加原理判断冷热水混合过程是否为可逆过程(强化学生对熵增加原理的理解及应用)--由李白《将进酒》进而引出“只争朝夕”的拼搏精神。

【思政元素讲解】虽然物理学意义上的熵增加原理是由西方提出的,但在我国传统的文化中其实早就有蕴含了这种思想。例如诗仙李白的《将进酒》有这么一句“君不见高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪”其实就是在说万事万物都有其运行的方向,既然时光不能重来,我们就要只争朝夕。

以“生命周期”为例强调熵增加原理适用条件--孤立系统或绝热过程--并引入“负熵”精神,我们要开放自己。

【思政元素讲解】按照熵增加原理的观点,我们虽然终究会走向死亡,但庆幸的是我们并不是从一出生就马上不断的衰老直至死亡的,我们实际上经历了从一个小婴儿成长至壮年,再到老年的过程,这是为什么呢?这因为熵增加原理是有前提的,就是绝热过程或孤立系统。薛定谔曾经说过“生命之所以免于死亡,其主要原因就在于他能不断地获得负熵”。那我们怎么才能获得负熵?饿了吃饭、病了吃药都是引入负熵的过程。其实负熵也是一种精神,我们开放自己、吐故纳新、与时俱进,才能在有限的生命里经历一个富有勃勃生机的生命过程。

2.4 内容总结

通过【小组活动】引导学生绘制本节课的思维导图--通过学生互评选择绘制最好的一组对本节内容进行总结。(鼓励学生上台来讲解,注意学生知识体系的自我构建过程)

3 结 论

从学生的教学反馈(见图10)中可以看出,学生对课程的满意度很高,认为课程具有一定的挑战度,且利他思维、团队协作意识明显提升;学习体验感较强,自我认知能力有所提升,学习意愿增强。由此可以看出,智慧教学模式下的大学物理课程思政设计在达成课程育人目标中起到了切实的作用。

图10 学生的课后反馈