《熱力學與統(tǒng)計物理》課程教學改革和實踐

伊厚會　姚延立

摘要：在教學中結合《熱力學與統(tǒng)計物理》的課程特點和教學中存在的問題，進行了教學內容和教學方法等方面的改革和嘗試，并起到較好的效果。

關鍵詞：熱力學統(tǒng)計物理；教學改革；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）08-0105-02

《熱力學與統(tǒng)計物理》屬理論物理課程，是高等院校物理學專業(yè)本科學生在修完《熱學》課程之后必修的一門基礎理論課程，它對于后續(xù)課程的學習以及從事相關科研都具有重要的意義。《熱力學與統(tǒng)計物理》語言嚴謹但枯燥，包含大量的公式和推導，教學中容易忽視科學思維訓練和科學思想方法的培養(yǎng)。經過調查發(fā)現(xiàn)，大部分同學學完《熱力學與統(tǒng)計物理》后，對涉及到的概念、規(guī)律和處理方法都感覺比較模糊，實際應用困難。在教學方法上，目前普遍采用的教學方法是老師推導公式，學生聽講，使學生整體感覺模糊。熱力學是一大堆偏微商，偏來偏去；統(tǒng)計物理是這分布那分布。教師在講臺上講的是口干舌燥，筋疲力盡，學生在臺下卻無精打采，昏昏欲睡。如何實現(xiàn)在教學中師生的互動，知識的傳遞、信息的交流和思維的碰撞在《熱力學與統(tǒng)計物理》課堂教學中顯得尤為重要。筆者在近幾年的教學中，針對《熱力與學統(tǒng)計物理》的現(xiàn)狀進行了教學內容和教學方法的改革，在一定程度上調動了學生的學習興趣和積極性，并收到了較好的效果。

一、教學內容改革

1.深化物理概念。由于《熱力學與統(tǒng)計物理》教材中有很多理論的堆積和繁雜的推導過程，而對課程中蘊含的思維訓練和科學思想、科學方法等內容很少涉及，在傳統(tǒng)的教學中，大部分時間都是花在推導公式上，忽視了應用人才的培養(yǎng)。在《熱力學統(tǒng)計物理》教學中，盡量做到從最普遍的基本原理出發(fā)，運用歸納、演繹的方法導出實驗規(guī)律，然后培養(yǎng)學生運用物理理論解決一些典型實際問題的方法和能力。同時強調對物理概念和意義、物理意義的理解，簡化數學推導，使學生形成較完整的物理學圖像。

2.優(yōu)化課程結構。根據《熱力學與統(tǒng)計物理》和《熱學》、《量子力學》、《固體物理》等課程的關系，盡量減少與《熱學》、《固體物理》等相應課程內容的重復。例如對于熱力學中的內容（如平衡態(tài)、溫度、物態(tài)方程、熱力學第一定律、功、熱量與焓、理想氣體、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等）和統(tǒng)計物理中的內容（如等概率原理、玻耳茲曼統(tǒng)計、能均分定理、麥克斯韋分布）與《熱學》的重復率高，在教學時適量減少課時。例如德拜理論等內容可以放在《固體物理》中并且要重點講授。通過教學內容的整合，提高了教學效率，優(yōu)化了課程結構，緩解了授課學時和教學內容的矛盾，從而明確了課程的主線。

3.增加前沿知識。在講授課本知識的同時，適當增加前沿內容。例如講解獲得低溫的方法時，增加介紹3He、4He稀釋致冷和激光致冷；對于非線性不可逆過程熱力學，重點介紹耗散結構的概念和應用；補充相變中朗道連續(xù)相變理論和臨界點附近漲落與關聯(lián)的理論；增加介紹統(tǒng)計物理中玻色愛因斯坦凝聚的新進展；介紹朗之萬方程在光學粘膠、多普勒致冷和磁光陷阱等方面的應用。通過增加前沿知識的學習和介紹，加深學生對基本內容的理解，開闊學生的視野，引起學生的興趣并有利于科學思維的培養(yǎng)。

4.注重實踐環(huán)節(jié)。在講授理論知識課的同時，注重實踐性教學環(huán)節(jié)和課程設計環(huán)節(jié)。由于《熱力學與統(tǒng)計物理》是理論性很強的課程，在教學中往往重視理論教學而忽視實踐環(huán)節(jié)，這不利于應用性人才的培養(yǎng)。需要在教學中增加實踐性教學環(huán)節(jié)和課程設計環(huán)節(jié)。例如熵變的計算、鐵磁—順磁相變、粒子輸運問題、平衡態(tài)的確定、半透薄等知識和問題，結合Ising模型，郎之萬方程，Monte Carlo、Random Walking等計算方法，有針對性的進行課程設計。通過實踐教學，既加深了學生對物理學過程、物理概念的理解，又鍛煉了學生計算機程序設計能力，從而增強了學生解決實際問題的能力。

二、教學方法改革

1.對比法的應用。由于《熱力學與統(tǒng)計物理》存在大量的物理意義相同或相近的物理概念、物理量、物理規(guī)律和處理方法等，通過增加對比讓學生掌握該門課的主線，培養(yǎng)學生的科學思想和方法。例如對于內能、自由能、吉布斯函數、焓的概念；麥氏關系；熵、自由能、焓、吉布斯、內能等的各種判據和條件；微正則分布、正則分布、巨正則分布；玻爾茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計、費米統(tǒng)計等內容，教學時主要講授部分內容，引導學生對比分析物理概念和研究方法的區(qū)別和聯(lián)系。通過對比教學，既加深了學生對基本感念、基本研究方法的理解，又能起到舉一反三的教學效果。

2.互動式教學的應用。教學中適當地應用互動式的教學方法，改變以往課堂教學的傳統(tǒng)模式。激發(fā)學生主動學習的積極性和自我學習的能力。在教學中，增加一些基本概念、定律和處理方法的討論。例如討論熱力學溫標和理想氣體溫標的異同點；討論理想氣體狀態(tài)方程和焦耳定律的獨立性；討論分析熱力學第二定律的微分表達式和熱力學基本微分關系的不同之處；討論熵的概念以及不可逆過程中熵變的計算方法比較。根據熵增原理討論了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未來和宇宙的演化等。在相變中除了物體的固、液、氣三相變化，討論自然界還存在許許多多的相變現(xiàn)象，例如物質從金屬變成超導體的超導相變；液態(tài)氦從正常液體變成超流體的λ相變；磁鐵在居里溫度從鐵磁性變成順磁性等。通過討論進一步明確了概念、規(guī)律的適用條件和一般處理方法等，并在互動過程中逐步培養(yǎng)學生自學意識、參與意識、群體意識和問題意識，提高了學生的積極性和主動性。

三、其他方面工作

在《熱力學與統(tǒng)計物理》教學中我們還進行了其他方面的改革和實踐。在考核方面，采用閉卷考試、一頁開卷、課程設計、論文等多種考核方式。為適應教學的需要，針對教學內容作了完整的習題解答和復習資料，并作為教材配套的教學參考書。在保證本學科的基本理論、基本知識和基本技能的全面性，以及在精選內容時注意知識的科學性和系統(tǒng)性的前提下，制作了圖文并茂、引人入勝的課件。在課堂上運用多媒體，VCD、DVD，教學軟件、音像制品等這種直觀的、形象化的演示，有利于學生增強感性認識，便于理解和記憶。

四、結論

在教學改革的指導思想下，針對《熱力與學統(tǒng)計物理》教學中存在的問題，進行了教學內容和教學方法等方面的改革和嘗試。實踐證明，這些改革和實踐緩解了授課學時和教學內容的矛盾，增加了學生的學習興趣，拓展了學生的知識面和自主實踐課的空間，增強了學生解決實際問題的能力，從而有利于人才的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程：熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]林宗涵.熱力學與統(tǒng)計物理學[M].北京：北京大學出版社，2007.

[3]汪志誠.熱力學與統(tǒng)計物理學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4]汪志誠.熱力學統(tǒng)計物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]蘇汝鏗.統(tǒng)計物理學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6]王竹溪.熱力學（第二版）[M].北京：北京大學出版社，2005.

[7]梁希俠.統(tǒng)計熱力學（第二版）[M].北京：科學出版社，2008.

基金項目：濱州學院教學研究項目（BYJYZD201010）；濱州學院重點課程（BZXYZDKC200912）

作者簡介：伊厚會（1976-），男，山東費縣人，博士，副教授，主要從事大學物理、熱力學統(tǒng)計物理學、計算物理學等方面的教學和研究。