“熱學(xué)”與“熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)”課程整合與改革

摘要：以地方性院校的人才培養(yǎng)目標為導(dǎo)向，以培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展的人才為宗旨進行物理課程《熱學(xué)》和《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》的整合與改革。整合后的課程符合教學(xué)的基本規(guī)律和學(xué)生的認知規(guī)律，符合知識的完整性和系統(tǒng)性，滿足在兩門課時數(shù)大大減少的新形勢下的教學(xué)內(nèi)容要求和提高教學(xué)質(zhì)量的要求。

關(guān)鍵詞：熱學(xué)；熱統(tǒng)；整合

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）43-0121-03

“加強教學(xué)基本建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強社會服務(wù)能力”，是地方性院校的辦學(xué)宗旨。為適應(yīng)這一形勢，我校這類新升本科院校必須一切以教學(xué)工作為中心，改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式，積極倡導(dǎo)理論課教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)方法的改革和現(xiàn)代教育技術(shù)手段的運用，降低必修課比例、加大選修課比例、減少課堂講授時數(shù)等，增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和空間，拓寬學(xué)生知識面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，促進學(xué)生個性發(fā)展，培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟的應(yīng)用型、技能型人才。對熱學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計物理課程整合已有許多文獻[1-3]，但是，本文根據(jù)我校實際情況對《熱學(xué)》與《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》（以下簡稱“熱統(tǒng)”）兩門理論課進行整合與改革，突出適應(yīng)我校的富有特色的課程設(shè)置與教學(xué)模式。

一、課程整合的原因

1.教學(xué)現(xiàn)狀。我校2011級物理學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案是把“熱學(xué)”安排在第三學(xué)期上，共72學(xué)時；而“熱統(tǒng)”安排在第六學(xué)期上，共54學(xué)時。2011級應(yīng)用物理專業(yè)的培養(yǎng)方案是把“熱學(xué)”安排在第三學(xué)期上，共54學(xué)時；而“熱統(tǒng)”安排在第六學(xué)期上，共54學(xué)時。2011級光電子技術(shù)科學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案是不開設(shè)“熱學(xué)”，而“熱統(tǒng)”安排在第六學(xué)期上，共54學(xué)時。2012級、2013級的培養(yǎng)方案是把“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課時數(shù)都減為54學(xué)時，所開設(shè)的學(xué)期不變。這樣，由于我們這種地方性院校學(xué)生基礎(chǔ)較差，學(xué)生對“熱學(xué)”知識的掌握不深入，兩門課的跨度時間又過長，導(dǎo)致上“熱統(tǒng)”的時候老師還要再詳細地給學(xué)生復(fù)習(xí)“熱學(xué)”部分基礎(chǔ)知識，導(dǎo)致“熱統(tǒng)”教材中的熱力學(xué)部分的講解占用大量的時間，在有限的課時內(nèi)不能更多講解系綜理論的內(nèi)容，以及介紹與課程有關(guān)的前沿知識和應(yīng)用，不能突出“熱統(tǒng)”這一門課的核心地位，學(xué)生的實踐能力的培養(yǎng)得不到保障。

2.“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”內(nèi)容的重復(fù)性。目前，我校物理學(xué)專業(yè)“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程使用的教材為：李椿、章立源、錢尚武編的《熱學(xué)》，是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材[4]，其結(jié)構(gòu)基本上先是微觀理論部分，后是宏觀理論部分，最后是物態(tài)與相變。汪志誠編的《熱力學(xué)·統(tǒng)計物理》[5]（以下簡稱“熱統(tǒng)”），內(nèi)容包括熱力學(xué)與統(tǒng)計物理兩個部分，其中熱力學(xué)講授的主要是熱力學(xué)的基本定律、熱力學(xué)函數(shù)、相平衡與化學(xué)平衡等；統(tǒng)計物理部分主要講授玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)、費米系統(tǒng)、系綜理論、漲落理論和非平衡態(tài)統(tǒng)計理論初步。據(jù)統(tǒng)計，“熱統(tǒng)”課程中熱力學(xué)部分和統(tǒng)計物理部分各占總內(nèi)容的46%和54%。而“熱學(xué)”課程中的熱力學(xué)定律部分和“熱統(tǒng)”課程中熱力學(xué)的部分內(nèi)容重復(fù)率高達2/3，“熱學(xué)”中統(tǒng)計物理部分和“熱統(tǒng)”中統(tǒng)計的部分內(nèi)容（玻耳茲曼統(tǒng)計、能均分定理、麥克斯韋分布等）重復(fù)率近1/4。按照這樣的課程設(shè)置進行授課，我們新升本科院校的辦學(xué)宗旨難以得到很好的實現(xiàn)。

二、“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程的整合思路和整合原則

“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程整合是為了適應(yīng)現(xiàn)代社會對知識發(fā)展的需求，其知識體系符合培養(yǎng)地方院校培的人才培養(yǎng)模式，既要整合重復(fù)部分又要強化與現(xiàn)代科技的聯(lián)系，增加實踐部分，淡化傳統(tǒng)部分。第一，“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”整合后應(yīng)保持原有知識體系的完整性和系統(tǒng)性。以熱物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律、基本方法為主線，突出熱物理學(xué)的學(xué)科特點，突出熱物理學(xué)研究問題和解決問題的方法和思維。第二，“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”的整合要符合教學(xué)的基本規(guī)律、人們認識事物的基本規(guī)律和學(xué)生的認知規(guī)律。從宏觀熱現(xiàn)象入手，通過合適的實驗定律、邏輯演繹推理，去認識微觀熱現(xiàn)象的本質(zhì)，又從微觀入手，建立物理模型、物理過程，應(yīng)用統(tǒng)計物理學(xué)的方法理論分析物質(zhì)的宏觀特性，如圖1所示。第三，“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”整合后的內(nèi)容滲透現(xiàn)代化知識。整合后，老師可以在每一章之后把與課程內(nèi)容有關(guān)的新成果、新方法和新理論充實到課堂教學(xué)中來，便于學(xué)生瞻望熱物理學(xué)與近代科技前沿之間的發(fā)展關(guān)系，開闊眼界，啟迪思維，增強熱物理學(xué)的實用性，避免學(xué)生總是認為熱物理學(xué)的知識太老了，與現(xiàn)代生活沒有聯(lián)系。進一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

三、課程整合的實踐與改革

結(jié)合我校物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生基礎(chǔ)、師資隊伍、教材建設(shè)等各方面的情況，“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”課程獨立教學(xué)。在教學(xué)過程中，采用兩本教材教學(xué)，對相同、重復(fù)的內(nèi)容合二為一進行教學(xué)，根據(jù)教學(xué)要求和培養(yǎng)目標，合理選取教學(xué)內(nèi)容：第一，授課內(nèi)容的整合?？梢詫ⅰ稛釋W(xué)》整合為五章，其內(nèi)容包括：緒論—溫度—熱力學(xué)第一定律—熱力學(xué)第二定律—氣體分子運動論，第四學(xué)期開設(shè)。在第一章溫度的物態(tài)方程部分增加介紹與物態(tài)方程有關(guān)的幾個物理量：體脹系數(shù)、壓強系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)（為《熱統(tǒng)》中的內(nèi)容），將《熱統(tǒng)》整合為六章，其內(nèi)容包括均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)—近獨立粒子的描述—玻耳茲曼統(tǒng)計—玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計—系綜理論—漲落理論，第五學(xué)期開設(shè)。這種編排體現(xiàn)了熱物理學(xué)知識結(jié)構(gòu)的完整性、嚴謹性和科學(xué)性，體現(xiàn)了從宏觀到微觀，又綜合運用宏觀微觀兩種方法闡明物質(zhì)的性質(zhì)及它們之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。這種體系避免了兩門課程內(nèi)容不必要的重復(fù)，知識點之間更具很好的銜接，這種安排在教學(xué)體系上一氣呵成，有利于必課時數(shù)大大減少的新形勢下有效地完成教學(xué)內(nèi)容，能有相對充足的時間介紹統(tǒng)計物理，以便于把熱物理學(xué)這門學(xué)科拓展為既老又新的知識。第二，在“熱統(tǒng)”教學(xué)中大量削減熱力學(xué)內(nèi)容。在“熱統(tǒng)”中主要講授統(tǒng)計物理的理論和應(yīng)用。關(guān)于熱力學(xué)的基本概念和基本定律，在“熱學(xué)”中已作過較詳盡的討論，不作更多的介紹。在“熱學(xué)”中已討論較多的“麥-玻分布（最可幾分布）”也盡量不再重復(fù)，只將它作為系綜理論的結(jié)果討論。這樣，還可以更好理解宏觀理論與微觀理論的統(tǒng)一，使學(xué)生認識上一個層次。第三，適當增加實踐課。每學(xué)期安排1～2次專題講座，請外?；虮拘５馁Y深專家教授介紹熱物理學(xué)學(xué)科的最新進展，如負溫度的概念、熵在信息和生命科學(xué)中的應(yīng)用等。通過這種方式將前沿科學(xué)與課堂教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，這不僅避免了學(xué)生急功近利的想法，還引導(dǎo)學(xué)生對舊知識、物理學(xué)史的更深的理解，而且讓學(xué)生身臨其境地體會到科學(xué)家正在向大自然探索的問題以及解答這些問題經(jīng)常使用的方法，這樣既能增強學(xué)生的實踐能力，又能為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會的富有競爭能力的人才創(chuàng)造了條件。第四，為考研學(xué)生進行輔導(dǎo)。據(jù)調(diào)查，我校畢業(yè)的學(xué)生考研的僅占4%左右，大部分畢業(yè)生都到各行政、機關(guān)、企事業(yè)單位工作。對于少數(shù)考研學(xué)生而言，整合后的知識內(nèi)容可能不滿足考研的要求，老師可以專門給考研學(xué)生集中進行輔導(dǎo)，再增加整合后沒有講到的又與考研有關(guān)的內(nèi)容，強化考研章節(jié)。endprint

四、改革教學(xué)方法

根據(jù)整合后的教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不再適應(yīng)新教學(xué)內(nèi)容和新形勢的發(fā)展，只有知己知彼地分析設(shè)計一種全新教學(xué)模式：精練地講解整合后的重點內(nèi)容+滲透現(xiàn)代化知識的精彩的PPT課件+廣泛的師生研討+課程內(nèi)容相關(guān)知識拓展，并逐步形成“問題為綱，分層教學(xué)，師生互動，自主探索，協(xié)作討論，課后輔導(dǎo)”的教學(xué)模式。例如，封閉系：近獨立粒子的麥-玻分布、玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計、費米統(tǒng)計這些內(nèi)容是統(tǒng)計熱力學(xué)的重點、難點，所以占用學(xué)時也是最多的，配分函數(shù)可說是本章的關(guān)鍵。一定要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，使用全新的教學(xué)模式教會學(xué)生能利用統(tǒng)計物理“三步曲”熟練計算配分函數(shù)，從而求出所有熱力學(xué)函數(shù)，并拓展其內(nèi)容，總結(jié)研究熱物理問題的方法和思維，引導(dǎo)和協(xié)作學(xué)生研討課程內(nèi)容與前沿科學(xué)的新科技新成果的聯(lián)系。實踐表明，利用整合后的課程內(nèi)容和改革后的教學(xué)方法對2010級物理學(xué)專業(yè)（1）、（2）班的學(xué)生進行教學(xué)，并做了問卷調(diào)查：學(xué)生的補考率相對整合前少了，大多數(shù)學(xué)生對熱物理學(xué)有了新的認識，不再感到熱物理學(xué)知識的陳舊，也排除了物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生流傳下來的物理學(xué)既難學(xué)又沒用的觀點，對學(xué)習(xí)物理學(xué)不再有盲目感了，了解到熱物理學(xué)與科學(xué)研究息息相關(guān)，而且非常重要。例如：激光冷卻、超導(dǎo)、超流現(xiàn)象都是與熱物理學(xué)為基礎(chǔ)的新科技成果。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認識能力。

在高等教育改革不斷推進的今天，作為物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)主干課程的“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”，其內(nèi)容過多重疊而且知識陳舊。怎樣整合兩門課程，優(yōu)化課程設(shè)置，以達到高效的教與學(xué)的目的，達到培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟的應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)的目標，是我們教師必須考慮的問題。從我校的實際情況出發(fā)，對“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”兩門課程進行整合和教學(xué)方法進行改革，理順知識體系，刪減重疊內(nèi)容，增加現(xiàn)代科技內(nèi)容，不但使總的教學(xué)時數(shù)減少（由72+72學(xué)時減為54+54學(xué)時），而且學(xué)生的物理概念、物理模型、物理過程進一步加強，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認識能力。課程整合不僅沒有削弱學(xué)生的物理基礎(chǔ)，反而得到了加強。但是，在實施課程整合過程中有相當大的難度，不僅需要教師具有廣博精深知識結(jié)構(gòu)，還要富有創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性行為，還需要教師不斷地學(xué)習(xí)、不斷進步，了解與本學(xué)科有關(guān)的前沿的新知識。

參考文獻：

[1]謝國秋，劉仁臣，程和平.熱學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計物理課程整合探索與實踐[J].高等理科教育，2010，（3）：68-70.

[2]梅金碩，桂太龍，王玥，等.整合理論物理課程體系及教學(xué)方法探討[J].信息技術(shù)，2012，（11）：37-39.

[3]蘇安.“熱學(xué)”與“熱力學(xué)統(tǒng)計物理”課程整合探索[J].教育與職業(yè)，2008，（9）：84-86.

[4]李椿，章立源，錢尚武.熱學(xué)—普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[5]汪志誠.熱力學(xué)·統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：劉云（1970-），女，貴州大方人，副教授，碩士，主要從事熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)的教學(xué)與研究。endprint

四、改革教學(xué)方法

根據(jù)整合后的教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不再適應(yīng)新教學(xué)內(nèi)容和新形勢的發(fā)展，只有知己知彼地分析設(shè)計一種全新教學(xué)模式：精練地講解整合后的重點內(nèi)容+滲透現(xiàn)代化知識的精彩的PPT課件+廣泛的師生研討+課程內(nèi)容相關(guān)知識拓展，并逐步形成“問題為綱，分層教學(xué)，師生互動，自主探索，協(xié)作討論，課后輔導(dǎo)”的教學(xué)模式。例如，封閉系：近獨立粒子的麥-玻分布、玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計、費米統(tǒng)計這些內(nèi)容是統(tǒng)計熱力學(xué)的重點、難點，所以占用學(xué)時也是最多的，配分函數(shù)可說是本章的關(guān)鍵。一定要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，使用全新的教學(xué)模式教會學(xué)生能利用統(tǒng)計物理“三步曲”熟練計算配分函數(shù)，從而求出所有熱力學(xué)函數(shù)，并拓展其內(nèi)容，總結(jié)研究熱物理問題的方法和思維，引導(dǎo)和協(xié)作學(xué)生研討課程內(nèi)容與前沿科學(xué)的新科技新成果的聯(lián)系。實踐表明，利用整合后的課程內(nèi)容和改革后的教學(xué)方法對2010級物理學(xué)專業(yè)（1）、（2）班的學(xué)生進行教學(xué)，并做了問卷調(diào)查：學(xué)生的補考率相對整合前少了，大多數(shù)學(xué)生對熱物理學(xué)有了新的認識，不再感到熱物理學(xué)知識的陳舊，也排除了物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生流傳下來的物理學(xué)既難學(xué)又沒用的觀點，對學(xué)習(xí)物理學(xué)不再有盲目感了，了解到熱物理學(xué)與科學(xué)研究息息相關(guān)，而且非常重要。例如：激光冷卻、超導(dǎo)、超流現(xiàn)象都是與熱物理學(xué)為基礎(chǔ)的新科技成果。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認識能力。

在高等教育改革不斷推進的今天，作為物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)主干課程的“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”，其內(nèi)容過多重疊而且知識陳舊。怎樣整合兩門課程，優(yōu)化課程設(shè)置，以達到高效的教與學(xué)的目的，達到培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟的應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)的目標，是我們教師必須考慮的問題。從我校的實際情況出發(fā)，對“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”兩門課程進行整合和教學(xué)方法進行改革，理順知識體系，刪減重疊內(nèi)容，增加現(xiàn)代科技內(nèi)容，不但使總的教學(xué)時數(shù)減少（由72+72學(xué)時減為54+54學(xué)時），而且學(xué)生的物理概念、物理模型、物理過程進一步加強，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認識能力。課程整合不僅沒有削弱學(xué)生的物理基礎(chǔ)，反而得到了加強。但是，在實施課程整合過程中有相當大的難度，不僅需要教師具有廣博精深知識結(jié)構(gòu)，還要富有創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性行為，還需要教師不斷地學(xué)習(xí)、不斷進步，了解與本學(xué)科有關(guān)的前沿的新知識。

參考文獻：

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[4]李椿，章立源，錢尚武.熱學(xué)—普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[5]汪志誠.熱力學(xué)·統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：劉云（1970-），女，貴州大方人，副教授，碩士，主要從事熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)的教學(xué)與研究。endprint

四、改革教學(xué)方法

根據(jù)整合后的教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不再適應(yīng)新教學(xué)內(nèi)容和新形勢的發(fā)展，只有知己知彼地分析設(shè)計一種全新教學(xué)模式：精練地講解整合后的重點內(nèi)容+滲透現(xiàn)代化知識的精彩的PPT課件+廣泛的師生研討+課程內(nèi)容相關(guān)知識拓展，并逐步形成“問題為綱，分層教學(xué)，師生互動，自主探索，協(xié)作討論，課后輔導(dǎo)”的教學(xué)模式。例如，封閉系：近獨立粒子的麥-玻分布、玻耳茲曼統(tǒng)計、玻色統(tǒng)計、費米統(tǒng)計這些內(nèi)容是統(tǒng)計熱力學(xué)的重點、難點，所以占用學(xué)時也是最多的，配分函數(shù)可說是本章的關(guān)鍵。一定要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，使用全新的教學(xué)模式教會學(xué)生能利用統(tǒng)計物理“三步曲”熟練計算配分函數(shù)，從而求出所有熱力學(xué)函數(shù)，并拓展其內(nèi)容，總結(jié)研究熱物理問題的方法和思維，引導(dǎo)和協(xié)作學(xué)生研討課程內(nèi)容與前沿科學(xué)的新科技新成果的聯(lián)系。實踐表明，利用整合后的課程內(nèi)容和改革后的教學(xué)方法對2010級物理學(xué)專業(yè)（1）、（2）班的學(xué)生進行教學(xué)，并做了問卷調(diào)查：學(xué)生的補考率相對整合前少了，大多數(shù)學(xué)生對熱物理學(xué)有了新的認識，不再感到熱物理學(xué)知識的陳舊，也排除了物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生流傳下來的物理學(xué)既難學(xué)又沒用的觀點，對學(xué)習(xí)物理學(xué)不再有盲目感了，了解到熱物理學(xué)與科學(xué)研究息息相關(guān)，而且非常重要。例如：激光冷卻、超導(dǎo)、超流現(xiàn)象都是與熱物理學(xué)為基礎(chǔ)的新科技成果。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認識能力。

在高等教育改革不斷推進的今天，作為物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)主干課程的“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”，其內(nèi)容過多重疊而且知識陳舊。怎樣整合兩門課程，優(yōu)化課程設(shè)置，以達到高效的教與學(xué)的目的，達到培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟的應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)的目標，是我們教師必須考慮的問題。從我校的實際情況出發(fā)，對“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”兩門課程進行整合和教學(xué)方法進行改革，理順知識體系，刪減重疊內(nèi)容，增加現(xiàn)代科技內(nèi)容，不但使總的教學(xué)時數(shù)減少（由72+72學(xué)時減為54+54學(xué)時），而且學(xué)生的物理概念、物理模型、物理過程進一步加強，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認識能力。課程整合不僅沒有削弱學(xué)生的物理基礎(chǔ)，反而得到了加強。但是，在實施課程整合過程中有相當大的難度，不僅需要教師具有廣博精深知識結(jié)構(gòu)，還要富有創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性行為，還需要教師不斷地學(xué)習(xí)、不斷進步，了解與本學(xué)科有關(guān)的前沿的新知識。

參考文獻：

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作者簡介：劉云（1970-），女，貴州大方人，副教授，碩士，主要從事熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)的教學(xué)與研究。endprint