熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程教學(xué)探究

張瑾

摘 要 文章分析了目前熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程教學(xué)中遇到的一些問題，對如何進(jìn)行有效的課程教學(xué)進(jìn)行了研究，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段分別進(jìn)行了探討，以提高熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 熱力學(xué) 統(tǒng)計(jì)物理 課程教學(xué) 教學(xué)策略

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Explorations of Thermodynamics and Statistical Physics Teaching

ZHANG Jin

（Mathematics and Physics Department of Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601）

Abstract The paper analyzes some teaching problems of Thermodynamics and Statistical physics， carries on research of effective teaching， has discussion of teaching content， teaching approaches and teaching methods for improvement in teaching quality of Thermodynamics and Statistical physics.

Key words Thermodynamics; statistical physics; course teaching; teaching strategies

作為大學(xué)物理專業(yè)的四大力學(xué)之一——熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是一門學(xué)生感覺難學(xué)，教師感覺難教的課程。學(xué)生總體感覺這門課程公式和概念較多、對高等數(shù)學(xué)的要求較高、與日常生活又比較脫離，不知道學(xué)了之后有什么用。而教師普遍感覺內(nèi)容較為零散，與其他物理課程重復(fù)內(nèi)容又較多，因此往往感覺較難將課程前后融會貫通，將公式和概念講得淺顯易懂又具有一定深度。本文對熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，分別對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行了探討，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 課程內(nèi)容的優(yōu)化

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理中的部分內(nèi)容與其他物理專業(yè)課程有一定的重復(fù)。例如第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律，該部分內(nèi)容在前期課程熱學(xué)中基本都已學(xué)過。因此在講解該部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生難免會感到?jīng)]有新鮮感。但是這部分內(nèi)容對熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理后面章節(jié)的內(nèi)容又非常重要，是后期內(nèi)容的基礎(chǔ)，尤其是熱力學(xué)三定律，如果理解不透徹，后面章節(jié)的內(nèi)容就更難以理解。同時(shí)第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律又不完全等同于熱學(xué)課程所學(xué)。例如對溫度的理解，熱學(xué)強(qiáng)調(diào)溫度是冷熱程度的度量，而在熱統(tǒng)中則更著重于強(qiáng)調(diào)溫度是一個(gè)態(tài)函數(shù)?？傮w來說熱學(xué)強(qiáng)調(diào)熱的本質(zhì)，熱究竟是什么，怎樣發(fā)生等問題，而熱統(tǒng)則是研究熱的傳遞和循環(huán)等過程，與熱學(xué)相比更側(cè)重于動態(tài)的研究。因此對于和熱學(xué)重復(fù)的內(nèi)容部分，既不能完全不講，也不能細(xì)枝末節(jié)地詳細(xì)講述，而應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)講述一些重要概念不同于熱學(xué)的理解方式。

另外，對于熱統(tǒng)后半部分統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，學(xué)生是首次接觸統(tǒng)計(jì)物理，并且統(tǒng)計(jì)物理與前面部分熱力學(xué)研究方法上又完全不同，所以學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)學(xué)生會覺得很吃力。因此對統(tǒng)計(jì)物理前半部分內(nèi)容要在合理安排課時(shí)的前提下盡可能講得詳細(xì)透徹，使學(xué)生能聽懂，能理解和掌握，后半部分內(nèi)容處理方法和前面基本相同，因此可以相對簡單地講解。同時(shí)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理并不是完全分割獨(dú)立的兩部分，實(shí)際上它們相輔相成，互為補(bǔ)充，統(tǒng)計(jì)物理的很多結(jié)論回歸到熱力學(xué)的結(jié)果。因此統(tǒng)計(jì)物理這部分內(nèi)容也應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)和熱力學(xué)內(nèi)容的相互呼應(yīng)。使學(xué)生感覺到這兩部分是整體，而不是零散、毫不相關(guān)的內(nèi)容。

2 教學(xué)方法的幾點(diǎn)建議

2.1 公式的講解

熱統(tǒng)這門課程難學(xué)的一個(gè)重要原因就是公式非常多，而且很多涉及偏微分甚至有的還不是完全微分。例如內(nèi)能的微變量用，是個(gè)全微分，而微功用表示，不是個(gè)全微分，而一個(gè)公式里面往往可能既涉及全微分也有不完全微分，因此一定要區(qū)分和解釋清楚。比如內(nèi)能要強(qiáng)調(diào)是態(tài)函數(shù)與過程無關(guān)，因此用表示，而做功與過程密切相關(guān)，因此不是全微分。這些一定要講解清楚，否則學(xué)生非常容易搞混淆。熱統(tǒng)這門課程里的公式的另一個(gè)特點(diǎn)是多而且近似，例如麥?zhǔn)详P(guān)系，單純地背下來實(shí)際十分困難，因此需要尋找公式的規(guī)律，甚至可以編一些順口溜等，便于學(xué)生的記憶。另外，講清楚公式從何而來，又有哪些應(yīng)用，往往對公式的記憶和理解也很重要，進(jìn)而也能讓學(xué)生搞清楚這門課程的學(xué)習(xí)到底有什么用，而這離不開習(xí)題的講解，因此對于難以理解的公式，適當(dāng)?shù)牧?xí)題有助于學(xué)生對公式的學(xué)習(xí)。

2.2 概念、定理和定律的講解

熱統(tǒng)書中也涉及到很多物理概念、定理和定律，而教材中往往因?yàn)槠邢薏]有一一交待這些概念、定理和定律的來龍去脈。例如卡諾定理，學(xué)完熱力學(xué)第二定律后緊跟著下一節(jié)就是卡諾定理，但教材中只介紹了卡諾定理的具體內(nèi)容和簡單推論，學(xué)生學(xué)起來就覺得很茫然，不知道為什么要學(xué)卡諾定理，和熱力學(xué)第二定律有什么關(guān)聯(lián)，興趣也就不大。往往教師費(fèi)勁講了半天，學(xué)生聽得一知半解。這時(shí)候如果在講卡諾定理之前，先講清楚為什么提出了卡諾定理，卡諾當(dāng)年是在什么情況下提出，遇到了哪些困難，他對熱機(jī)的發(fā)展有了什么推動作用，也就是略微講解部分卡諾定理提出的科學(xué)史，這樣既可以吸引學(xué)生的興趣，而且對于這個(gè)定理，學(xué)生能夠知其然且知其所以然，同時(shí)也啟迪了學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神。這樣才能真正讓學(xué)生感受到熱統(tǒng)這門課的魅力，體會它的思想和方法，真正意義上培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

2.3 前沿科技知識的引入

大學(xué)生教學(xué)不同于高中教學(xué)，學(xué)生不僅應(yīng)該掌握基本的理論，對一些科技前沿也應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)了解。這要求教師不僅能很好地把握教材內(nèi)容，同時(shí)也要常了解相關(guān)的科研動態(tài)。前沿科技知識介紹不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且啟發(fā)學(xué)生的思維能力，甚至于對學(xué)生在以后考研選擇方向時(shí)也有很大益處。

3 教學(xué)手段的改進(jìn)

目前很多高校基本都具備多媒體教學(xué)條件，提倡板書和多媒體結(jié)合。板書多用于復(fù)雜公式的推導(dǎo)，誠然公式的推導(dǎo)需要板書的幫助，但是板書應(yīng)該不僅僅用于枯燥的公式推導(dǎo)，有時(shí)候?qū)⒄谜n的主體框架，甚至大的標(biāo)題之間的聯(lián)系寫在板書上，這樣學(xué)生感覺邏輯性會更強(qiáng)，環(huán)環(huán)相扣，有利于學(xué)生整體知識框架的構(gòu)建，和對課程內(nèi)容有更好的理解。而多媒體教學(xué)中幻燈片可以適量減少文字部分，圖文并茂、生動活潑的PPT很容易吸引學(xué)生，有些部分內(nèi)容如果輔助動畫演示或者視頻將可以達(dá)到更好的效果。比如玻爾茲曼分布，玻色分布和費(fèi)米分布，三種分布的區(qū)別和聯(lián)系，如果完全靠教師的講解，有時(shí)候會有理解上的困難，但如果輔助了動畫，學(xué)生一目了然，更容易理解，也更容易記憶。但是也非動畫和視頻越多越好，過多的情況下，反而讓人感覺重點(diǎn)不突出，本末倒置，因此板書和多媒體的有效結(jié)合十分重要。這就需要教師很好地把握教材，課下須花大量精力搜集豐富的課外材料，做好備課工作。

4 結(jié)語

總之，要教好熱統(tǒng)這門課并非易事，需要教師對課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，對教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行研究，尋找合適的方法和手段，這需要教師也要不斷學(xué)習(xí)和反思，不斷改進(jìn)，在熱統(tǒng)的教學(xué)過程中和學(xué)生一起共同學(xué)習(xí)成長，實(shí)現(xiàn)熱統(tǒng)教學(xué)的真正目的。

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