思維導(dǎo)圖在熱力學(xué)與統(tǒng)計物理教學(xué)中應(yīng)用的實踐研究＊

戴玉梅

（沈陽大學(xué)師范學(xué)院 遼寧 沈陽 110044）

馬鳳才

（遼寧大學(xué)物理學(xué)院 遼寧 沈陽 110036）

張 會

（沈陽大學(xué)師范學(xué)院 遼寧 沈陽 110044）

丁 勇

（遼寧大學(xué)物理學(xué)院 遼寧 沈陽 110036）

曾 濤 陳 思

（沈陽大學(xué)師范學(xué)院 遼寧 沈陽 110044）

《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》是高師物理專業(yè)理論物理課程之一.它是固體、液體、氣體、等離子體理論、激光理論等諸多物理分支的基礎(chǔ)之一，它的概念和方法在原子核、基本粒子理論以及化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科中也產(chǎn)生了極大影響，并日益廣泛地滲透到了環(huán)境、經(jīng)濟、人文等社會科學(xué)領(lǐng)域之中.它的概念多而抽象，方法多而生疏，涉及的知識面廣而繁雜，是物理專業(yè)難度最大的課程之一［1］.隨著我國人才培養(yǎng)模式的不斷發(fā)展［2］，為了提高《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程的教學(xué)效果，我們對該課程的教學(xué)方法進行改進.將思維導(dǎo)圖［3］引入到《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程的教學(xué)過程中，取得比較滿意的結(jié)果.

思維導(dǎo)圖是基于對人腦功能的科學(xué)研究與人類行為模式的實證探究所獲得的科學(xué)思維模式，是表達發(fā)散性思維的有效圖形思維工具，目前在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4～10］.思維導(dǎo)圖的認知功能與人類大腦的認知功能相類似，有助于信息的儲存和提取，進而有益于教學(xué)和學(xué)習(xí)效率的提升.思維導(dǎo)圖的應(yīng)用可以提高學(xué)習(xí)者對教學(xué)內(nèi)容的理解力和學(xué)習(xí)效率；提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，使抽象知識概念變得可視化，方便了對所學(xué)知識的加工，能夠幫助提高學(xué)習(xí)者的理解力和記憶力；也有助于激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動，有利于學(xué)習(xí)者之間實現(xiàn)對所學(xué)知識的共同建構(gòu).思維導(dǎo)圖不僅作為一種認知工具可以幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，同時作為一種學(xué)習(xí)策略也可以提高教學(xué)效率［11］.

1 基于思維導(dǎo)圖的課堂教學(xué)案例

1.1 思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)教學(xué)思路

在熱力學(xué)與統(tǒng)計物理的教學(xué)過程中要最大限度的使用包括多媒體在內(nèi)的多種教學(xué)方法，在課堂教學(xué)中要緊抓住師生互動與獨立思考這個主題，使用講授、提問、分析討論、邊講邊練、書寫課程論文、前沿問題講座等多種方法相結(jié)合的教學(xué)方式教學(xué)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)提供必要的條件.思維導(dǎo)圖能夠很好地保證本課程的講授與學(xué)習(xí).

以汪志誠所編著的《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》（第五版）第二章3節(jié)“氣體節(jié)流和絕熱膨脹過程”為例，熱力學(xué)中往往用偏導(dǎo)數(shù)描述一個物理效應(yīng)，本節(jié)課在已經(jīng)學(xué)習(xí)了麥克斯韋關(guān)系后繼續(xù)進行深入學(xué)習(xí)［12］.本節(jié)課討論氣體的節(jié)流過程和絕熱膨脹過程，這兩種過程都是獲得低溫的常用方法.因此，在本節(jié)課的教學(xué)過程中，選取并使用思維導(dǎo)圖制作軟件NovaMind，首先復(fù)習(xí)熱力學(xué)函數(shù)的全微分表達式，接著復(fù)習(xí)麥克斯韋關(guān)系的由來，其后復(fù)習(xí)自變量不同時的有用偏微分結(jié)果，分析討論其應(yīng)用，最后將麥克斯韋關(guān)系應(yīng)用于研究獲得低溫的方法中.總體教學(xué)思路的思維導(dǎo)圖如圖1所示.

圖1 基于思維導(dǎo)圖的“氣體節(jié)流和絕熱膨脹過程”教學(xué)思路框架圖

本節(jié)課教學(xué)核心內(nèi)容是應(yīng)用麥克斯韋關(guān)系計算氣體的節(jié)流過程和絕熱膨脹過程熱力學(xué)量偏微分關(guān)系.使用思維導(dǎo)圖可以直觀地向?qū)W生展示上述教學(xué)核心內(nèi)容，教學(xué)中不易發(fā)生知識系統(tǒng)混亂，在方便同學(xué)理解的同時可以最大限度保證學(xué)習(xí)質(zhì)量，提高學(xué)習(xí)效率，規(guī)范學(xué)習(xí)方法.

1.2 各級主題分級分層確定

為保證該節(jié)課的順利進行，使用思維導(dǎo)圖對本節(jié)課內(nèi)容進行簡單分類，在保證核心問題前提和基礎(chǔ)下，對具體授課內(nèi)容進行分級分層.

首先，利用思維導(dǎo)圖對其狀態(tài)函數(shù)全微分進行介紹，得到麥克斯韋關(guān)系式.幫助學(xué)生記憶幾種變量的狀態(tài)函數(shù)及其偏微分關(guān)系，如圖2.因為，麥克斯韋關(guān)系式是本節(jié)重點要應(yīng)用的公式，建議同時也將4個關(guān)系式書寫在黑板上.

圖2 思維導(dǎo)圖展示狀態(tài)函數(shù)全微分及麥克斯韋關(guān)系式

復(fù)習(xí)完麥克斯韋關(guān)系后，具體分析不同獨立變量時推導(dǎo)出的一些重要偏微分結(jié)果，如圖3所示.

圖3 麥克斯韋關(guān)系式應(yīng)用舉例

利用思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生復(fù)習(xí)麥克斯韋關(guān)系及其簡單應(yīng)用以后，接下來開始新課學(xué)習(xí)，通過思維導(dǎo)圖直接呈現(xiàn)新課內(nèi)容所處位置，如圖1所示.利用布朗運動內(nèi)容進行引課，隨后開始學(xué)習(xí)獲得低溫方法的物理過程，應(yīng)用麥克斯韋關(guān)系導(dǎo)出節(jié)流過程和絕熱膨脹過程的幾個偏導(dǎo)數(shù)，重點介紹焦湯效應(yīng)、焦湯系數(shù)、等焓線等內(nèi)容，完成本節(jié)課主要授課內(nèi)容，新課知識一級、二級思維導(dǎo)圖截圖如圖4和圖5所示.

圖4 新課知識一級框架導(dǎo)圖

圖5 新課知識二級框架導(dǎo)圖

2 基于思維導(dǎo)圖課堂教學(xué)的評價

2.1 有利于師生知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和教學(xué)內(nèi)容全景的體現(xiàn)

思維導(dǎo)圖符合人的思維方式，利用思維導(dǎo)圖進行備課和授課，能夠最大限度地降低“教學(xué)內(nèi)容有所遺漏”這種情況的發(fā)生概率，課程結(jié)束后，使用思維導(dǎo)圖可構(gòu)建一副完整的知識體系圖，有限地避免了可能出現(xiàn)的教學(xué)信息遺漏，真正地做到教學(xué)內(nèi)容的全景體現(xiàn).而且教師利用制作好的思維導(dǎo)圖教學(xué)提綱向?qū)W生講解相關(guān)的知識，有利于引導(dǎo)學(xué)生邊記憶、邊思考、邊理解、邊記筆記.總之，思維導(dǎo)圖教學(xué)，可將單調(diào)繁復(fù)的軟件操作變得有章可尋，使學(xué)生對本節(jié)課的知識點有個詳盡的了解，可將平面的知識生動完整地展現(xiàn)在學(xué)生面前，從而使教學(xué)設(shè)計更趨于科學(xué)合理.

2.2 有利于學(xué)生鞏固知識與查缺補漏

根據(jù)艾賓浩斯的理論，人們在完好地記憶信息后，僅僅經(jīng)過20min的間隔，便會遺忘40%左右的信息.48h后，會有70%以上的信息被遺忘.因此，復(fù)習(xí)是增強記憶和幫助理解知識的有效手段之一.利用思維導(dǎo)圖進行復(fù)習(xí)，學(xué)生對學(xué)過的知識體系能夠做到完整、系統(tǒng)、準確、層次分明，從而最大效果地提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率.

2.3 有利于學(xué)生全腦的開發(fā)

將思維導(dǎo)圖同物理學(xué)習(xí)二者有機結(jié)合，我們在應(yīng)用思維導(dǎo)圖時感到：思維導(dǎo)圖就是抓住事物的關(guān)鍵，引導(dǎo)學(xué)生與教師一起對教材中的知識提煉出合適的關(guān)鍵詞，并對各關(guān)鍵詞之間的層級關(guān)系和邏輯關(guān)系進行深入思考、分析、理解和組織，然后進行總體規(guī)劃、合理布局，必要的時候還需要將關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)化成合適的圖形，這樣將各要點用圖像和色彩合理而系統(tǒng)地繪制在一幅思維導(dǎo)圖中，樹狀的自然延伸結(jié)構(gòu)，非常形象直觀，且能夠協(xié)調(diào)左、右腦工作，實現(xiàn)全腦并用.

3 基于思維導(dǎo)圖課堂教學(xué)模式的優(yōu)勢

3.1 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機 提高學(xué)習(xí)興趣

實踐證明，更為形象、有趣的信息對學(xué)生更具吸引力.電子課件版的思維導(dǎo)圖豐富的線條和鮮明的色彩也能夠吸引學(xué)生群體，培養(yǎng)并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，保留了引進多媒體課件的初衷，很好地保證了課堂的多樣化和豐富性.同時能夠鼓勵和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高學(xué)習(xí)《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》興趣，把被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí).

3.2 便于總結(jié)與復(fù)習(xí)

思維導(dǎo)圖具有高度組織化與概括化，即具有極高的壓縮率，利用思維導(dǎo)圖梳理各章節(jié)中知識點及主題間的脈絡(luò)關(guān)系，能夠讓學(xué)生對所要了解和掌握的知識有整體感，能夠培養(yǎng)學(xué)生的總體設(shè)計和規(guī)劃能力，提高學(xué)生的歸納總結(jié)能力，更能夠方便學(xué)生進行總結(jié)與復(fù)習(xí).通過預(yù)習(xí)、課堂交流、復(fù)習(xí)這幾個環(huán)節(jié)構(gòu)建與完善思維導(dǎo)圖，使得知識以一種創(chuàng)造性的方式表達出來.學(xué)生在對《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》整門課程進行復(fù)習(xí)時，翻看每節(jié)課的思維導(dǎo)圖式總結(jié)，可以很容易找到自己沒掌握的知識點，并進行有目的的復(fù)習(xí)，可以大大提高復(fù)習(xí)效率.

3.3 促進人類思維的功能

思維導(dǎo)圖以圖文并重的形式，把各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級關(guān)系表現(xiàn)出來，把主題關(guān)鍵詞與圖像、顏色等建立記憶鏈接，充分運用左右腦的機能，利用記憶、閱讀、思維的規(guī)律，協(xié)助人們在科學(xué)與藝術(shù)、邏輯與想象之間平衡發(fā)展，從而開啟人類大腦的無限潛能.因此，思維導(dǎo)圖具有促進人類思維的強大功能.它不僅是一種非常有效的教與學(xué)工具，而且是一種理念和思維方式.

3.4 教學(xué)方法的最優(yōu)組合

《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課的教學(xué)內(nèi)容決定它不可能向普通物理課那樣生動直觀，大量抽象的理論容易使人感到枯燥無味.因此不適合使用傳統(tǒng)的“一講到底”的教學(xué)方法.將傳統(tǒng)教學(xué)方法配合多媒體課件及思維導(dǎo)圖，既能夠減少傳統(tǒng)板書的書寫時間，增加課程的趣味性，同時又能提供給學(xué)生正確的思維方式和復(fù)習(xí)總結(jié)方法，真正做到一舉多得.

4 結(jié)束語

本文將思維導(dǎo)圖與《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程學(xué)習(xí)二者有機結(jié)合，不僅有助于教師整體把握教材內(nèi)容，從而更好地組織和呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，更有利于學(xué)生更好的認識，學(xué)習(xí)和掌握《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》課程的相關(guān)知識和技能.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.與傳統(tǒng)的課堂講授法相比，這種方法可以加深學(xué)生對熱力學(xué)與統(tǒng)計物理概念的理解，便于教師跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)思維過程，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)不易發(fā)現(xiàn)的思維漏洞和理解上的偏差.教學(xué)實踐證明，此教學(xué)模式不但可以促進教師的教，也可以促進學(xué)生的學(xué).當(dāng)然，一種新模式的推廣和應(yīng)用要經(jīng)過不斷的實踐和完善，接下來我們還需不斷擴大研究范圍，對不同專業(yè)、不同課程進行更加廣泛和持久的實踐，不斷總結(jié)經(jīng)驗.

1 廖碧濤，陳月花，祝恒江.高等師范院校熱力學(xué)與統(tǒng)計物理教學(xué)中的科學(xué)方法教育.新疆師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，25（3）：377～380

2 袁興國.基于人才強國戰(zhàn)略的高校人才培養(yǎng)模式改革探析.黑龍江高等研究，2011，212（12）：79～82

3 （英）東尼·博贊著.思維導(dǎo)圖寶典.卜煜婷，陸時文譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.1～2

4 Ertug Evrekli，Didem inel，Ali Günay Balrm，Development of a scoring system to assess mind maps.Procedia Social and Behavioral Sciences，2010（2）：2330～2334

5 劉曉寧.我國思維導(dǎo)圖研究綜述.四川教育學(xué)院學(xué)報，2009，25（5）：109～116

6 楊凌.概念圖、思維導(dǎo)圖的結(jié)合對教與學(xué)的輔助性研究.電化教育研究，2006（6）：59～61

7 錢奇蘭.思維導(dǎo)圖在物理教學(xué)中的應(yīng)用.物理通報，2013（2）：2～4

8 楊麗娜，鄒霞，周浩.思維導(dǎo)圖對個性化教學(xué)的啟示及其應(yīng)用價值.現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19（3）：119～122

9 張武威，黃宇星.思維導(dǎo)圖應(yīng)用于物理解題的探究.電化教育研究，2009（9）：97～101

10 何露.利用思維導(dǎo)圖提高化學(xué)教學(xué)的有效性.教學(xué)導(dǎo)刊，2009（12）：47～49

11 于承敏.基于思維導(dǎo)圖的課程教學(xué)模式研究.計算機時代，2014（1）：66～71

12 汪志誠.熱力學(xué)·統(tǒng)計物理（第五版）.北京：高等教育出版社，2013.56～59