地方民族院校以學(xué)生為主體的熱學(xué)課堂教學(xué)改革嘗試——以理想氣體壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)為例

黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 劉鳳華

熱學(xué)是物理學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)及固體物理等相關(guān)課程的基礎(chǔ)，熱學(xué)知識掌握的程度直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。這也是學(xué)生初入大學(xué)接觸的第一門專業(yè)課程，如果一開始學(xué)生對這門課程提不起興趣或是覺得很難懂，那么勢必對以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼或是不自信的心理。由于熱學(xué)概念定律較多，邏輯性不是很強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難免感覺空洞乏味。另外，部分教學(xué)內(nèi)容學(xué)生在中學(xué)階段已有接觸，感覺學(xué)習(xí)起來沒什么新意，而傳統(tǒng)的教師一人在臺上講學(xué)生在下面被動聽的教學(xué)模式，更是限制了學(xué)生課堂參與的積極性，對課程的學(xué)習(xí)自然也提不起強(qiáng)烈的興趣。由于我校為貴州省一所地方民族院校，地處偏遠(yuǎn)，學(xué)生大都來自少數(shù)民族地區(qū)，與東部省份高校學(xué)生相比基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)主體能動性不高。因此，如何根據(jù)學(xué)生的知識水平制訂相應(yīng)的教學(xué)方案，最大限度地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，發(fā)揮學(xué)生的主體性，則成為決定一堂課成敗的關(guān)鍵。本文以理想氣體壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)為例，結(jié)合近幾年的熱學(xué)教學(xué)經(jīng)驗來談一下在課堂教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮其主體能動性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時學(xué)會分析和解決物理問題的方法和思路。

一、平衡態(tài)下理想氣體壓強(qiáng)的常規(guī)推導(dǎo)

根據(jù)伯努利的觀點，理想氣體的壓強(qiáng)是大量分子持續(xù)不斷地作用在器壁上產(chǎn)生的。從微觀上看，氣體的壓強(qiáng)等于大量分子在單位時間內(nèi)施加在單位面積器壁上的平均沖量，即p=dIdAdt。從該公式可以看出，只要求出dt時間內(nèi)碰撞到面積dA上的沖量dI，就可以得到氣體所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，因此求沖量dI是關(guān)鍵。在此之前，雖然學(xué)生對分子熱運動的無規(guī)則性有了一定認(rèn)識，但是對于平衡態(tài)下的統(tǒng)計假設(shè)卻是第一次接觸。該假設(shè)主要有三點：（1）容器內(nèi)各處的氣體分子數(shù)密度均相同，也就是理想氣體分子是均勻分布在容器中；（2）分子沿任一方向運動的概率是相等的；（3）分子的速度在各方向分量的各種平均值是相等的，例如vx2=vy2=vz2。對于這三點假設(shè)學(xué)生是比較容易理解的，但是具體在什么地方要用到這些假設(shè)，則需要教師的引導(dǎo)啟發(fā)。

這種講解方式看起來思路清楚，但是大部分時間是教師一個人講解，學(xué)生沒有真正參與到課堂上，對于有些地方的推導(dǎo)只是被動接受。就像推導(dǎo)過程中的第一步，盡管學(xué)生知道粒子的熱運動是無規(guī)則的，但是對粒子按速度分組是他們不曾考慮過的，因此部分學(xué)生只能采取死記硬背的方式來記住推導(dǎo)過程，這對學(xué)生思維能力的提高毫無益處。由于受中學(xué)物理學(xué)習(xí)方式的影響，對于大學(xué)里接觸的一些物理量，剛?cè)氪髮W(xué)的學(xué)生習(xí)慣看成是恒量，微分思想在物理問題的研究中沒有得到體現(xiàn)。對一些學(xué)生來說，突然改變原有的思維方式來處理問題是不適應(yīng)的，甚至有些學(xué)生對高中所學(xué)產(chǎn)生懷疑，究其原因在于教師沒有對學(xué)生進(jìn)行很好的啟發(fā)。學(xué)生思維方式的變化不是一蹴而就的，也不是灌輸式地說教就可以形成，需要教師在學(xué)生高中物理知識的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)地啟發(fā)引導(dǎo)。再加上民族地區(qū)學(xué)生本身基礎(chǔ)比較薄弱，且第一次接觸有關(guān)微觀粒子統(tǒng)計的知識，大部分學(xué)生反映在聽教師講完一遍之后基本上似懂非懂，感覺公式太多太復(fù)雜，抓不住頭緒，沒有遞推性。故而在前幾年的授課中，即便這一部分公式的推導(dǎo)給學(xué)生講解兩遍，學(xué)生仍是模棱兩可，更由此導(dǎo)致學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)的畏懼心理，感覺熱學(xué)學(xué)起來很費勁，提不起興趣，課堂教學(xué)效果低下。這就要求教師改變原來的教學(xué)方式，因材施教，因生施教，針對學(xué)生基礎(chǔ)制定不同的教學(xué)設(shè)計，對學(xué)生進(jìn)行適時引導(dǎo)，讓學(xué)生參與到課堂中，調(diào)動學(xué)生思維活躍度，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主體能動性。

二、采用啟發(fā)式教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生的主體性

最近兩年，我們改變了原來的教學(xué)方式，不再是教師一個人在講臺上滔滔不絕地講，而是通過教師主導(dǎo)作用，利用提問、反問等啟發(fā)方式讓學(xué)生參與到課堂中，采用啟發(fā)式教學(xué)后，學(xué)生對知識的掌握不僅比以前牢靠，學(xué)習(xí)的主動性和興趣也有了明顯提高。這種啟發(fā)式教學(xué)的基本思路是在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上，首先幫助學(xué)生建立起解決問題的整體思路框架，對于細(xì)節(jié)性的地方或是學(xué)生難以綜合應(yīng)用的地方，教師適時加以引導(dǎo)。由于教師是在學(xué)生思路基礎(chǔ)上進(jìn)行講解，學(xué)生在聽的過程中總是會想著到底什么地方自己沒有考慮到呢，或是為什么考慮不到，這樣無形中調(diào)動了學(xué)生的積極性，使學(xué)生全過程參與到整個教學(xué)活動中來。

采用新的教學(xué)方式后，我們不再一開始直接告訴學(xué)生推導(dǎo)過程中的一些假設(shè)，而是先讓學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上做一個大概的推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生的思路基本如下：總的沖量I等于單個粒子對器壁的沖量2mvx乘以總粒子數(shù)N，即I=N*（2mvx）。對于總粒子數(shù)N，在初中物理講解電流的定義時，求過在t時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量Q，因此學(xué)生對該方法并不陌生，可借助此方法求出時間t內(nèi)通過體積V的總粒子數(shù)N=nV=nAvxt。有了總粒子數(shù)代入公式p=I/At便可進(jìn)一步求出壓強(qiáng)。這種思路盡管不夠嚴(yán)謹(jǐn)，但對于剛上大一的學(xué)生來說簡單易懂，并且每個同學(xué)都能獨立推導(dǎo)出來。這時教師只需在學(xué)生推導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有目的地啟發(fā)引導(dǎo)，既可以幫助學(xué)生進(jìn)一步完成由高中到大學(xué)思維方式的過渡，鍛煉學(xué)生處理問題的能力，又能夠讓學(xué)生有一定的成就感和參與感。

2.針對I=N*（2mvx），啟發(fā)學(xué)生公式這樣寫意味著所有粒子的速度是相同的，然而粒子是做無規(guī)則熱運動，速度的取值有各種可能性，在這種情境下再把對粒子按速度分組引入。通過讓學(xué)生對自己推導(dǎo)的否定引入粒子按速度分組，要比推導(dǎo)之前直接告訴學(xué)生效果要好。明白這個問題后，學(xué)生可以很自然地將原來的I=N*（2mvx）更正為I*=Ni*（2mvix），其中Ni=nivixdAdt.

3.最后引導(dǎo)學(xué)生將平衡態(tài)的統(tǒng)計假設(shè)的第2點和第3點應(yīng)用到所推導(dǎo)情境中，并對所得公式進(jìn)行處理。通過這種方式，我們發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生整個推導(dǎo)過程的思路非常清楚，目標(biāo)達(dá)成度很高，這也說明這種啟發(fā)式教學(xué)模式是十分有用的。由于在整個推導(dǎo)過程中，學(xué)生一直參與其中，通過教師啟發(fā)對已有推導(dǎo)公式進(jìn)行反問找出自己思考過程中的漏洞，既掌握了知識，獲得了成就感，又在推導(dǎo)過程中鍛煉了思維方式，不再覺得熱學(xué)只是枯燥無聊的公式堆砌。因此，對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，教師要改變“灌輸式”的教學(xué)方式，注重學(xué)生主體能動性的發(fā)揮，通過不斷嘗試和探索，提高教學(xué)質(zhì)量，讓每位學(xué)生在獲得知識的同時，分析和解決物理問題的能力得到增強(qiáng)。