熱力學統計物理教學內容研究與改革實踐
——以嶺南師范學院為例

藍善權，何煥典

(嶺南師范學院，廣東 湛江 524048)

1 教學現狀

熱力學統計物理是高等院校本科物理學專業的一門必修基礎理論課程[1]，它對于量子力學、固體物理等后續課程的學習以及學生今后從事相關科研或教學工作都具有積極意義。本研究以嶺南師范學院為例，對熱力學統計物理課程的教學現狀進行分析。

1.1 熱學與熱力學統計物理的部分教學內容存在重復性，兩門課的教學大綱和教材沒有很好地銜接到一起

從授課時間上來看，熱學先于熱力學統計物理，屬于前續后續的關系[2]。這兩門課的研究對象都是熱現象，有些教學內容的重復是不可避免的[3-4]。但它們之間的差異也很明顯，熱學側重于對熱現象的描述和宏觀規律的總結，而熱力學統計物理側重于揭示描述熱現象的宏觀和微觀物理量之間的關系、熱現象的產生原因和微觀機理[5]。嶺南師范學院的《熱學》教材是李椿等人編著的[6]，《熱力學統計物理》教材是汪志誠編著的[7]，它們的編著者不同，教學內容的側重點不同，教學大綱也不同。

熱力學統計物理的教學內容較為豐富，而教學學時卻很少，在物理學專業的授課學時為48學時，需要教師對教學內容有所取舍。該課程的主要教學內容是第一章熱力學的基本規律(10課時)、第二章均勻物質的熱力學性質(6課時)、第三章單元系的相變(4課時)、第六章近獨立粒子的最概然分布(7課時)、第七章玻耳茲曼統計(8課時)、第八章玻色統計和費米統計(8課時)、第九章系綜理論(3課時)、總復習(2課時)。需要組織這兩門課程的授課教師對教學內容和教學大綱進行整合與優化。

1.2 較為關注數學公式推導，有些忽視了物理思想和物理方法的重要性

熱力學統計物理課程的理論性較強，物理圖像抽象，物理模型眾多，教材中包含大量公式及復雜的推導過程，不像普通物理課那樣生動直觀，一些學生將注意力放在了公式推導上，難以感受到其中的物理思想和物理方法，不利于教師與學生之間的交流。對此，教師必須調整教學內容，分清主次，豐富教學方法，減少公式推導的時間，多給學生留一點獨立思考和自主學習的時間。

1.3 題型有些單調，題庫中的題量較少

熱力學統計物理課程所用教材的課后習題只包含證明題和計算題兩種題型，平時作業也是這樣，而期末考試卻包含了簡答題、選擇題、填空題、證明題和計算題這些題型，使得部分學生在期末考試中面對眾多新題型有些不太適應。平時作業中沒有簡答題、選擇題、填空題的原因在于題庫中這三類題型的題目較少。

2 教學內容改革策略

2.1 整合熱學和熱力學統計物理的教學內容

熱學和熱力學統計物理這兩本教材在平衡態、溫度、物態方程、熱力學第零定律、功、理想氣體、內能、熱量、熱力學第一定律、焓、卡諾循環、熱力學第二定律、卡諾定理、熵、熵增加原理、能量均分定理、麥克斯韋分布等內容上是有所重復的。對此，教師需要明確熱學課程的教學大綱中有哪些內容是要求學生掌握的，哪些內容是只要理解就可以的，如熱力學第一定律、熱力學第二定律及其相關內容要求掌握，而熵、能量均分定理、麥克斯韋分布的內容只需理解即可，對它們的物理意義和微觀來源不作要求。在此基礎上，將熱力學統計物理的主要教學內容變為第一章(4課時)、第二章(6課時)、第三章(4課時)、第六章(8課時)、第七章(8課時)、第八章(8課時)、第九章(8課時)，做到有效降低課程內容的重復率。

2.2 引進物理學史和前沿知識，連接中學物理

引進物理學史和前沿知識可以增加課堂的趣味性，讓學生了解物理問題的來龍去脈，從而培養學生的創新精神，加深學生對相應知識的理解，開闊學生視野。教師可以在課堂上介紹物理學史和前沿知識，并將某個物理學史或前沿知識作為課后作業，讓學生以小組合作的方式通過互聯網查找資料，然后進行討論總結和組員講解。物理學史和前沿知識的內容較多，教師需要精心挑選進行設計。例如，在講解光子氣體時，教師可以介紹量子力學之父普朗克的故事和他解決黑體輻射問題的過程；在講解玻色-愛因斯坦凝聚時，教師可以介紹玻色和愛因斯坦的故事以及他們研究該問題的過程，還可以介紹最新的研究進展和與之相關的冷原子氣體、量子化渦旋、超流湍流等前沿知識；在講解熵時，可以介紹馮·諾依曼熵和糾纏熵及其在通信領域、量子計算機領域和引力領域中的應用。

物理學專業的學生畢業后大多數會從事中學物理教學工作。中學物理中有關熱現象的內容主要包括空氣中的聲速大約為304 m/s；高度每升高1 km大氣溫度就會降低大約6℃；黑體輻射的能量密度與溫度的四次方成正比。中學物理對這些內容只給出了結果，而熱力學統計物理課程給出了推導過程并解釋了成因。在高等教育物理教學過程中，教師要結合中學物理來強化學生學習的目標性，將教學內容和教學能力相融合，使學生能從理論物理的高度來解釋中學物理中的熱問題。

2.3 減少數學公式推導，重視物理思想教學

部分學生覺得熱力學統計物理的學習難度較大，理不清其中大量的公式和各式各樣的物理模型。首先，教師需要減少數學公式的推導，主要推導重要公式，把過于復雜的、不太重要的公式推導過程放到PPT里邊，借助多媒體實現快速講解或者讓學生自學，然后進行物理模型的分析。實踐表明，弄清楚了物理模型會有助于數學公式的記憶和推導，如理想氣體方程和范德瓦爾斯氣體方程，后者就是在前者的基礎上做了兩個修正，修正的依據為兩種氣體分子物理模型的差別，范德瓦爾斯氣體則是考慮了分子的體積和分子之間的相互作用。還有自由粒子、線性諧振子、轉子、玻色子、費米子、愛因斯坦固體、光子氣體、自由電子氣體、微正則系綜、正則系綜、巨正則系綜等物理模型，當學生深入理解了這些物理模型，在推導公式的過程中自然就有了思路。其次，要重視物理思想教學。研究熱現象可以從宏觀角度出發也可以從微觀角度出發，即熱力學理論和統計物理理論。統計物理又包含基于最概然分布中的微觀狀態數的統計物理和基于系綜理論的統計物理，如熱力學第二定律的各種表述、黑體輻射問題、微觀狀態數的計算、光子氣體內能的計算等內容。

2.4 加強思政教育

專業課是思政建設的重要載體。熱力學統計物理課程主要的思政教育體現在物理問題的分析討論上，這樣有助于提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，強調科學精神和價值理念。教師需要更加深入地挖掘思政元素，并將其融入課堂教學中，注重科學思維方法訓練和科學倫理教育，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，激發學生的愛國情懷，達到潤物無聲的育人效果。

教師在傳授專業知識的同時，要注重提高學生的綜合素質。首先，在課程的緒論部分講述課程由來、課程現狀、課程發展趨勢等內容，從理論和實踐等多個視角講清道理和方法，激發學生的學習興趣。其次，在具體教學內容中挖掘思政元素。例如，在熱力學第一定律這一節中介紹物理學家焦耳以及他進行的長達四十年的熱功當量測量實驗，讓學生意識到科學研究需要堅持不懈、精益求精的精神；在獲得低溫方法這一節中介紹各種降溫方法是如何提出的以及在磁懸浮列車、量子通信技術領域中的應用，讓學生感受到科學思維之花綻放的美麗及物理學的應用對人類生活的改變；在玻色-愛因斯坦凝聚這一節介紹超流氦、超冷原子和超導的研究歷史和現狀，還要介紹我國科學家在高溫超導領域作出的貢獻。

2.5 做好電子題庫建設

根據熱力學統計物理的教學內容特點，可以開發出大量的簡答題、選擇題、填空題和判斷題等新題型。擴充題庫較為重要，一方面，有利于教師對學生的學習情況進行全面考核，期末考試出題也將會更加客觀公平，實現教考分離；另一方面，有利于學生的復習，特別是對于考研的學生，題庫顯得較為重要。

熱力學統計物理課程每一章都包含大量的物理概念，以所選教材第六章近獨立粒子的最概然分布為例，主要包含了μ空間、費米子、玻色子、系統微觀運動狀態、全同粒子、近獨立粒子、全同性原理、簡并度、等概率原理等內容。這些物理概念不太適合通過證明題和計算題的形式來體現，它們比較適合于簡答題，有一些內容還可以出選擇題(電子、質子、光子中哪一種是玻色子？)、填空題(雙原子分子在三維空間中自由運動，它的μ空間的維度是多少？)和判斷題。除此之外，該課程還包含大量的物理量(熵、內能、焓、自由能、吉布斯函數)、物理模型、公式(內能、焓、自由能和吉布斯函數的全微分)、條件判據(平衡態、熵判據、自由能判據、吉布斯函數判據、經典極限條件)等內容，這些內容很適合出選擇題、填空題和判斷題。教師可以通過互聯網收集各種經典題型題目，并根據各章節內容設計出各題型的題目，然后進行分類整理，建立電腦本地電子題庫和雨課堂端的電子題庫。

3 結語

對嶺南師范學院熱力學統計物理課程教學現狀進行分析，從五個方面對教學內容進行了研究和改革實踐：(1)對熱學和熱力學統計物理兩門課程重復的教學內容進行了整合與優化，把熱學宏觀規律的教學內容放到了熱學課程中，增加了系綜理論的教學；(2)引進了物理學史和前沿知識，并與中學物理相連接，使學生能夠從理論物理的高度去解釋中學物理中的熱問題；(3)減少了數學公式的推導，采用多媒體課件對復雜的公式推導過程進行講解，提高教學效率。同時，更加重視物理思想教學，特別是物理模型的構建；(4)挖掘思政元素，加強思政教育；(5)建立題型多樣、題目豐富的電子題庫。實踐表明，對熱力學統計物理教學內容進行改革后，學生的學習興趣和積極性得到了明顯提高，課堂的互動氛圍得到了有效改善，教師有更充足的時間來講解系綜理論，但還是需要學生花一些時間來復習熱學知識。