劉云

（畢節(jié)學院 理學院，貴州 畢節(jié) 551700）

“熱學”與“熱力學與統(tǒng)計物理學”課程整合與改革

劉云

（畢節(jié)學院 理學院，貴州 畢節(jié) 551700）

以地方性院校的人才培養(yǎng)目標為導向，以培養(yǎng)適應社會發(fā)展的人才為宗旨進行物理課程《熱學》和《熱力學與統(tǒng)計物理》的整合與改革。整合后的課程符合教學的基本規(guī)律和學生的認知規(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內(nèi)容要求和提高教學質(zhì)量的要求。

熱學；熱統(tǒng)；整合

“加強教學基本建設，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強社會服務能力”，是地方性院校的辦學宗旨。為適應這一形勢，我校這類新升本科院校必須一切以教學工作為中心，改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式，積極倡導理論課教學內(nèi)容整合、教學方法的改革和現(xiàn)代教育技術手段的運用，降低必修課比例、加大選修課比例、減少課堂講授時數(shù)等，增加學生自主學習的時間和空間，拓寬學生知識面，提高學生的學習興趣，完善學生的知識結構，促進學生個性發(fā)展，培養(yǎng)服務地方經(jīng)濟的應用型、技能型人才。對熱學和熱力學與統(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》與《熱力學與統(tǒng)計物理》（以下簡稱“熱統(tǒng)”）兩門理論課進行整合與改革，突出適應我校的富有特色的課程設置與教學模式。

一、課程整合的原因

1.教學現(xiàn)狀。我校2011級物理學專業(yè)的培養(yǎng)方案是把“熱學”安排在第三學期上，共72學時；而“熱統(tǒng)”安排在第六學期上，共54學時。2011級應用物理專業(yè)的培養(yǎng)方案是把“熱學”安排在第三學期上，共54學時；而“熱統(tǒng)”安排在第六學期上，共54學時。2011級光電子技術科學專業(yè)的培養(yǎng)方案是不開設“熱學”，而“熱統(tǒng)”安排在第六學期上，共54學時。2012級、2013級的培養(yǎng)方案是把“熱學”和“熱統(tǒng)”課時數(shù)都減為54學時，所開設的學期不變。這樣，由于我們這種地方性院校學生基礎較差，學生對“熱學”知識的掌握不深入，兩門課的跨度時間又過長，導致上“熱統(tǒng)”的時候老師還要再詳細地給學生復習“熱學”部分基礎知識，導致“熱統(tǒng)”教材中的熱力學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的前沿知識和應用，不能突出“熱統(tǒng)”這一門課的核心地位，學生的實踐能力的培養(yǎng)得不到保障。

2.“熱學”與“熱統(tǒng)”內(nèi)容的重復性。目前，我校物理學專業(yè)“熱學”和“熱統(tǒng)”課程使用的教材為：李椿、章立源、錢尚武編的《熱學》，是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材[4]，其結構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·統(tǒng)計物理》[5]（以下簡稱“熱統(tǒng)”），內(nèi)容包括熱力學與統(tǒng)計物理兩個部分，其中熱力學講授的主要是熱力學的基本定律、熱力學函數(shù)、相平衡與化學平衡等；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)”課程中熱力學部分和統(tǒng)計物理部分各占總內(nèi)容的46%和54%。而“熱學”課程中的熱力學定律部分和“熱統(tǒng)”課程中熱力學的部分內(nèi)容重復率高達2/3，“熱學”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）重復率近1/4。按照這樣的課程設置進行授課，我們新升本科院校的辦學宗旨難以得到很好的實現(xiàn)。

二、“熱學”和“熱統(tǒng)”課程的整合思路和整合原則

“熱學”和“熱統(tǒng)”課程整合是為了適應現(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”和“熱統(tǒng)”整合后應保持原有知識體系的完整性和系統(tǒng)性。以熱物理學的基本概念、基本規(guī)律、基本方法為主線，突出熱物理學的學科特點，突出熱物理學研究問題和解決問題的方法和思維。第二，“熱學”和“熱統(tǒng)”的整合要符合教學的基本規(guī)律、人們認識事物的基本規(guī)律和學生的認知規(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，應用統(tǒng)計物理學的方法理論分析物質(zhì)的宏觀特性，如圖1所示。第三，“熱學”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)容有關的新成果、新方法和新理論充實到課堂教學中來，便于學生瞻望熱物理學與近代科技前沿之間的發(fā)展關系，開闊眼界，啟迪思維，增強熱物理學的實用性，避免學生總是認為熱物理學的知識太老了，與現(xiàn)代生活沒有聯(lián)系。進一步培養(yǎng)和提高學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量。

圖1 熱物理學的認識規(guī)律

三、課程整合的實踐與改革

結合我校物理學專業(yè)的學生基礎、師資隊伍、教材建設等各方面的情況，“熱學”與“熱統(tǒng)”課程獨立教學。在教學過程中，采用兩本教材教學，對相同、重復的內(nèi)容合二為一進行教學，根據(jù)教學要求和培養(yǎng)目標，合理選取教學內(nèi)容：第一，授課內(nèi)容的整合?？梢詫ⅰ稛釋W》整合為五章，其內(nèi)容包括：緒論—溫度—熱力學第一定律—熱力學第二定律—氣體分子運動論，第四學期開設。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，第五學期開設。這種編排體現(xiàn)了熱物理學知識結構的完整性、嚴謹性和科學性，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)及它們之間的轉化規(guī)律。這種體系避免了兩門課程內(nèi)容不必要的重復，知識點之間更具很好的銜接，這種安排在教學體系上一氣呵成，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，以便于把熱物理學這門學科拓展為既老又新的知識。第二，在“熱統(tǒng)”教學中大量削減熱力學內(nèi)容。在“熱統(tǒng)”中主要講授統(tǒng)計物理的理論和應用。關于熱力學的基本概念和基本定律，在“熱學”中已作過較詳盡的討論，不作更多的介紹。在“熱學”中已討論較多的“麥-玻分布（最可幾分布）”也盡量不再重復，只將它作為系綜理論的結果討論。這樣，還可以更好理解宏觀理論與微觀理論的統(tǒng)一，使學生認識上一個層次。第三，適當增加實踐課。每學期安排1～2次專題講座，請外校或本校的資深專家教授介紹熱物理學學科的最新進展，如負溫度的概念、熵在信息和生命科學中的應用等。通過這種方式將前沿科學與課堂教學內(nèi)容相結合，這不僅避免了學生急功近利的想法，還引導學生對舊知識、物理學史的更深的理解，而且讓學生身臨其境地體會到科學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，這樣既能增強學生的實踐能力，又能為培養(yǎng)適應現(xiàn)代社會的富有競爭能力的人才創(chuàng)造了條件。第四，為考研學生進行輔導。據(jù)調(diào)查，我校畢業(yè)的學生考研的僅占4%左右，大部分畢業(yè)生都到各行政、機關、企事業(yè)單位工作。對于少數(shù)考研學生而言，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生集中進行輔導，再增加整合后沒有講到的又與考研有關的內(nèi)容，強化考研章節(jié)。

四、改革教學方法

根據(jù)整合后的教學內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學方法已不再適應新教學內(nèi)容和新形勢的發(fā)展，只有知己知彼地分析設計一種全新教學模式：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)容相關知識拓展，并逐步形成“問題為綱，分層教學，師生互動，自主探索，協(xié)作討論，課后輔導”的教學模式。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)計熱力學的重點、難點，所以占用學時也是最多的，配分函數(shù)可說是本章的關鍵。一定要改變傳統(tǒng)的教學方法，使用全新的教學模式教會學生能利用統(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函數(shù)，并拓展其內(nèi)容，總結研究熱物理問題的方法和思維，引導和協(xié)作學生研討課程內(nèi)容與前沿科學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)容和改革后的教學方法對2010級物理學專業(yè)（1）、（2）班的學生進行教學，并做了問卷調(diào)查：學生的補考率相對整合前少了，大多數(shù)學生對熱物理學有了新的認識，不再感到熱物理學知識的陳舊，也排除了物理學專業(yè)的學生流傳下來的物理學既難學又沒用的觀點，對學習物理學不再有盲目感了，了解到熱物理學與科學研究息息相關，而且非常重要。例如：激光冷卻、超導、超流現(xiàn)象都是與熱物理學為基礎的新科技成果。激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的認識能力。

在高等教育改革不斷推進的今天，作為物理學專業(yè)基礎課和專業(yè)主干課程的“熱學”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)化課程設置，以達到高效的教與學的目的，達到培養(yǎng)服務地方經(jīng)濟的應用型、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”和“熱統(tǒng)”兩門課程進行整合和教學方法進行改革，理順知識體系，刪減重疊內(nèi)容，增加現(xiàn)代科技內(nèi)容，不但使總的教學時數(shù)減少（由72+72學時減為54+54學時），而且學生的物理概念、物理模型、物理過程進一步加強，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的認識能力。課程整合不僅沒有削弱學生的物理基礎，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構，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習、不斷進步，了解與本學科有關的前沿的新知識。

[1]謝國秋，劉仁臣，程和平.熱學和熱力學與統(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方法探討[J].信息技術，2012，（11）：37-39.

[3]蘇安.“熱學”與“熱力學統(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—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·統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2006.

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0121-03

劉云（1970-），女，貴州大方人，副教授，碩士，主要從事熱力學與統(tǒng)計物理學的教學與研究。