热学课程“问题引导”教学法的教学实践

李耀宗 王西明 华雪侠

[摘要] 本文通过案例介绍了热学课程“问题引导”教学法的实施情况，“问题引导”教学法有利于激发学生的学习兴趣，培养学生探究性的学习习惯，提高学生分析问题和解决问题的能力。

[关键词] “问题引导”教学法 学习兴趣 探究性学习

中图分类号：G640O551.3

基金项目：教育部规划課题项目（FIB07334）与咸阳师范学院课程教改项目（200802006）。

热学是物理学专业的专业基础课，课程内容的特点是：概念多，内容杂，研究方法多样，既有抽象的微观统计方法，又有较复杂的宏观实验方法，理论抽象性强，与自然、生活及工农业生产联系密切。课程教学面临的困难可概括为以下三点：一是课时压缩导致的单位课时的教学内容增加，使教学难度加大。二是高校大量扩招导致的学生入学时的知识水平和学习能力显著下降，学生学习难度加大，这一点对我们这样的二本院校比较突出。三是社会、就业等综合因素导致的学生学习积极性不高。针对上述困难，为保证教学质量，我们将课堂教学方法的改革作为教学改革的重点，借鉴了兰州大学、吉林师范大学、清华大学等多所高校教学改革的经验[1-2]，总结出一种能较好适应学生实际及热学课程特点的“问题引导”教学法。经过笔者数年的教学实践，“问题引导”教学法能将热学理论与生活及生产实际相联系，为学生创设生动的探究知识的情境，激发了学生的学习兴趣与学习热情，有利于培养学生的科学探索精神和创新能力，取得了良好的教学效果。

热力学第二定律一章“问题引导”教学法的教学案例

热力学第二定律一章的教学，可分三次进行，需6个课时，其中习题课1个课时。第一次课的实施情况如下：为导入该章内容而设计的问题是：“实际热力学过程在满足能量的转化与守恒定律的同时有无方向性？如何定量描述热力学过程的方向性？”为回答第一个问题，让学生列举生活中看到的热力学现象，教师分析总结后提出两个热力学过程模型，即单纯的热传递过程和单纯的功变热过程，并以摩擦生热及杯子中的热水变凉分析两种过程的方向性和不可逆性，此即热力学第二定律的两种表述。为了进入下一环节的学习，又提一个问题即：“不可逆过程有无内在联系？导致过程不可逆的原因是什么？”可自然地进行两种表述等效性的证明、第二定律表述的多样性以及第二定律的实质的研究与学习。至此，回答了本章开始提出的第一个问题。为了引入卡诺定理一节的学习而设计的问题是：“不可逆热机与理想可逆热机的效率有怎样的关系？”为便于比较，必须让高低温热源的温度均匀且恒定，涉及的模型有均匀恒温热源模型和可逆过程模型，可顺利进行卡诺定理及其证明的教学。此时让学生画出均匀恒定高、低温热源间可逆热机的循环图线，便可判断出该可逆热机正是前一章学过的可逆卡诺热机，可给出热量与热源温度的关系，结合卡诺定理1，可顺利地介绍热力学温标。

第二次课的实施情况如下：为引入克劳修斯等式与不等式一节的学习而设计的问题是“任意可逆循环与不可逆循环热量与热源温度存在怎样的定量关系？”，采取由特殊到一般的分析方法，即由可逆与不可逆卡诺循环得出克劳修斯等式与不等式，再推广到一般情况。熵概念是本章的重点，也是整个热学课程的重点，为给出熵的定义提出的问题是：“克劳修斯等式的本质是什么？”用类比法将克劳修斯等式与保守力（万有引力、静电场力）的条件进行类比。由保守力必然存在对应的势能（引力势能、电势能），且势能是位置的单值函数，类比出热力学系统必然存在一个态函数，给出熵的定义式，并指出熵是系统状态的单值函数。由力学主要关注势能的改变指出热力学主要关注熵的改变。由力学中势能的可加性指出热力学中熵是广延量。由熵的定义给出热力学基本微分方程及熵变的计算方法，通过例题及课堂训练使学生掌握熵变的计算。通过几种较典型的绝热实际不可逆过程系统总熵变的计算（部分计算由学生自己完成），归纳出熵增加原理，强调该原理只能用于绝热过程，至此，给出了绝热过程方向性的描述，即部分地回答了本章的第二个问题。

第三次课的实施情况如下：要完整地回答本章的第二个问题便可引出热力学第二定律的定量表述的教学，通过建立任意初、末状态间的可逆过程和任意过程两种过程模型，由克劳修斯等式与不等式及熵的定义式便可给出第二定律的数学表达式。至此，解决了本章开始提出的问题，完成了本章的基本教学任务。但若让学生将熵与以前学过的压强、温度和内能等概念进行比较，不难发现另一个问题，即：“熵的微观本质是什么？”建立N个分子在一定体积的容器内杂乱运动的模型，定义宏观分布态和微观分布态概念，分析不同宏观态对应的微观态数目，进而给出玻耳兹曼熵表达式，此即熵的微观本质。

效果与分析

该章的教学活动基本是在不同层次问题的引导下围绕解决问题分阶段、分步骤进行的，教学目标明确，贴近生活实际，降低了学习难度，提高了学生课堂学习的积极性，学生对热力学第二定律的定性表述、定量表述、熵及熵增加原理等基本知识掌握得比较牢固。教学的实施过程就是问题的探究过程，通过发现问题、建立模型、定义概念、分析研究问题最终解决问题完成课程教学，体现了以学生为主体，教师为主导的教学理念，有利于培养学生探究的学习习惯，有利于培养学生应用物理学的方法理论解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]刘立华,华中,张勇等.热学教学改革的实践[J].赤峰学院学报2010,26(11):208-210

[2]陈泽民.基础物理教学的四个理念[J].物理与工程2006,16(6):4-8

作者单位：咸阳师范学院 陕西咸阳