创新视域下的热力学与统计物理学教学实践探索

马晴 李耀宗 郭秋芬 华雪侠

摘 要 热力学与统计物理学是物理学及相关专业的一门重要理论课，具有理论抽象、数学基础要求高、教学难度大等特点。基于创新能力培养的要求，在热力学与统计物理学教学中突出问题导向、突出科学方法教学、运用信息技术并参透人文教育，优化教学活动，突破教师难教，学生难学的状态，使学生创新能力得到提高。

关键词 问题导向 方法教学 人文教育 创新

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.06.058

Abstract Thermodynamics and statistical physics is an important theoretical course in physics and related majors. It has the characteristics of theoretical abstraction， high requirements of mathematics foundation， and great difficulty in teaching. Based on the requirements for training innovation ability， in the process of teaching thermodynamics and statistical physics the problem-oriented and scientific teaching method is highlighted. And information technology is used as humanistic education is penetrated， optimizing the teaching activities and breaking the difficulty of teaching and learning so as to improve students innovation ability.

Key words problem-oriented； teaching method； humanity education； innovation

0 引言

创新是民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。创新的关键在人才，人才的成长靠教育。变革教学理念与方法，促进学生深度学习，强化科学素养，是当下培养创新型人才的有效途径。

1 突出问题导向，培养学生自主学习能力

在学生已具备热学及高等数学基础知识的前提下，教师通过对生活与工程中的一些与热现象或热统问题有关的现象进行分析凝炼，设计一套隐含教学目标要求的问题链，在课前让学生带着问题阅读教材和指定的资料，阅读过程中通过积极思考，自主完成学习任务；在课堂上由老师根据学生自主学习情况，引导学生开展讨论，进行归纳和总结；涉及理论推导的问题，教师给出要使用的数学工具，并说明工具的用途及使用方法，学生自己选择工具并尝试使用，通过学生和教师的互动，在做中学，在合作探究中完成数学推导。需进一步作出推论的，可再给出问题，让学生自主选择工具来完成。推论过程中学生遇到的难点，教师通过引导、启发，由学生自主探索解决，学生在分析、归纳、综合“旧”知识的过程中探索出“新”知识。比如，理想气体的内能和熱容量一节中，可以不从自由度及配分函数的计算出发，而从实验曲线出发，让学生观察不同温度区间曲线的特点，再分析为什么是这样的结果，猜测数学模型及相应的函数，最后得出有关自由度及配分函数的问题。通过对结论进一步提问，又可获得不同分子或原子构成的气体系统的情况。

在此过程中，通过不断地思考问题、表述观点，增强了学生的获得感及自信心，学习的能动性也得到了激发。学生为解决问题需要查阅课外资料，需要归纳、整理所学的知识与技能，在讨论中展示自己的观点，有效地提高了自主学习能力，也改变了“我讲你听，我做你看”传统教学方法，让呆板孤立的知识片化作整体知识链，触类旁通，突出了“课堂是灵魂，学生是主体，教师是关键”的教学理念，学生兴趣浓了，课堂也变得更有生机了。

2 突出科学方法教学，培养学生创新思维能力

科学方法是人们认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式，①②是人们在研究和解决科学问题过程中所运用的策略、程序、办法，是人们认识和改造世界的有效工具。热统课程中包含着丰富的物理思想和方法，如理想化法、类比法、科学假设法、分析综合法等（如表1）。

整体认识这些方法，有利于学生理解热力学与统计物理的物理思想、建立相应的物理图像。通过这种方法引导和运用，将知识转化为能力，进而形成学生学习、探究的价值取向。在教学中注重科学方法教育，使学生受到良好的科学思维训练。创设科学的探究情境，让学生以和科学家对话的方式了解物理学家是如何提出问题的，是采用什么方法进行研究的，从而使学生受到物理学家思维的启迪、熏陶和感染。打破对科学的神秘感，增强学生敢于怀疑、敢于对固有模式颠覆的创新精神，培养学生最基本的科学精神和态度：疑问和批判。

3 运用信息技术，创设学生自主探究的环境

以计算机和信息技术为代表的新技术自诞生以来，已经改变了人们的生产和生活方式，也深刻地改变着人类的学习和对学习的认识。诸多新技术能够为学生创造一种做中学、及时反馈、互动交流、不断精练和深化各自理解的学习环境，能够将那些难以理解的概念可视化，充分发挥人的形象思维。在教学过程中，充分运用现代信息技术整合课程内容、辅助教学实践，对一些抽象的微观运动和现象，利用计算机技术进行建模和仿真，使学生对抽象问题产生直观的、形象的认识。通过建模、参数假设等发挥其主观能动性，把仿真结果与实际情况进一步联系、比较，作出分析和判断。从而使难理解的抽象问题变得直观简单，解决问题的思路变得更加清晰。如在讨论布朗运动问题时，很难把微粒运动的轨迹描述清楚。这时可借助计算机，使用蒙特卡罗法来模拟布朗运动，从而使学生可以直观地看到微观粒子运动的杂乱性，把杂乱的轨迹再做处理，又可得到随机的轨迹方程，这样，随机问题也变得有规律了。在讨论液滴的形成和麦克斯韦速度或速率分布律问题时，如果直接用理论推导来说明，就会枯燥乏味，学生也记不住推导出来的结论。而利用软件构造液滴形成的环境，仿真液滴形成的全过程，通过观察，学生很容易弄清液滴形成的条件，自然也会联想起下雨和人工降雨的天气条件等，对气象问题作出解释，并用于指导生产生活实践。讨论麦克斯韦速度或速率分布律问题，也可利用绘图软件，将抽象的微观粒子的各种运动速度模拟成空间图像，直观地仿真出来，从获得的曲线形式及特点推测曲线的数学函数，再通过仿真计算，验证推测的结果，得到速度分布函数。

现代信息技术在教学中的应用，使学生不仅熟悉了现代工具的使用，使抽象的理论变得直观、生动，还有助于学生对抽象问题的理解，能把枯燥的推导问题变成形象的画面，并由此产生深刻的联想。学生综合思维能力得到锻炼，学习兴趣更加浓厚，自主探究的能力进一步提高。

4 渗透人文教育，提升学生的精神境界

热统教学的目的不只是要学生掌握科学知识，掌握获取科学知识的方法，更重要的是通过渗透人文教育培养学生追求真理的科学精神和态度，提升学生自身的精神境界。

单纯的物理学知识是枯燥的，但物理学发展过程却是曲折、充满人文与历史气息的，③④物理学中的一些原理是可以与学生实际生活相关联的，教学过程中若以知识为载体，通过对物理学艰难曲折发展过程、对科学家发现知识过程中的质疑与批判、思考与探索、意志与毅力等的追溯，向学生传播科学家的科学思想、方法、精神和态度，将使学生与科学家产生思想的共鸣，从而彰显知识的内涵和魅力，激发学生对科学的兴趣。

在热统教学实践中，围绕焦耳、克劳修斯、开尔文、能斯脱、麦克斯韦、玻尔兹曼、吉布斯等科学家对的“热”本质的争论展开教学，通过角色置换展现他们的思想交锋和艰苦探索经历，提高了学生的辩证思维能力和追求真理、破除迷信的精神，有效激發学生学习兴趣。有效激励了学生对问题进行批判性、创造性的思考，提高学生的创新思维水平，这样的教学，有助于学生从整体上理解物理学知识体系，体验物理学的批判精神，从而形成整体性的物理知识观。

在热统教学活动中，可以采用的方法、手段及理念很多。作为教师要不断更新教育理念，改变课堂教学方法，立足学科基础，融入人文精神，发挥信息技术优势，突出学科思想方法、工具和手段的运用；要不断提高教学设计能力和水平，把培养学生创新精神和实践能力作为主要目标，为学生深度学习创设环境与条件。

基金项目：咸阳师范学院教学研究项目（200801007）；咸阳师范学院教学改革研究项目（201202016）；咸阳师范学院教学改革研究项目（201302006）

注释

① 徐序，郑秋南.热力学与统计物理若干教学方法探讨[J].新西部，2013（33）.

② （美）梅拉妮·米歇尔.复杂[M].长沙：湖南科学技术出版社，2014.5.

③ （美）多诺万.学生是如何学习的[M].广西师范大学出版社，2011.3.

④ 热力学·统计物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.12.