关于本科生物理基础课程教学和教材编著的一些思考——刘玉鑫编著《热学》教材(北京大学出版社，2016年4月第1版)的前言

刘玉鑫

(北京大学物理学院，北京 100871)



风采实录

关于本科生物理基础课程教学和教材编著的一些思考
——刘玉鑫编著《热学》教材(北京大学出版社，2016年4月第1版)的前言

刘玉鑫

(北京大学物理学院，北京 100871)

目前认识到的运动形式有机械的、热的、电磁(包括光)的和“暗”的等。 热学是研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响、以及热运动与其它各种运动形式之间相互转化的规律的物理学分支。很显然，热学的研究对象包括热运动的规律和物质的宏观性质两个方面，宏观性质可以根据其状态的特征分为静态的和动态的，并可以根据其运动形式分为力的、热的和电磁(光)的、等等。物质系统(亦称为热力学系统)的最重要特征是其由大量微观粒子组成，也就是说，热力学系统既可以是宏观上的大系统，也可以是宏观小微观大的系统，因此热学的研究对象不仅包括宏观可见的系统还包括通常意义上的微观系统。再者，物质的状态不仅包括固态、液态、气态、等离子体态、高压态、粉尘态等表观(可见)的状态，还包括仅微观可见的由物质的组分粒子的关联(或构型、结构)决定的微观状态，通常把仅宏观可见的状态简称为物态，把考虑微观结构的状态简称为物相，例如常见的物质 — 铁，由其分子(原子)构成四种不同的晶体结构，于是铁有体心立方δ铁、面心立方γ铁、体心立方β铁和体心立方α铁，并且其性质有较大差异，因此都呈现为固态的铁有四种相。那么，物相是具有更普遍意义的描述热力学系统状态的概念。系统由一个相向另一个相的演化(变化)统称为相变。现代物理学研究表明，物质的演化(包括宇宙等的演化)过程中相变起着至关重要的作用，因此相结构与相变已成为现代物理学的重要研究领域。

根据热学的研究对象的上述特点，在长期的研究中逐渐形成了由宏观入手和由微观入手两种方法，并分别简称为宏观方法和微观方法。宏观方法是根据大量观测事实，应用数学工具，通过逻辑推理和演绎，分析总结归纳出确定的、可观测的宏观量之间的关系及其变化规律。由于观测事实既可以是静态的也可以是动态的，因此这种方法既适用于研究状态方程等静态性质也适用于研究热力学定律等动态规律，通常也称之为热力学方法。显然，这种方法具有唯象和可靠、普适的特点。微观方法是根据物质微观结构的学说，从微观层次出发，利用统计的方法阐述物质宏观性质的物理本质，因此通常也称之为统计物理方法。显然，这种方法具有唯理和基本的特点，但由于受到对微观结构及组分粒子间相互作用认识的水平和实际计算能力的限制，这种方法被认为具有近似的特点。由于宏观物理量是相应的微观量的统计平均值，因此热力学(宏观)方法和统计物理(微观)方法相辅相成、互为补充。

作为基础物理的热学课程的教材或参考书，本书系统简明地介绍热运动的基本性质、规律以及热物理学研究的基本方法及其应用。根据热物理学的研究对象的上述特点，其内容共分七章：

第一章介绍热力学系统及其平衡态的基本概念、状态参量之间的关系及其微观本质；

第二章介绍热力学系统中微观粒子热运动的基本规律 — 按微观运动状态的统计分布；

第三章对偏离平衡态不大的系统(即近平衡态系统)中的输运现象予以简要介绍，并说明输运现象的微观本质；

第四章和第五章介绍热力学过程的基本规律 — 热力学的第一、第二和第三定律，并对内能、焓、熵、自由能、自由焓及化学势等物理量予以讨论；

第六章介绍液体的彻体和表面两方面的基本性质(对于气体性质的讨论已穿插于前几章之中，不再单列；对于固体，对其性质进行讨论的课程已经被列为必修课程，并有大量教材和专著，本书也不专门讨论)；

第七章介绍相和相变的基本概念以及单元系中常见相变的现象、性质、规律及其唯象理论描述。

按前述的热力学系统的状态的性质，本书内容采用将静态性质与动态性质两部分大致分开、分别讨论的方式来展开。第一和第二章讨论静态性质和规律，第三、第四、第五和第七章重点讨论动态性质和规律，第六章讨论特殊系统的静态和动态性质。从原理、方法及其应用的著录展开方式来看本书的内容，其第一、第二、第三、第四和第五章主要介绍原理、规律和方法，穿插介绍一些应用；第六章和第七章主要介绍前述规律和方法的应用。为展示宏观方法与微观方法之间的关系，在各章节的介绍和讨论中都兼顾两种方法。当然，考虑各课程内容划分的惯例，该书对微观方法的介绍和讨论在“分子”动理论的框架下来展开，不采用标准的统计物理的系综理论方法。

全书的内容和分量与基础物理学的热学课程约45～54学时相匹配，可作为相应的教材或/和参考书。其基本内容也可供32～40学时的热学课程的教学使用。

关于教学，尤其是基础物理课程教学，经过多年的努力，人们基本上已经将其目标定位由单纯地向同学们传授知识转变到了提高同学们自己获取知识的能力、提高同学们批判性思维的能力和创新性研究的能力。为真正实现这一目标定位，作者认为至少应该注意下述事项或环节：

(1) 准确把握并宣扬物理的内涵和外延，避免被认为是“纯粹理论”科学、甚至因所谓的加强应用技术而将物理课程边缘化;

(2) 着重对基本概念的准确论述和讲解，着重物理原理和机制的基础性及其寻根求源的探索性，切莫让人将“物理”误认为是“无理”;

(3) 着重物理图像和知识体系构建及解析计算能力、数据分析能力的培养，着重定理、定律及公式的实质及适用条件的分析，避免生拉硬套 甚至误导学生;

(4) 积极调动和激发同学们探索未知的兴趣和欲望，培养并提高同学们批判性思维的能力和创新性研究的能力，切忌抹杀同学们的好奇心和批判精神。

在目前情况下，让同学们广泛查阅研读繁多的原始文献仍不现实。因此，为落实上述事项和环节，首先需要建设相应的教材或/和教学参考书。况且，热学是同学们接触、了解组分单元极多、宏观规律不完全遵守决定论的动力学规律的第一门课程，同学学习和教师讲授的难度都很大。考虑预期目标与现实状况的契合，在本教材的编写过程中，作者始终贯彻“崇尚结构、力求平实、承袭传统、注意扩展”的方针，具体的着力点包括：

(1) 不仅注意阐述理论及其导出或证明过程，还重视对实验及应用的描述和分析，使得读者可以由之体会到物理学不仅是深化并提高人类对自然界的认识的科学，更是几乎所有高新技术的源泉的科学，从而窥得物理学是“见物讲理、依理造物”的科学的学科真谛。

(2) 关于概念的准确性及学科本身的基础性和探索性、避免被误解，对于定理、定律及公式等，本书尽量在预判的同学们已具备的知识储备基础上给出完整的论述、论证或/和证明，避免“可以证明”的字样；对于远远超出同学们知识储备基础和本课程范畴的问题，本书明确说明在后续的课程可以得以解决或处于正在研究的阶段。例如，对于熵及热力学第二定律，尽可能从多方面多视角展开论述和介绍，尤其是清晰地给出了克劳修斯熵与玻尔兹曼熵的等价性的论证，避免“物理学自说自话”的误解和学术上有“一言堂”或“强词夺理”甚至“无理取闹”的嫌疑；又如，关于热物理学研究对象及热物理学原理的使用范围，强调其核心在于由大量微观粒子(微观状态)组成的特点，而不在于是否宏观可见，在具体介绍和讨论中，除了以宏观系统为实例外，还适时提及由大量微观粒子(微观状态)组成的微观系统，并专列了附录B介绍一个实例。

(3)关于知识体系构建及物理实质、使用范围等，无论是对表征静态性质的状态方程、统计分布规律、态函数，还是对动态性质的近平衡态中的输运、热力学三定律和相变，本书始终在物理学本质上是实验科学的基础上来展开内容，并注意热学的热力学和统计物理两种研究方法的相辅相成、相得益彰之处，以求使同学们不仅尽快适应热学的特点和研究方法，而且构建起系统完整的热学知识体系；更重要的，以之作为实例对同学们发现问题和提出问题的能力、分析问题和解决问题的能力等进行训练，并且学习归纳总结、演绎推理、理论计算与分析等创新性研究的方法，以及适用条件分析、近似取舍等方法，从而使其创造性思维和创新性工作能力得以培养和提高。关于解析计算和数据分析，除在正文和例题中尽量完整严格展现之外，还引用和新编了相当大一部分习题进行相应的训练。

(4) 尽可能在不超出同学们知识储备水平层次上自然地引入前沿研究和发展现状的介绍， 激发同学们的兴趣和积极性，并以其为基础进行展开和深化。

(5) 本书引用、改编和新编习题共236道，其中约四分之一是根据目前广泛关心的自然现象和学术问题以及正在致力研究的问题或提出的方法改编和新编的，难度较大，尤其是对解析计算、数值分析、物理直觉及合理近似的要求较高，以期由之激发同学们的兴趣、培养并提高其能力。

尽管该书是基于作者在北京大学物理系和物理学院讲授热学近20年的讲义整理而成，并经多位同仁使用，但是，由于其中蕴含的材料不仅信息量较大，知识跨度也较大，尤其是探索之处甚多，加上作者水平所限，书中一定存在很多不妥和错误之处，恳请读者不吝赐教。

在本书编著过程中，欧阳颀院士、李定平教授、刘川教授、马中水教授、舒幼生教授、王稼军教授、孟策副教授、穆良柱副教授、全海涛研究员等认真阅读了全部书稿，并多次与作者进行深入具体的讨论，提出了许多宝贵的修改意见；北京大学理论物理研究所、北京大学基础物理教学中心、中国科学院理论物理研究所及其它单位的很多同仁也提出了许多宝贵意见和建议。穆良柱副教授还核对了所有习题的参考答案。在此，作者对诸位同仁表示衷心感谢！

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刘玉鑫. 关于本科生物理基础课程教学和教材编著的一些思考——刘玉鑫编著《热学》教材(北京大学出版社，2016年4月第1版)的前言[J]. 物理与工程，2017，27(3)：95-96.