创新视域下《热力学与统计物理》课程教材比较研究

朱励霖 向 钢

(四川大学物理学院,四川 成都 610065)

《热力学与统计物理》是一门国内外物理专业不可缺少的核心课程,隶属“四大力学”之一,在物理学知识体系中占有极为重要的地位。《热力学与统计物理》是我们了解微观世界和宏观世界联系的重要课程,它同时运用了其他课程中罕见的思维方式——宏观视角与微观视角的交替综合运用——深刻揭示了自然界的规律。这门课程是一门进行严谨、严格思维训练的最重要课程,并不断启迪其他学科的研究。因此,国内外高校对《热力学与统计物理学》课程都十分重视。

《热力学与统计物理》也是一门即古老又常新的学科。古老,意味着这门课内容多、系统性强,同时因涉及到《量子力学》等多门前置课程,对教与学是一大挑战。常新,意味着随着人们对热力学与统计物理研究不断深入,新理论不断涌现、知识更新周期缩短、教学内容日益丰富,对所选用教材提出了高要求。到目前为止,无论是在国内还是国外,该门课程的教材都非常丰富,有些教材理论性很强,有些教材更偏重于实际应用,有些教材涉猎非常广泛、包罗万象。不同教材,甚至同一教材不同版本都各有其特点。教材是实现创新型人才培养目标的重要保证。因此,面对如此大量的教材,如何选择一本优秀的、能够激发和培养学生的思维能力和创新意识的教材是每一位任课教师教学时面临的首要问题。基于此考虑,在教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会立项资助和四川大学新世纪教改项目资助下,我们与华中师范大学物理学院合作,研究了国内外高校《热力学与统计物理》主流教材的特点。两所学校的教师采用不同的主教教材,通过备课、课堂讲授与讨论以及课后与学生交流的反复实践,深入了解每本教材的总体架构和主要内容、特点以及适用情况。为此,我们希望通过深入比较研究中外主流教材的异同,为《热力学统计物理》任课教师选择教材及教学方法提供重要参考或指导。

1 两所学校选用不同的主讲教材

鉴于本科生的平均专业英语水平,四川大学与华中师范大学均选用国内作者编撰的教材:四川大学采用汪志诚编写的第五版《热力学·统计物理》[1];华中师范大学采用刘连寿主编的《理论物理基础教程》[2]。这两本教材分别代表了《热力学与统计物理》课程的两种教学体系:玻耳兹曼理论主线和吉布斯系综理论主线。前者内容翔实,覆盖面广,但热力学比重过大,以至于对统计物理的讲授略显仓促。另外,热力学和统计物理知识点相对独立,没有相应的衔接和过度章节帮助学生理解这两部分内容的内在联系。后者从统计物理学开始着手,直接从统计规律引导读者学习热力学,虽然更加强调了统计物理学与热力学的关系,但统计物理学比较抽象,使得学生难以从热力学的角度理解热力学的一些基本概念和定律。与此同时,我们还选用了大量参考教材,比如:《统计热力学》(梁希侠)[3],《统计物理学》(苏汝铿)[4],《热力学与统计物理》(林宗涵)[5],《热学 热力学与统计物理学》(曹烈兆、周子舫)[6],《热力学与统计物理》(欧阳容百)[7]等。这些教材多为国内名校编著的教材,国内使用量较大,评价较好,虽然结构内容稍有差异,但总体上也可归纳为上述两类体系。

同时,考虑到一部分优秀本科生的英文水平较高、对课程内容的学习领悟能力更强,我们也为这部分学有余力的同学选取如下国外教材作为本门课程的辅助教材:《Statistical Mechanics》(Kerso nHuang)[8](四川大学),《Statistical Mechanics》(R.K.Pathria)[9](华中师范大学)。这两本教材是国外较为广泛采用的统计物理教材。前者简明精炼,但它的确涵盖了统计物理的几乎全部内容,并且对现代物理概念和应用数学工具的介绍很透彻。后者教材系统性很强,使用的方法或者观点非常新颖,具有非常强的耐读性,更能激发读者的兴趣与求知欲;但公式推导不够详尽,给学生阅读带来困难。

两校老师虽然采用不同的教材,但课题组的老师定期交流教材的使用情况和心得体会,分享一些基本概念的教学方法,探讨教学改革的思路及方法。通过这些经常性的、及时的交流,主讲教师更快地了解和熟悉了不同教材的总体架构和主要内容、特点以及适用情况。在此过程中,我们发现国内外《热力学与统计物理》主流教材相比,各有特色,互为补充。简述如下:首先,国内教材的特点是内容更为系统和深入,但是很少有教材侧重于个别方面深入讲解,这就使得国内的每一本教材都很全面,但是很难找到重点讲解某个方面的教材或参考书籍;而国外英文教材特别是欧美教材,更注重于把某一些知识点讲透。其次,国内教材的内容呈现方法比较实用、比较传统,但少有风格新颖而独特的教材激发读者的兴趣与求知欲。这与国内热力学与统计物理课程课时少而内容多是有关的。最后,国外教材中的图像、表格应用得更多,设计、制作的也更精心,很多时候,图像、列表在表达物理含义时要比文字更加形象,更加逼真,这些都能有效地帮助学生理解深奥的物理知识。

2 设计并完成《热力学与统计物理》课程问卷调查

学生是教学的主体之一。为了全方位了解学生对所用主讲教材的反馈意见,我们设计了一套关于《热力学与统计物理》课程的调查问卷。问卷的调查对象是四川大学和华中师范大学2015级和2016级本科生。问卷共计151道题,其中包含149道选择题和两道简答题。内容涉及教材结构、讲授方式、主讲教材评价和知识体系等方面,比如:讲授的内容次序是以历史发展为序,还是以内容本身的逻辑为序;在此两种不同顺序的教材写法中,具体内容的阐述其先后、详略的区别是什么;内容是否充实新颖,物理概念是否清晰透彻,是否配有生动形象的图像解释和说明,例题和习题的选择与解答是否适当,与实际运用的联系是否紧密;学生对热力学和统计力学知识点的熟悉和难易程度等。

通过分析问卷,我们发现:两校学生对所用主教材料普遍比较满意,主要体现在内容设计、基本概念准确、理论阐述科学严谨、例题详尽有针对性和启发性,但由于两所学校所选主讲教材出版较早,没有涵盖本学科前沿研究知识,导致教材缺乏耐读性,不能激发学生的兴趣和求知欲。另外,国内教材注重系统性,缺少实际应用,学生在其中找不到书本理论应用于实际生活的范例,这就使得抽象的物理思想更加晦涩难懂。

3 科技前沿知识与生活实例融入课堂教学

从以上的教学实践和问卷调查,我们可以看出,现行的《热力学与统计物理》主流教材可以让学生掌握热力学和统计物理的基本思想、基本理论,但这些教材的内容相对滞后,学生在学习过程中,新旧知识点之间、理论知识与实际应用之间难以衔接。学生迫切地希望了解教材中的理论知识在生活实际中的运用以及国际上本学科最新的科学研究动态,这也是培养他们专业素养和创新意识的前提条件。因此,在本课程的教学活动中,我们根据学生学习情况,融入生活实例的讲解和相关科技前沿的介绍。四川大学还开设一门配套的专业选修课《热力学与统计物理在现代科技中的应用》。老师为学生精心挑选和设计了八个课题,比如:量子热机、量子测量、开放量子系统凝聚态模型、信息熵、恒星演化与白矮星电子气体简并压,等等。如此,既让学生加深了对基本的热力学和统计物理知识的理解,也了解到当今热力学与统计物理的理论还可以应用到其他自然科学甚至社会科学领域,包括信息学、计算机学、生物学、宇宙学、经济学等。例如,众所周知,人工智能与大数据是当前国际国内的研究热点,虽属于计算机科学的分支,但热力学与统计物理是其重要基石——事实上,人工智能与大数据研究的论文,绝大多数发表于统计物理学专业期刊。

除了课堂集中讲授,主讲老师也组织学生围绕课堂知识点相关的生活实际应用和当前研究热点进行小组讨论,以此增加课堂教学互动,提高教学效果。利用所学的内容解释自然和社会现象,提高课程的吸引力和学生学习的积极度。讨论式教学方法,结合科研前沿融入课程教学内容,极大地丰富了我们现有教材的内容。开放的教学内容和模式不但加深了学生对热力学与统计物理基础知识的理解,更重要的是培养学生的开放性思维能力和灵活应用科学的思路与方法解决实际问题的能力。

4 结语

总而言之,我们通过对国内外高校《热力学与统计物理学》主流教材的深入调查和研究,以期为国内高校教师在选择教材和参考书时提供一定的建议和帮助,也希望能够对《热力学与统计物理》教材的编写提供一些的借鉴,丰富国内高校的教材,改变国内高校教材比较单一、内容不够新颖的现状,增强国内教材的耐读性,从而激发学生的兴趣和求知欲,为培养更具创新能力的物理学人才打下坚实的基础.