地方民族院校以学生为主体的热学课堂教学改革尝试——以理想气体压强公式的推导为例

黔南民族师范学院物理与电子科学学院 刘凤华

热学是物理学专业学生进一步学习热力学与统计物理、量子力学及固体物理等相关课程的基础，热学知识掌握的程度直接影响后续课程的学习。这也是学生初入大学接触的第一门专业课程，如果一开始学生对这门课程提不起兴趣或是觉得很难懂，那么势必对以后的学习产生畏惧或是不自信的心理。由于热学概念定律较多，逻辑性不是很强，学生学习难免感觉空洞乏味。另外，部分教学内容学生在中学阶段已有接触，感觉学习起来没什么新意，而传统的教师一人在台上讲学生在下面被动听的教学模式，更是限制了学生课堂参与的积极性，对课程的学习自然也提不起强烈的兴趣。由于我校为贵州省一所地方民族院校，地处偏远，学生大都来自少数民族地区，与东部省份高校学生相比基础薄弱，学习主体能动性不高。因此，如何根据学生的知识水平制订相应的教学方案，最大限度地调动学生学习的主动性和积极性，发挥学生的主体性，则成为决定一堂课成败的关键。本文以理想气体压强公式的推导为例，结合近几年的热学教学经验来谈一下在课堂教学中如何引导学生发挥其主体能动性，让学生在学习知识的同时学会分析和解决物理问题的方法和思路。

一、平衡态下理想气体压强的常规推导

根据伯努利的观点，理想气体的压强是大量分子持续不断地作用在器壁上产生的。从微观上看，气体的压强等于大量分子在单位时间内施加在单位面积器壁上的平均冲量，即p=dIdAdt。从该公式可以看出，只要求出dt时间内碰撞到面积dA上的冲量dI，就可以得到气体所产生的压强，因此求冲量dI是关键。在此之前，虽然学生对分子热运动的无规则性有了一定认识，但是对于平衡态下的统计假设却是第一次接触。该假设主要有三点：（1）容器内各处的气体分子数密度均相同，也就是理想气体分子是均匀分布在容器中；（2）分子沿任一方向运动的概率是相等的；（3）分子的速度在各方向分量的各种平均值是相等的，例如vx2=vy2=vz2。对于这三点假设学生是比较容易理解的，但是具体在什么地方要用到这些假设，则需要教师的引导启发。

这种讲解方式看起来思路清楚，但是大部分时间是教师一个人讲解，学生没有真正参与到课堂上，对于有些地方的推导只是被动接受。就像推导过程中的第一步，尽管学生知道粒子的热运动是无规则的，但是对粒子按速度分组是他们不曾考虑过的，因此部分学生只能采取死记硬背的方式来记住推导过程，这对学生思维能力的提高毫无益处。由于受中学物理学习方式的影响，对于大学里接触的一些物理量，刚入大学的学生习惯看成是恒量，微分思想在物理问题的研究中没有得到体现。对一些学生来说，突然改变原有的思维方式来处理问题是不适应的，甚至有些学生对高中所学产生怀疑，究其原因在于教师没有对学生进行很好的启发。学生思维方式的变化不是一蹴而就的，也不是灌输式地说教就可以形成，需要教师在学生高中物理知识的基础上循序渐进地启发引导。再加上民族地区学生本身基础比较薄弱，且第一次接触有关微观粒子统计的知识，大部分学生反映在听教师讲完一遍之后基本上似懂非懂，感觉公式太多太复杂，抓不住头绪，没有递推性。故而在前几年的授课中，即便这一部分公式的推导给学生讲解两遍，学生仍是模棱两可，更由此导致学生对后续学习的畏惧心理，感觉热学学起来很费劲，提不起兴趣，课堂教学效果低下。这就要求教师改变原来的教学方式，因材施教，因生施教，针对学生基础制定不同的教学设计，对学生进行适时引导，让学生参与到课堂中，调动学生思维活跃度，最大限度地发挥学生的主体能动性。

二、采用启发式教学，发挥学生的主体性

最近两年，我们改变了原来的教学方式，不再是教师一个人在讲台上滔滔不绝地讲，而是通过教师主导作用，利用提问、反问等启发方式让学生参与到课堂中，采用启发式教学后，学生对知识的掌握不仅比以前牢靠，学习的主动性和兴趣也有了明显提高。这种启发式教学的基本思路是在学生已有知识的基础上，首先帮助学生建立起解决问题的整体思路框架，对于细节性的地方或是学生难以综合应用的地方，教师适时加以引导。由于教师是在学生思路基础上进行讲解，学生在听的过程中总是会想着到底什么地方自己没有考虑到呢，或是为什么考虑不到，这样无形中调动了学生的积极性，使学生全过程参与到整个教学活动中来。

采用新的教学方式后，我们不再一开始直接告诉学生推导过程中的一些假设，而是先让学生在已有知识的基础上做一个大概的推导，发现大部分学生的思路基本如下：总的冲量I等于单个粒子对器壁的冲量2mvx乘以总粒子数N，即I=N*（2mvx）。对于总粒子数N，在初中物理讲解电流的定义时，求过在t时间内通过导体横截面的电量Q，因此学生对该方法并不陌生，可借助此方法求出时间t内通过体积V的总粒子数N=nV=nAvxt。有了总粒子数代入公式p=I/At便可进一步求出压强。这种思路尽管不够严谨，但对于刚上大一的学生来说简单易懂，并且每个同学都能独立推导出来。这时教师只需在学生推导的基础上进行有目的地启发引导，既可以帮助学生进一步完成由高中到大学思维方式的过渡，锻炼学生处理问题的能力，又能够让学生有一定的成就感和参与感。

2.针对I=N*（2mvx），启发学生公式这样写意味着所有粒子的速度是相同的，然而粒子是做无规则热运动，速度的取值有各种可能性，在这种情境下再把对粒子按速度分组引入。通过让学生对自己推导的否定引入粒子按速度分组，要比推导之前直接告诉学生效果要好。明白这个问题后，学生可以很自然地将原来的I=N*（2mvx）更正为I*=Ni*（2mvix），其中Ni=nivixdAdt.

3.最后引导学生将平衡态的统计假设的第2点和第3点应用到所推导情境中，并对所得公式进行处理。通过这种方式，我们发现大部分学生整个推导过程的思路非常清楚，目标达成度很高，这也说明这种启发式教学模式是十分有用的。由于在整个推导过程中，学生一直参与其中，通过教师启发对已有推导公式进行反问找出自己思考过程中的漏洞，既掌握了知识，获得了成就感，又在推导过程中锻炼了思维方式，不再觉得热学只是枯燥无聊的公式堆砌。因此，对于基础薄弱的学生，教师要改变“灌输式”的教学方式，注重学生主体能动性的发挥，通过不断尝试和探索，提高教学质量，让每位学生在获得知识的同时，分析和解决物理问题的能力得到增强。