热力学·统计物理课程线上线下混合教学的尝试与实践

于景新 杨培霞 魏永凯

摘 要：热力学·统计物理课程是高等院校物理学和应用物理学专业本科生的一门必不可少的专业必修课，它对于后续的量子力学、固体物理等课程学习具有非常重要的作用。我们采用线上线下混合式教学模式对本门课程的教学内容进行了重构，对教学过程进行重新设计，针对每一个教学模块设置讨论专题，使用超星教学辅助平台等改革教学环节，对热力学·统计物理课程进行了积极的探索与实践，探讨如何线上线下合理结合来提高本门课程的教学效率。

关键词：热力学·统计物理;线上线下;混合教学

热力学·统计物理课程是高等院校物理学和应用物理学专业本科生的一门必不可少的专业必修课，它对于后续的量子力学、固体物理等课程学习具有非常重要的作用。从内容上来看，热力学·统计物理课程的理论性较强，其中的物理概念抽象，物理公式繁杂，学生在学习的过程中会有些吃力。如果采取传统的灌输式教学方法，会使热力学·统计物理课程的课堂教学枯燥无味，学生一味地被动接受知识，很可能会失去学习兴趣。如何提高本门课程的教学效率及学生的学习兴趣一直是笔者在教学过程中思考、探索的问题。

近年，大学生在线课程得到了前所未有的迅猛发展，尤其是突如其来的新冠肺炎疫情，更是让2020年上半年的线上教学如火如荼。线上教学有着线下教学无可比拟的资源丰富、学习时间灵活等优势，而线下教学又可以弥补线上教学的沟通、交流障碍等缺陷，因此二者合理结合必将为热力学·统计物理这门课程的学习带来新思路。笔者有幸将热力学·统计物理课程的线上线下教学付诸实践，使用线上线下混合式教学方法对教学内容进行重构，对教学过程进行重新设计，使用超星教学辅助平台等改革教学环节，对热力学·统计物理课程进行积极的探索与实践。本文就基于超星学习通的线上线下混合学习模式，具体探讨如何线上线下合理结合，来提高本门课程的教学效率。

一、优化教学内容

由于本门课程学时有限，而热力学·统计物理课程的部分内容与先修课程——热学课程的部分内容重复率较高，如热力学部分（平衡态，温度，物态方程，热力学第一、第二定律，卡诺定理等）和统计物理部分（能量均分定理，麦克斯韦分布，玻尔兹曼统计等）。因此，教学中对有交叉重叠的部分进行压缩和删减，只作复习性的简述或以学生自学的方式完成。通过这样的调整，节省的教学学时可以用来重点讲授量子力学、固体物理等课程知识点，以达到课程之间承上启下的作用。

本门课程的特点是语言严谨但枯燥，课本中包含大量的公式和推导，对学生的数学基础要求较高，导致学生学习时容易将注意力停留在物理公式的数学形式上，而不能深刻领悟其中的物理意义、物理思想和物理方法。因此，线下教学时我们把重点放在物理公式的理解上，尽量简化公式的数学推导方面的教学，帮助学生从物理的角度对授课内容进行深入理解。

二、教学内容模块化

我们在教学过程中使用的教材是汪志诚先生的《热力学·统计物理》（第五版），此版教材的特点是起点较低，知识坡度不大，学生学习时很容易由浅入深，循序渐进。此教材的热力学部分和统计物理部分相对分立，我们将热力学部分分成三个模块：模块一为热力学的基本规律，模块二为均匀物质的热力学性质，模块三为单元及多元系的相变理论。统计物理部分也分成三个模块：模块一为近独立粒子的最概然分布，模块二为玻尔兹曼统计、玻色和费米统计，模块三为系综理论。

我们的教学过程从最简单的基本概念入手，突出重点内容，培养学生课前预习的习惯。课前预习说起来简单，其实能够做到并一直坚持下去的学生并不多，超星学习通平台在这里起到了很好的桥梁作用。我们将热力学·统计物理课程教学中涉及的知识点的电子教案、视频等上传到超星平台，学生可通过移动端登录超星学习通平台进行课程的预习和学习，教师也可以很清楚地了解到每位学生的学习情况。课堂讲授采用多媒体配合板书教学，使用类比、分析、反证等多种教学方法，尽量使教学过程生动、丰富。针对课程公式比较多的特点，我们充分利用思维导图，先对模块内容进行分类，然后再对具体章节进行分层分级讲授。

超星学习通平台有作业专区、课程讨论互动专区，这是在教学活动中使用最多的两个模块，也是本课程线上线下结合的得力助手。在作业专区，我们有针对性地设置训练内容和习题，帮助学生复习巩固学过的内容;课程讨论互动专区则充分利用在模块专题化教学过程中。

三、模块内容专题化

针对教学内容的每一个模块，我们都设计了一个讨论专题。模块一的专题：熵增加原理。模块二的专题：获得低温的方法。模块三的专题：相平衡理论。模块四的专题：等概率原理。模块五的专题：能量均分定理。模块六的专题：玻色-爱因斯坦凝聚现象。

在超星学习通的课程讨论互动专区，让学生们针对某一个专题进行讨论。比如，针对相平衡理论，学生已经对该模块的基本概念、理论和重要公式有了了解。我们选择一些题材新颖、结论开放的研究性材料，如液滴的形成過程，让学生们分组讨论。提前一周提出问题，让学生充分调研，比如，热锅上的水珠为什么可以像水银珠般滚在玻璃上？让学生通过整理经验材料，提出科学假设，最终尝试着理解构造理论系统。

在传统教学中，学生以个人学习为主，很少讨论。在线上线下混合式教学实践中，大量采用小组讨论、小组解题的形式。通过这样的专题讨论，可以加强学生的合作研究意识。针对专题，每组给出一个总结报告，推选一位同学在课堂上进行成果展示，从而提高学生的理论应用和创新能力。最后专题讨论的分数，在教师给出每组平均分的基础上，组长可以根据每位组员的表现二次分配。通过这种方式可以增进学生之间的融洽关系，培养团队精神，对学生们的未来就业也很有好处。

四、与物理学专业实际结合

传统教学模式中，很多同学在学完热力学·统计物理课程后，对涉及的概念、规律以及处理问题的方法都感觉比较模糊，导致不能与实际应用相结合。最终热力学部分给学生留下的印象就是一大堆偏微商，偏来偏去;统计物理部分则是这分布那分布。教师在讲台上讲得口干舌燥、筋疲力尽，学生在台下却是无精打采、昏昏欲睡。而采用线上线下相结合的模式，让学生们参与进来进行讨论，教师可以合理及时地补充一些物理学最新的学术成就与进展，有意识地突出课程的广度，丰富和具体化基本理论内容，增加学科的前沿内容，这些对提高学生们的学习兴趣起到了非常积极的作用。我们在线上线下专题讨论的同时，要求学生们自己调研相关知识，调研的过程就是热力学·统计物理课程知识的吸收过程，有意识地引导学生将热力学·统计物理课程中的知识和应用物理学专业联系起来。只有将知识与专业相结合，学生才会更爱自己的专业，从而为将来的工作与学习打下坚实的基础。

五、课程考核

针对学生线上线下模式课程学习，我们也设置了相应的考核体系。学生的平时成绩占本门课程成绩的30%，而平时成绩又由学生们在学习通的学习参与程度决定。其中课堂考勤占比20%，专题讨论占比30%，测验占比30%，课后作业占比20%。学生需要按照授课教师发布的任务进行学习并通过课程考核，最后方能获得学分。考试对学生来说可能是一门课程的结束，对教师来说则是下一次课程的开始。为了更多地了解学生们的需求，我们除了平时多与学生沟通，让学生直接反馈之外，也通过班级、辅导员反馈的形式来了解学生对课程的学习情况。同时，以在超星学习通平台发布问卷的形式和学生对话，多渠道了解学生需求，不断完善该课程的考试与评价体系。

针对热力学·统计物理课程基于超星学习通的混合学习模式能否提升教学效果，我们采集了应用物理学专业2019—2020第二学期学习通平台学生的相关统计资料，从整体情况来看，课程的总访问量呈递增趋势，学生的成绩也有较明显提高。结合学生评教意见，满意度较往年也有较大提升。综合来看，与传统的教学模式相比，线上线下混合教学模式提高了学生的学习热情，增强了师生之间的互动，切实提升了教学效率。

参考文献：

[1]曹海静，蒋秀丽，蒋峰.“热力学与统计物理”课程建设和教学改革初探[J].科技资讯，2014（36）.

[2]苏安.“热学”与“热力学统计物理”课程整合探索[J].教育与职业.2008（9）.

[3]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（理论版），2013（22）.

[4]郑瑞伦，陈洪.“热力学·统计物理学”教学大纲的编写[J].西南师范大学学报（自然科学版），2003（4）.

[5]伊厚会，姚延立.“热力学与统计物理”课程教学改革和实践[J].教育教学论坛，2013（8）.

[6]孙雅馨，周红伟.材料物理专业的热力学与统计物理课程教学改革研究[J].科技资讯，2014（21）.

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