劉云

（畢節(jié)學(xué)院 理學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

“熱學(xué)”與“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”課程整合與改革

劉云

（畢節(jié)學(xué)院 理學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

以地方性院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的人才為宗旨進(jìn)行物理課程《熱學(xué)》和《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》的整合與改革。整合后的課程符合教學(xué)的基本規(guī)律和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，符合知識(shí)的完整性和系統(tǒng)性，滿足在兩門(mén)課時(shí)數(shù)大大減少的新形勢(shì)下的教學(xué)內(nèi)容要求和提高教學(xué)質(zhì)量的要求。

熱學(xué)；熱統(tǒng)；整合

“加強(qiáng)教學(xué)基本建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)社會(huì)服務(wù)能力”，是地方性院校的辦學(xué)宗旨。為適應(yīng)這一形勢(shì)，我校這類(lèi)新升本科院校必須一切以教學(xué)工作為中心，改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式，積極倡導(dǎo)理論課教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)方法的改革和現(xiàn)代教育技術(shù)手段的運(yùn)用，降低必修課比例、加大選修課比例、減少課堂講授時(shí)數(shù)等，增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，拓寬學(xué)生知識(shí)面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展，培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用型、技能型人才。對(duì)熱學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程整合已有許多文獻(xiàn)[1-3]，但是，本文根據(jù)我校實(shí)際情況對(duì)《熱學(xué)》與《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“熱統(tǒng)”）兩門(mén)理論課進(jìn)行整合與改革，突出適應(yīng)我校的富有特色的課程設(shè)置與教學(xué)模式。

一、課程整合的原因

1.教學(xué)現(xiàn)狀。我校2011級(jí)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案是把“熱學(xué)”安排在第三學(xué)期上，共72學(xué)時(shí)；而“熱統(tǒng)”安排在第六學(xué)期上，共54學(xué)時(shí)。2011級(jí)應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案是把“熱學(xué)”安排在第三學(xué)期上，共54學(xué)時(shí)；而“熱統(tǒng)”安排在第六學(xué)期上，共54學(xué)時(shí)。2011級(jí)光電子技術(shù)科學(xué)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案是不開(kāi)設(shè)“熱學(xué)”，而“熱統(tǒng)”安排在第六學(xué)期上，共54學(xué)時(shí)。2012級(jí)、2013級(jí)的培養(yǎng)方案是把“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課時(shí)數(shù)都減為54學(xué)時(shí)，所開(kāi)設(shè)的學(xué)期不變。這樣，由于我們這種地方性院校學(xué)生基礎(chǔ)較差，學(xué)生對(duì)“熱學(xué)”知識(shí)的掌握不深入，兩門(mén)課的跨度時(shí)間又過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致上“熱統(tǒng)”的時(shí)候老師還要再詳細(xì)地給學(xué)生復(fù)習(xí)“熱學(xué)”部分基礎(chǔ)知識(shí)，導(dǎo)致“熱統(tǒng)”教材中的熱力學(xué)部分的講解占用大量的時(shí)間，在有限的課時(shí)內(nèi)不能更多講解系綜理論的內(nèi)容，以及介紹與課程有關(guān)的前沿知識(shí)和應(yīng)用，不能突出“熱統(tǒng)”這一門(mén)課的核心地位，學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)得不到保障。

2.“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”內(nèi)容的重復(fù)性。目前，我校物理學(xué)專(zhuān)業(yè)“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程使用的教材為：李椿、章立源、錢(qián)尚武編的《熱學(xué)》，是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材[4]，其結(jié)構(gòu)基本上先是微觀理論部分，后是宏觀理論部分，最后是物態(tài)與相變。汪志誠(chéng)編的《熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理》[5]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“熱統(tǒng)”），內(nèi)容包括熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理兩個(gè)部分，其中熱力學(xué)講授的主要是熱力學(xué)的基本定律、熱力學(xué)函數(shù)、相平衡與化學(xué)平衡等；統(tǒng)計(jì)物理部分主要講授玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)、費(fèi)米系統(tǒng)、系綜理論、漲落理論和非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論初步。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“熱統(tǒng)”課程中熱力學(xué)部分和統(tǒng)計(jì)物理部分各占總內(nèi)容的46%和54%。而“熱學(xué)”課程中的熱力學(xué)定律部分和“熱統(tǒng)”課程中熱力學(xué)的部分內(nèi)容重復(fù)率高達(dá)2/3，“熱學(xué)”中統(tǒng)計(jì)物理部分和“熱統(tǒng)”中統(tǒng)計(jì)的部分內(nèi)容（玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)、能均分定理、麥克斯韋分布等）重復(fù)率近1/4。按照這樣的課程設(shè)置進(jìn)行授課，我們新升本科院校的辦學(xué)宗旨難以得到很好的實(shí)現(xiàn)。

二、“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程的整合思路和整合原則

“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”課程整合是為了適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)知識(shí)發(fā)展的需求，其知識(shí)體系符合培養(yǎng)地方院校培的人才培養(yǎng)模式，既要整合重復(fù)部分又要強(qiáng)化與現(xiàn)代科技的聯(lián)系，增加實(shí)踐部分，淡化傳統(tǒng)部分。第一，“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”整合后應(yīng)保持原有知識(shí)體系的完整性和系統(tǒng)性。以熱物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律、基本方法為主線，突出熱物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，突出熱物理學(xué)研究問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法和思維。第二，“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”的整合要符合教學(xué)的基本規(guī)律、人們認(rèn)識(shí)事物的基本規(guī)律和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。從宏觀熱現(xiàn)象入手，通過(guò)合適的實(shí)驗(yàn)定律、邏輯演繹推理，去認(rèn)識(shí)微觀熱現(xiàn)象的本質(zhì)，又從微觀入手，建立物理模型、物理過(guò)程，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法理論分析物質(zhì)的宏觀特性，如圖1所示。第三，“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”整合后的內(nèi)容滲透現(xiàn)代化知識(shí)。整合后，老師可以在每一章之后把與課程內(nèi)容有關(guān)的新成果、新方法和新理論充實(shí)到課堂教學(xué)中來(lái)，便于學(xué)生瞻望熱物理學(xué)與近代科技前沿之間的發(fā)展關(guān)系，開(kāi)闊眼界，啟迪思維，增強(qiáng)熱物理學(xué)的實(shí)用性，避免學(xué)生總是認(rèn)為熱物理學(xué)的知識(shí)太老了，與現(xiàn)代生活沒(méi)有聯(lián)系。進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

圖1 熱物理學(xué)的認(rèn)識(shí)規(guī)律

三、課程整合的實(shí)踐與改革

結(jié)合我校物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生基礎(chǔ)、師資隊(duì)伍、教材建設(shè)等各方面的情況，“熱學(xué)”與“熱統(tǒng)”課程獨(dú)立教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，采用兩本教材教學(xué)，對(duì)相同、重復(fù)的內(nèi)容合二為一進(jìn)行教學(xué)，根據(jù)教學(xué)要求和培養(yǎng)目標(biāo)，合理選取教學(xué)內(nèi)容：第一，授課內(nèi)容的整合?？梢詫ⅰ稛釋W(xué)》整合為五章，其內(nèi)容包括：緒論—溫度—熱力學(xué)第一定律—熱力學(xué)第二定律—?dú)怏w分子運(yùn)動(dòng)論，第四學(xué)期開(kāi)設(shè)。在第一章溫度的物態(tài)方程部分增加介紹與物態(tài)方程有關(guān)的幾個(gè)物理量：體脹系數(shù)、壓強(qiáng)系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)（為《熱統(tǒng)》中的內(nèi)容），將《熱統(tǒng)》整合為六章，其內(nèi)容包括均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)—近獨(dú)立粒子的描述—玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)—玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)—系綜理論—漲落理論，第五學(xué)期開(kāi)設(shè)。這種編排體現(xiàn)了熱物理學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整性、嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，體現(xiàn)了從宏觀到微觀，又綜合運(yùn)用宏觀微觀兩種方法闡明物質(zhì)的性質(zhì)及它們之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。這種體系避免了兩門(mén)課程內(nèi)容不必要的重復(fù)，知識(shí)點(diǎn)之間更具很好的銜接，這種安排在教學(xué)體系上一氣呵成，有利于必課時(shí)數(shù)大大減少的新形勢(shì)下有效地完成教學(xué)內(nèi)容，能有相對(duì)充足的時(shí)間介紹統(tǒng)計(jì)物理，以便于把熱物理學(xué)這門(mén)學(xué)科拓展為既老又新的知識(shí)。第二，在“熱統(tǒng)”教學(xué)中大量削減熱力學(xué)內(nèi)容。在“熱統(tǒng)”中主要講授統(tǒng)計(jì)物理的理論和應(yīng)用。關(guān)于熱力學(xué)的基本概念和基本定律，在“熱學(xué)”中已作過(guò)較詳盡的討論，不作更多的介紹。在“熱學(xué)”中已討論較多的“麥-玻分布（最可幾分布）”也盡量不再重復(fù)，只將它作為系綜理論的結(jié)果討論。這樣，還可以更好理解宏觀理論與微觀理論的統(tǒng)一，使學(xué)生認(rèn)識(shí)上一個(gè)層次。第三，適當(dāng)增加實(shí)踐課。每學(xué)期安排1～2次專(zhuān)題講座，請(qǐng)外?；虮拘５馁Y深專(zhuān)家教授介紹熱物理學(xué)學(xué)科的最新進(jìn)展，如負(fù)溫度的概念、熵在信息和生命科學(xué)中的應(yīng)用等。通過(guò)這種方式將前沿科學(xué)與課堂教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，這不僅避免了學(xué)生急功近利的想法，還引導(dǎo)學(xué)生對(duì)舊知識(shí)、物理學(xué)史的更深的理解，而且讓學(xué)生身臨其境地體會(huì)到科學(xué)家正在向大自然探索的問(wèn)題以及解答這些問(wèn)題經(jīng)常使用的方法，這樣既能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，又能為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的富有競(jìng)爭(zhēng)能力的人才創(chuàng)造了條件。第四，為考研學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)。據(jù)調(diào)查，我校畢業(yè)的學(xué)生考研的僅占4%左右，大部分畢業(yè)生都到各行政、機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位工作。對(duì)于少數(shù)考研學(xué)生而言，整合后的知識(shí)內(nèi)容可能不滿足考研的要求，老師可以專(zhuān)門(mén)給考研學(xué)生集中進(jìn)行輔導(dǎo)，再增加整合后沒(méi)有講到的又與考研有關(guān)的內(nèi)容，強(qiáng)化考研章節(jié)。

四、改革教學(xué)方法

根據(jù)整合后的教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不再適應(yīng)新教學(xué)內(nèi)容和新形勢(shì)的發(fā)展，只有知己知彼地分析設(shè)計(jì)一種全新教學(xué)模式：精練地講解整合后的重點(diǎn)內(nèi)容+滲透現(xiàn)代化知識(shí)的精彩的PPT課件+廣泛的師生研討+課程內(nèi)容相關(guān)知識(shí)拓展，并逐步形成“問(wèn)題為綱，分層教學(xué)，師生互動(dòng)，自主探索，協(xié)作討論，課后輔導(dǎo)”的教學(xué)模式。例如，封閉系：近獨(dú)立粒子的麥－玻分布、玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)、玻色統(tǒng)計(jì)、費(fèi)米統(tǒng)計(jì)這些內(nèi)容是統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，所以占用學(xué)時(shí)也是最多的，配分函數(shù)可說(shuō)是本章的關(guān)鍵。一定要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，使用全新的教學(xué)模式教會(huì)學(xué)生能利用統(tǒng)計(jì)物理“三步曲”熟練計(jì)算配分函數(shù)，從而求出所有熱力學(xué)函數(shù)，并拓展其內(nèi)容，總結(jié)研究熱物理問(wèn)題的方法和思維，引導(dǎo)和協(xié)作學(xué)生研討課程內(nèi)容與前沿科學(xué)的新科技新成果的聯(lián)系。實(shí)踐表明，利用整合后的課程內(nèi)容和改革后的教學(xué)方法對(duì)2010級(jí)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)（1）、（2）班的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，并做了問(wèn)卷調(diào)查：學(xué)生的補(bǔ)考率相對(duì)整合前少了，大多數(shù)學(xué)生對(duì)熱物理學(xué)有了新的認(rèn)識(shí)，不再感到熱物理學(xué)知識(shí)的陳舊，也排除了物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生流傳下來(lái)的物理學(xué)既難學(xué)又沒(méi)用的觀點(diǎn)，對(duì)學(xué)習(xí)物理學(xué)不再有盲目感了，了解到熱物理學(xué)與科學(xué)研究息息相關(guān)，而且非常重要。例如：激光冷卻、超導(dǎo)、超流現(xiàn)象都是與熱物理學(xué)為基礎(chǔ)的新科技成果。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力。

在高等教育改革不斷推進(jìn)的今天，作為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)主干課程的“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”，其內(nèi)容過(guò)多重疊而且知識(shí)陳舊。怎樣整合兩門(mén)課程，優(yōu)化課程設(shè)置，以達(dá)到高效的教與學(xué)的目的，達(dá)到培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，是我們教師必須考慮的問(wèn)題。從我校的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)“熱學(xué)”和“熱統(tǒng)”兩門(mén)課程進(jìn)行整合和教學(xué)方法進(jìn)行改革，理順知識(shí)體系，刪減重疊內(nèi)容，增加現(xiàn)代科技內(nèi)容，不但使總的教學(xué)時(shí)數(shù)減少（由72+72學(xué)時(shí)減為54+54學(xué)時(shí)），而且學(xué)生的物理概念、物理模型、物理過(guò)程進(jìn)一步加強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力。課程整合不僅沒(méi)有削弱學(xué)生的物理基礎(chǔ)，反而得到了加強(qiáng)。但是，在實(shí)施課程整合過(guò)程中有相當(dāng)大的難度，不僅需要教師具有廣博精深知識(shí)結(jié)構(gòu)，還要富有創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性行為，還需要教師不斷地學(xué)習(xí)、不斷進(jìn)步，了解與本學(xué)科有關(guān)的前沿的新知識(shí)。

[1]謝國(guó)秋，劉仁臣，程和平.熱學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程整合探索與實(shí)踐[J].高等理科教育，2010，（3）：68-70.

[2]梅金碩，桂太龍，王玥，等.整合理論物理課程體系及教學(xué)方法探討[J].信息技術(shù)，2012，（11）：37-39.

[3]蘇安.“熱學(xué)”與“熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理”課程整合探索[J].教育與職業(yè)，2008，（9）：84-86.

[4]李椿，章立源，錢(qián)尚武.熱學(xué)—普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[5]汪志誠(chéng).熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理[M].北京：高等教育出版社，2006.

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0121-03

劉云（1970-），女，貴州大方人，副教授，碩士，主要從事熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的教學(xué)與研究。