“热学”与“热力学统计物理”课程整合探索.docx

“热学”与“热力学统计物理”课程整合探索 摘要文章分析了“热学”与“热力学统计物理”课程整合的必要性和可能性，并提出了初步的整合方案，以优化配置教学资源。 关键词热学 热力学统计物理 课程整合 作者简介苏安，男，广西都安人，河池学院物理与电子工程系讲师。 中图分类号G642.0文献标识码A文章编号1014-3101509-0084-03 “热学”与“热力学统计物理”课程是物理学专业必修的两门主干课程，两者承前启后，存在着亲密关系。在高等教化改革不断推动的今日，怎样整合两门课程，优化设置，以达到高效的教与学的目的，是我们面临和必需考虑的问题。 一、整合的必要性 党的十六届六中全会通过的中共中心关于构建社会主义和谐社会若干重大问题的确定中强调指出：“保持高等院校招生合理增长，要注意增加学生的实践实力、创建实力和就业实力、创业实力”，这为我国高等教化人才培育提出了明确的目标，也为高等教化改革与发展指明白方向。为不断深化高等教化教学改革，全面提高高等教化质量，2022年2月17日教化部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干看法又指出：“推动人才培育模式和机制改革，着力培育学生创新精神和创新实力。要实行各种措施，通过推动学分制、降低必修课比例、加大选修课比例、削减课堂讲授时数等，增加学生自主学习的时间和空间，拓宽学生学问面，增加学生学习爱好，完善学生的学问结构，促进学生特性发展。” 理论物理学专业主要是培育学生驾驭物理学的基本理论、基本学问和实践技能，具备较高科学素养和创新实力，能够胜任物理学或相关科学与技术领域的科研、教学、技术开发等工作，也可以接着攻读本学科或其他相关学科的硕士学位。可见，在新的社会市场需求和高等教化教学改革形势下的今日，原来的理论物理学专业的课程设置、各内容设计以及教学模式等已凸显出其不合理性。部分课程的重复性建设比较严峻，有些课程内容相近或者基本相同，却分别在同一专业不同的课程中开设；不同院系、专业之间信息不够畅通，统筹规划比较少，各专业根据自己的须要开设课程，造成不同院系、专业之间课程的重复性建设。 因此，怎样降低必修课比例、加大选修课比例、削减课堂讲授时数、重视实践教学环节、提高学生实践实力，已是摆在我们面前的高教改革的实际问题。在此形势下，作为物理学专业两门主干课程的“热学”与“热统”，既承前启后又相互渗透，在保质保量的前提下进行整合优化，以获得最大的教学效益已势在必行。 二、整合的可能性“热学”与“热统”内容的重复性 目前，国内一般本科院校理论物理学专业“热学”和“热统”课程普遍运用的教材为：秦允豪编的一般物理学教程：热学教材是国家九五级重点教材，其结构基本上先是分子物理学，后是热力学，最终是物态与相变及统计物理的初步。汪志诚编的热力学·统计物理教材内容包括热力学与统计物理两个部分。其中热力学讲授的主要是热力学的基本定律、热力学函数、相平衡与化学平衡等；统计物理部分主要讲授玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统，以及微正则分布、巨正则分布和正则分布等。据统计，“热统”课程中热力学部分和统计物理部分各占总内容的46%和54%。而“热学”课程中设计的热力学定律部分和“热统”课程中热力学的部分内容重复率达1/3。统计物理部分和“热统”课程中统计的部分内容重复率达1/4。其中设计的麦玻分布、气体分子运动论、输运现象、热力学定律与熵、匀称物质的热力学、复相平衡、玻耳兹曼分布等内容重复尤为明显。 可见，“热学”与“热统”课程之间存在着内容重复性建设的不足，这样不仅奢侈大量的时间去讲解相同的内容，而且使学生产生厌烦的心理，不利于学生的学习。同时，在这种课程内容设置下，学生的选修课时和实践教学课时将难于得到保障。在新的形势下，不但要求“热学”与“热统”课程课时的削减和很多非专业但适用性课程的开设，还要让学生全面而又系统地学习“热学”与“热统”的基本思想、探讨方法以及当今学科前沿技术。所以，通过对两课程重复内容的整合，节约出近1/3课时，是新时期下“热学”和“热统”课程教学改革的重要手段之一。 三、整合应遵循的原则 1.“热学”与“热统”整合后的体系必需保持原有学问结构的完整性。内容上要保证基础、承前启后、连接顺畅、由浅入深。课程从热力学、统计物理两方面入手，系统探讨热力学的基本定律，引入热力学函数，探讨物质的热性质，并运用统计方法，探讨不同系统所遵循不同的统计规律，用求系统平均值的方法来探讨详细系统的热力学性质。 2.“热学”与“热统”整合后的内容体系要符合教学规律。即教材内容编排必需遵循学生驾驭的理论基础学问、认知规律和老师教学便利性，合理地处理好各学问点的先后首次位置。按整合后的内容体系实施教学，既要体现教学的基本内容，又要使学生懂得解决热物理学问题的方法：透过一般物理的现象唯象理论，培育学生由感性到理性的分析问题的方法，懂得由宏观到微观世界的转变，即透过现象看本质；通过统计物理理论的学习和训练，培育学生由理性到感性的思索问题的策略，即通过本质预料现象。这种由唯象到唯理，由宏观到微观的内容编排，也比较符合学生的相识层次，有利于学生学习和提高热物理学理论。 3.“热学”与“热统”整合后的内容在肯定程度上要体现学科的发展前沿。随着科技的不断进步及经济的飞速发展，热物理理论在不同的领域发挥着越来越重要的作用，同时也产生新的课题和要求。所以应在教材中适当融入学科的前沿和热点问题，使学生与时俱进。这样既能培育和提高学生的创新意识，又为今后学生在科研部门工作或是进一步深造奠定扎实的基础。 4.“热学”与“热统”的整合要有利于高等教化改革和发展新形势下的人才培育。即整合后的内容和教学要有利于培育学生创新精神和创新实力，有利于增加学生的实践实力、创建实力和就业实力、创业实力，为学生今后的就业和深造发展打好基础。这是新时代对物理学专业学生的要求，也是物理学专业学生适应高新技术发展的须要。 四、整合方法 适当地削减“热力学”内容，主要讲授统计物理的理论和简洁应用。关于热力学的基本定律和有关概念，在一般物理的“热学”中已作过较详尽的探讨，因此不作更多的介绍。对于探讨宏观热现象所须要的热力学基本公式，没有将它们作为阅历规律，而是用统计物理的理论导出。在“热学”中已探讨较多的“麦玻分布”也尽量不再重复，只将它作为系综理论的结果探讨。这样，还可以更好地理解宏观理论与微观理论的关系，使相识上一个层次。 采纳这种体系，目的在于有效地避开相继课程在内容上过多的重复，在削减学时的前提下，能有相对足够的时间介绍统计物理的较新应用，增加本课程的先进性与适用性，以提高教学效益。同时，削减重复性还可以避开产生厌学心情，激发学生的学习爱好和主动性，提高学习效率。 整合方法一：“热学”与“热统”课程独立教学。在教学过程中，采纳两本教材教学，对相同、重复的内容合二为一进行教学。教学内容的组织方式是从宏观热现象入手，通过合适的试验定律、逻辑演绎推理，从微观深化，建立模型，应用统计物理学的理论，分析详细物质的宏观特性。从学问结构来看，注意基础学问和基本应用，兼顾新学问、前沿问题的介绍。在详细的教学过程中，留意体现对学生严格逻辑思维的训练，演绎推理实力的培育，给学生以构建物理模型的体验，解决问题的实践。这样组织内容的目的是突出理论物理的特征，“热学”与“热统”课程既合理分工，又妥当连接，避开重复，杜绝繁冗，削减学时，充溢内容，提高教学效率，增加课程的先进性和适用性。而且，学生受到良好的理论训练，对统计物理有系统的理解，能娴熟运用热物理理论解决实际问题，进一步驾驭学习新学问的方法，整体上融会贯穿，深刻理解热现象这一理论的本质及其探讨方法和前沿。 整合方法二：“热学”与“热统”整合成“热物理学”。把“热学”和“热统”课程二合一成“热物理学”，依据教学要求和学生的认知过程，设计的教学内容有：热学部分包括热学科学史、经典热学、热学最新动态、高新科技的热学基础和热学在新科技中的应用。热统部分主要是以系综理论为主线，融宏观与微观理论于一体。立足于微观量子理论，从一个基本假设等几率原理入手，按部就班地阐明统计物理的基本理论。同时，运用统计物理的理论导出热力学基本定律，给出统计物理概念与宏观现象的对应，从而将热现象的宏观理论与微观理论有机地融合于一体。鉴于量子论在当今世界早已被广泛了解，统计物理的概念理应建立在量子力学基础之上。至于经典统计物理，则仅作为量子统计物理的极限进行探讨。本体系力求使学生比较系统、精确地驾驭统计物理的基本概念，找到对统计物理的感觉，全面、敏捷地运用热物理理论解决实际问题，并为进一步学习更深的学问和了解物理学的最新成果奠定较为扎实的基础。其授课方式为两个学期连续开课，其书目如下表所示。 本体系虽然大量削减了纯粹“热力学”的内容，但并不减弱对于热力学理论运用的训练。为使学生更好地驾驭热物理的宏观理论，我们仍用足够的篇幅探讨平衡态的热力学性质，介绍探讨相平衡、化学平衡等问题的热力学理论，并附有肯定数量的习题。此外，同其他体系一样，也留意了将教学难点适当分散。例如，一般认为，系综理论是统计物理中的核心也是最为抽象的内容。对于三种典型的统计系综，我们没有集中探讨，而是遵循由表及里、由浅入深、按部就班的相识规律，分散在章节穿插介绍。这样，就将抽象的理论难点分散开了。与此同时，也将各系综适用的热力学系统及性质作相应的探讨。宏观与微观的交织，肯定程度上避开了学习的味同嚼蜡。 五、结论 “热学”“热统”作为基础专业物理学专业的两门主干课程，传统的教学内容、方法、模式已经不能适应新形势下人才的培育需求，必需在稳定学问结构的前提下大胆进行教学改革，选用新型教材，启用新的教学模式，把科学前沿引进教材，培育学生的创新意识和实践实力。这也是“热学”“热统”两课程教学内容整合的目的和动身点。通过整合，既降低必修课比例，加大选修课比例，削减课堂讲授时数等，又增加学生自主学习的时间和空间，拓宽学生学问面，增加学生学习爱好，完善学生的学问结构，促进学生特性发展，对增加学生的实践实力、创建实力和就业实力、创业实力具有肯定的促进作用。 参考文献 1秦允豪.一般物理学教程热学M.北京：高等教化出版社，2022. 2汪志诚.热力学·统计物理M.北京：高等教化出版社，2022. 3梁希侠，班士良.统计热力学M.呼和浩特：内蒙古高校出版社，2000. 4陈波.应用物理学专业热学与热力学与统计物理课程整合之初探J.中山高校学报论丛，2004. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页