馬晴 李耀宗 郭秋芬 華雪俠

摘 要 熱力學與統計物理學是物理學及相關專業(yè)的一門重要理論課，具有理論抽象、數學基礎要求高、教學難度大等特點?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，在熱力學與統計物理學教學中突出問題導向、突出科學方法教學、運用信息技術并參透人文教育，優(yōu)化教學活動，突破教師難教，學生難學的狀態(tài)，使學生創(chuàng)新能力得到提高。

關鍵詞 問題導向 方法教學 人文教育 創(chuàng)新

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.06.058

Abstract Thermodynamics and statistical physics is an important theoretical course in physics and related majors. It has the characteristics of theoretical abstraction， high requirements of mathematics foundation， and great difficulty in teaching. Based on the requirements for training innovation ability， in the process of teaching thermodynamics and statistical physics the problem-oriented and scientific teaching method is highlighted. And information technology is used as humanistic education is penetrated， optimizing the teaching activities and breaking the difficulty of teaching and learning so as to improve students innovation ability.

Key words problem-oriented； teaching method； humanity education； innovation

0 引言

創(chuàng)新是民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力。創(chuàng)新的關鍵在人才，人才的成長靠教育。變革教學理念與方法，促進學生深度學習，強化科學素養(yǎng)，是當下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑。

1 突出問題導向，培養(yǎng)學生自主學習能力

在學生已具備熱學及高等數學基礎知識的前提下，教師通過對生活與工程中的一些與熱現象或熱統問題有關的現象進行分析凝煉，設計一套隱含教學目標要求的問題鏈，在課前讓學生帶著問題閱讀教材和指定的資料，閱讀過程中通過積極思考，自主完成學習任務；在課堂上由老師根據學生自主學習情況，引導學生開展討論，進行歸納和總結；涉及理論推導的問題，教師給出要使用的數學工具，并說明工具的用途及使用方法，學生自己選擇工具并嘗試使用，通過學生和教師的互動，在做中學，在合作探究中完成數學推導。需進一步作出推論的，可再給出問題，讓學生自主選擇工具來完成。推論過程中學生遇到的難點，教師通過引導、啟發(fā)，由學生自主探索解決，學生在分析、歸納、綜合“舊”知識的過程中探索出“新”知識。比如，理想氣體的內能和熱容量一節(jié)中，可以不從自由度及配分函數的計算出發(fā)，而從實驗曲線出發(fā)，讓學生觀察不同溫度區(qū)間曲線的特點，再分析為什么是這樣的結果，猜測數學模型及相應的函數，最后得出有關自由度及配分函數的問題。通過對結論進一步提問，又可獲得不同分子或原子構成的氣體系統的情況。

在此過程中，通過不斷地思考問題、表述觀點，增強了學生的獲得感及自信心，學習的能動性也得到了激發(fā)。學生為解決問題需要查閱課外資料，需要歸納、整理所學的知識與技能，在討論中展示自己的觀點，有效地提高了自主學習能力，也改變了“我講你聽，我做你看”傳統教學方法，讓呆板孤立的知識片化作整體知識鏈，觸類旁通，突出了“課堂是靈魂，學生是主體，教師是關鍵”的教學理念，學生興趣濃了，課堂也變得更有生機了。

2 突出科學方法教學，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力

科學方法是人們認識和改造客觀世界的實踐活動中總結出來的正確的思維方式和行為方式，①②是人們在研究和解決科學問題過程中所運用的策略、程序、辦法，是人們認識和改造世界的有效工具。熱統課程中包含著豐富的物理思想和方法，如理想化法、類比法、科學假設法、分析綜合法等（如表1）。

整體認識這些方法，有利于學生理解熱力學與統計物理的物理思想、建立相應的物理圖像。通過這種方法引導和運用，將知識轉化為能力，進而形成學生學習、探究的價值取向。在教學中注重科學方法教育，使學生受到良好的科學思維訓練。創(chuàng)設科學的探究情境，讓學生以和科學家對話的方式了解物理學家是如何提出問題的，是采用什么方法進行研究的，從而使學生受到物理學家思維的啟迪、熏陶和感染。打破對科學的神秘感，增強學生敢于懷疑、敢于對固有模式顛覆的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生最基本的科學精神和態(tài)度：疑問和批判。

3 運用信息技術，創(chuàng)設學生自主探究的環(huán)境

以計算機和信息技術為代表的新技術自誕生以來，已經改變了人們的生產和生活方式，也深刻地改變著人類的學習和對學習的認識。諸多新技術能夠為學生創(chuàng)造一種做中學、及時反饋、互動交流、不斷精練和深化各自理解的學習環(huán)境，能夠將那些難以理解的概念可視化，充分發(fā)揮人的形象思維。在教學過程中，充分運用現代信息技術整合課程內容、輔助教學實踐，對一些抽象的微觀運動和現象，利用計算機技術進行建模和仿真，使學生對抽象問題產生直觀的、形象的認識。通過建模、參數假設等發(fā)揮其主觀能動性，把仿真結果與實際情況進一步聯系、比較，作出分析和判斷。從而使難理解的抽象問題變得直觀簡單，解決問題的思路變得更加清晰。如在討論布朗運動問題時，很難把微粒運動的軌跡描述清楚。這時可借助計算機，使用蒙特卡羅法來模擬布朗運動，從而使學生可以直觀地看到微觀粒子運動的雜亂性，把雜亂的軌跡再做處理，又可得到隨機的軌跡方程，這樣，隨機問題也變得有規(guī)律了。在討論液滴的形成和麥克斯韋速度或速率分布律問題時，如果直接用理論推導來說明，就會枯燥乏味，學生也記不住推導出來的結論。而利用軟件構造液滴形成的環(huán)境，仿真液滴形成的全過程，通過觀察，學生很容易弄清液滴形成的條件，自然也會聯想起下雨和人工降雨的天氣條件等，對氣象問題作出解釋，并用于指導生產生活實踐。討論麥克斯韋速度或速率分布律問題，也可利用繪圖軟件，將抽象的微觀粒子的各種運動速度模擬成空間圖像，直觀地仿真出來，從獲得的曲線形式及特點推測曲線的數學函數，再通過仿真計算，驗證推測的結果，得到速度分布函數。

現代信息技術在教學中的應用，使學生不僅熟悉了現代工具的使用，使抽象的理論變得直觀、生動，還有助于學生對抽象問題的理解，能把枯燥的推導問題變成形象的畫面，并由此產生深刻的聯想。學生綜合思維能力得到鍛煉，學習興趣更加濃厚，自主探究的能力進一步提高。

4 滲透人文教育，提升學生的精神境界

熱統教學的目的不只是要學生掌握科學知識，掌握獲取科學知識的方法，更重要的是通過滲透人文教育培養(yǎng)學生追求真理的科學精神和態(tài)度，提升學生自身的精神境界。

單純的物理學知識是枯燥的，但物理學發(fā)展過程卻是曲折、充滿人文與歷史氣息的，③④物理學中的一些原理是可以與學生實際生活相關聯的，教學過程中若以知識為載體，通過對物理學艱難曲折發(fā)展過程、對科學家發(fā)現知識過程中的質疑與批判、思考與探索、意志與毅力等的追溯，向學生傳播科學家的科學思想、方法、精神和態(tài)度，將使學生與科學家產生思想的共鳴，從而彰顯知識的內涵和魅力，激發(fā)學生對科學的興趣。

在熱統教學實踐中，圍繞焦耳、克勞修斯、開爾文、能斯脫、麥克斯韋、玻爾茲曼、吉布斯等科學家對的“熱”本質的爭論展開教學，通過角色置換展現他們的思想交鋒和艱苦探索經歷，提高了學生的辯證思維能力和追求真理、破除迷信的精神，有效激發(fā)學生學習興趣。有效激勵了學生對問題進行批判性、創(chuàng)造性的思考，提高學生的創(chuàng)新思維水平，這樣的教學，有助于學生從整體上理解物理學知識體系，體驗物理學的批判精神，從而形成整體性的物理知識觀。

在熱統教學活動中，可以采用的方法、手段及理念很多。作為教師要不斷更新教育理念，改變課堂教學方法，立足學科基礎，融入人文精神，發(fā)揮信息技術優(yōu)勢，突出學科思想方法、工具和手段的運用；要不斷提高教學設計能力和水平，把培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力作為主要目標，為學生深度學習創(chuàng)設環(huán)境與條件。

基金項目：咸陽師范學院教學研究項目（200801007）；咸陽師范學院教學改革研究項目（201202016）；咸陽師范學院教學改革研究項目（201302006）

注釋

① 徐序，鄭秋南.熱力學與統計物理若干教學方法探討[J].新西部，2013（33）.

② （美）梅拉妮·米歇爾.復雜[M].長沙：湖南科學技術出版社，2014.5.

③ （美）多諾萬.學生是如何學習的[M].廣西師范大學出版社，2011.3.

④ 熱力學·統計物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.12.