劉文彥,陳長蘭,王長昊*

(1.吉林化工學院 理學院,吉林 吉林 132022;2.吉林市第二十九中學校,吉林 吉林 132013)

為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,支撐服務創(chuàng)新驅動發(fā)展,自2017年,教育部出臺了一系列開展“新工科”建設文件[1-5]。“新工科”的提出,反映出現(xiàn)有的高等工程教育培養(yǎng)的人才不能滿足新時期經(jīng)濟發(fā)展的需求,需要尋求高等工程教育的創(chuàng)新與變革[6]。大學物理作為“新工科”專業(yè)必修的一門公共基礎課,主要培養(yǎng)工科學生的科學思維方式和研究問題的方法,使學生具備一定的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力,為今后專業(yè)領域廣度和深度的發(fā)展打下基礎[7]。為此我們提出了大學物理智慧教學模式改革,旨在借助智能化的技術手段實現(xiàn)啟迪學生的智慧。

“新工科”的提出歸根究底是對人才培養(yǎng)提出了更高的要求。教育部2017年2月20日發(fā)布的《關于開展新工科研究與實踐的通知》中就特別強調了要培養(yǎng)出創(chuàng)新型和應用型人才[2]。黨的十八大以來,習近平總書記圍繞“培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人”這一根本問題,提出高等學校的根本標準就是立德樹人的成效。這說明在“新工科”背景下,對人才的培養(yǎng)由單純的知識性傳授向“專業(yè)技能+能力培養(yǎng)+人格塑造”全方位人才培養(yǎng)轉變。而作為公共基礎課的大學物理課程,以學生受眾廣、內(nèi)容涵蓋廣、育人資源廣等特點而必然在整個人才培養(yǎng)過程中起到重要的作用。但目前大學物理課程無論是在能力培養(yǎng)還是在價值引領等方面均未發(fā)揮出其應有的作用。理論教學與實際應用脫節(jié);理論與實驗在教學環(huán)節(jié)中不匹配;“課程思政”在實施過程中存在“兩張皮”、“片面化”、“生搬硬套”等問題[8-9],這些都大大制約大學物理課程在“新工科”人才培養(yǎng)中的育人功能,成為大學物理教學改革中急需解決的問題。為此,在智慧教學改革的基礎之上,對大學物理課程思政進行了探索與嘗試。本文就以“熵增加原理”為例來談大學物理課程思政的教學設計。

1 教學目標

熵增加原理是大學物理熱學部分一個與能量守恒定律同等重要的定理(在知識體系中的地位見圖1)。且廣泛應用于信息學、生命科學、環(huán)境科學、甚至哲學等學科領域,對理工科各專業(yè)學生的專業(yè)學習有著十分重要意義。

圖1 學生展示不可逆過程--冷熱水混合實驗

圖1 本章節(jié)在知識體系中的地位

圖2 學生講解熵增與溫熱比關系

圖3 由胡剛復創(chuàng)造文字“熵”談中國文字博大精深

圖4 小組討論不可逆過程熵增的求解方法

圖5 學生講解不可逆熵增問題的求解方法

圖6 學生講解熵增加原理

圖7 由熵增加原理引出“只爭朝夕”的拼搏精神

圖8 由熵增加原理適用條件引出“負熵”精神

圖9 學生講解本小組繪制的思維導圖

因而將本節(jié)課教學目標設定為:

1.知識目標:(1)能夠闡明“熵”及“熵增”概念的物理含義及性質;(2)會計算可逆/不可逆熱力學過程的熵增,并區(qū)分兩者在求解方法上的異同;(3)能夠正確描述熵增加原理的物理內(nèi)涵。

2.能力目標:(1)通過課前研討培養(yǎng)學生自學能力;(2)通過實驗設計、展示及講解培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力、語言表達能力和實踐能力;(3)通過思維導圖的繪制培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和歸納總結能力。

3.情感目標:(1)通過主題研討培養(yǎng)學生的批判精神;(2)通過對“熵”的說文解字和相關詩詞引入人文情懷;(3)通過熵增加原理的適用條件引出“負熵”精神。

2 教學設計與課堂教學過程

2.1 引課:熱力學第二定律--不可逆過程--實驗展示--引出“熵”

通過【選人】隨機選擇兩組學生進行“不可逆過程”實驗展示(服務性學習任務,注意多鼓勵引導學生),在復習不可逆過程相關知識要點的同時,引導學生進一步深入思考:如何能夠更為嚴謹?shù)嘏袛酂崃W過程的可逆性與否?引出本節(jié)課的內(nèi)容-“熵”。

2.2 熵 熵增:保守力做功--勢能--熵與溫熱比積分的關系

可逆過程:通過類比“保守力做功引入勢能”的方法,啟發(fā)(鼓勵學生上臺來講解)學生引出“可逆過程中熵增與溫熱比的關系”。(注意對學生歸納總結能力和邏輯思維能力的鍛煉培養(yǎng))并從說文解字的角度解釋“熵”字的來源(近代物理學奠基人--胡剛復教授),加深學生對“熵”這個概念的理解。

【思政元素講解】其實“熵”這個字是1923年才出現(xiàn)的。是中國近代物理學奠基人胡剛復教授在1923年為來南京講學的普朗克當翻譯時創(chuàng)造出來的字。其中右半部分的“商”指的是熱量與溫度之比;左半部分的火字旁指這一過程與熱學有關,很形象生動的說明了熵這個物理量的由來。這也說明雖然中國文字有著幾千年的歷史,但仍然具有著勃勃生機。

(3)不可逆過程:設問“那是不是不可逆過程就不能求解熵增了?”熵是狀態(tài)函數(shù),與過程無關--可逆過程與否不影響熵增--引導學生向“熱力學過程”方面思考--求解不可逆熵增的辦法:在始末狀態(tài)間假想一個可逆過程求熵增--小組討論:求解理想絕熱自由膨脹過程熵增的具體值--隨機選擇一組講解分析及求解過程(鼓勵學生上臺來講解)。

設問:同樣的始末狀態(tài)間,是否是可逆過程求解出的熵增并不同,這是不是與“熵是狀態(tài)函數(shù),與過程無關”相矛盾啊?熵與過程無關,但溫熱比與過程有關--熵增在數(shù)值上等于可逆過程溫熱比的積分,而不等于不可逆過程溫熱比的積分(使學生正確理解熵增與溫熱比的關系)。

2.3 熵增加原理

(1)在課前推送“熵增原理證明過程”相關視頻的基礎上,讓同學們在課堂上總結熵增加原理的主要內(nèi)容。(鼓勵學生上臺來講解,檢驗學生的預習情況);

(2)以前面的“理想氣體自由膨脹過程”為例--引出熵增加原理的應用--布置課后實踐作業(yè):利用熵增加原理判斷冷熱水混合過程是否為可逆過程(強化學生對熵增加原理的理解及應用)--由李白《將進酒》進而引出“只爭朝夕”的拼搏精神。

【思政元素講解】雖然物理學意義上的熵增加原理是由西方提出的,但在我國傳統(tǒng)的文化中其實早就有蘊含了這種思想。例如詩仙李白的《將進酒》有這么一句“君不見高堂明鏡悲白發(fā),朝如青絲暮成雪”其實就是在說萬事萬物都有其運行的方向,既然時光不能重來,我們就要只爭朝夕。

以“生命周期”為例強調熵增加原理適用條件--孤立系統(tǒng)或絕熱過程--并引入“負熵”精神,我們要開放自己。

【思政元素講解】按照熵增加原理的觀點,我們雖然終究會走向死亡,但慶幸的是我們并不是從一出生就馬上不斷的衰老直至死亡的,我們實際上經(jīng)歷了從一個小嬰兒成長至壯年,再到老年的過程,這是為什么呢?這因為熵增加原理是有前提的,就是絕熱過程或孤立系統(tǒng)。薛定諤曾經(jīng)說過“生命之所以免于死亡,其主要原因就在于他能不斷地獲得負熵”。那我們怎么才能獲得負熵?餓了吃飯、病了吃藥都是引入負熵的過程。其實負熵也是一種精神,我們開放自己、吐故納新、與時俱進,才能在有限的生命里經(jīng)歷一個富有勃勃生機的生命過程。

2.4 內(nèi)容總結

通過【小組活動】引導學生繪制本節(jié)課的思維導圖--通過學生互評選擇繪制最好的一組對本節(jié)內(nèi)容進行總結。(鼓勵學生上臺來講解,注意學生知識體系的自我構建過程)

3 結 論

從學生的教學反饋(見圖10)中可以看出,學生對課程的滿意度很高,認為課程具有一定的挑戰(zhàn)度,且利他思維、團隊協(xié)作意識明顯提升;學習體驗感較強,自我認知能力有所提升,學習意愿增強。由此可以看出,智慧教學模式下的大學物理課程思政設計在達成課程育人目標中起到了切實的作用。

圖10 學生的課后反饋