馬晴 李耀宗 郭秋芬 華雪俠

摘 要 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是物理學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要理論課，具有理論抽象、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、教學(xué)難度大等特點(diǎn)。基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，在熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)教學(xué)中突出問(wèn)題導(dǎo)向、突出科學(xué)方法教學(xué)、運(yùn)用信息技術(shù)并參透人文教育，優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)，突破教師難教，學(xué)生難學(xué)的狀態(tài)，使學(xué)生創(chuàng)新能力得到提高。

關(guān)鍵詞 問(wèn)題導(dǎo)向 方法教學(xué) 人文教育 創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。創(chuàng)新的關(guān)鍵在人才，人才的成長(zhǎng)靠教育。變革教學(xué)理念與方法，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，強(qiáng)化科學(xué)素養(yǎng)，是當(dāng)下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑。

1 突出問(wèn)題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

在學(xué)生已具備熱學(xué)及高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，教師通過(guò)對(duì)生活與工程中的一些與熱現(xiàn)象或熱統(tǒng)問(wèn)題有關(guān)的現(xiàn)象進(jìn)行分析凝煉，設(shè)計(jì)一套隱含教學(xué)目標(biāo)要求的問(wèn)題鏈，在課前讓學(xué)生帶著問(wèn)題閱讀教材和指定的資料，閱讀過(guò)程中通過(guò)積極思考，自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)；在課堂上由老師根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展討論，進(jìn)行歸納和總結(jié)；涉及理論推導(dǎo)的問(wèn)題，教師給出要使用的數(shù)學(xué)工具，并說(shuō)明工具的用途及使用方法，學(xué)生自己選擇工具并嘗試使用，通過(guò)學(xué)生和教師的互動(dòng)，在做中學(xué)，在合作探究中完成數(shù)學(xué)推導(dǎo)。需進(jìn)一步作出推論的，可再給出問(wèn)題，讓學(xué)生自主選擇工具來(lái)完成。推論過(guò)程中學(xué)生遇到的難點(diǎn)，教師通過(guò)引導(dǎo)、啟發(fā)，由學(xué)生自主探索解決，學(xué)生在分析、歸納、綜合“舊”知識(shí)的過(guò)程中探索出“新”知識(shí)。比如，理想氣體的內(nèi)能和熱容量一節(jié)中，可以不從自由度及配分函數(shù)的計(jì)算出發(fā)，而從實(shí)驗(yàn)曲線出發(fā)，讓學(xué)生觀察不同溫度區(qū)間曲線的特點(diǎn)，再分析為什么是這樣的結(jié)果，猜測(cè)數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的函數(shù)，最后得出有關(guān)自由度及配分函數(shù)的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)結(jié)論進(jìn)一步提問(wèn)，又可獲得不同分子或原子構(gòu)成的氣體系統(tǒng)的情況。

在此過(guò)程中，通過(guò)不斷地思考問(wèn)題、表述觀點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生的獲得感及自信心，學(xué)習(xí)的能動(dòng)性也得到了激發(fā)。學(xué)生為解決問(wèn)題需要查閱課外資料，需要?dú)w納、整理所學(xué)的知識(shí)與技能，在討論中展示自己的觀點(diǎn)，有效地提高了自主學(xué)習(xí)能力，也改變了“我講你聽(tīng)，我做你看”傳統(tǒng)教學(xué)方法，讓呆板孤立的知識(shí)片化作整體知識(shí)鏈，觸類(lèi)旁通，突出了“課堂是靈魂，學(xué)生是主體，教師是關(guān)鍵”的教學(xué)理念，學(xué)生興趣濃了，課堂也變得更有生機(jī)了。

2 突出科學(xué)方法教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

科學(xué)方法是人們認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的正確的思維方式和行為方式，①②是人們?cè)谘芯亢徒鉀Q科學(xué)問(wèn)題過(guò)程中所運(yùn)用的策略、程序、辦法，是人們認(rèn)識(shí)和改造世界的有效工具。熱統(tǒng)課程中包含著豐富的物理思想和方法，如理想化法、類(lèi)比法、科學(xué)假設(shè)法、分析綜合法等（如表1）。

整體認(rèn)識(shí)這些方法，有利于學(xué)生理解熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的物理思想、建立相應(yīng)的物理圖像。通過(guò)這種方法引導(dǎo)和運(yùn)用，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，進(jìn)而形成學(xué)生學(xué)習(xí)、探究的價(jià)值取向。在教學(xué)中注重科學(xué)方法教育，使學(xué)生受到良好的科學(xué)思維訓(xùn)練。創(chuàng)設(shè)科學(xué)的探究情境，讓學(xué)生以和科學(xué)家對(duì)話的方式了解物理學(xué)家是如何提出問(wèn)題的，是采用什么方法進(jìn)行研究的，從而使學(xué)生受到物理學(xué)家思維的啟迪、熏陶和感染。打破對(duì)科學(xué)的神秘感，增強(qiáng)學(xué)生敢于懷疑、敢于對(duì)固有模式顛覆的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生最基本的科學(xué)精神和態(tài)度：疑問(wèn)和批判。

3 運(yùn)用信息技術(shù)，創(chuàng)設(shè)學(xué)生自主探究的環(huán)境

以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為代表的新技術(shù)自誕生以來(lái)，已經(jīng)改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，也深刻地改變著人類(lèi)的學(xué)習(xí)和對(duì)學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)。諸多新技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造一種做中學(xué)、及時(shí)反饋、互動(dòng)交流、不斷精練和深化各自理解的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠?qū)⒛切╇y以理解的概念可視化，充分發(fā)揮人的形象思維。在教學(xué)過(guò)程中，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)整合課程內(nèi)容、輔助教學(xué)實(shí)踐，對(duì)一些抽象的微觀運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)象，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模和仿真，使學(xué)生對(duì)抽象問(wèn)題產(chǎn)生直觀的、形象的認(rèn)識(shí)。通過(guò)建模、參數(shù)假設(shè)等發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，把仿真結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)一步聯(lián)系、比較，作出分析和判斷。從而使難理解的抽象問(wèn)題變得直觀簡(jiǎn)單，解決問(wèn)題的思路變得更加清晰。如在討論布朗運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)，很難把微粒運(yùn)動(dòng)的軌跡描述清楚。這時(shí)可借助計(jì)算機(jī)，使用蒙特卡羅法來(lái)模擬布朗運(yùn)動(dòng)，從而使學(xué)生可以直觀地看到微觀粒子運(yùn)動(dòng)的雜亂性，把雜亂的軌跡再做處理，又可得到隨機(jī)的軌跡方程，這樣，隨機(jī)問(wèn)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(wèn)題時(shí)，如果直接用理論推導(dǎo)來(lái)說(shuō)明，就會(huì)枯燥乏味，學(xué)生也記不住推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)論。而利用軟件構(gòu)造液滴形成的環(huán)境，仿真液滴形成的全過(guò)程，通過(guò)觀察，學(xué)生很容易弄清液滴形成的條件，自然也會(huì)聯(lián)想起下雨和人工降雨的天氣條件等，對(duì)氣象問(wèn)題作出解釋?zhuān)⒂糜谥笇?dǎo)生產(chǎn)生活實(shí)踐。討論麥克斯韋速度或速率分布律問(wèn)題，也可利用繪圖軟件，將抽象的微觀粒子的各種運(yùn)動(dòng)速度模擬成空間圖像，直觀地仿真出來(lái)，從獲得的曲線形式及特點(diǎn)推測(cè)曲線的數(shù)學(xué)函數(shù)，再通過(guò)仿真計(jì)算，驗(yàn)證推測(cè)的結(jié)果，得到速度分布函數(shù)。

現(xiàn)代信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，使學(xué)生不僅熟悉了現(xiàn)代工具的使用，使抽象的理論變得直觀、生動(dòng)，還有助于學(xué)生對(duì)抽象問(wèn)題的理解，能把枯燥的推導(dǎo)問(wèn)題變成形象的畫(huà)面，并由此產(chǎn)生深刻的聯(lián)想。學(xué)生綜合思維能力得到鍛煉，學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，自主探究的能力進(jìn)一步提高。

4 滲透人文教育，提升學(xué)生的精神境界

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

單純的物理學(xué)知識(shí)是枯燥的，但物理學(xué)發(fā)展過(guò)程卻是曲折、充滿(mǎn)人文與歷史氣息的，③④物理學(xué)中的一些原理是可以與學(xué)生實(shí)際生活相關(guān)聯(lián)的，教學(xué)過(guò)程中若以知識(shí)為載體，通過(guò)對(duì)物理學(xué)艱難曲折發(fā)展過(guò)程、對(duì)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識(shí)過(guò)程中的質(zhì)疑與批判、思考與探索、意志與毅力等的追溯，向?qū)W生傳播科學(xué)家的科學(xué)思想、方法、精神和態(tài)度，將使學(xué)生與科學(xué)家產(chǎn)生思想的共鳴，從而彰顯知識(shí)的內(nèi)涵和魅力，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣。

在熱統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，圍繞焦耳、克勞修斯、開(kāi)爾文、能斯脫、麥克斯韋、玻爾茲曼、吉布斯等科學(xué)家對(duì)的“熱”本質(zhì)的爭(zhēng)論展開(kāi)教學(xué)，通過(guò)角色置換展現(xiàn)他們的思想交鋒和艱苦探索經(jīng)歷，提高了學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣。有效激勵(lì)了學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行批判性、創(chuàng)造性的思考，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維水平，這樣的教學(xué)，有助于學(xué)生從整體上理解物理學(xué)知識(shí)體系，體驗(yàn)物理學(xué)的批判精神，從而形成整體性的物理知識(shí)觀。

在熱統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)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(xué)方法，立足學(xué)科基礎(chǔ)，融入人文精神，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，突出學(xué)科思想方法、工具和手段的運(yùn)用；要不斷提高教學(xué)設(shè)計(jì)能力和水平，把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力作為主要目標(biāo)，為學(xué)生深度學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)環(huán)境與條件。

基金項(xiàng)目：咸陽(yáng)師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（200801007）；咸陽(yáng)師范學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（201202016）；咸陽(yáng)師范學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（201302006）

注釋

① 徐序，鄭秋南.熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理若干教學(xué)方法探討[J].新西部，2013（33）.

② （美）梅拉妮·米歇爾.復(fù)雜[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2014.5.

③ （美）多諾萬(wàn).學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的[M].廣西師范大學(xué)出版社，2011.3.

④ 熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.12.