2018创新视域下的热力学与统计物理学教学实践探索

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创新视域下的热力学与统计物理学教学实践探索
创新是民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。创新的关键在人才，人才的成长靠教育。变革教学理念与方法，促进学生深度学习，强化科学素养，是当下培养创新型人才的有效途径。
　　1 突出问题导向，培养学生自主学习能力
　　在学生已具备热学及高等数学基础知识的前提下，教师通过对生活与工程中的一些与热现象或热统问题有关的现象进行分析凝炼，设计一套隐含教学目标要求的问题链，在课前让学生带着问题阅读教材和指定的资料，阅读过程中通过积极思考，自主完成学习任务；在课堂上由老师根据学生自主学习情况，引导学生开展讨论，进行归纳和总结；涉及理论推导的问题，教师给出要使用的数学工具，并说明工具的用途及使用方法，学生自己选择工具并尝试使用，通过学生和教师的互动，在做中学，在合作探究中完成数学推导。需进一步作出推论的，可再给出问题，让学生自主选择工具来完成。推论过程中学生遇到的难点，教师通过引导、启发，由学生自主探索解决，学生在分析、归纳、综合旧知识的过程中探索出新知识。比如，理想气体的内能和热容量一节中，可以不从自由度及配分函数的计算出发，而从实验曲线出发，让学生观察不同温度区间曲线的特点，再分析为什么是这样的结果，猜测数学模型及相应的函数，最后得出有关自由度及配分函数的问题。通过对结论进一步提问，又可获得不同分子或原子构成的气体系统的情况。在此过程中，通过不断地思考问题、表述观点，增强了学生的获得感及自信心，学习的能动性也得到了激发。学生为解决问题需要查阅课外资料，需要归纳、整理所学的知识与技能，在讨论中展示自己的观点，有效地提高了自主学习能力，也改变了我讲你听，我做你看传统教学方法，让呆板孤立的知识片化作整体知识链，触类旁通，突出了课堂是灵魂，学生是主体，教师是关键的教学理念，学生兴趣浓了，课堂也变得更有生机了。
　　2 突出科学方法教学，培养学生创新思维能力
　　科学方法是人们认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式，①②是人们在研究和解决科学问题过程中所运用的策略、程序、办法，是人们认识和改造世界的有效工具。热统课程中包含着丰富的物理思想和方法，如理想化法、类比法、科学假设法、分析综合法等（如表1）。
　　整体认识这些方法，有利于学生理解热力学与统计物理的物理思想、建立相应的物理图像。通过这种方法引导和运用，将知识转化为能力，进而形成学生学习、探究的价值取向。在教学中注重科学方法教育，使学生受到良好的科学思维训练。创设科学的探究情境，让学生以和科学家对话的方式了解物理学家是如何提出问题的，是采用什么方法进行研究的，从而使学生受到物理学家思维的启迪、熏陶和感染。打破对科学的神秘感，增强学生敢于怀疑、敢于对固有模式颠覆的创新精神，培养学生最基本的科学精神和态度：疑问和批判。
　　3 运用信息技术，创设学生自主探究的环境
　　以计算机和信息技术为代表的新技术自诞生以来，已经改变了人们的生产和生活方式，也深刻地改变着人类的学习和对学习的认识。诸多新技术能够为学生创造一种做中学、及时反馈、互动交流、不断精练和深化各自理解的学习环境，能够将那些难以理解的概念可视化，充分发挥人的形象思维。在教学过程中，充分运用现代信息技术整合课程内容、辅助教学实践，对一些抽象的微观运动和现象，利用计算机技术进行建模和仿真，使学生对抽象问题产生直观的、形象的认识。通过建模、参数假设等发挥其主观能动性，把仿真结果与实际情况进一步联系、比较，作出分析和判断。从而使难理解的抽象问题变得直观简单，解决问题的思路变得更加清晰。如在讨论布朗运动问题时，很难把微粒运动的轨迹描述清楚。这时可借助计算机，使用蒙特卡罗法来模拟布朗运动，从而使学生可以直观地看到微观粒子运动的杂乱性，把杂乱的轨迹再做处理，又可得到随机的轨迹方程，这样，随机问题也变得有规律了。在讨论液滴的形成和麦克斯韦速度或速率分布律问题时，如果直接用理论推导来说明，就会枯燥乏味，学生也记不住推导出来的结论。而利用软件构造液滴形成的环境，仿真液滴形成的全过程，通过观察，学生很容易弄清液滴形成的条件，自然也会联想起下雨和人工降雨的天气条件等，对气象问题作出解释，并用于指导生产生活实践。讨论麦克斯韦速度或速率分布律问题，也可利用绘图软件，将抽象的微观粒子的各种运动速度模拟成空间图像，直观地仿真出来，从获得的曲线形式及特点推测曲线的数学函数，再通过仿真计算，验证推测的结果，得到速度分布函数。