2018“热学”与“热力学与统计物理学”课程整合与改革

1591382

热学与热力学与统计物理学课程整合与改革
加强教学基本建设，提高人才培养质量，增强社会服务能力，是地方性院校的办学宗旨。为适应这一形势，我校这类新升本科院校必须一切以教学工作为中心，改变人才培养模式，积极倡导理论课教学内容整合、教学方法的改革和现代教育技术手段的运用，降低必修课比例、加大选修课比例、减少课堂讲授时数等，增加学生自主学习的时间和空间，拓宽学生知识面，提高学生的学习兴趣，完善学生的知识结构，促进学生个性发展，培养服务地方经济的应用型、技能型人才。对热学和热力学与统计物理课程整合已有许多文献[1-3]，但是，本文根据我校实际情况对《热学》与《热力学与统计物理》（以下简称热统）两门理论课进行整合与改革，突出适应我校的富有特色的课程设置与教学模式。
　　一、课程整合的原因
　　1.教学现状。我校2011级物理学专业的培养方案是把热学安排在第三学期上，共72学时；而热统安排在第六学期上，共54学时。2011级应用物理专业的培养方案是把热学安排在第三学期上，共54学时；而热统安排在第六学期上，共54学时。2011级光电子技术科学专业的培养方案是不开设热学，而热统安排在第六学期上，共54学时。2012级、2013级的培养方案是把热学和热统课时数都减为54学时，所开设的学期不变。这样，由于我们这种地方性院校学生基础较差，学生对热学知识的掌握不深入，两门课的跨度时间又过长，导致上热统的时候老师还要再详细地给学生复习热学部分基础知识，导致热统教材中的热力学部分的讲解占用大量的时间，在有限的课时内不能更多讲解系综理论的内容，以及介绍与课程有关的前沿知识和应用，不能突出热统这一门课的核心地位，学生的实践能力的培养得不到保障。
　　2.热学与热统内容的重复性。目前，我校物理学专业热学和热统课程使用的教材为：李椿、章立源、钱尚武编的《热学》，是普通高等教育十一五国家级规划教材[4]，其结构基本上先是微观理论部分，后是宏观理论部分，最后是物态与相变。汪志诚编的《热力学统计物理》[5]（以下简称热统），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、费米系统、系综理论、涨落理论和非平衡态统计理论初步。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高达2/3，热学中统计物理部分和热统中统计的部分内容（玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布等）重复率近1/4。按照这样的课程设置进行授课，我们新升本科院校的办学宗旨难以得到很好的实现。
　　二、热学和热统课程的整合思路和整合原则
　　热学和热统课程整合是为了适应现代社会对知识发展的需求，其知识体系符合培养地方院校培的人才培养模式，既要整合重复部分又要强化与现代科技的联系，增加实践部分，淡化传统部分。第一，热学和热统整合后应保持原有知识体系的完整性和系统性。以热物理学的基本概念、基本规律、基本方法为主线，突出热物理学的学科特点，突出热物理学研究问题和解决问题的方法和思维。第二，热学和热统的整合要符合教学的基本规律、人们认识事物的基本规律和学生的认知规律。从宏观热现象入手，通过合适的实验定律、逻辑演绎推理，去认识微观热现象的本质，又从微观入手，建立物理模型、物理过程，应用统计物理学的方法理论分析物质的宏观特性，如图1所示。第三，热学和热统整合后的内容渗透现代化知识。整合后，老师可以在每一章之后把与课程内容有关的新成果、新方法和新理论充实到课堂教学中来，便于学生瞻望热物理学与近代科技前沿之间的发展关系，开阔眼界，启迪思维，增强热物理学的实用性，避免学生总是认为热物理学的知识太老了，与现代生活没有联系。进一步培养和提高学生的学习兴趣，提高教学质量。
　　三、课程整合的实践与改革
　　结合我校物理学专业的学生基础、师资队伍、教材建设等各方面的情况，热学与热统课程独立教学。在教学过程中，采用两本教材教学，对相同、重复的内容合二为一进行教学，根据教学要求和培养目标，合理选取教学内容：第一，授课内容的整合。可以将《热学》整合为五章，其内容包括：绪论温度热力学第一定律热力学第二定律气体分子运动论，第四学期开设。在第一章温度的物态方程部分增加介绍与物态方程有关的几个物理量：体胀系数、压强系数和等温压缩系数（为《热统》中的内容），将《热统》整合为六章，其内容包括均匀物质的热力学性质近独立粒子的描述玻耳兹曼统计玻色统计和费米统计系综理论涨落理论，第五学期开设。这种编排体现了热物理学知识结构的完整性、严谨性和科学性，体现了从宏观到微观，又综合运用宏观微观两种方法阐明物质的性质及它们之间的转化规律。这种体系避免了两门课程内容不必要的重复，知识点之间更具很好的衔接，这种安排在教学体系上一气呵成，有利于必课时数大大减少的新形势下有效地完成教学内容，能有相对充足的时间介绍统计物理，以便于把热物理学这门学科拓展为既老又新的知识。第二，在热统教学中大量削减热力学内容。在热统中主要讲授统计物理的理论和应用。关于热力学的基本概念和基本定律，在热学中已作过较详尽的讨论，不作更多的介绍。在热学中已讨论较多的麦-玻分布（最可几分布）也尽量不再重复，只将它作为系综理论的结果讨论。这样，还可以更好理解宏观理论与微观理论的统一，使学生认识上一个层次。第三，适当增加实践课。每学期安排1～2次专题讲座，请外校或本校的资深专家教授介绍热物理学学科的最新进展，如负温度的概念、熵在信息和生命科学中的应用等。通过这种方式将前沿科学与课堂教学内容相结合，这不仅避免了学生急功近利的想法，还引导学生对旧知识、物理学史的更深的理解，而且让学生身临其境地体会到科学家正在向大自然探索的问题以及解答这些问题经常使用的方法，这样既能增强学生的实践能力，又能为培养适应现代社会的富有竞争能力的人才创造了条件。第四，为考研学生进行辅导。据调查，我校毕业的学生考研的仅占4%左右，大部分毕业生都到各行政、机关、企事业单位工作。对于少数考研学生而言，整合后的知识内容可能不满足考研的要求，老师可以专门给考研学生集中进行辅导，再增加整合后没有讲到的又与考研有关的内容，强化考研章节。