实施热学课程教学改革,培养学生创新思维

　　

　　一、引言

　　教育部颁发的《高等学校物理学本科指导性专业规范（2010年版）》指出要“提高物理学本科专业教学质量，促进创新人才的培养”。作为基础物理课程之一，热学是物理学专业学生的一门重要的专业基础课。通过热学的学习，学生对物理的认识从宏观世界深入到微观世界，热学学习过程中应用的方法除了学生熟悉的热力学方法外，还有学生不熟悉的统计物理的方法，课程为学生学习后续课程《热力学与统计物理》、《量子力学》等打下坚实的基础。而本课程所涉及的物理思想与研究方法不仅是学生今后从事科学研究工作的基础，而且对培养学生的创新意识，提高学生的科学素养起着重要的作用。

　　学生在中学学到的热学知识相对力学、电磁学来说是较少的，有的省份教师在课堂上完全不讲，造成学生的热学基础参差不齐，个别学生认为热学课程无足轻重，不重要，学习动力不足。随着课程的展开，学生发现热学课并不好学，热力学的许多概念如温度、焓、熵等比较抽象，热力学的规律特别是热力学第二定律显得深奥难懂，感觉很难把握；而统计物理的方法是一种完全陌生、崭新的方法，统计思想捉摸不透，以前的物理课从未涉及到，其中牵涉到的知识点似乎散而乱，相互之间找不到逻辑上的关联，很难在头脑中形成系统的、有机的知识体系。

　　由于教学计划安排的考虑，本校将热学安排在学生进入大学的第一学期讲授，学生尚未建立大学的学习方法，为了让学生尽快适应大学热学课的学习要求，培养学生的科学素养及创新能力，作者在教学实践过程中，对热学课实施了一系列的教学改革，并取得了一定的成效。

　　二、教学改革实践

　　1.抓好绪论课

　　绪论课是学生与教师的第一次接触，对于建立学生对热学课程及教师的良好第一印象，鼓舞学生的学习士气，增强学生学好热学的信心有着至关重要、不可替代的作用。应精心准备，设计教学方案，使学生对学习领域、学习任务、学习内容、学习方法有初步了解。针对部分学生认为热学课不重要的想法，绪论课从热学的发展对推动人类社会发展所起的重要作用谈起，在介绍了热学的发展史后，强调热学的知识、方法和思想对学生学习后续课程及以后从事科学研究工作的重要意义，从而增强学生学习热学的兴趣；考虑学生刚踏进大学，正在经历从中学学习到大学学习的转变，谈大学学习方法与中学学习方法的不同之处；针对学生在热学学习过程中可能遇到的困惑，一方面指出产生学习困难的原因，克服学生学习过程中的畏难情绪，另一方面指出关键的学习办法，并以往届同学的经验来激励他们，帮助他们建立自信心，相信自己通过努力一定能学好这门课。

　　2.注重培养学生的科学思维

　　热学研究物质的微观运动, 涉及微观领域的规律,学生在学习过程中有一定的难度。而正是在攻克一个又一个难关后，学生的知识储备、思维能力获得长足的进步，是促进学生科学思维和创新意识，提高科学素养的重要途径之一。

　　要学好热学，概念是关键。热学的概念比力学、电磁学抽象，导致学生理解不深刻，甚至不正确。教师需要将概念讲清、讲透，达到学生对概念深层次的理解，而非表面、肤浅的认识。讲解过程中可采用比较、类比、图像、举例等方法。以类比法为例，对内能概念的理解可类比重力做功与路径无关而引入的重力势能，又如焓是利用等压过程得到的，而焓不是过程量，是态函数，学生理解有困难，可类比态函数内能（利用绝热过程的绝热功定义）。

　　气体分子动理论从微观角度研究热现象，统计思想学生难以琢磨，而各部分之间的联系似乎很松散，为此举日常生活、社会经济活动中的统计实例帮助学生理解统计思想，在用统计方法推导公式时，着重讲思路、方法，具体的推导过程让学生课下进行，同时加强前后知识的联系，以使学生形成一个完整有机的知识体系。

　　热力学理论的公式多，容易混淆，为此向学生推荐一些在理解的基础上巧记公式的方法。针对热力学第二定律深邃难懂，从不同角度展开对热力学第二定律的剖析，同时强化熵的教学，讲熵的内涵、外延，丰富学生对熵的理解，逐步引导学生对问题的认识向纵深发展。

　　为了便于学生学习，热学一般分成热力学、统计物理两个板块进行教学。为了让学生明了热力学与统计物理之间的关系，除了在课程开始时讲明它们之间的关系，指出在实际问题时，两种方法不可偏废，在后面的教学中，时不时渗透，使学生不致割裂它们之间的联系，构建正确的热学思维方法。如在讲授能量均分定理的实验验证时，指出统计物理的假设需用热力学的方法来检验，而在讲授熵的统计意义时，则指出统计物理阐述了热力学量的微观本质。

　　3.拓展教学内容

　　除了传统的教学内容，还将热学的新理论、新成果融入到课堂教学中，使学生了解热学的发展现状及最新应用，感受到热学的勃勃生机。如在讲授布朗运动时，渗透分形的基本知识，特别在今年的教学中，介绍了2011年诺贝尔化学奖---准晶态的发现及准晶态的x射线衍射谱的分形结构；在批判“热寂说”时引入宇宙大爆炸理论及暗物质、暗能量；在讲授熵理论时渗透信息论、协同论、混沌、耗散结构理论；在讲授相变时导入超导、超流、玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象及近五十年来的相变理论发展。

　　4.改革教学模式

　　制作多媒体软件。运用多媒体和网络技术，应用现代化教学手段，将各种信息资源综合应用，把文字、图像和动画有机地结合在一起，开发热学课件，创设生动、直观、形象的学习情境。多媒体课件充分调动学生的各种感官器官，激发学生的学习兴趣，学生容易在大脑中形成鲜明的物理图象，获得较深刻的认识，大大缩短了从理性思维到感性思维再到理性思维的时间。例如熵表述是难掌握的内容，采用传统的粉笔+黑板的教学模式讲授，许多学生反映理解困难，借助多媒体手段，采用可视化的画面及搜集的有关资料，从而降低了学生的理解难度，学生反映理解不太困难。多媒体教学“板书”整齐，画面清新，加上动画效果，给人一种清爽的感觉，提高了学生的听课效率，学生对这种教学模式普遍持欢迎的态度。

　　开展物理演示实验。物理学理论来源于实验，演示实验可培养学生的观察力、综合分析能力和实验技能，因此除了运用多媒体播放实验动画软件和实验录像外，我们还组织学生观摩教师真人实验，由于是用实物实验，需预先准备，实验所花时间也较长，但因为现场实验，学生可以边观摩边讨论、切磋，学生在实验演示过程中对实验结果充满了期待，课下学生还可操作这些实验器材，亲身体验。许多热学实验是非常有趣的，让学生感到教师在进行魔术表演，如形状记忆合金弹簧在加热后有的收缩为原来的几分之一，有的则膨胀为原来的几倍；一个无电力驱动的机器在冷、热水中转动起来了；永不疲倦的饮水鸟;……，令学生兴趣盎然，课堂气氛也活跃起来了，使学生感受到热学实验的魅力。有些实验可帮助学生理解热学的基本概念、理论，从而更容易在头脑中形成物理图象，如伽尔顿板实验可帮助学生理解统计规律；有些实验反映热学当前的热点问题或应用，如说明非线性系统复杂性的混沌摆实验。

　　5.开展课堂探究，培养研讨的学习方式

　　设置讨论课。讨论课加强师生间的交流、沟通，让学生有机会发表自己的意见，倾听其他同学的不同见解。在讨论中，同学们各抒己见、集思广益，不同观点、不同思想在争辩中撞出新的思想火花，从而加深对有关概念、理论的理解。讨论课使学生积极主动参与到教学活动中来，活跃了课堂气氛，可以培养学生的发散思维、创新思维。例如讨论如何在速度空间表示麦克斯韦三种速度分布律，一个学生在黑板上画出物理图象，其他同学在下面评头品足，有不同见解的同学可以提出来，对前一个同学的图像进行修改，经过一番争论，大家相互借鉴、学习，最后统一了认识，而相应的物理图象也深深地印在每个同学的脑海中。而在讨论理想气体的内能公式 为什么适用于任意过程时，同学们七嘴八舌，想出了好几种不同的证明方法。讨论课采用的是随堂展开讨论的形式，而不刻意地规定某节课为讨论课，这样可根据学生的讨论情况，灵活调整讨论时间。教师在讨论课中，起到把握讨论的方向，适时引导，帮助学生林立正确思考方式。

　　撰写科技小论文。在多届学生中开展了撰写课程小论文并在课堂上宣读的活动，可培养学生独立学习、探究问题的能力，培养学生查阅搜集、归纳整理科技文献资料的能力、综合分析能力、语言组织能力、讲演表达能力，并使学生熟悉科技论文的写作格式和方法，了解多媒体制作技术，学生藉此也了解了更多热学的知识，热学的前沿发展，热学与其它学科的交叉，同时也受到了一次创新思维思想的锻炼。教师在布置任务时只要求论文格式及所写论文与热学有关，对具体内容并未作太多限制，同时鼓励学生开展互助合作，培养学生的团结协作、团队竞争精神。论文中有的论文是对热学某个概念如熵或温度的理解，有的论文探讨热学的发展史及启示，有的运用热学基本理论阐述日常生活中的热现象的机理，有的综述热学在某个前沿领域的发展，如相变、热力学第二定律在其它领域的应用发展，非平衡态热学的发展现状，有的论文结合同学自己的专业，论述热学在本专业学科中的应用，还有的论文谈到学习热学的心得体会与收获，有的论文甚至对网上某些作者的观点进行批判，提出自己的不同意见，而且言之有理，让教师看到了学生的创新潜能。宣读论文给了同学一次展示自我的机会，表现自我的舞台，同学们积极投入、跃跃欲试，精心准备PPT，精心组织演讲稿。宣读时，台上的同学严肃认真，有的略带紧张，有的幽默风趣，台下的同学认真倾听，听到有趣的地方，示以掌声和笑声。每位同学宣讲之后，教师和其他同学给予鼓励的掌声，教师并作简短的讲评。

　　组织学生参观实验室。曾组织两届学生参观中山大学空间技术实验室，实验室负责丁肇中领导的AMS的核心探测器的热控系统的设计测试，同学们参观实验室，聆听教授讲解如何运用物理学尤其是热学的理论、思想方法攻克研究中遇到的问题，同学们都兴奋不已，感受到作为中国人的自豪，大家暗下决心，打好学科基础，今后报效祖国。作为教师，希望今后能多找到这样的机会给同学开眼界，长见识。

　　三、结束语

　　课堂教学的改革，要求教师改变教学理念，以学生为本，认真钻研教材，查阅资料，及时了解学科发展动态，探索行之有效的教学改革方案，精心安排课程内容，改革教学模式，并在实践中不断进行调整，以调动学生学习、探究的兴趣和动力，从而提升教学质量，更好地培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。本文前述的热学课程中教学改革主要限于课堂中，如何进一步深化教学改革并将之延伸到课堂之外，是作者正在思索的问题。

　　基金项目：中山大学2011年教学改革研究项目。

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