熱學(xué)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

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【摘要】針對“熱學(xué)”教學(xué)中存在的問題，結(jié)合學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際情況，對“熱學(xué)”課程的教學(xué)在內(nèi)容體系、教學(xué)手段、教學(xué)方法、考核方式以及指導(dǎo)學(xué)生開展課外研究等方面進(jìn)行了一些探索性的改革嘗試，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】熱學(xué) 教學(xué)改革 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

【基金項(xiàng)目】本文是長沙理工大學(xué)教改課題“《熱學(xué)》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐”（長理工大教〔2011〕18號）和湖南省教改課題“探索物理學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）教學(xué)新模式，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才”（湘教通[2011]308號）的研究成果。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）08-0162-02

新世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代要求培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的各類高級人才，而我國高等教育長期以來是采用課堂講授“滿堂灌”的教學(xué)模式，師生互動少，重知識輕能力傾向嚴(yán)重，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了適應(yīng)新時(shí)期人才培養(yǎng)的要求，從上世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)許多高校對“熱學(xué)”課程教學(xué)的改革進(jìn)行了很多有益的探索，盡管改革的內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)各有不同，但核心都是圍繞“突出學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，積極探索培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的途徑和方法”這一主題[1-7]。這些對“熱學(xué)”的教學(xué)改革所做的有益探討和所取得的研究成果盡管對我們很有借鑒意義，但不能完全照搬，必須緊密結(jié)合我校物理學(xué)、電子信息科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)三個專業(yè)的實(shí)際情況，來改革教學(xué)體系、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

一、進(jìn)行教學(xué)改革的必要性

近幾年我校熱學(xué)課程的課時(shí)不斷壓縮，但對教學(xué)的要求卻越來越高，不但要講述傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容，而且要更加注重學(xué)生創(chuàng)新能力、解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)和知識面的擴(kuò)展。另外，從2011年開始，電子信息科學(xué)與技術(shù)和光信息科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)也開設(shè)熱學(xué)課程，這兩個專業(yè)的后續(xù)課程與物理學(xué)專業(yè)的后續(xù)課程迥然不同，相應(yīng)地，對熱學(xué)課程各知識點(diǎn)的教學(xué)要求、重點(diǎn)難點(diǎn)以及擴(kuò)展加深內(nèi)容等方面也應(yīng)有所區(qū)別。怎樣根據(jù)三個專業(yè)的特點(diǎn)和要求來改革教學(xué)體系、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是擺在我們面前的一個亟需解決的問題。

為了適應(yīng)新時(shí)期的教學(xué)要求，“熱學(xué)”課程組成員針對當(dāng)前“熱學(xué)”課程教學(xué)中存在的問題，對“熱學(xué)”課程教學(xué)在內(nèi)容體系、教學(xué)手段、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行了一些探索性的改革，旨在增加課堂信息量、提高學(xué)生興趣、提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。下面將筆者近幾年在熱學(xué)教學(xué)改革中所作的一些探索與實(shí)踐作一簡單總結(jié)，以便以后進(jìn)一步深化提高。

二、主要改革實(shí)踐

1.改革教學(xué)內(nèi)容

我?，F(xiàn)有物理學(xué)、電子信息科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)三個專業(yè)開設(shè)“熱學(xué)”課程，我們根據(jù)本課程和學(xué)生的實(shí)際情況重新修訂了“熱學(xué)”的教學(xué)大綱，分別構(gòu)建適合三個專業(yè)的內(nèi)容體系，并編寫了詳盡具體的講授提綱。其中物理學(xué)專業(yè)的內(nèi)容體系注重加強(qiáng)與后續(xù)課程“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”的聯(lián)系，而電子信息和光信息兩個專業(yè)則注重加強(qiáng)與信息科學(xué)有關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，弱化物性學(xué)和相變部分的內(nèi)容。

根據(jù)新時(shí)期人才培養(yǎng)的要求，我們在教學(xué)中注重引入理論物理思維，推進(jìn)“熱學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化。例如，鑒于熵在生命科學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用，我們在教學(xué)中加強(qiáng)了關(guān)于熵的本質(zhì)的討論。再比如，在講授熱力學(xué)第一定律時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考能量守恒定律與對稱性之間的關(guān)系。

另外，對于一些經(jīng)典內(nèi)容我們在講授時(shí)也根據(jù)實(shí)際情況對教學(xué)內(nèi)容作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，在講授麥克斯韋速率分布律時(shí)，教材上是先講氣體分子速率分布的測定（介紹的是1920年斯特恩的實(shí)驗(yàn)），后講麥克斯韋速率分布律。然而，實(shí)驗(yàn)中測出的實(shí)際上不是分子源的分子速率分布，而是分子束的分子速率分布，而且斯特恩的實(shí)驗(yàn)裝置有很大的缺陷。我們在講授時(shí)，先講麥克斯韋速率分布律和麥克斯韋速度分布律，闡明分子束速率分布函數(shù)的概念，然后介紹1955年密勒和庫什的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)同學(xué)們比較密勒-庫什實(shí)驗(yàn)和斯特恩實(shí)驗(yàn)裝置的不同之處，進(jìn)而分析斯特恩實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，最后要求同學(xué)們課下查閱我國物理學(xué)家葛正權(quán)在1934年所做的實(shí)驗(yàn)，了解我國科學(xué)家在這一領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。實(shí)踐表明，這樣講解更加合理，同學(xué)們理解得更透徹、更深入，也更有興趣。又比如，在講授玻耳茲曼分布律時(shí)，先由力學(xué)規(guī)律推導(dǎo)等溫大氣壓強(qiáng)公式，然后結(jié)合麥克斯韋速度分布律引出玻耳茲曼分布律，這樣講解同學(xué)們更容易理解。

2.改革教學(xué)手段

為了增加課堂教學(xué)單位時(shí)間的信息量，克服課時(shí)緊張的困難，我們在保持傳統(tǒng)教學(xué)方法的同時(shí)，引入多媒體教學(xué)，并力圖使二者有機(jī)地結(jié)合起來。凡是有大量的推導(dǎo)與講解以及學(xué)生可能要詳細(xì)記筆記的內(nèi)容，用粉筆和黑板講解，一些抽象的過程、拓展性的內(nèi)容和復(fù)雜的圖形則用多媒體講解。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是既能發(fā)揮多媒體教學(xué)形式多樣、信息量大、形象直觀等優(yōu)勢，又能保留黑板板書的親和力強(qiáng)，邏輯嚴(yán)密，交互性好等優(yōu)點(diǎn)。

另外，通過建設(shè)課程網(wǎng)站，我們構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)和網(wǎng)上輔導(dǎo)答疑系統(tǒng)，加強(qiáng)師生互動。一方面培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，提高學(xué)生課外的學(xué)習(xí)效果，另一方面便于教師及時(shí)了解學(xué)生對課程內(nèi)容掌握的程度、學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和不足之處，改進(jìn)教學(xué)方法和內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.改進(jìn)教學(xué)方法

（1）合理運(yùn)用啟發(fā)式、探究式教學(xué)，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思考問題、深化對知識的理解。

“熱學(xué)”比較抽象，尤其是氣體動理論部分，學(xué)生往往引起誤解，為了克服這一困難，我們在課堂講授時(shí)注意由淺入深，由具體到抽象，由特殊到一般的講授方式。例如，講了理想氣體狀態(tài)方程的基本形式之后，馬上引導(dǎo)學(xué)生思考還有哪些變形形式；講了密勒-庫什驗(yàn)證麥克斯韋速率分布律的實(shí)驗(yàn)以后，引導(dǎo)學(xué)生思考斯特恩實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷；講授氣體黏性現(xiàn)象的微觀解釋時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考碰壁分子的平均自由程與全體分子平均自由程之間的關(guān)系；推導(dǎo)了凸液面的附加壓強(qiáng)公式后，引導(dǎo)學(xué)生思考凹液面的情況；講三相點(diǎn)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考汽化曲線、熔解曲線和升華曲線能否不交于一點(diǎn)；講解臨界態(tài)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考超臨界態(tài)，等等。

（2）授課時(shí)適當(dāng)介紹一些教學(xué)內(nèi)容的研究背景，簡要介紹物理學(xué)家們當(dāng)年所遇到的問題，適當(dāng)穿插相關(guān)著名科學(xué)家的奇聞趣事，在活躍課堂氣氛的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生體會物理學(xué)家們天才思想的產(chǎn)生過程，培育創(chuàng)新思維。

（3）適當(dāng)開展課堂提問和課堂討論，加強(qiáng)師生互動。通過課堂提問，可以及時(shí)了解學(xué)生對講授知識掌握的情況，并根據(jù)學(xué)生反饋回來的信息及時(shí)調(diào)整講課的速度、內(nèi)容和表達(dá)方法，以提高教學(xué)效果。課堂上討論的問題是上一次課提出來的，學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了思考和討論，這樣就能達(dá)到活躍課堂氣氛、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的目的，促使其更好地理解和消化課堂教學(xué)內(nèi)容。

（4）在課堂教學(xué)中注重教學(xué)內(nèi)容與日常生活以及當(dāng)前科技前沿的聯(lián)系，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們解決實(shí)際問題能力。例如，講到根據(jù)熱力學(xué)第一定律，第一類永動機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)時(shí)，介紹源于我國的科技玩具“吸水鳥”，要求大家課下查閱有關(guān)資料，揭示其不斷“點(diǎn)頭喝水”的工作原理；講解熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)時(shí)，介紹麥克斯韋妖，引導(dǎo)學(xué)生思考有沒有違反熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，為什么？講授毛細(xì)現(xiàn)象時(shí)，提出樹液在樹干中上升是否主要靠毛細(xì)現(xiàn)象的問題供學(xué)生思考和課下研究討論；講解云的形成和降雨的時(shí)候，介紹最近發(fā)表在《自然》雜志上研究內(nèi)容為“降雨和云場自我組織”的一篇學(xué)術(shù)論文[8]；講解肥皂泡內(nèi)外的壓強(qiáng)差時(shí)，介紹最近發(fā)表在《自然》雜志上研究“氣泡破滅物理過程”的一篇論文[9]；講解臨界態(tài)時(shí)，介紹曾有在發(fā)電廠工作的同學(xué)向我咨詢超臨界態(tài)的問題，引導(dǎo)學(xué)生課下查閱超臨界態(tài)的有關(guān)資料。這些例子都是生動的實(shí)例，容易引起學(xué)生的興趣。

4.課外指導(dǎo)學(xué)生開展研究與探索

教師圍繞熱學(xué)的基本規(guī)律及其應(yīng)用等內(nèi)容，布置一些教學(xué)研究題目，讓學(xué)生通過調(diào)研、分析、實(shí)驗(yàn)和討論撰寫出小論文，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間，進(jìn)行創(chuàng)新意識和科學(xué)思維訓(xùn)練。

5.改進(jìn)考核方式

按照學(xué)校要求，考試課程平時(shí)成績占20%，期末考試的卷面成績占80%。以往平時(shí)成績主要以出勤和作業(yè)為主，但在實(shí)際的教學(xué)工作中，我們感到這樣的評價(jià)方式并不全面。學(xué)習(xí)物理最重要的是領(lǐng)會科學(xué)家的物理思想，所有偉大的貢獻(xiàn)無一不是天才思想的結(jié)晶。鑒于這一點(diǎn)，我們鼓勵學(xué)生“胡思亂想”，提倡學(xué)生多質(zhì)疑、多爭論，并把獨(dú)到見解納入平時(shí)成績。學(xué)生為了將自己的見解闡述清楚，需要在課下查閱大量的文獻(xiàn)，這樣做一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面鍛煉了其寫作能力。

三、教學(xué)改革效果

幾年以來，通過上述改革嘗試，熱學(xué)課程的教學(xué)取得了良好的效果。通過啟發(fā)式、探究式教學(xué)和課堂討論、師生互動，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性明顯增強(qiáng)，思維更加活躍。通過教學(xué)內(nèi)容研究背景的介紹以及與日常生活和科技前沿的聯(lián)系，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣增加了，覺得熱學(xué)不那么枯燥了。通過與教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系密切的課外研究與探索，學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力得到了很好的鍛煉，部分學(xué)生申請到了大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，有的還發(fā)表了水平較高的學(xué)術(shù)論文。另外，學(xué)生開始嘗試著用理論物理的思維來思考并解決熱學(xué)的有關(guān)問題，他們的發(fā)散性、創(chuàng)造性思維得到了相當(dāng)程度的提高，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

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作者簡介：

劉新海，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院物理學(xué)教研室副教授。