熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程線上線下混合教學(xué)的嘗試與實踐

于景新 楊培霞 魏永凱

摘 要：熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程是高等院校物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)本科生的一門必不可少的專業(yè)必修課，它對于后續(xù)的量子力學(xué)、固體物理等課程學(xué)習(xí)具有非常重要的作用。我們采用線上線下混合式教學(xué)模式對本門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)，對教學(xué)過程進(jìn)行重新設(shè)計，針對每一個教學(xué)模塊設(shè)置討論專題，使用超星教學(xué)輔助平臺等改革教學(xué)環(huán)節(jié)，對熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程進(jìn)行了積極的探索與實踐，探討如何線上線下合理結(jié)合來提高本門課程的教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)·統(tǒng)計物理;線上線下;混合教學(xué)

熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程是高等院校物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)本科生的一門必不可少的專業(yè)必修課，它對于后續(xù)的量子力學(xué)、固體物理等課程學(xué)習(xí)具有非常重要的作用。從內(nèi)容上來看，熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程的理論性較強(qiáng)，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中會有些吃力。如果采取傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，會使熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程的課堂教學(xué)枯燥無味，學(xué)生一味地被動接受知識，很可能會失去學(xué)習(xí)興趣。如何提高本門課程的教學(xué)效率及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣一直是筆者在教學(xué)過程中思考、探索的問題。

近年，大學(xué)生在線課程得到了前所未有的迅猛發(fā)展，尤其是突如其來的新冠肺炎疫情，更是讓2020年上半年的線上教學(xué)如火如荼。線上教學(xué)有著線下教學(xué)無可比擬的資源豐富、學(xué)習(xí)時間靈活等優(yōu)勢，而線下教學(xué)又可以彌補(bǔ)線上教學(xué)的溝通、交流障礙等缺陷，因此二者合理結(jié)合必將為熱力學(xué)·統(tǒng)計物理這門課程的學(xué)習(xí)帶來新思路。筆者有幸將熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程的線上線下教學(xué)付諸實踐，使用線上線下混合式教學(xué)方法對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，對教學(xué)過程進(jìn)行重新設(shè)計，使用超星教學(xué)輔助平臺等改革教學(xué)環(huán)節(jié)，對熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程進(jìn)行積極的探索與實踐。本文就基于超星學(xué)習(xí)通的線上線下混合學(xué)習(xí)模式，具體探討如何線上線下合理結(jié)合，來提高本門課程的教學(xué)效率。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

由于本門課程學(xué)時有限，而熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程的部分內(nèi)容與先修課程——熱學(xué)課程的部分內(nèi)容重復(fù)率較高，如熱力學(xué)部分（平衡態(tài)，溫度，物態(tài)方程，熱力學(xué)第一、第二定律，卡諾定理等）和統(tǒng)計物理部分（能量均分定理，麥克斯韋分布，玻爾茲曼統(tǒng)計等）。因此，教學(xué)中對有交叉重疊的部分進(jìn)行壓縮和刪減，只作復(fù)習(xí)性的簡述或以學(xué)生自學(xué)的方式完成。通過這樣的調(diào)整，節(jié)省的教學(xué)學(xué)時可以用來重點(diǎn)講授量子力學(xué)、固體物理等課程知識點(diǎn)，以達(dá)到課程之間承上啟下的作用。

本門課程的特點(diǎn)是語言嚴(yán)謹(jǐn)?shù)菰铮n本中包含大量的公式和推導(dǎo)，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時容易將注意力停留在物理公式的數(shù)學(xué)形式上，而不能深刻領(lǐng)悟其中的物理意義、物理思想和物理方法。因此，線下教學(xué)時我們把重點(diǎn)放在物理公式的理解上，盡量簡化公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)方面的教學(xué)，幫助學(xué)生從物理的角度對授課內(nèi)容進(jìn)行深入理解。

二、教學(xué)內(nèi)容模塊化

我們在教學(xué)過程中使用的教材是汪志誠先生的《熱力學(xué)·統(tǒng)計物理》（第五版），此版教材的特點(diǎn)是起點(diǎn)較低，知識坡度不大，學(xué)生學(xué)習(xí)時很容易由淺入深，循序漸進(jìn)。此教材的熱力學(xué)部分和統(tǒng)計物理部分相對分立，我們將熱力學(xué)部分分成三個模塊：模塊一為熱力學(xué)的基本規(guī)律，模塊二為均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，模塊三為單元及多元系的相變理論。統(tǒng)計物理部分也分成三個模塊：模塊一為近獨(dú)立粒子的最概然分布，模塊二為玻爾茲曼統(tǒng)計、玻色和費(fèi)米統(tǒng)計，模塊三為系綜理論。

我們的教學(xué)過程從最簡單的基本概念入手，突出重點(diǎn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生課前預(yù)習(xí)的習(xí)慣。課前預(yù)習(xí)說起來簡單，其實能夠做到并一直堅持下去的學(xué)生并不多，超星學(xué)習(xí)通平臺在這里起到了很好的橋梁作用。我們將熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程教學(xué)中涉及的知識點(diǎn)的電子教案、視頻等上傳到超星平臺，學(xué)生可通過移動端登錄超星學(xué)習(xí)通平臺進(jìn)行課程的預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)，教師也可以很清楚地了解到每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。課堂講授采用多媒體配合板書教學(xué)，使用類比、分析、反證等多種教學(xué)方法，盡量使教學(xué)過程生動、豐富。針對課程公式比較多的特點(diǎn)，我們充分利用思維導(dǎo)圖，先對模塊內(nèi)容進(jìn)行分類，然后再對具體章節(jié)進(jìn)行分層分級講授。

超星學(xué)習(xí)通平臺有作業(yè)專區(qū)、課程討論互動專區(qū)，這是在教學(xué)活動中使用最多的兩個模塊，也是本課程線上線下結(jié)合的得力助手。在作業(yè)專區(qū)，我們有針對性地設(shè)置訓(xùn)練內(nèi)容和習(xí)題，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固學(xué)過的內(nèi)容;課程討論互動專區(qū)則充分利用在模塊專題化教學(xué)過程中。

三、模塊內(nèi)容專題化

針對教學(xué)內(nèi)容的每一個模塊，我們都設(shè)計了一個討論專題。模塊一的專題：熵增加原理。模塊二的專題：獲得低溫的方法。模塊三的專題：相平衡理論。模塊四的專題：等概率原理。模塊五的專題：能量均分定理。模塊六的專題：玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。

在超星學(xué)習(xí)通的課程討論互動專區(qū)，讓學(xué)生們針對某一個專題進(jìn)行討論。比如，針對相平衡理論，學(xué)生已經(jīng)對該模塊的基本概念、理論和重要公式有了了解。我們選擇一些題材新穎、結(jié)論開放的研究性材料，如液滴的形成過程，讓學(xué)生們分組討論。提前一周提出問題，讓學(xué)生充分調(diào)研，比如，熱鍋上的水珠為什么可以像水銀珠般滾在玻璃上？讓學(xué)生通過整理經(jīng)驗材料，提出科學(xué)假設(shè)，最終嘗試著理解構(gòu)造理論系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生以個人學(xué)習(xí)為主，很少討論。在線上線下混合式教學(xué)實踐中，大量采用小組討論、小組解題的形式。通過這樣的專題討論，可以加強(qiáng)學(xué)生的合作研究意識。針對專題，每組給出一個總結(jié)報告，推選一位同學(xué)在課堂上進(jìn)行成果展示，從而提高學(xué)生的理論應(yīng)用和創(chuàng)新能力。最后專題討論的分?jǐn)?shù)，在教師給出每組平均分的基礎(chǔ)上，組長可以根據(jù)每位組員的表現(xiàn)二次分配。通過這種方式可以增進(jìn)學(xué)生之間的融洽關(guān)系，培養(yǎng)團(tuán)隊精神，對學(xué)生們的未來就業(yè)也很有好處。

四、與物理學(xué)專業(yè)實際結(jié)合

傳統(tǒng)教學(xué)模式中，很多同學(xué)在學(xué)完熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程后，對涉及的概念、規(guī)律以及處理問題的方法都感覺比較模糊，導(dǎo)致不能與實際應(yīng)用相結(jié)合。最終熱力學(xué)部分給學(xué)生留下的印象就是一大堆偏微商，偏來偏去;統(tǒng)計物理部分則是這分布那分布。教師在講臺上講得口干舌燥、筋疲力盡，學(xué)生在臺下卻是無精打采、昏昏欲睡。而采用線上線下相結(jié)合的模式，讓學(xué)生們參與進(jìn)來進(jìn)行討論，教師可以合理及時地補(bǔ)充一些物理學(xué)最新的學(xué)術(shù)成就與進(jìn)展，有意識地突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內(nèi)容，增加學(xué)科的前沿內(nèi)容，這些對提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣起到了非常積極的作用。我們在線上線下專題討論的同時，要求學(xué)生們自己調(diào)研相關(guān)知識，調(diào)研的過程就是熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程知識的吸收過程，有意識地引導(dǎo)學(xué)生將熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程中的知識和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)聯(lián)系起來。只有將知識與專業(yè)相結(jié)合，學(xué)生才會更愛自己的專業(yè)，從而為將來的工作與學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

五、課程考核

針對學(xué)生線上線下模式課程學(xué)習(xí)，我們也設(shè)置了相應(yīng)的考核體系。學(xué)生的平時成績占本門課程成績的30%，而平時成績又由學(xué)生們在學(xué)習(xí)通的學(xué)習(xí)參與程度決定。其中課堂考勤占比20%，專題討論占比30%，測驗占比30%，課后作業(yè)占比20%。學(xué)生需要按照授課教師發(fā)布的任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)并通過課程考核，最后方能獲得學(xué)分。考試對學(xué)生來說可能是一門課程的結(jié)束，對教師來說則是下一次課程的開始。為了更多地了解學(xué)生們的需求，我們除了平時多與學(xué)生溝通，讓學(xué)生直接反饋之外，也通過班級、輔導(dǎo)員反饋的形式來了解學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)情況。同時，以在超星學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布問卷的形式和學(xué)生對話，多渠道了解學(xué)生需求，不斷完善該課程的考試與評價體系。

針對熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課程基于超星學(xué)習(xí)通的混合學(xué)習(xí)模式能否提升教學(xué)效果，我們采集了應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)2019—2020第二學(xué)期學(xué)習(xí)通平臺學(xué)生的相關(guān)統(tǒng)計資料，從整體情況來看，課程的總訪問量呈遞增趨勢，學(xué)生的成績也有較明顯提高。結(jié)合學(xué)生評教意見，滿意度較往年也有較大提升。綜合來看，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，線上線下混合教學(xué)模式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了師生之間的互動，切實提升了教學(xué)效率。

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責(zé)編：文 竹