【摘 要】基于目前熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理具有理論性強(qiáng)、概念難理解、學(xué)生學(xué)習(xí)吃力等特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)熱學(xué)的基礎(chǔ)之上，對(duì)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理課程進(jìn)行重新審視，并對(duì)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)行為進(jìn)行一些改革嘗試，以問(wèn)題為主線(xiàn)，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得了較好的學(xué)習(xí)效果。

【關(guān)鍵詞】問(wèn)題 主線(xiàn) 熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 應(yīng)用

基金項(xiàng)目：咸陽(yáng)師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（200801007）；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（2013JK0606）。

熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的特點(diǎn)

熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要必修課，也是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課。它是研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律及熱運(yùn)動(dòng)對(duì)宏觀性質(zhì)影響的基礎(chǔ)理論課程，熱運(yùn)動(dòng)有其自身固有的規(guī)律性。熱運(yùn)動(dòng)的存在又必然影響到物質(zhì)的各種宏觀性質(zhì)[1]，例如：物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)、聚集狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度等都與物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。因而研究問(wèn)題的方法和手段就與化學(xué)、生物、氣象、生態(tài)等各門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科有著密切的聯(lián)系，對(duì)數(shù)學(xué)的要求也較高。

熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理和熱學(xué)的研究對(duì)象是一樣的（都是熱力學(xué)系統(tǒng)），它們的任務(wù)也是相同的，但研究的方法是不同的[2]。熱學(xué)注重的是宏觀理論，而統(tǒng)計(jì)物理更注重微觀理論。這樣一來(lái)，熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中就有很多知識(shí)點(diǎn)與熱學(xué)中是重復(fù)的，然而，目前國(guó)內(nèi)物理專(zhuān)業(yè)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的課時(shí)一般都在70學(xué)時(shí)左右，要再講一遍熱學(xué)顯然是浪費(fèi)也不值得，不講的話(huà)，學(xué)生碰到一些概念或理論還是模糊，對(duì)后面的學(xué)習(xí)就會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)，至此失去學(xué)習(xí)興趣，不愿上課不愿看書(shū)，連考試也無(wú)能為力。

對(duì)教授熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的教師來(lái)說(shuō)，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣？如何改進(jìn)枯燥的傳統(tǒng)教學(xué)模式？成為必然要關(guān)注的問(wèn)題。在筆者對(duì)這門(mén)課多年的講授中，嘗試著把一些方法應(yīng)用在本門(mén)課的教學(xué)中，結(jié)果顯示，“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法能夠使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成績(jī)都有所提高，且自主學(xué)習(xí)的能力也有提高。

“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法

所謂“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法就是在教學(xué)的過(guò)程中以“問(wèn)題”貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程[3]，包括學(xué)生帶著問(wèn)題預(yù)習(xí)新課，在預(yù)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，帶著問(wèn)題走進(jìn)課堂；教師在新課前以提問(wèn)題的方法導(dǎo)入本節(jié)內(nèi)容，在課中解決一些問(wèn)題，再指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，進(jìn)一步尋找解決問(wèn)題的方法，進(jìn)而解決問(wèn)題；課后留下一些思考問(wèn)題，讓學(xué)生自主尋找答案，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)的能力和學(xué)習(xí)的興趣及勇于探索的精神。

針對(duì)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理要求在熱學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)熱力學(xué)系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)這一特點(diǎn)，提出的問(wèn)題除了理論性的，還可以是方法性的，也可以是解決問(wèn)題的數(shù)學(xué)性的。這就使得學(xué)生必須去看書(shū)找資料，回答相應(yīng)的問(wèn)題，一個(gè)課時(shí)一個(gè)課時(shí)地積累，習(xí)慣就會(huì)養(yǎng)成，剛開(kāi)始進(jìn)度會(huì)慢一些，習(xí)慣養(yǎng)成后進(jìn)度自然就可以快一些了，課時(shí)也夠用了，知識(shí)點(diǎn)也能學(xué)完，還有相應(yīng)的擴(kuò)展。通過(guò)“提問(wèn)—自問(wèn)—作答—思考—再作答”的過(guò)程，乏味的理論課變成了積極主動(dòng)的探索課，在這樣的教學(xué)過(guò)程中學(xué)生教師都達(dá)到了雙贏，學(xué)有所獲教有所成。

當(dāng)然，這也給教師提出了更高的要求，如何引導(dǎo)？如何提問(wèn)？如何作答等問(wèn)題，這就要求教師下更多的功夫，對(duì)課題有更深刻的理解，對(duì)相關(guān)課程有較好的了解和應(yīng)用能力。始終貫徹“問(wèn)題主線(xiàn)”來(lái)指導(dǎo)每一個(gè)專(zhuān)題或章節(jié)。以下選取實(shí)際的例子來(lái)說(shuō)明“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中的應(yīng)用。

“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中的應(yīng)用

熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理包括兩部分內(nèi)容，一部分是熱力學(xué)基本規(guī)律和熱力學(xué)性質(zhì)及相變理論，另一部分是統(tǒng)計(jì)物理的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和量子統(tǒng)計(jì)。這兩部分的研究方法有所不同，且兩種統(tǒng)計(jì)的方法也不同，但宏觀上是統(tǒng)一的，這就要求無(wú)論用什么方法研究最終得有一致的結(jié)論或近似一致的結(jié)論，所以應(yīng)用方法時(shí)還不能脫離教材的思路，更不能脫離歷史發(fā)展的順序和學(xué)生的思維方式，故對(duì)不同部分提出有細(xì)微差別的應(yīng)用思路。

1.“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法在章節(jié)中的應(yīng)用思路

熱力學(xué)基本規(guī)律的內(nèi)容在熱學(xué)中都講過(guò)了，在熱統(tǒng)中不妨以這樣的思路來(lái)講，⑴確定對(duì)象；⑵提出概念；⑶引出函數(shù)；⑷工具應(yīng)用；⑸得出結(jié)論；⑹特例驗(yàn)證；⑺推廣一般。每個(gè)步驟都以提問(wèn)題的形式完成，以問(wèn)題的回答引入下一環(huán)節(jié)。

均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)主要是由微分函數(shù)及其關(guān)系體現(xiàn)的，主要是數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，在此如果干講免不了乏味。就試著把全班學(xué)生分成四組，每組學(xué)生給出一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題（教師要評(píng)價(jià)問(wèn)題的合理性），然后讓學(xué)生自己尋找關(guān)系，最后把熱力學(xué)量用在問(wèn)題中，通過(guò)比較得出結(jié)論。

在相變理論中，先布置作業(yè)（教師設(shè)置的一些問(wèn)題），讓學(xué)生尋找生活中的相變過(guò)程，簡(jiǎn)單總結(jié)一些條件；然后看書(shū)找資料，尋找相變實(shí)驗(yàn)及理論；最后學(xué)生回答問(wèn)題，教師總結(jié)。

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)入手，深入到熱運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。在本部分有大量的推導(dǎo)和數(shù)學(xué)問(wèn)題，要想進(jìn)行得順利，必須有層次地提出一些相關(guān)的問(wèn)題，課堂上引導(dǎo)回答，循序漸進(jìn)地進(jìn)入主題，最后得出結(jié)論，同學(xué)們共同總結(jié)完成。

2.“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法的應(yīng)用舉例

例一：基本熱力學(xué)函數(shù)的確定。

提出問(wèn)題：⑴對(duì)象是誰(shuí)？——熱力學(xué)系統(tǒng)；⑵基本指什么？⑶目標(biāo)是什么？回答了這三個(gè)問(wèn)題之后，思路就清晰可見(jiàn)了（物態(tài)與參量有關(guān)，熱一律與內(nèi)能有關(guān)，熱二律與熵有關(guān)，參量函數(shù)名具備了），接下來(lái)是推導(dǎo)函數(shù)。對(duì)于函數(shù)再提問(wèn)，什么是函數(shù)？函數(shù)形式與什么有關(guān)？再回答，然后有了不同的變量構(gòu)成不同的函數(shù)形式，這樣課題要求的目的（不同變量構(gòu)成的函數(shù)形式不同）達(dá)到了，最后讓學(xué)生觀察不同的函數(shù)形式，思考從中能獲得什么？對(duì)問(wèn)題的作答自然而然地到下一節(jié)的特性函數(shù)的課題，進(jìn)而也會(huì)分析函數(shù)的特性，再想辦法尋找測(cè)量特性的方法——延伸興趣。

例二：統(tǒng)計(jì)部分的理想氣體的內(nèi)能和熱容量的確定。

先找到熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)能曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)上直觀地分析內(nèi)能是常數(shù)和隨溫度變化的范圍，提出問(wèn)題：為什么會(huì)有這樣的結(jié)果？從理論上怎樣去解釋?zhuān)克伎迹ńo5分鐘）。再問(wèn)：內(nèi)能由什么決定呢？運(yùn)動(dòng)與什么有關(guān)呢？模型中的微觀粒子運(yùn)動(dòng)又與什么有關(guān)呢？不同的模型粒子運(yùn)動(dòng)是否一樣？（給10分鐘）把這些問(wèn)題一一地引導(dǎo)作答，和學(xué)生共同建立一個(gè)模型，如雙原子分子系統(tǒng)。進(jìn)而一起寫(xiě)出不同運(yùn)動(dòng)的能量表達(dá)式，不同運(yùn)動(dòng)的配分函數(shù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具求出內(nèi)能。再利用熱容量的定義（此處要求同學(xué)們課堂回答），求出熱容量的表達(dá)式，再分溫度段作出解釋?zhuān)?huà)出熱容量隨溫度變化的曲線(xiàn)來(lái)，與實(shí)驗(yàn)比較，獲得統(tǒng)計(jì)理論的近似結(jié)果，學(xué)生在積極思考和直觀的圖形上達(dá)到了學(xué)習(xí)目的。最后說(shuō)明電子運(yùn)動(dòng)對(duì)熱容量的影響，經(jīng)典描述與量子描述的不同和一致性，提出擴(kuò)展型問(wèn)題：什么時(shí)候應(yīng)該考慮電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)？什么情況下應(yīng)用經(jīng)典理論或者是量子理論？

小結(jié)

“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中應(yīng)用以來(lái)，筆者認(rèn)為教學(xué)效果有了很大的提高，從考試成績(jī)來(lái)看有提高，從學(xué)生平時(shí)的提問(wèn)中和自學(xué)中看到學(xué)習(xí)的積極性和興趣有所提高，再?gòu)目佳械膶?zhuān)業(yè)選擇上看對(duì)學(xué)生的影響也是很大的。“問(wèn)題主線(xiàn)”教學(xué)法被越來(lái)越多地應(yīng)用在不同的學(xué)科教學(xué)中，這就要求從事教學(xué)的工作者緊扣課題有層次地提出問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中恰當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)，適時(shí)適當(dāng)?shù)匾盥?lián)想，和學(xué)生一起學(xué)習(xí)、一起總結(jié)、一起歸納，循序漸進(jìn)地到達(dá)目的地。

參考文獻(xiàn)：

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