研究型教学模式在热力学统计物理教学中的实践探索

于忠卫　黄艳艳

摘要：本文针对当前热力学统计物理课程教学中主要存在的问题，通过深入的调查和教学一线的实践工作，开展热力学统计物理研究型教学模式的探索，为课程教学改革提供一些经验和积累。

关键词：教学改革；研究型教学；热力学统计物理

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）33-0121-02

一、引言

近年来，随着我国高等物理教育科学研究的开展，在课程结构和教学模式改革方面都取得了一定的进展，但在很多方面依然存在较多的问题。就热力学统计物理这门课程来说，这是一门研究热现象和热运动规律的学科，内容丰富、体系完整，是物理专业理论基础课程之一。由于这门课程理论性强，内容抽象，学生学习起来大都感到难以充分理解和熟练应用，因此学科教学面临着诸方面的困难。

当前热力学统计物理课程教学中主要存在三个问题。

首先，授课学时少和教学内容多是教学中的一个主要矛盾。物理专业的学生在学习热力学统计物理课程时，课时较少，但是教学内容和教学体系却基本不变，这对按时完成教学进度和保证良好的教学效果造成了一定的困难。

其次，教学形式的陈旧，很难使学生在学习中发挥主动性和积极性。热力学统计物理课程的语言严谨而枯燥，内容包含大量的公式和推导。传统的教学模式很难提高学生学习的兴趣，容易使学生感到疲劳从而产生厌烦的心理。而促使学生学习的动力仅仅是为了通过考核，拿到学分，学生并没有切实掌握所学知识，更谈不上实际应用。

第三，所学知识与前沿科技严重脱节。在教学中往往为了完成教学任务，很多内容仅局限于书本知识，而对于前沿知识的介绍甚少。学生通过学习，不能将所学知识与前沿物理研究联系起来，很多知识浮于表面，无法应用到当前的科学研究中，这对培养学生的科学素养、创新精神和创新能力都是一种限制。

对于以上教学中存在的普遍问题，这门课程的教学改革也引起了全国范围普通高校的高度重视。目前，在课程的体系、课程内容、教学方法和考核方式方面已经有了诸多积极的探索和研究[1-6]，本文拟针对以上问题，通过深入调查和教学一线的实践工作，开展热力学统计物理研究型教学模式的探索，为课程教学改革提供一些经验和积累。

二、热力学统计物理研究型教学的思考

（一）课程定位

热力学统计物理是一门研究热现象和热运动规律的学科，是四大物理理论基础课程之一。其课程内容丰富，包含热力学基本定律、熵增原理、相变理论、近独立粒子的三种分布和统计等重要的知识内容。课程的授课学习对象一般为物理专业本科生，他们具有了普通物理学力学、热学以及原子物理学多方面知识的积累，在知识体系上需要从宏观和微观上对热力学知识进一步加深了解。另外，伴随着知识体系的展开，课程内各种解决问题的方法如统计、平均、理想化、相图等为师生开展研究型学习提供了素材和案例。

（二）研究型学习

对于研究型教学到目前为止还没有一个明确的、统一的定义，而大家对研究型教学的认识也不尽相同[7]。有学者认为，研究型教学是以“真实的科学研究”活动为核心，学生在“从事科研任务”中学习知识的一种教学模式；还有学者认为，研究型教学是教师以课堂内容和学生已有的知识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，自主发现问题、解决问题的教学模式。

我们认为研究型教学不仅包括了以教师为主导、学生为主体开展的探究性学习的各种教学活动，还包括了课后学生的各种研究与创新活动，即包括了基于课堂的研究型教学模式、基于课题的研究型教学模式以及基于科研小论文的研究型教学模式，同时，在该模式教学过程中，基于问题的发现—探索—解决始终贯穿其中。对于热力学统计物理这门课程，我们通过对课程特点和学生实际情况的研究，进行了上述研究型教学模式的探索。其目的正是突破传统教学模式在热力学统计物理教学中的困境，在激发学生学习兴趣的基础上，培养学生的创新意识，提高学生的科学修养。

1.基于课堂的研究型教学模式。传统的课堂教学模式通常以灌输式为主，往往使学生在学习过程中养成依赖心理，缺乏学习的责任感，学习中处于被动状态，因此在课堂教学中必须在传统的基础上创新教学方法。由于课堂教学教授给学生的基本知识、基本技能是学生进行研究型学习的基础，所以传统课堂教学必不可少。结合课堂教学实践，我们采取降低传统课堂比例的方法来完成基本知识的传授。对于知识的讲解注意讲清知识的来龙去脉、辨析重点难点、简化推导过程、讲授基本思路。在完成传统课堂的同时，引入研究型学习课堂，我们采取基于问题学习（Problem-Based Learning PBL）的研究型问题教学模式。如：热力学部分，可以从常见现象出发，通过问题引导学生思考，使每一个基本原理都成为启发学生学习研究思路、培养研究兴趣的案例。如关于熵的学习，可以在学习之前，提出这样一个问题：物理学是研究自然科学和规律的，那么关于生物进化和宇宙演变，物理学是否也能在此发挥作用呢？在学习完熵的内容后，用熵的概念来讨论生命进化过程是怎么样的过程？上述的问题，既有趣味性，贴近生活，又能引发思考，使得课堂气氛活跃，学生们主动思考，积极探索，教学在轻松愉快的气氛中有效完成，可以说，某些章节的知识内容学习，只要能回答出一到两个问题，这部分内容就学习完成了。

2.基于课题的研究型教学模式。课堂之外的主动性学习对于大学本科的教育至关重要，而任课教师在课堂之外的主动学习引导作用同样不可忽视。另外，让学生利用课余课后的时间进行研究学习，也能为师生节余课堂时间，为有效解决教学课时少和授课内容多的矛盾提供方法。因此，我们提出了基于课题的研究型教学模式。该模式由教师引导，师生共同参与，由教师提出1个或者多个和课堂相关的小课题，学生们通常以3～5人为一个课题研究小组，每组选择承担一项课题。课题小组可以由一人担任小组长，在规定的时间内（1星期至1个月不等）完成。课题小组在完成任务后，可以采取小组汇报、小组互评、课题论文等多种形式完成结题并获得一定的课题完成分数。课题的难度由教师来给定，通常要求学生们在课堂学习的基础上，还需要一定的科研视野和学术深度，学生往往需要在图书馆和互联网上做必要的调研和学习，并加以讨论和总结才能完成任务。与课堂结合紧密且效果不错的课题有热力学第一/二定律的历史发展、永动机历史、焓的调查、熵和系统进化、熵和热寂说、熵的意义及拓展应用、相图分析调研、等概率原理分析、玻尔兹曼分布和玻色以及费米分布的区别和联系、麦克斯韦速度分布实验调查研究等等。

（三）研究型教学模式考核方式的变革

区别于传统的试卷考核打分模式，以研究型教学模式为主导的课程教学的考核方式也需要相应的进行变化革新。对于热力学统计物理这门课程来说，熟悉该课程的基本认识、了解研究的方法、得到思维方式的锻炼比记牢几个公式，学会一些理论推导更重要。因此，我们改变单一的课程考核打分考核方法，研究出课题打分法、课程论文打分法、课堂讨论表现打分法、期末考核打分法四种方式综合的打分方法。按照学院和学生的接受认可度，期末考核打分法比例降低至50%甚至以下，而课题和论文表现、课堂讨论的表现三种综合平均后，其在总评成绩中的比例占据50%或者更多。这样的考核方式，不再呆板单一，强调了学生的学习主动性，提高了学习参与度，也锻炼了学生多方面的能力，更容易为学生所接受。

三、结束语

本文结合教学实践，积极探索了热力学与统计物理学教学中的研究型教学模式，提出了基于课堂的问题研究型教学模式以及基于课题和科研论文的课后研究型教学模式，并相应地提出了该课程多种考核相结合的考核方式。该教学模式立足传统教学模式，并加以创新，在高效完成教学任务的同时，缓解了授课学时不足与教学内容繁多的矛盾，调动了学生在学习过程中的主体作用，在夯实基础知识和掌握基本方法的基础上，有效激发学生的创新热情，培养学生的创造精神。

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