蓝善权，何焕典

(岭南师范学院，广东 湛江 524048)

热力学统计物理是高等院校本科物理学专业的一门必修基础理论课程[1]，它对于量子力学、固体物理等后续课程的学习以及学生今后从事相关科研或教学工作都具有积极意义。本研究以岭南师范学院为例，对热力学统计物理课程的教学现状进行分析。

1.1 热学与热力学统计物理的部分教学内容存在重复性，两门课的教学大纲和教材没有很好地衔接到一起

从授课时间上来看，热学先于热力学统计物理，属于前续后续的关系[2]。这两门课的研究对象都是热现象，有些教学内容的重复是不可避免的[3-4]。但它们之间的差异也很明显，热学侧重于对热现象的描述和宏观规律的总结，而热力学统计物理侧重于揭示描述热现象的宏观和微观物理量之间的关系、热现象的产生原因和微观机理[5]。岭南师范学院的《热学》教材是李椿等人编著的[6]，《热力学统计物理》教材是汪志诚编著的[7]，它们的编著者不同，教学内容的侧重点不同，教学大纲也不同。

热力学统计物理的教学内容较为丰富，而教学学时却很少，在物理学专业的授课学时为48学时，需要教师对教学内容有所取舍。该课程的主要教学内容是第一章热力学的基本规律(10课时)、第二章均匀物质的热力学性质(6课时)、第三章单元系的相变(4课时)、第六章近独立粒子的最概然分布(7课时)、第七章玻耳兹曼统计(8课时)、第八章玻色统计和费米统计(8课时)、第九章系综理论(3课时)、总复习(2课时)。需要组织这两门课程的授课教师对教学内容和教学大纲进行整合与优化。

1.2 较为关注数学公式推导，有些忽视了物理思想和物理方法的重要性

热力学统计物理课程的理论性较强，物理图像抽象，物理模型众多，教材中包含大量公式及复杂的推导过程，不像普通物理课那样生动直观，一些学生将注意力放在了公式推导上，难以感受到其中的物理思想和物理方法，不利于教师与学生之间的交流。对此，教师必须调整教学内容，分清主次，丰富教学方法，减少公式推导的时间，多给学生留一点独立思考和自主学习的时间。

1.3 题型有些单调，题库中的题量较少

热力学统计物理课程所用教材的课后习题只包含证明题和计算题两种题型，平时作业也是这样，而期末考试却包含了简答题、选择题、填空题、证明题和计算题这些题型，使得部分学生在期末考试中面对众多新题型有些不太适应。平时作业中没有简答题、选择题、填空题的原因在于题库中这三类题型的题目较少。

2.1 整合热学和热力学统计物理的教学内容

热学和热力学统计物理这两本教材在平衡态、温度、物态方程、热力学第零定律、功、理想气体、内能、热量、热力学第一定律、焓、卡诺循环、热力学第二定律、卡诺定理、熵、熵增加原理、能量均分定理、麦克斯韦分布等内容上是有所重复的。对此，教师需要明确热学课程的教学大纲中有哪些内容是要求学生掌握的，哪些内容是只要理解就可以的，如热力学第一定律、热力学第二定律及其相关内容要求掌握，而熵、能量均分定理、麦克斯韦分布的内容只需理解即可，对它们的物理意义和微观来源不作要求。在此基础上，将热力学统计物理的主要教学内容变为第一章(4课时)、第二章(6课时)、第三章(4课时)、第六章(8课时)、第七章(8课时)、第八章(8课时)、第九章(8课时)，做到有效降低课程内容的重复率。

2.2 引进物理学史和前沿知识，连接中学物理

引进物理学史和前沿知识可以增加课堂的趣味性，让学生了解物理问题的来龙去脉，从而培养学生的创新精神，加深学生对相应知识的理解，开阔学生视野。教师可以在课堂上介绍物理学史和前沿知识，并将某个物理学史或前沿知识作为课后作业，让学生以小组合作的方式通过互联网查找资料，然后进行讨论总结和组员讲解。物理学史和前沿知识的内容较多，教师需要精心挑选进行设计。例如，在讲解光子气体时，教师可以介绍量子力学之父普朗克的故事和他解决黑体辐射问题的过程；
在讲解玻色-爱因斯坦凝聚时，教师可以介绍玻色和爱因斯坦的故事以及他们研究该问题的过程，还可以介绍最新的研究进展和与之相关的冷原子气体、量子化涡旋、超流湍流等前沿知识；
在讲解熵时，可以介绍冯·诺依曼熵和纠缠熵及其在通信领域、量子计算机领域和引力领域中的应用。

物理学专业的学生毕业后大多数会从事中学物理教学工作。中学物理中有关热现象的内容主要包括空气中的声速大约为304 m/s；
高度每升高1 km大气温度就会降低大约6℃；
黑体辐射的能量密度与温度的四次方成正比。中学物理对这些内容只给出了结果，而热力学统计物理课程给出了推导过程并解释了成因。在高等教育物理教学过程中，教师要结合中学物理来强化学生学习的目标性，将教学内容和教学能力相融合，使学生能从理论物理的高度来解释中学物理中的热问题。

2.3 减少数学公式推导，重视物理思想教学

部分学生觉得热力学统计物理的学习难度较大，理不清其中大量的公式和各式各样的物理模型。首先，教师需要减少数学公式的推导，主要推导重要公式，把过于复杂的、不太重要的公式推导过程放到PPT里边，借助多媒体实现快速讲解或者让学生自学，然后进行物理模型的分析。实践表明，弄清楚了物理模型会有助于数学公式的记忆和推导，如理想气体方程和范德瓦尔斯气体方程，后者就是在前者的基础上做了两个修正，修正的依据为两种气体分子物理模型的差别，范德瓦尔斯气体则是考虑了分子的体积和分子之间的相互作用。还有自由粒子、线性谐振子、转子、玻色子、费米子、爱因斯坦固体、光子气体、自由电子气体、微正则系综、正则系综、巨正则系综等物理模型，当学生深入理解了这些物理模型，在推导公式的过程中自然就有了思路。其次，要重视物理思想教学。研究热现象可以从宏观角度出发也可以从微观角度出发，即热力学理论和统计物理理论。统计物理又包含基于最概然分布中的微观状态数的统计物理和基于系综理论的统计物理，如热力学第二定律的各种表述、黑体辐射问题、微观状态数的计算、光子气体内能的计算等内容。

2.4 加强思政教育

专业课是思政建设的重要载体。热力学统计物理课程主要的思政教育体现在物理问题的分析讨论上，这样有助于提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力，强调科学精神和价值理念。教师需要更加深入地挖掘思政元素，并将其融入课堂教学中，注重科学思维方法训练和科学伦理教育，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，激发学生的爱国情怀，达到润物无声的育人效果。

教师在传授专业知识的同时，要注重提高学生的综合素质。首先，在课程的绪论部分讲述课程由来、课程现状、课程发展趋势等内容，从理论和实践等多个视角讲清道理和方法，激发学生的学习兴趣。其次，在具体教学内容中挖掘思政元素。例如，在热力学第一定律这一节中介绍物理学家焦耳以及他进行的长达四十年的热功当量测量实验，让学生意识到科学研究需要坚持不懈、精益求精的精神；
在获得低温方法这一节中介绍各种降温方法是如何提出的以及在磁悬浮列车、量子通信技术领域中的应用，让学生感受到科学思维之花绽放的美丽及物理学的应用对人类生活的改变；
在玻色-爱因斯坦凝聚这一节介绍超流氦、超冷原子和超导的研究历史和现状，还要介绍我国科学家在高温超导领域作出的贡献。

2.5 做好电子题库建设

根据热力学统计物理的教学内容特点，可以开发出大量的简答题、选择题、填空题和判断题等新题型。扩充题库较为重要，一方面，有利于教师对学生的学习情况进行全面考核，期末考试出题也将会更加客观公平，实现教考分离；
另一方面，有利于学生的复习，特别是对于考研的学生，题库显得较为重要。

热力学统计物理课程每一章都包含大量的物理概念，以所选教材第六章近独立粒子的最概然分布为例，主要包含了μ空间、费米子、玻色子、系统微观运动状态、全同粒子、近独立粒子、全同性原理、简并度、等概率原理等内容。这些物理概念不太适合通过证明题和计算题的形式来体现，它们比较适合于简答题，有一些内容还可以出选择题(电子、质子、光子中哪一种是玻色子？)、填空题(双原子分子在三维空间中自由运动，它的μ空间的维度是多少？)和判断题。除此之外，该课程还包含大量的物理量(熵、内能、焓、自由能、吉布斯函数)、物理模型、公式(内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分)、条件判据(平衡态、熵判据、自由能判据、吉布斯函数判据、经典极限条件)等内容，这些内容很适合出选择题、填空题和判断题。教师可以通过互联网收集各种经典题型题目，并根据各章节内容设计出各题型的题目，然后进行分类整理，建立电脑本地电子题库和雨课堂端的电子题库。

对岭南师范学院热力学统计物理课程教学现状进行分析，从五个方面对教学内容进行了研究和改革实践：(1)对热学和热力学统计物理两门课程重复的教学内容进行了整合与优化，把热学宏观规律的教学内容放到了热学课程中，增加了系综理论的教学；
(2)引进了物理学史和前沿知识，并与中学物理相连接，使学生能够从理论物理的高度去解释中学物理中的热问题；
(3)减少了数学公式的推导，采用多媒体课件对复杂的公式推导过程进行讲解，提高教学效率。同时，更加重视物理思想教学，特别是物理模型的构建；
(4)挖掘思政元素，加强思政教育；
(5)建立题型多样、题目丰富的电子题库。实践表明，对热力学统计物理教学内容进行改革后，学生的学习兴趣和积极性得到了明显提高，课堂的互动氛围得到了有效改善，教师有更充足的时间来讲解系综理论，但还是需要学生花一些时间来复习热学知识。

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