【摘 要】基于目前熱力學統(tǒng)計物理具有理論性強、概念難理解、學生學習吃力等特點，在學習熱學的基礎之上，對熱力學統(tǒng)計物理課程進行重新審視，并對教學過程和教學行為進行一些改革嘗試，以問題為主線，引起學生的學習興趣，獲得了較好的學習效果。

【關鍵詞】問題 主線 熱力學統(tǒng)計物理學 應用

基金項目：咸陽師范學院教學研究項目（200801007）；陜西省教育廳科研計劃項目（2013JK0606）。

熱力學統(tǒng)計物理的特點

熱力學統(tǒng)計物理是物理學專業(yè)開設的一門重要必修課，也是物理學專業(yè)的基礎課。它是研究物質(zhì)熱運動規(guī)律及熱運動對宏觀性質(zhì)影響的基礎理論課程，熱運動有其自身固有的規(guī)律性。熱運動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)的力學性質(zhì)、熱學性質(zhì)、電磁性質(zhì)、聚集狀態(tài)、化學反應進行的方向和限度等都與物質(zhì)的熱運動有關。因而研究問題的方法和手段就與化學、生物、氣象、生態(tài)等各門基礎學科有著密切的聯(lián)系，對數(shù)學的要求也較高。

熱力學統(tǒng)計物理和熱學的研究對象是一樣的（都是熱力學系統(tǒng)），它們的任務也是相同的，但研究的方法是不同的[2]。熱學注重的是宏觀理論，而統(tǒng)計物理更注重微觀理論。這樣一來，熱力學統(tǒng)計物理中就有很多知識點與熱學中是重復的，然而，目前國內(nèi)物理專業(yè)熱力學統(tǒng)計物理的課時一般都在70學時左右，要再講一遍熱學顯然是浪費也不值得，不講的話，學生碰到一些概念或理論還是模糊，對后面的學習就會產(chǎn)生惡性循環(huán)，至此失去學習興趣，不愿上課不愿看書，連考試也無能為力。

對教授熱力學統(tǒng)計物理的教師來說，如何提高學生的學習興趣？如何改進枯燥的傳統(tǒng)教學模式？成為必然要關注的問題。在筆者對這門課多年的講授中，嘗試著把一些方法應用在本門課的教學中，結果顯示，“問題主線”教學法能夠使學生的學習興趣和成績都有所提高，且自主學習的能力也有提高。

“問題主線”教學法

所謂“問題主線”教學法就是在教學的過程中以“問題”貫穿整個教學過程[3]，包括學生帶著問題預習新課，在預習中發(fā)現(xiàn)問題，帶著問題走進課堂；教師在新課前以提問題的方法導入本節(jié)內(nèi)容，在課中解決一些問題，再指導學生發(fā)現(xiàn)新的問題，進一步尋找解決問題的方法，進而解決問題；課后留下一些思考問題，讓學生自主尋找答案，培養(yǎng)他們自主學習的能力和學習的興趣及勇于探索的精神。

針對熱力學統(tǒng)計物理要求在熱學的基礎上，應用數(shù)學工具推導熱力學系統(tǒng)的熱力學性質(zhì)這一特點，提出的問題除了理論性的，還可以是方法性的，也可以是解決問題的數(shù)學性的。這就使得學生必須去看書找資料，回答相應的問題，一個課時一個課時地積累，習慣就會養(yǎng)成，剛開始進度會慢一些，習慣養(yǎng)成后進度自然就可以快一些了，課時也夠用了，知識點也能學完，還有相應的擴展。通過“提問—自問—作答—思考—再作答”的過程，乏味的理論課變成了積極主動的探索課，在這樣的教學過程中學生教師都達到了雙贏，學有所獲教有所成。

當然，這也給教師提出了更高的要求，如何引導？如何提問？如何作答等問題，這就要求教師下更多的功夫，對課題有更深刻的理解，對相關課程有較好的了解和應用能力。始終貫徹“問題主線”來指導每一個專題或章節(jié)。以下選取實際的例子來說明“問題主線”教學法在熱力學統(tǒng)計物理中的應用。

“問題主線”教學法在熱力學統(tǒng)計物理中的應用

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

1.“問題主線”教學法在章節(jié)中的應用思路

熱力學基本規(guī)律的內(nèi)容在熱學中都講過了，在熱統(tǒng)中不妨以這樣的思路來講，⑴確定對象；⑵提出概念；⑶引出函數(shù)；⑷工具應用；⑸得出結論；⑹特例驗證；⑺推廣一般。每個步驟都以提問題的形式完成，以問題的回答引入下一環(huán)節(jié)。

均勻物質(zhì)的熱力學性質(zhì)主要是由微分函數(shù)及其關系體現(xiàn)的，主要是數(shù)學工具的應用，在此如果干講免不了乏味。就試著把全班學生分成四組，每組學生給出一個數(shù)學問題（教師要評價問題的合理性），然后讓學生自己尋找關系，最后把熱力學量用在問題中，通過比較得出結論。

在相變理論中，先布置作業(yè)（教師設置的一些問題），讓學生尋找生活中的相變過程，簡單總結一些條件；然后看書找資料，尋找相變實驗及理論；最后學生回答問題，教師總結。

統(tǒng)計物理學從微觀粒子的運動入手，深入到熱運動的本質(zhì)。在本部分有大量的推導和數(shù)學問題，要想進行得順利，必須有層次地提出一些相關的問題，課堂上引導回答，循序漸進地進入主題，最后得出結論，同學們共同總結完成。

2.“問題主線”教學法的應用舉例

例一：基本熱力學函數(shù)的確定。

提出問題：⑴對象是誰？——熱力學系統(tǒng)；⑵基本指什么？⑶目標是什么？回答了這三個問題之后，思路就清晰可見了（物態(tài)與參量有關，熱一律與內(nèi)能有關，熱二律與熵有關，參量函數(shù)名具備了），接下來是推導函數(shù)。對于函數(shù)再提問，什么是函數(shù)？函數(shù)形式與什么有關？再回答，然后有了不同的變量構成不同的函數(shù)形式，這樣課題要求的目的（不同變量構成的函數(shù)形式不同）達到了，最后讓學生觀察不同的函數(shù)形式，思考從中能獲得什么？對問題的作答自然而然地到下一節(jié)的特性函數(shù)的課題，進而也會分析函數(shù)的特性，再想辦法尋找測量特性的方法——延伸興趣。

例二：統(tǒng)計部分的理想氣體的內(nèi)能和熱容量的確定。

先找到熱學實驗中的內(nèi)能曲線，從曲線上直觀地分析內(nèi)能是常數(shù)和隨溫度變化的范圍，提出問題：為什么會有這樣的結果？從理論上怎樣去解釋？思考（給5分鐘）。再問：內(nèi)能由什么決定呢？運動與什么有關呢？模型中的微觀粒子運動又與什么有關呢？不同的模型粒子運動是否一樣？（給10分鐘）把這些問題一一地引導作答，和學生共同建立一個模型，如雙原子分子系統(tǒng)。進而一起寫出不同運動的能量表達式，不同運動的配分函數(shù)，運用數(shù)學工具求出內(nèi)能。再利用熱容量的定義（此處要求同學們課堂回答），求出熱容量的表達式，再分溫度段作出解釋，畫出熱容量隨溫度變化的曲線來，與實驗比較，獲得統(tǒng)計理論的近似結果，學生在積極思考和直觀的圖形上達到了學習目的。最后說明電子運動對熱容量的影響，經(jīng)典描述與量子描述的不同和一致性，提出擴展型問題：什么時候應該考慮電子運動的貢獻？什么情況下應用經(jīng)典理論或者是量子理論？

小結

“問題主線”教學法在熱力學統(tǒng)計物理中應用以來，筆者認為教學效果有了很大的提高，從考試成績來看有提高，從學生平時的提問中和自學中看到學習的積極性和興趣有所提高，再從考研的專業(yè)選擇上看對學生的影響也是很大的?！皢栴}主線”教學法被越來越多地應用在不同的學科教學中，這就要求從事教學的工作者緊扣課題有層次地提出問題，在解決問題的過程中恰當?shù)匾龑?，適時適當?shù)匾盥?lián)想，和學生一起學習、一起總結、一起歸納，循序漸進地到達目的地。

參考文獻：

[1]秦允豪.普通物理學教程：熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2011．

[2]汪志誠.熱力學統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2008．

[3]華雪俠，向?qū)庫o，李耀宗等．“問題主線”教學模式在大學物理實驗中的實踐研究[J]．陜西教育（高教），2013,6.