“热学”与“热力学与统计物理学”课程整合与改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）43-0121-03
“加强教学基本建设，提高人才培养质量，增强社会服务能力”，是地方性院校的办学宗旨。为适应这一形势，我校这类新升本科院校必须一切以教学工作为中心，改变人才培养模式，积极倡导理论课教学内容整合、教学方法的改革和现代教育技术手段的运用，降低必修课比例、加大选修课比例、减少课堂讲授时数等，增加学生自主学习的时间和空间，拓宽学生知识面，提高学生的学习兴趣，完善学生的知识结构，促进学生个性发展，培养服务地方经济的应用型、技能型人才。对热学和热力学与统计物理课程整合已有许多文献[1-3]，但是，本文根据我校实际情况对《热学》与《热力学与统计物理》（以下简称“热统”）两门理论课进行整合与改革，突出适应我校的富有特色的课程设置与教学模式。
一、课程整合的原因
1.教学现状。我校2011级物理学专业的培养方案是把“热学”安排在第三学期上，共72学时；而“热统”安排在第六学期上，共54学时。2011级应用物理专业的培养方案是把“热学”安排在第三学期上，共54学时；而“热统”安排在第六学期上，共54学时。2011级光电子技术科学专业的培养方案是不开设“热学”，而“热统”安排在第六学期上，共54学时。2012级、2013级的培养方案是把“热学”和“热统”课时数都减为54学时，所开设的学期不变。这样，由于我们这种地方性院校学生基础较差，学生对“热学”知识的掌握不深入，两门课的跨度时间又过长，导致上“热统”的时候老师还要再详细地给学生复习“热学”部分基础知识，导致“热统”教材中的热力学部分的讲解占用大量的时间，在有限的课时内不能更多讲解系综理论的内容，以及介绍与课程有关的前沿知识和应用，不能突出“热统”这一门课的核心地位，学生的实践能力的培养得不到保障。
2.“热学”与“热统”内容的重复性。目前，我校物理学专业“热学”和“热统”课程使用的教材为：李椿、章立源、钱尚武编的《热学》，是普通高等教育“十一五”国家级规划教材[4]，其结构基本上先是微观理论部分，后是宏观理论部分，最后是物态与相变。汪志诚编的《热力学?统计物理》[5]（以下简称“热统”），内容包括热力学与统计物理两个部分，其中热力学讲授的主要是热力学的基本定律、热力学函数、相平衡与化学平衡等；统计物理部分主要讲授玻耳兹曼系统、玻色系统、费米系统、系综理论、涨落理论和非平衡态统计理论初步。据统计，“热统”课程中热力学部分和统计物理部分各占总内容的46%和54%。而“热学”课程中的热力学定律部分和“热统”课程中热力学的部分内容重复率高达2/3，“热学”中统计物理部分和“热统”中统计的部分内容（玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布等）重复率近1/4。按照这样的课程设置进行授课，我们新升本科院校的办学宗旨难以得到很好的实现。
二、“热学”和“热统”课程的整合思路和整合原则
“热学”和“热统”课程整合是为了适应现代社会对知识发展的需求，其知识体系符合培养地方院校培的人才培养模式，既要整合重复部分又要强化与现代科技的联系，增加实践部分，淡化传统部分。第一，“热学”和“热统”整合后应保持原有知识体系的完整性和系统性。以热物理学的基本概念、基本规律、基本方法为主线，突出热物理学的学科特点，突出热物理学研究问题和解决问题的方法和思维。第二，“热学”和“热统”的整合要符合教学的基本规律、人们认识事物的基本规律和学生的认知规律。从宏观热现象入手，通过合适的实验定律、逻辑演绎推理，去认识微观热现象的本质，又从微观入手，建立物理模型、物理过程，应用统计物理学的方法理论分析物质的宏观特性，如图1所示。第三，“热学”和“热统”整合后的内容渗透现代化知识。整合后，老师可以在每一章之后把与课程内容有关的新成果、新方法和新理论充实到课堂教学中来，便于学生瞻望热物理学与近代科技前沿之间的发展关系，开阔眼界，启迪思维，增强热物理学的实用性，避免学生总是认为热物理学的知识太老了，与现代生活没有联系。进一步培养和提高学生的学习兴趣，提高教学质量。
三、课程整合的实践与改革
结合我校物理学专业的学生基础、师资队伍、教材建设等各方面的情况，“热学”与“热统”课程独立教学。在教学过程中，采用两本教材教学，对相同、重复的内容合二为一进行教学，根据教学要求和培养目标，合理选取教学内容：第一，授课内容的整合。可以将《热学》整合为五章，其内容包括：绪论―温度―热力学第一定律―热力学第二定律―气体分子运动论，第四学期开设。在第一章温度的物态方程部分增加介绍与物态方程有关的几个物理量：体胀系数、压强系数和等温压缩系数（为《热统》中的内容），将《热统》整合为六章，其内容包括均匀物质的热力学性质―近独立粒子的描述―玻耳兹曼统计―玻色统计和费米统计―系综理论―涨落理论，第五学期开设。这种编排体现了热物理学知识结构的完整性、严谨性和科学性，体现了从宏观到微观，又综合运用宏观微观两种方法阐明物质的性质及它们之间的转化规律。这种体系避免了两门课程内容不必要的重复，知识点之间更具很好的衔接，这种安排在教学体系上一气呵成，有利于必课时数大大减少的新形势下有效地完成教学内容，能有相对充足的时间介绍统计物理，以便于把热物理学这门学科拓展为既老又新的知识。第二，在“热统”教学中大量削减热力学内容。在“热统”中主要讲授统计物理的理论和应用。关于热力学的基本概念和基本定律，在“热学”中已作过较详尽的讨论，不作更多的介绍。在“热学”中已讨论较多的“麦-玻分布（最可几分布）”也尽量不再重复，只将它作为系综理论的结果讨论。这样，还可以更好理解宏观理论与微观理论的统一，使学生认识上一个层次。第三，适当增加实践课。每学期安排1～2次专题讲座，请外校或本校的资深专家教授介绍热物理学学科的最新进展，如负温度的概念、熵在信息和生命科学中的应用等。通过这种方式将前沿科学与课堂教学内容相结合，这不仅避免了学生急功近利的想法，还引导学生对旧知识、物理学史的更深的理解，而且让学生身临其境地体会到科学家正在向大自然探索的问题以及解答这些问题经常使用的方法，这样既能增强学生的实践能力，又能为培养适应现代社会的富有竞争能力的人才创造了条件。第四，为考研学生进行辅导。据调查，我校毕业的学生考研的仅占4%左右，大部分毕业生都到各行政、机关、企事业单位工作。对于少数考研学生而言，整合后的知识内容可能不满足考研的要求，老师可以专门给考研学生集中进行辅导，再增加整合后没有讲到的又与考研有关的内容，强化考研章节。 四、改革教学方法
根据整合后的教学内容，传统的教学方法已不再适应新教学内容和新形势的发展，只有知己知彼地分析设计一种全新教学模式：精练地讲解整合后的重点内容+渗透现代化知识的精彩的PPT课件+广泛的师生研讨+课程内容相关知识拓展，并逐步形成“问题为纲，分层教学，师生互动，自主探索，协作讨论，课后辅导”的教学模式。例如，封闭系：近独立粒子的麦-玻分布、玻耳兹曼统计、玻色统计、费米统计这些内容是统计热力学的重点、难点，所以占用学时也是最多的，配分函数可说是本章的关键。一定要改变传统的教学方法，使用全新的教学模式教会学生能利用统计物理“三步曲”熟练计算配分函数，从而求出所有热力学函数，并拓展其内容，总结研究热物理问题的方法和思维，引导和协作学生研讨课程内容与前沿科学的新科技新成果的联系。实践表明，利用整合后的课程内容和改革后的教学方法对2010级物理学专业（1）、（2）班的学生进行教学，并做了问卷调查：学生的补考率相对整合前少了，大多数学生对热物理学有了新的认识，不再感到热物理学知识的陈旧，也排除了物理学专业的学生流传下来的物理学既难学又没用的观点，对学习物理学不再有盲目感了，了解到热物理学与科学研究息息相关，而且非常重要。例如：激光冷却、超导、超流现象都是与热物理学为基础的新科技成果。激发了学生的学习兴趣，提高了学生的认识能力。
在高等教育改革不断推进的今天，作为物理学专业基础课和专业主干课程的“热学”和“热统”，其内容过多重叠而且知识陈旧。怎样整合两门课程，优化课程设置，以达到高效的教与学的目的，达到培养服务地方经济的应用型、技能型人才培养的目标，是我们教师必须考虑的问题。从我校的实际情况出发，对“热学”和“热统”两门课程进行整合和教学方法进行改革，理顺知识体系，删减重叠内容，增加现代科技内容，不但使总的教学时数减少（由72+72学时减为54+54学时），而且学生的物理概念、物理模型、物理过程进一步加强，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的认识能力。课程整合不仅没有削弱学生的物理基础，反而得到了加强。但是，在实施课程整合过程中有相当大的难度，不仅需要教师具有广博精深知识结构，还要富有创造性思维和创新性行为，还需要教师不断地学习、不断进步，了解与本学科有关的前沿的新知识。
