1、1热力学与统计物理若干教学方法探讨【摘 要】 热力学统计物理是本科物理学及相关专业的一门重要基础理论课程。在教学过程中应重点突出物理思想和物理方法教学，排除学生心理障碍，详细阐述热力学与统计物理两种方法的关系，帮助学生建立课程理论框架。 【关键词】 热力学；统计物理；教学方法 一、引言 热力学与统计物理是理论物理的五大分支之一，具有与其它四个分支（经典力学、电磁学、相对论、量子力学）同等重要的科学与工程地位。热力学与统计物理课程是本科教学中物理学及相关专业的一门重要基础理论课程，它以大量微观粒子组成的宏观物质系统为研究对象，基于热力学理论和统计物理理论，揭示热运动规律以及与热运动有关的物性及宏
2、观物质系统的演化。许多工程科学都是由热力学所衍生的或与其密切关联，例如传热学、流体力学、材料科学等，该课程也是学习量子力学、固体物理的基础。热力学的应用范围很广，主要包括：引擎、涡轮机、压缩机、发电机、推进器、燃烧系统、冷冻空调系统、能源替代系统、生命支援系统及人工器官等。 通过热力学与统计物理课程的教学，可以培养学生的形象思维和逻辑思维能力，提高学生的物理修养，使学生深入认识热力学与统计物理理论，能从热力学和统计物理学角度阐述热运动的规律及热运动对物质2宏观性质的影响，能基于热力学和统计物理学理论解决实际热力学问题。热力学理论和统计物理学理论的统一性的教学，可使学生树立物质世界是分层次的、宏
3、观现象与微观本质紧密联系、量的积累引起质的变化等物理学基本观点。然而该门课程抽象性强，教学难度很大，因此教学过程中必须有针对性的采用科学的教学方法以保证良好的教学效果。 二、重点突出物理思想和物理方法教学 科学思想和方法是物理科学的重要内容。美国著名物理学家费恩曼曾经说过：对学习物理的人来说，重要的不是如何正规严格地解方程，而是能猜出它们的解并理解物理的意义。清华大学著名物理学家叶企孙教授也曾强调指出： 物理教学不仅要给学生以知识，更要给学生科学思想和方法。可见物理思想和物理方法在物理教学中的重要性。物理知识的认识和发展是依赖于物理思想的发展和建立于科学的物理方法的基础之上的。物理知识的传授是
4、“授人以鱼” ，物理思想和物理方法的传授则是“授人以渔” 。仅仅传授物理知识容易使学生对掌握的结论确信无疑，这将限制学生的创造性和个性发展。而物理思想和物理方法的传授不仅是为学生提供必要的知识储备外，也是为他们提供能力储备。 在热力学统计物理课程的教学中，除了物理思想和物理方法自身具有的重要地位之外，授课学时少和授课内容多的矛盾、化繁为简提高教学效果的要求也需要将物理思想和物理方法的传授放在一个重要位置。把握该课程的物理思想和基本方法，对授课内容和知识结构进行优化和调整，是解决授课学时少和授课内容多的矛盾的根本方法。热力学统计物理课程对学生数学基础要求也较高，涉及到大量繁复的公式数学推导3和变
5、换，导致学生在学习该课程的过程中很容易将注意力停留在物理公式的数学形式上而忽略了其中的物理意义、物理思想和物理方法，最终结果是导致学生思维混乱、满头雾水。因此，在热力学统计物理课程中应该尽量简化物理公式的数学推导和数学变换方面的教学，而将教学的重点放在物理公式的物理意义、物理思想和物理方法方面，帮助学生从物理角度对授课内容进行深入理解。 三、排除学生心理障碍 热力学与统计物理课程的特点是比较抽象，学生理解困难和难以建立相应的物理图像。较大的学习阻力会影响学生学习该课程的兴趣和爱好，导致学生存在接受热力学与统计物理的物理思想和相关理论的心理障碍。上述在把握课程的物理思想和基本方法的基础上对授课知
6、识结构进行优化调整和将授课内容化繁为简是排除学生心理障碍的一个有效方法，此外好的课题引入对于排除心理障碍从而激发学生学习兴趣也会起到十分重要的作用。如教学实践证明，课程绪论由热力学发展史引入，从“热”本质的争论到焦耳、克劳修斯、开尔文、能斯脱、麦克斯韦、玻尔兹曼、吉布斯等科学家的丰功伟绩进行逐步阐述，可以有效激发学生学习统计物理的兴趣和增强学生的学习信心。恰当地运用热力学统计物理发展史能够提高学生的创新思维水平，提高学生整合信息、发现问题的能力。1同时也有利于激发学生的自我意识2和有助于学生理解物理知识，有助于学生体验物理学的批判精神和形成整体性的物理知识观。3再如在统计理论部分的课题引入时，
7、重点突出物理思想，突出宏观系统由大量微观粒子组成的特点，使学生真正清楚统计物理学的研究4对象及方法，理解统计物理与热力学的不同之处和统一之处，也可以有效消除学生学习统计物理的形成心理障碍。总之，通过好的课题引入，激发学生的学习兴趣和调动学生的学习积极性，消除学生的畏难情绪，对排除学生学习热力学统计物理的心理障碍不无裨益，这也是保证学生在热力学统计物理课程学习过程中始终保持学习主动性的关键。 四、详细阐述热力学与统计物理两种方法的关系 热力学方法与统计物理方法是热力学与统计物理研究大量微观粒子组成的宏观物质系统的热现象的两种基本方法，两种方法的有机结合是热力学统计物理理论的一个基本特征，应帮助学
8、生很好地把握该基本特征。热力学的基本任务是研究热运动的基本规律，是研究热现象的宏观理论，它不涉及物质的微观结构，而是从能量转化的观点出发，依据在大量实践中总结出来的几条基本宏观定律，运用严密的逻辑推理而形成的一整套完整的热现象理论。统计物理学的基本任务是揭示热现象的本质，是研究热运动的微观理论，它从物质的微观结构出发，依据微观粒子所遵循的力学规律，再用概率统计的方法求出系统的宏观性质及其变化规律。热力学理论的发展先于统计物理学的发展，其起源可追溯至十七世纪末开始的长期而激励的“热”本质争论，到 19 世纪中页在焦耳测定热功当量的工作基础上热力学第一定律得以建立推翻了“热质学” ，奠定了热力学的
9、发展基础，并在克劳修斯、开尔文、能斯脱等人的进一步努力下建立了热力学第二定律和第三定律，使热力学理论更臻完善。热力学能解决宏观热现象的一些问题，但仍未能对热现象的本质作出解释。在热力学发展的同时，分子运动论也开始发展起来。克劳修斯从分子运5动论的观点出发导出波意耳-马略特定律。麦克斯韦应用统计概念研究分子的运动，得到了分子运动的速度分布定律。玻尔兹曼给出了热力学第二定律的统计解释。最后吉布斯发展了麦克斯韦和玻尔兹曼的理论，建立了系综统计法。至此统计物理学形成了完整的理论。可见热力学理论和统计物理理论的发展虽有先后之分，但是发展过程却紧密联系，对应的两种研究方法各有优缺点又有机结合，二者的区别和
10、联系如下表所示：基础 方法 优点 不足 热力学方法 由大量现象总结归纳的热力学基本定律 数学演绎、逻辑推理 高度的普适性、可靠性 无法解释涨落现象、无法揭示热现象本质 基础 方法 优点 不足 统计物理方法 物质微观结构、宏观量与微观量的关系、等概率原理 概率统计方法 可求具体物质的热性质、解释涨落、揭示热现象本质 近似性 可见，热力学方法和统计物理方法共同来自于人们对宏观热现象的明确认识和微观热运动特征的准确把握，二者相辅相成，互为补充，是一个有机统一体，缺一不可。课程教学过程中，应在详细阐述热力学与统计物理学的概念定义、发展历史的基础上讲授二者的有机统一关系，使学生对两种方法有一个整体的认识
11、，准确把握课程的基本特征，这有利于学生理解热力学统计物理的物理思想和建立相应的物理图像。 五、帮助学生建立课程理论框架 学生在学习热力学与统计物理的过程中，难以理解相关的物理思想、6定理定律和无法建立清晰的物理图像，很大程度上是由于没有很好地把握课程的知识要点和理论主线。热力学与统计物理课程有机结合思维方式截然不同的热力学和统计物理两种方法，分别从宏观和微观两个层面对物质系统的热运动规律进行研究，同时数学推导和变换繁复，因此学生在学习的过程很难捕捉到课程的知识要点和提炼出课程的理论主线，这就要求教师有意识的帮助学生把握课程的整体理论框架。 汪志诚的热力学统计物理教材为例，4可以建立如下课程基本
12、理论框架：课程分为热力学和统计物理两个部分。热力学部分包括热力学基本定律部分（核心） 、均匀热力学系统的热力学公式、热力学基本定律和热力学公式的应用三部分，前两部分为热力学的基础理论，第三部分包括基础理论在均匀单元系、均匀多元系以及非均匀系中的应用。统计物理部分包括平衡态统计理论、涨落理论和非平衡态理论，平衡态统计理论为核心部分，又包括最概然统计理论和系综理论。在授课学时日渐缩减的情况下，可将最概然统计理论作为本科教学中统计物理部分的讲授主体。该部分可以分为系统微观构成的描述和基本统计规律、基本统计规律在不同微观系统中的应用两部分，后者包括了基本统计规律在玻尔兹曼系统、波色系统和费米系统中的应
13、用。这样的一个简明的整体理论框架的建立，有助于学生对相关定理定律的融会贯通和对课程的物理思想和物理方法的整体理解，从而帮助学生建立完整的热力学统计物理图像，达到该课程的最终教学目的。 六、结论 热力学统计物理是本科物理学及相关专业的一门重要基础理论课程，7具有抽象且数学知识要求高的特点，教学难度很大。在该课程的教学过程中通过重点突出物理思想和物理方法教学、排除学生心理障碍、详细阐述热力学与统计物理两种方法的关系、帮助学生建立课程理论框架等科学的教学方法的应用，可以有效提高教学质量，帮助学生深入理解相关的物理思想和掌握相关的物理方法，建立完整的热力学统计物理图像。【参考文献】 1 周诗文.运用物理学史培养学生的创新思维J.物理教学探讨，2005.9.15-16. 2 陈运保.物理学史对于培养学生自我意识的重要作用J.物理教学探讨，2005.2.28-29. 3 赵长林，赵汝木.物理学史的课程价值J.物理教学， 2005.2.32-35. 4 汪志诚.热力学统计物理M.北京：高等教育出版社，2003. 【作者简介】 徐 序（1980-）湖北随州人，景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院副教授，博士，研究方向：固体氧化物燃料电池.
