【摘 要】基于目前热力学统计物理具有理论性强、概念难理解、学生学习吃力等特点，在学习热学的基础之上，对热力学统计物理课程进行重新审视，并对教学过程和教学行为进行一些改革尝试，以问题为主线，引起学生的学习兴趣，获得了较好的学习效果。

【关键词】问题 主线 热力学统计物理学 应用

基金项目：咸阳师范学院教学研究项目（200801007）；陕西省教育厅科研计划项目（2013JK0606）。

热力学统计物理的特点

热力学统计物理是物理学专业开设的一门重要必修课，也是物理学专业的基础课。它是研究物质热运动规律及热运动对宏观性质影响的基础理论课程，热运动有其自身固有的规律性。热运动的存在又必然影响到物质的各种宏观性质[1]，例如：物质的力学性质、热学性质、电磁性质、聚集状态、化学反应进行的方向和限度等都与物质的热运动有关。因而研究问题的方法和手段就与化学、生物、气象、生态等各门基础学科有着密切的联系，对数学的要求也较高。

热力学统计物理和热学的研究对象是一样的（都是热力学系统），它们的任务也是相同的，但研究的方法是不同的[2]。热学注重的是宏观理论，而统计物理更注重微观理论。这样一来，热力学统计物理中就有很多知识点与热学中是重复的，然而，目前国内物理专业热力学统计物理的课时一般都在70学时左右，要再讲一遍热学显然是浪费也不值得，不讲的话，学生碰到一些概念或理论还是模糊，对后面的学习就会产生恶性循环，至此失去学习兴趣，不愿上课不愿看书，连考试也无能为力。

对教授热力学统计物理的教师来说，如何提高学生的学习兴趣？如何改进枯燥的传统教学模式？成为必然要关注的问题。在笔者对这门课多年的讲授中，尝试着把一些方法应用在本门课的教学中，结果显示，“问题主线”教学法能够使学生的学习兴趣和成绩都有所提高，且自主学习的能力也有提高。

“问题主线”教学法

所谓“问题主线”教学法就是在教学的过程中以“问题”贯穿整个教学过程[3]，包括学生带着问题预习新课，在预习中发现问题，带着问题走进课堂；教师在新课前以提问题的方法导入本节内容，在课中解决一些问题，再指导学生发现新的问题，进一步寻找解决问题的方法，进而解决问题；课后留下一些思考问题，让学生自主寻找答案，培养他们自主学习的能力和学习的兴趣及勇于探索的精神。

针对热力学统计物理要求在热学的基础上，应用数学工具推导热力学系统的热力学性质这一特点，提出的问题除了理论性的，还可以是方法性的，也可以是解决问题的数学性的。这就使得学生必须去看书找资料，回答相应的问题，一个课时一个课时地积累，习惯就会养成，刚开始进度会慢一些，习惯养成后进度自然就可以快一些了，课时也够用了，知识点也能学完，还有相应的扩展。通过“提问—自问—作答—思考—再作答”的过程，乏味的理论课变成了积极主动的探索课，在这样的教学过程中学生教师都达到了双赢，学有所获教有所成。

当然，这也给教师提出了更高的要求，如何引导？如何提问？如何作答等问题，这就要求教师下更多的功夫，对课题有更深刻的理解，对相关课程有较好的了解和应用能力。始终贯彻“问题主线”来指导每一个专题或章节。以下选取实际的例子来说明“问题主线”教学法在热力学统计物理中的应用。

“问题主线”教学法在热力学统计物理中的应用

热力学统计物理包括两部分内容，一部分是热力学基本规律和热力学性质及相变理论，另一部分是统计物理的经典统计和量子统计。这两部分的研究方法有所不同，且两种统计的方法也不同，但宏观上是统一的，这就要求无论用什么方法研究最终得有一致的结论或近似一致的结论，所以应用方法时还不能脱离教材的思路，更不能脱离历史发展的顺序和学生的思维方式，故对不同部分提出有细微差别的应用思路。

1.“问题主线”教学法在章节中的应用思路

热力学基本规律的内容在热学中都讲过了，在热统中不妨以这样的思路来讲，⑴确定对象；⑵提出概念；⑶引出函数；⑷工具应用；⑸得出结论；⑹特例验证；⑺推广一般。每个步骤都以提问题的形式完成，以问题的回答引入下一环节。

均匀物质的热力学性质主要是由微分函数及其关系体现的，主要是数学工具的应用，在此如果干讲免不了乏味。就试着把全班学生分成四组，每组学生给出一个数学问题（教师要评价问题的合理性），然后让学生自己寻找关系，最后把热力学量用在问题中，通过比较得出结论。

在相变理论中，先布置作业（教师设置的一些问题），让学生寻找生活中的相变过程，简单总结一些条件；然后看书找资料，寻找相变实验及理论；最后学生回答问题，教师总结。

统计物理学从微观粒子的运动入手，深入到热运动的本质。在本部分有大量的推导和数学问题，要想进行得顺利，必须有层次地提出一些相关的问题，课堂上引导回答，循序渐进地进入主题，最后得出结论，同学们共同总结完成。

2.“问题主线”教学法的应用举例

例一：基本热力学函数的确定。

提出问题：⑴对象是谁？——热力学系统；⑵基本指什么？⑶目标是什么？回答了这三个问题之后，思路就清晰可见了（物态与参量有关，热一律与内能有关，热二律与熵有关，参量函数名具备了），接下来是推导函数。对于函数再提问，什么是函数？函数形式与什么有关？再回答，然后有了不同的变量构成不同的函数形式，这样课题要求的目的（不同变量构成的函数形式不同）达到了，最后让学生观察不同的函数形式，思考从中能获得什么？对问题的作答自然而然地到下一节的特性函数的课题，进而也会分析函数的特性，再想办法寻找测量特性的方法——延伸兴趣。

例二：统计部分的理想气体的内能和热容量的确定。

先找到热学实验中的内能曲线，从曲线上直观地分析内能是常数和随温度变化的范围，提出问题：为什么会有这样的结果？从理论上怎样去解释？思考（给5分钟）。再问：内能由什么决定呢？运动与什么有关呢？模型中的微观粒子运动又与什么有关呢？不同的模型粒子运动是否一样？（给10分钟）把这些问题一一地引导作答，和学生共同建立一个模型，如双原子分子系统。进而一起写出不同运动的能量表达式，不同运动的配分函数，运用数学工具求出内能。再利用热容量的定义（此处要求同学们课堂回答），求出热容量的表达式，再分温度段作出解释，画出热容量随温度变化的曲线来，与实验比较，获得统计理论的近似结果，学生在积极思考和直观的图形上达到了学习目的。最后说明电子运动对热容量的影响，经典描述与量子描述的不同和一致性，提出扩展型问题：什么时候应该考虑电子运动的贡献？什么情况下应用经典理论或者是量子理论？

小结

“问题主线”教学法在热力学统计物理中应用以来，笔者认为教学效果有了很大的提高，从考试成绩来看有提高，从学生平时的提问中和自学中看到学习的积极性和兴趣有所提高，再从考研的专业选择上看对学生的影响也是很大的。“问题主线”教学法被越来越多地应用在不同的学科教学中，这就要求从事教学的工作者紧扣课题有层次地提出问题，在解决问题的过程中恰当地引导，适时适当地引深联想，和学生一起学习、一起总结、一起归纳，循序渐进地到达目的地。

参考文献：

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

[2]汪志诚.热力学统计物理[M].北京：高等教育出版社，2008．

[3]华雪侠，向宁静，李耀宗等．“问题主线”教学模式在大学物理实验中的实践研究[J]．陕西教育（高教），2013,6.