前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的大学物理热学部分教学问题分析，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
一、热学部分内容的特点
不同于物理学的其它部分，热学包括宏观理论与微观理论两种理论。热现象的宏观理论热力学，通过大量的观察和实验总结出三条基本定律，给出了热运动与其它运动形态相互转化的基本规律。热力学具有严密的逻辑体系，其前提简单，应用范围却很广，被爱因斯坦称为是“具有普遍内容的唯一的物理理论”。热运动的微观理论（在大学物理中是气体动理论）则是从体系的微观模型出发，应用统计方法计算体系的宏观量（压强和内能等）。统计理论的结果可以使我们深刻理解那些抽象的热力学概念的本质，它与热力学相辅相成，构成了有关热运动的完整理论。从研究方法看，热力学基本定律用否定语气表出，热力学第二定律数学表达式用反证法导出，都给我们提供了不同于物理学其它部分的思维论证方法，有利于培养学生运用逻辑推理进行抽象思维的能力。热学的从微观到宏观的统计方法，在物理学中更是独树一帜，它完全不同于力学、电磁学乃至热力学的实验———理论———实验的传统方法，是一种假设———理论———实验的方法，这种方法是现代物理学最重要的方法之一。然而，在大学物理热学部分这两种理论的表述都没有系统化。有的教材中在给出热力学第二定律的定性表述之后，导出了卡诺定理，并未进一步导出其数学表达式，而是由熵的玻尔兹曼关系给出了熵增加原理。这种讲法没有体现热力学理论本身的完整性。气体动理论的系统理论较为复杂，大学物理中的气体动理论只是初步理论，其中，作为中心内容的气体分子速率分布律（麦克斯韦速率分布律）一般教材都不讲导出过程，而玻尔兹曼分布律仅仅是由麦克斯韦速率分布律推广而来，缺乏系统性，给人以支离破碎的感觉。因此，热学部分的教学内容需要很好地组织、整合。
二、整合部分教学内容
笔者认为，在热力学部分，热力学第二定律的数学表达式及其导出过程，集中体现了热力学理论的完整性以及其特有的逻辑思维方法，是不应或缺的。在导出卡诺定理之后，接着导出克劳修斯表达式，再定义熵函数，得到热力学第二定律的数学表达式（熵表达式）和熵增加原理，篇幅不长，难度不大，可以纳入必讲的教学内容。如果教学时数确实有限，至少作为选学内容可以写入教材笔者认为，在不增加难度的情况下，可以较大幅度地整合气体动理论内容，以增加其逻辑性和系统性，有利于展示统计方法。建议将气体动理论部分的内容按以下方式整合：1）麦克斯韦速率分布律。分析气体分子热运动特征———提出理想气体的微观模型———定义速率分布函数———导出用速率分布函数表达的理想气体的压强公式———用简单方法导出平衡态速率分布函数的形式———代入理想气体的压强公式确定参量———麦克斯韦速率分布律———三种特征速率。2）理想气体的物态方程和热容量。用麦克斯韦速率分布律计算压强———气体动理论的物态方程———用麦克斯韦速率分布律计算单原子分子理想气体的平均动能———温度的微观意义———推广得到能量均分定理———理想气体的内能和热容量。3）熵的玻尔兹曼关系热力学第二定律的微观意义。4）气体分子的平均自由程和迁移过程。
三、明确教学目标和要求
笔者查阅了教学时数在108~126学时的数份大学物理教学大纲，发现热学部分除了内能、热力学第一定律及其对理想气体的应用这部分要求“掌握”外，对其他部分各大纲的要求多有不同。在热力学部分，对可逆过程与不可逆过程、热力学第二定律的表述及其统计意义，一般要求是“理解”，但也有要求“掌握”和“了解”的；多数大纲对有关熵和热力学第二定律的熵表达式没有提出要求，只有一份大纲提出了“理解”的要求。在气体动理论部分，几份大纲中多数仅要求“理解”压强和温度的微观本质和能量均分定理，对理想气体分子热运动图像和统计方法以及麦克斯韦速率分布律等的要求都是“了解”，也有一份大纲对上述几部分内容都要求“掌握”。几份大纲的对热学部分的教学要求分歧很大，表明这个问题确有讨论的必要。我们认为，热力学第二定律的数学表达式的导出过程，集中体现了热力学特有的逻辑思维方法，从注重学习物理学方法的角度看，是不应或缺的。从提出模型、进行统计平均、建立宏观量与微观量的联系到阐明宏观量的微观本质的统计思想和方法，应当是气体动理论部分的重点内容。麦克斯韦速率分布律是气体分子热运动的重要统计规律，即使是通过不严格的粗浅的方式导出，也是有利于学生接受和理解这一规律的。能量均分定理对讨论理想气体热容量是有用的，但它并非气体动理论的基本定理，不宜过分强调。据此，我们提出以下教学目标：1）理解准静态过程、内能和热量的概念，理解热力学第一定律的物理意义及其普遍性。2）掌握理想气体各种等值过程和绝热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺循环的效率的计算。3）理解热力学第二定律定性表述的实质，理解可逆过程和不可逆过程。通过由热力学第二定律定性表述导出卡诺定理和克劳修斯不等式，理解热力学理论的逻辑思维方法。4）了解熵的宏观意义和熵增加原理。5）理解气体分子热运动的基本特征。理解速率分布函数的统计意义。通过推导气体压强公式，理解从提出模型、进行统计平均到建立宏观量与微观量的联系的统计思想和方法。6）理解麦克斯韦速率分布律及其三种特征速率。7）通过麦克斯韦速率分布律计算气体的物态方程和热容量，理解统计方法的系统性，理解压强、温度、内能等概念的微观本质。8）通过熵的玻耳兹曼关系了解热力学第二定律的统计意义。9）了解气体分子平均自由程的概念和对迁移过程的应用。应当指出，在实际教学中教师不看大纲仅按教材教学的现象较为普遍。在这种情况下，教师对教学目标和要求不明确，教学内容的处理就把握不准，教学效果就难以提高。
四、讲究教学方法
教学目标确定以后，接下来的问题就是如何实现这些目标。在力学部分，从基本的实验定律牛顿定律出发，每导出一个定理，教师讲例题，学生做作业。如果说这种教学方法在讲解热力学第一定律及其对理想气体的应用时，效果还可以的话，在讲解热力学第二定律和气体动理论时就很难有好的效果了。热力学第二定律和气体动理论部分几乎没有什么应用的内容，但要求注意推理过程，理解其中的思想和方法，而学生已有的习惯并不重视这一点。因此，需要采用更有吸引力和启发性的教学方法。笔者在教学过程中体会到，比较长篇大论的讲解，将教学内容分解为一个个问题的讲解方法更能吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。用这种方法，问题必须精心设计，提出问题要学生思考，但不一定要学生回答。以讲解热力学第二定律为例，可设置如下问题：1）满足热力学第一定律（能量守恒）的热力学过程都能实现吗？热现象是否还有其它规律？2）比如说，有没有可能制造一个效率为100%（仅从一个热源吸热做功，不放热）的热机呢？（给出热力学第二定律开尔文表述后）是否可以说，开尔文表述就是“热不能完全变成功”？3）再比如说，热量可能不可能由低温物体自发传到高温物体呢？（给出热力学第二定律克劳修斯表述后）是否可以说，克劳修斯表述就是“热量不能从低温物体传到高温物体”？4）两种表述似乎并不相关，为什么都是同一规律———热力学第二定律吗的表述呢？5）我们知道，功可以全部自发转变为热，而开尔文表述说热不能全部自发转变为功。这反映出一个什么问题？同样，热量可以从高温物体自动传到低温物体，而克劳修斯表述说热量不可能由低温物体自动传到高温物体。这又反映出一个什么问题？6）可逆过程与不可逆过程的本质有什么不同？用可逆过程和不可逆过程的语言，你能将热力学第二定律的两种表述分别说成什么？7）两种表述等价性的证明过程也表明不可逆过程是相互关联的，由此看来，热力学第二定律实质上说明了什么？热力学第二定律还能不能用其它方式表述？8）热力学第二定律能不能有一个数学表达式？如果能，它会是一个什么样的式子？等式还是不等式？如果时间允许，也可用这些问题进行课堂讨论，相信效果会更好。
五、改进练习和考核
为了达到教学要求，除了讲究教学方法外，还需要改进练习与考核的内容和方式。热力学第二定律和气体动理论部分几乎没有什么应用的内容，有价值的习题较少，应当特别注意思考题的应用。可以利用思考题组织课堂讨论，也可以将有些思考题作为习题布置下去。比如针对热力学第二定律，下面几个题目作为习题可以很好地配合教学内容：1）热力学第二定律的普朗克表述是：不可能制造出一个机器，它在循环过程中从单一热源吸热全部用于将一重物提高。证明普朗克表述与开尔文表述等价。2）证明，功变热的不可逆性与理想气体自由膨胀的不可逆性是相互关联的。3）证明，对于任何物质，一条等温线与一条绝热线不能有两个交点。4）证明，对于任何物质，证明两绝热线不能相交。5）用熵增加原理证明理想气体的自由膨胀过程是不可逆过程。从某种意义上说，期末考试也是学习平时学习的指挥棒。除了习题之外，平时强调的思考、讨论的问题，也要在期末考试中体现出来。以填空题、选择题和问答题等多种形式，考察学生对热学基本概念、基本定律和科学方法的理解和掌握程度。
六、结束语
在热力学部分要讲授热力学第二定律数学表达式的导出，在气体动理论部分要按理想气体模型———麦克斯韦速率分布律———宏观量的统计表达式的思路整合。这种内容的安排能够体现“根据物理问题的特征、性质以及实际情况，抓住主要矛盾，进行合理的简化，建立相应的物理模型，并用物理语言和基本数学方法进行描述”的物理学方法，“在传授知识的同时，注重学生分析问题和解决问题能力的培养”（《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》）。同时，内容上的这种安排应该在教学目标和要求中明确提出，并且积极改进教学方法，引导学生注重物理学方法的学习和领悟。
作者：赵倩 慕利娟 张雪峰 单位：内蒙古科技大学
