热力学教学汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇热力学教学范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

0 引言

在热力学统计物理中,引入的热力学函数中,最基本的是物态方程、内能和熵。其它热力学函数均可由这三个基本函数导出。如果适当选择独立变量,只要知道一个热力学函数,就可以通过求偏导数而求得均匀系统的全部热力学函数,从而把均匀系统的平衡性质完全确定。那么,这样的热力学函数就称为特征函数,它是表征均匀系统的特性的。它们和热力学系统的各种状态参量和各个热力学量之间有着千丝万缕的联系。一般来讲这些联系用热力学基本方程来解决,而方程中涉及的有些函数和物理量,如:熵S、固体和液体的定容热容量Cv等往往很难直接测定,为了间接测定这些函数和物理量,人们定义了很多辅助量,这些辅助量就是那些表征均匀系统的特性的特征函数,如:内能U、焓H、自由能F、吉布斯函数G等等,从而建立了相应的热力学微分方程。

笔者在北京师范大学做访问学者的时候,曾听到朱建阳教授在教学中采用的热力学标尺和椭圆记忆法很有效,而热力学量与偏导数间的关系和麦克斯韦关系的推导,在传统教材中较繁琐,不便于学习和应用,笔者在朱建阳教授的教学中得到灵感并总结了自己长期教学中的经验,发现还有更简单的记忆方法,在此通过四个方面给出总结,谨供参考,以飨读者和各位同仁。

一、热力学特征函数的定义

一般来说,热力学系统很复杂,表征其特性的特征函数也很多,这里只给大家介绍以下四个常用的特征函数。

内能U:它是个基本特征函数。是系统中分子无规则运动的能量总和的统计平均值。无规则运动的能量包括分子的动能和分子间相互作用的势能以及分子内部的振动能量。

焓H:是个辅助物理量。等压过程中系统从外界吸收的热量等于状态函数焓的增加值。其定义式为:H=U+PV。

自由能F:是个辅助物理量。在可逆等温过程中,系统所做的功等于自由能的减少。即在不可逆等温等容过程中,系统的自由能永不增加。其定义式为:F=U-TS。

吉布斯函数G:是个辅助物理量。在可逆等温等压过程中,系统所作的非膨胀功等于吉布斯函数的减少。即在不可逆等温等压过程中,系统的吉布斯函数永不增加。其定义式为:G=U-TS+PV。

上面的框图就是朱教授教学用的热力学标尺,用来记忆特征函数定义式的,应该配上语句我觉得更容易记忆:焓在最高填满尺,内能紧跟加压体,温熵加自由能和压体充满尺,内减温熵是自由,再加压体成吉布斯,温熵加吉布斯又满尺。

二、热力学微分方程

内能作为基本特征函数,它对应的有基本热力学方程,其余的各个特征方程也相应的有热力学微分方程。如:

这些微分方程可以利用特征函数和热力学量组成的矩形框来帮助记忆:画这个矩形框,心中可以默念:微分方程靠矩形,左上吉布右上焓,中间夹着压强P,下方各置温和熵,左下自由右下内,其间夹上体积V。这种构造要记牢,关键还得会应用。

具体应用上述矩形框来列特征函数的全微分口诀是:四个顶角是函数变量,其邻近两个是自变量(或独立变量),自变量的对面是与之配对的量,其符号规定:当函数变量移到矩形框的中间时,如果自变量在上或右面符号取正,如果自变量在下或左面符号取负。如以G为例,其临近的量P、T为自变量,P和T对面的量V、S为与自变量配对的量。而把G移到矩形框中间时因T在其左取负,P在其上取正。从而有:。

如果是开放系统的热力学方程,其中包含质量作用项如:

上述方法推广后,还可以用在这些开放系统的方程,因为包含质量作用项的其它形式的功是这些方程所共有的,因此上述结果中都加一个项即可得到,也可以用久保亮五的热力学记忆图来记忆,还可以用H.B.Callen所著的教科书中的方法。

三、热力学量与偏导数关系

在热力学统计物理中,热力学量往往可以用一些特征函数的偏导数来表示,由于不同的热力学过程中需要的特征函数不同,从而偏导数关系非常繁杂,需要归纳出一个方法来帮助记忆,如以下的关系:

可以用两种方法记忆:一是从全微分式导出;另一是借助矩形框导出。

1.由全微分式导出

四、麦克斯韦关系

以上仅仅是笔者整理得一些记忆方法而已,任何方法的运用都是以娴熟的训练作为基础才能保障它的行之有效,如果死记硬背这些方法和口诀的话只能成为二次负担,不能提供帮助反成累赘,希望读者能够灵活应用,以便事半功倍。

参考文献:

[1]汪志诚.热力学•统计物理(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2008.

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工程热力学是动力、热工等工科专业重要的技术基础课，而且是能够直接用于工程实际的技术学科。通过本课程的学习，可以开发学生的智力，培养学生敏锐的观察能力、丰富的想象能力、科学的思维能力，并为后续专业课程的学习和解决工程实际问题提供基本理论和方法。

在工程热力学课程中，很多基本概念、原理和方法都是通过实际的形象物体经抽象化或再加数学演绎而建立的。许多基本理论都是经过实践而又被实际所验证的客观真理，所以该课程实践性较强。

大量的练习、有比较熟练的教学经验的教师是工程热力学学习的基本要求。深化教育改革要求加强实践教育，大幅度压缩课堂教学时数，对课程教学方法提出了新的要求。工程热力学教学网站将为此做一些探索。

基于.NET的工程热力学教学网站是以B/S模式为工作方式，利用校园网传输的辅助网络教育系统。网站集成了工程热力学各种教学资源，实现了教学信息网页化，在线考试，人机交互，在线讨论、答疑等功能。本系统旨在成为教与学时间和空间上的延伸，借助网络优势，帮助学生更好地学习工程热力学。

2网站设计

2.1设计目标

工程热力学对学生的素质培养和知识结构具有重要的作用，也是学生普遍反映较难学且枯燥的一门学科。随着现代信息技术的发展及其在教学领域的运用，采用网络技术改进工程热力学教学，成为工程热力学这门学科教学改革的重要课题。

工程热力学学习网站设计目标是利用计算机网络实现工程热力学课堂辅助教学，建立一个基于WEB的网络教学环境，充分发挥网络技术优势和多媒体先进的表现手段，实现信息资源共享，体现工程热力学网络教育的仿真性、交互性和实践性，营造良好的学习环境和气氛。具体而言，是以学习网站为平台，建立一个工程热力学的学习园地，使学生通过网络掌握工程热力学基础知识；开发一个在线考试系统，由系统按照要求自动组题，制作动态网页实现网上模拟测试，能及时给出测试分数，能使学生自我评估，实现梯度教学，满足学生不同的学习要求，激发学习动力；制作课件，调动学生学习的自主性、积极性，发挥网络教育的优势。每章节附有详细的解题帮助，可适时获得解题指导；学生可与教师交换信息，相互留言，建立远程教学的沟通渠道；教师可以通过网站建库、组题、扩充和修改题库资源，可调阅试卷进行教学讲评，可以查阅学生对各类问题的访问情况，了解练习中的热题、难题，获取教学的反馈信息。系统数据库可作为习题课、讨论课的丰富资源。

2.2整体设计

工程热力学教学网站将实践性、交互性、操作性、仿真性应用于网络教学，力求运用多媒体计算机技术和网络技术，充分利用在线学习交互性强的特点，帮助学生顺利完成课程的学习。

2.2.1教学设计

教学设计以分析教学需求为基础，确立解决教学问题的步骤，对教学内容确定教学方法。首先通过“步进教程”准确掌握基本概念的基本定义，明白这一概念说的是什么，然后通过“专题讲解”进一步了解这些基本概念的实质。用比较的方法，分析与某一基本概念易混淆的其他概念和说法。澄清或纠正自己过去模糊或错误的概念。通过“辅导和答疑”中的思考题、讨论题及习题训练，加深对概念的理解。最后能用自己的语言准确叙述概念的定义及实质。

工程热力学教学内容参考高职高专规划教材,主要包括以下内容：热力学系统、热力学第一、二定律、基本热力学关系、理想气体性质、四种基本热力过程、多变过程、压气机工作原理、卡诺循环、往复式内燃机理想循环等。

网络教育模式中，调动学习者的学习主动性和积极性至关重要。要求选择合适的教学媒体，创设具有吸引力的教学环境，具有科学性和趣味性，给学生以极大的吸引力，激发学生学习的热情。

2.2.2开发环境

2.3.1网站首页

根据工程热力学的教学特点和功能模块的设计要求，设计出如图1所示的网站首页。

2.3.2主要模块功能

（1）学员管理模块：主要提供老师给学员设定登录帐号和密码及访问权限，通过查看学员登录日志，可以了解学生访问网站的情况如图2。同时也提供各学员修改访问密码的功能。

（2）步进教程模块：是主要教学模块，介绍了课程的基本概念和主要知识点。基本内容以章节目录编组，实现教材的电子化和多媒体化。内容以文字、动画和图形形象直观地讲解基本知识，指导和帮助学生克服学习的困难，提高分析问题和解决问题的能力。

（3）专题讲解模块：选择教材中的重点和难点进行强化讲解。主要方法是制作大量完善的flas以及教师授课实况视频。对教材中的重点难点分析提炼，细致讲解，并用flas演示解题思路，给出分析提示。有针对性地突出重点，分散难点，深入浅出，生动形象，为学生释疑解难。实验是工程热力学不可缺少的重要组成部分，对部分实验制作了flash模拟动画、3DMAX实体。通过文字、图片、动画等手段展现实验内容，加深学生对实验原理的理解，为学生在实验室亲自动手提供初步认识。

（4）辅导答疑模块：辅导是针对学生不易理解，容易出错之处，特别对课程要求的计算试题类型重点介绍，突出重点，层层指点，帮助学生理解和掌握，为学生有的放矢地复习并顺利通过考试创造条件；答疑是针对学生学习过程中的提出疑问，通过即时消息和留言板的形式实现教师和学生、学生和学生之间的实时信息交流。教师可以当即一一回答问题，对于一些具有代表性的问题，也可以集中回答，同时学生可以查询、检索，避免了教师的重复性劳动。

（5）知识博览模块：是书本知识的扩充，提供大量的相关内容，以提高学生学习的兴趣和增加学生的知识面，从而落实素质教育的要求。

（6）习题训练模块：依据书本章节，为每一章节内容编制了适量的习题，使学生通过练习来巩固所学的知识。每一练习都有答案及详细讲解。#p#分页标题#e#

（7）在线考试模块：为学生提供一个进行学习效果测试的平台，同时通过测试结果的实时反馈，协助学生对所学知识的程度进行自我检查，提高学习的效果。使用SQLServer2000开发试题数据库，制作动态网页实现网上模拟测试，能及时给出测试分数，实现自我评估功能。

2.4安全性设计

工程热力学学习网站设计目的是辅助教学和学生自主学习，为减少任课教师工作量，暂时只对开课班级学生开放。由教师给学生分配帐号和密码，设定权限，只有合法用户才可以登录系统浏览相应页面。

用SQLServer2000设计了一个学生信息表，用来存放学生帐号、密码及基本情况见图3。用户只有在登录页输入正确的用户名和密码才能登录，登录页面如图4。

3系统实现

工程热力学学习网站以B/S体系结构作为基本框架，由客户机、WEB服务器、数据库三个层次组成如图5。动态网页通过技术制作，用C#语言编写后台代码，利用访问后台数据库。

.NET是微软公司提出的一种分布式运算的框架，以XML为基础，以Web服务为核心，辅以其他各种技术实现，意在利用Internet上强大的计算资源和丰富的带宽资源，提高工作效率。.NET框架提取出微软组件对象模型COM的精华，将它们与松散耦合计算的精华有机地结合在一起，生成了强大、高效的Web组件系统：简化程序员的“管道”操作，深入地集成了安全性，引进了基于互联网的操作系统，极大地改善了应用程序的可靠性和可扩展性。.NET框架由三个主要部分组成：通用语言运行库CLR(CommonLanguageRuntime)、.NET架构类库FCL(FrameworkClassLibrary)和。

3.1.1通用语言运行库CLR

它是.NET的核心，负责提供执行环境，管理代码的执行并提供各种服务。在组件运行时，运行库负责管理内存分配、启动或者中止线程和进程、强化安全系数，同时还调整任何该组件涉及到的其他组件的附件配置。

架构类库FCL

它是一套可以使用的统一的面向对象、异步和层次结构的可扩展类库，可以与通用语言运行库紧密集成在一起。FCL由一个提供类、结构、接口、枚举和的层状命名空间组成。通过创建一套跨编程语言的通用API,.NET框架可以实现跨语言继承、纠错处理以及程序调试。实际上，从VisualBasic到C++的所有编程语言，对于.NET框架都是相互等同的，开发人员可以自由地选择他们想使用的任何语言。

它是创建基于Web的应用程序的模型，该模型由一组控件和一个基本结构组成。其中，控件集中封装了公共的、用于超文本标识语言(HTML)用户界面的各种小组件(诸如文本框、下拉选单等等)。有了,Web应用程序的构建变得非常容易。

数据库连接

是Microsoft推出的以.NET框架为基础的数据操作模型。并不是ADO的下一个版本，而是提供了一种新的基于离线数据和XML的数据操作方法。

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中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0164-01

工程热力学是本校化工学院油气储运工程专业的一门技术基础课。其内容抽象，概念多，逻辑严密，各部分内容相互渗透交叉。该课程不仅为学生学习专业课程提供基础理论，培养学生的工程素质，而且也为今后从事与热有关的设计、管理等方面的技术工作和学习研究奠定了基础[1～2]。根据我校专业教学改革和该课程的特点，对课程教学改革的一些措施加以探讨。

1 教材选择

考虑到油气储运工程自身专业特点和本校实际情况，并通过对几届学生的教学效果的分析比较，选用了沈维道等编写的工程热力学第4版作为教材，并结合工程热力学备课组对课程整体教学思路和脉络的商讨与把握，调整并更新了一部分内容。

2 学习方法

2.1 强化理解记忆

工程热力学的一些概念，如热力循环较为抽象，难以记忆。但如果在理解了循环和状态参数的本质后，可以牢固掌握任何循环后各种状态参数都恢复到初始状态，从而有利于加深正确的记忆。对于热力学第一、第二定律而言，重点放在定律的实质及其应用，第一定律应强调定律的普适性，第二定律应强调对生产实践的指导意义。在气体和蒸汽的流动过程别应留意背压对流动的影响及流动不可逆对流动计算的影响等。

2.2 勤于思考

学习过程的每一个环节中都应主动多问“为什么”，在每一阶段可以做一些总结、归纳。这样不仅可以改善学习效果，更可以培养良好的学习习惯而受益终身。同时也要积极参与课堂讨论，勇于表达自己的观点，这也是自己努力思考并使自己思维条理化的过程。而倾听其他同学的观点也可扩大思路，使所学的知识掌握得更牢固深入，这对学好课程及能力培养都有极大的帮助。

2.3 认真完成作业

习题是学习的重要环节，独立完成作业对于加深课程内容理解非常重要。在解题过程中，要重视思路，重点培养抽象演化、解决问题的能力。除了完成指定的作业以外，还可以自己增加课后思考题和其它习题的训练。

2.4 珍惜实验环节

实验课是工程热力学教学课程中的重要环节，本校课程安排了喷管内气体流动特性、空气定压比热容的测定等四个实验。实验前务必认真阅读实验指导书，写好预习报告，实验时认真操作，作好记录，仔细观察现象。实验后认真、独立完成实验报告。

2.5 参考书及网络资源

工程热力学是技术基础课程，各种相关资源十分丰富也较容易获得。就参考书而言，学生可以结合自身的实际情况，选读一两本参考书，从而帮助从不同角度加深对课程教学内容的理解。此外，还有一些精品课程网络资源可以借鉴。

3 教学改革措施

教学质量优劣是教学改革目标是否实现的重要指标。所以采用灵活多样的教学方式，使学生更简单、快捷的掌握基本理论知识，培养学生的科学思维能力，才能提高教学质量[3]。

3.1 激发兴趣 重点突出

激发学生的学习兴趣，多联系平时生活上和生产中较为熟悉的一些实例，让学生感到能够学以致用。如讲到水蒸气的热力性质时，联系电厂中锅炉内水蒸气的定压发生过程；讲到压气机的热力过程，就可以结合路经榆林市的靖西输气管道中压气站的实例展开分析。讲到喷管，可以联系火箭发射时的尾喷管等。这样学生听着才会饶有兴趣且印象较深。

工程热力学内容多，学时有限，教学中无法将知识点完全覆盖，所以必须有所侧重，结合专业特点和培养目标对相关内容重点讲解[4]。如理论应用部分中气体和蒸汽的流动这部分内容将对油气储运工程专业在天然气及城市配气中的工艺设计、管理等方面的专业课学习有重要帮助，因而这部分内容就作为重点详讲，适当拓展与深挖。

3.2 突出主观能动性

在教学中发挥学生的主观能动性，逐步实现“要我学”到“我要学”的积极改变。教师一方面从正确的角度进行引导和教育；另一方面也需要采用互动式教学等辅助形式以形成较好的课堂气氛，使得教学过程良性循环。

3.3 用好多媒体

借助学校完善的多功能教室进行辅助教学，可以起事半功倍的效果[5]。工程热力学有许多工程实际问题，如内燃机循环、蒸汽动力循环等，可借助多媒体技术进行动态演示，更生动、直观地体现热力学的应用。

4 结论

工程热力学是一门概念多，难理解的课程。通过教学内容的改革与实践，教学内容更符合我校的实际状况。通过教学方法的改革与实践，学生的学习兴趣和理论联系实际的能力在增强的同时，教师的教学水平也得到了提高。

参考文献

[1] 谭羽飞.运用迁移规律进行《工程热力学》教学改革的实践[J].黑龙江高教研究，2002（6）.

[2] 王华.工程热力学课程教学实践与探索[J].教育与职业，2009（18）.

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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“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和变换，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，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了“热质学”，奠定了热力学的发展基础，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，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、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，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.

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A ？摇文章编号：1674-9324（2013）41-0107-02

《材料热力学》是材料科学与工程专业的专业基础课，是一门理论性和应用性较强的课程。通过《材料热力学》课程的学习，学生能够掌握《材料热力学》的基本概念和理论，并利用《材料热力学》进行相变、表面和界面等的分析和研究。然而《材料热力学》具有概念多而易混淆、公式多而难记忆以及内容抽象难懂等特点，学生系统掌握该课程的内容比较困难，本文尝试对教学内容和教学方法等方面进行探索，以提高《材料热力学》课程的教学效果。

一、教学内容与实践相结合

1.突出应用目的。本科《材料热力学》教学重点在于热力学基本原理及其在相平衡、表面和界面等领域的应用。由于学生在学习材料热力学之前，已经学习过物理化学等课程，因此讲授《材料热力学》时，应将重点放在运用热力学基本原理解决材料科学中的问题这一方面。在热力学基本原理这部分内容的讲授中，为了理论体系的完整性，我一般会对重要的定理和公式进行简单地推导，使同学掌握基本原理的来龙去脉，而对于其他的定理和公式，我一般简单分析一下它们的内涵和适用范围，不做详细的推导。我把热力学原理在材料科学中的应用作为我的讲课重点。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中有很多例题，但是我重点挑选与相变有关的典型例题来讲解，比如：选择熔化和凝固过程的热量计算以说明热力学第一定律在计算相变热效应的应用，选择熔化和凝固过程的熵变或自由能变化计算以说明热力学第二定律在判断相变方向的应用等，以突出《材料热力学》课程以热力学基本原理解决材料科学问题的讲课重点。

2.增加科研和生产方面的内容。笔者经过几年的材料热力学的教学实践，总结出：在教学过程中教师必须将科研和工程案例与教学内容相结合，这样不仅让学生在科研和工程案例中理解材料热力学的基本概念和原理，同时了解理论对实践的重要指导作用，激发学生的学习兴趣。我们学院的一些学生承担本校激光研究所钛基激光熔覆层方面的大学生创新项目，我在讲解自由能判据这部分内容时会引入这方面的实例，比如：为什么添加B4C的镍粉在高能激光照射下会在钛基体中形成TiB和TiC增强相。我的一个科研项目是有关碳纤维/铜基滑动轴承材料粉末冶金制备工艺的，我将这部分科研内容引入到表面和界面这一章中，向同学们讲授为什么粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合涂层时要使用表面预镀铜的碳纤维为原料。我还经常将企业的生产内容融入到《材料热力学》的教学中，比如我将人造金刚石的生产过程引入到封闭体系的热力学基本方程这一章的教学中，以说明公式（？坠G/？坠T）P=-S和（？坠G/？坠P）T=V的应用；我还将氧化锆生产过程中氯化铵废水的处理和循环使用这部分内容引入到渗透压的教学内容中，说明如何根据氯化铵废水中离子的浓度计算出渗透压，进而为反渗透设备中泵的选型提供依据。

3.增加实验教学的内容。实验教学是高等学校教学中的重要内容，具有直观性、实践性和客观性的特点。以实验作为主要手段进行的教学活动，可以揭示自然科学现象、验证科学规律、探索未知、发展科学，更为重要的是在实验中能够培养学生务实求真的科学态度。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中没有实验教学方面的内容，为了弥补这一缺陷，我增加了“差示扫描量热法测量材料的比热容”和“计算机在相图计算中的应用”等实验内容。《材料热力学》的实验教学应达到以下目标：①帮助学生掌握《材料热力学》的基本原理；②让学生初步了解科学研究的方法；③培养学生自主解决问题的能力。因此在实验教学过程中，①强调实验课前的预习，要求学生根据实验指导书写出预习报告；②实验过程中的检查学生操作情况，要求学生独立操作，如实记录实验数据；③教师课后批阅实验报告，鼓励学生在实验过程中发现问题、提出问题和解决问题。

二、改进教学方法

1.讨论式教学。我会结合刚讲授过《材料热力学》知识，设计一些与科研和工程密切相关的问题，让学生以小组的形式相互讨论共同完成。在下次上课时，我会让某个或某几个小组推举同学上台讲解，其他同学提问，最后老师点评和总结，以培养学生自主解决问题能力。

2.多媒体教学。笔者在讲授《材料热力学》时，通常采用板书的形式，因为我觉得板书能将公式的推导和例题的计算一步一步清晰地展现出来，让同学们能清楚地了解老师的解题思路。采用多媒体教学能提供形象、生动、直观的画面和视频，增加信息量，节约教师板书和画图的时间，提高讲课效率，我曾经尝试过使用多媒体来展示解题过程，但效果并不理想。近年来，我倾向于以板书为主，多媒体为辅的教学方法。我一般将课堂要讲述的主干内容用板书简单、扼要、清晰地列在黑板上，使同学跟上老师的讲课思路，对于一些抽象难懂的概念，我经常找一些图片和视频，使讲授的知识更直观、形象和生动。

三、改进考试方法

考试是知识水平的鉴定方法，大学阶段的考试成绩与学生评优、毕业甚至就业直接相关，学生的学习过程大多围绕考试这根指挥棒转，因此如何用好考试这根指挥棒，对提高教学效果至关重要。我倾向《材料热力学》采用开卷考试的考核方式，在试题的设计上，避免出一些填空和名词解释等一些死记硬背的题目，而出一些判断题和选择题等灵活运用热力学基本原理解决问题的题目，问答题和计算题都是与材料科学具体问题相关联的，必须掌握热力学基本原理及其实际应用才能正确解答。我希望通过这种考核方式，改变学生在应试教育下形成的学习方式，明确学习目的，提高自身运用知识解决实际问题的能力，养成独立思考的习惯。

参考文献：

[1]陈慧，梁宝臣，吴锦国.物理化学教学中学生自学和创新能力的培养[J].天津理工学院学报，2000，16（6）：90-91.

[2]刘鸿，肖立川.工程热力学课程教学方法探讨[J].江苏工业学院学报，2007，8（3）：103-105.

[3]胡珍珠，朱志昂.物理化学教学方法改革初探[J].湖北师范学院学报，2000，20（2）：87-88.

[4]郭平生，唐贤健.热力学教学内容革新的思考[J].广西物理，2008，29（4）：51-54.

[5]吴如春.提高化工热力学教学质量的新尝试[J].广西民族大学学报，2008，14（3）：95-96.

[6]张开仕.应用化学专业物理化学教学改革与实践[J].教学研究，2005，28（6）：541-544.

篇（6）

中图分类号：G424 文献标识码：A

Explorations of Thermodynamics and Statistical Physics Teaching

ZHANG Jin

（Mathematics and Physics Department of Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601）

Abstract The paper analyzes some teaching problems of Thermodynamics and Statistical physics， carries on research of effective teaching， has discussion of teaching content， teaching approaches and teaching methods for improvement in teaching quality of Thermodynamics and Statistical physics.

Key words Thermodynamics; statistical physics; course teaching; teaching strategies

作为大学物理专业的四大力学之一――热力学与统计物理是一门学生感觉难学，教师感觉难教的课程。学生总体感觉这门课程公式和概念较多、对高等数学的要求较高、与日常生活又比较脱离，不知道学了之后有什么用。而教师普遍感觉内容较为零散，与其他物理课程重复内容又较多，因此往往感觉较难将课程前后融会贯通，将公式和概念讲得浅显易懂又具有一定深度。本文对热力学与统计物理课程的现状进行分析，分别对教学内容、教学方法、教学手段进行了探讨，以激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

1 课程内容的优化

热力学与统计物理中的部分内容与其他物理专业课程有一定的重复。例如第一章热力学的基本规律，该部分内容在前期课程热学中基本都已学过。因此在讲解该部分内容时，学生难免会感到没有新鲜感。但是这部分内容对热力学与统计物理后面章节的内容又非常重要，是后期内容的基础，尤其是热力学三定律，如果理解不透彻，后面章节的内容就更难以理解。同时第一章热力学的基本规律又不完全等同于热学课程所学。例如对温度的理解，热学强调温度是冷热程度的度量，而在热统中则更着重于强调温度是一个态函数。总体来说热学强调热的本质，热究竟是什么，怎样发生等问题，而热统则是研究热的传递和循环等过程，与热学相比更侧重于动态的研究。因此对于和热学重复的内容部分，既不能完全不讲，也不能细枝末节地详细讲述，而应当重点讲述一些重要概念不同于热学的理解方式。

另外，对于热统后半部分统计物理学，学生是首次接触统计物理，并且统计物理与前面部分热力学研究方法上又完全不同，所以学习这部分内容时学生会觉得很吃力。因此对统计物理前半部分内容要在合理安排课时的前提下尽可能讲得详细透彻，使学生能听懂，能理解和掌握，后半部分内容处理方法和前面基本相同，因此可以相对简单地讲解。同时热力学和统计物理并不是完全分割独立的两部分，实际上它们相辅相成，互为补充，统计物理的很多结论回归到热力学的结果。因此统计物理这部分内容也应着重强调和热力学内容的相互呼应。使学生感觉到这两部分是整体，而不是零散、毫不相关的内容。

2 教学方法的几点建议

2.1 公式的讲解

热统这门课程难学的一个重要原因就是公式非常多，而且很多涉及偏微分甚至有的还不是完全微分。例如内能的微变量用，是个全微分，而微功用表示，不是个全微分，而一个公式里面往往可能既涉及全微分也有不完全微分，因此一定要区分和解释清楚。比如内能要强调是态函数与过程无关，因此用表示，而做功与过程密切相关，因此不是全微分。这些一定要讲解清楚，否则学生非常容易搞混淆。热统这门课程里的公式的另一个特点是多而且近似，例如麦氏关系，单纯地背下来实际十分困难，因此需要寻找公式的规律，甚至可以编一些顺口溜等，便于学生的记忆。另外，讲清楚公式从何而来，又有哪些应用，往往对公式的记忆和理解也很重要，进而也能让学生搞清楚这门课程的学习到底有什么用，而这离不开习题的讲解，因此对于难以理解的公式，适当的习题有助于学生对公式的学习。

2.2 概念、定理和定律的讲解

热统书中也涉及到很多物理概念、定理和定律，而教材中往往因为篇幅有限并没有一一交待这些概念、定理和定律的来龙去脉。例如卡诺定理，学完热力学第二定律后紧跟着下一节就是卡诺定理，但教材中只介绍了卡诺定理的具体内容和简单推论，学生学起来就觉得很茫然，不知道为什么要学卡诺定理，和热力学第二定律有什么关联，兴趣也就不大。往往教师费劲讲了半天，学生听得一知半解。这时候如果在讲卡诺定理之前，先讲清楚为什么提出了卡诺定理，卡诺当年是在什么情况下提出，遇到了哪些困难，他对热机的发展有了什么推动作用，也就是略微讲解部分卡诺定理提出的科学史，这样既可以吸引学生的兴趣，而且对于这个定理，学生能够知其然且知其所以然，同时也启迪了学生勇于创新的精神。这样才能真正让学生感受到热统这门课的魅力，体会它的思想和方法，真正意义上培养学生的思维能力和创新能力。

2.3 前沿科技知识的引入

大学生教学不同于高中教学，学生不仅应该掌握基本的理论，对一些科技前沿也应当有适当了解。这要求教师不仅能很好地把握教材内容，同时也要常了解相关的科研动态。前沿科技知识介绍不仅能提高学生的学习兴趣，而且启发学生的思维能力，甚至于对学生在以后考研选择方向时也有很大益处。

3 教学手段的改进

目前很多高校基本都具备多媒体教学条件，提倡板书和多媒体结合。板书多用于复杂公式的推导，诚然公式的推导需要板书的帮助，但是板书应该不仅仅用于枯燥的公式推导，有时候将整堂课的主体框架，甚至大的标题之间的联系写在板书上，这样学生感觉逻辑性会更强，环环相扣，有利于学生整体知识框架的构建，和对课程内容有更好的理解。而多媒体教学中幻灯片可以适量减少文字部分，图文并茂、生动活泼的PPT很容易吸引学生，有些部分内容如果辅助动画演示或者视频将可以达到更好的效果。比如玻尔兹曼分布，玻色分布和费米分布，三种分布的区别和联系，如果完全靠教师的讲解，有时候会有理解上的困难，但如果辅助了动画，学生一目了然，更容易理解，也更容易记忆。但是也非动画和视频越多越好，过多的情况下，反而让人感觉重点不突出，本末倒置，因此板书和多媒体的有效结合十分重要。这就需要教师很好地把握教材，课下须花大量精力搜集丰富的课外材料，做好备课工作。

4 结语

总之，要教好热统这门课并非易事，需要教师对课程内容进行优化，对教学方法和教学手段进行研究，寻找合适的方法和手段，这需要教师也要不断学习和反思，不断改进，在热统的教学过程中和学生一起共同学习成长，实现热统教学的真正目的。

参考文献

[1] 包景东.热力学“时间之箭”.大学物理，2011.30（10）.

篇（7）

中图分类号：O414-4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（b）-0187-02

热力学与统计物理学是研究热运动规律的学科[1]。《量子力学》和《半导体物理》等许多领域需要热力学和统计物理作为基础理论。本课程的主要目的是使学生掌握热力学和统计物理的基本理论、这些理论的实际应用、国际上最先进的科研动态，及解决不了的难题；培养学生科学的学习态度和方法；培养学生独立分析和解决问题的能力。

目前的教学模式中，存在着一些问题。学生大多处于被动的学习状态，对课程缺乏兴趣感，更缺少主动参与的意识。考试的方式基本上是一张试卷定成绩。这样的教学方式和考试方式会带来一些弊端，如学生只是应付考试，把学到的东西死记硬背出来，学到的知识考完就忘了，不知道知识的真正用处。因此，教学方式和考试方式的改革必须引起我们的高度重视。本论文通过深入的调查和教学实践工作对教学方法和考试方式的改革方面进行探讨[2]。

1 讨论式教学方式

在平时的教学过程中适当地加入讨论式教学方式。

（1）课堂中引入讨论式教学方式。在平常的课堂中，讨论式教学方式可以调动学生学习的积极性和主动性。例如讲述某一个现象之后，先让学生讨论该现象的原理是什么，往往是学生会有很多种结论，而有一些结论非常有创意，可以开拓学生的视野。再例如在做习题时，让几个学生同时到黑板上写出自己的做题思路，让学生发挥自己的思维探讨不同的做法，这时会出现许多做法，有些非常有创意，有些是行不通的。但通过讨论对解决问题的思路清晰起来，不但使学生对教学内容有了较深入的了解，而且大大提高了学习的自信心。

（2）小结中引入讨论式教学方式。在某一章内容结束之后，在的应用方面和国际科研动向方面做一次讨论，使学生通过基础理论的学习之后，通过上网查阅信息和自己的思考以及相互讨论，对这部分内容做一总结。例如：在第一章热学基本规律结束之后，作一次本章内容应用的讨论课，学生通过上网查询及对本章内容反复思考，在讨论课上进行讨论，可以给出讨论的提纲：如是否可以将孤立系统的熵增原理应用到宇宙中？由热机效率理论联系到冲程热机等。这些信息会使学生感到非常兴奋和激动，憧憬着将来自己在这方面也有大有作为的时刻。同时也增强了学生学有所用的印象。

2 新的考试模式

把以往单一试卷形式的考试分成两部分，笔答部分和科研小论文部分。笔答部分主要考察学生基本理论的学习效果。科研小论文主要是将有关本课程知识点的小论文题目布置给大家，让学生自由选择自己感兴趣的课题。最后以完整论文的形式提交上来。这部分主要考察学生对课程内容的理解能力、收集信息的能力和表达能力。这样的改革能够转变学生原来的学习习惯，增强学习能力，进一步提高学生整体素质，为以后的学习和工作打下良好的基础。

3 利用多媒体教学

多媒体技术是以计算机为中心，把语音处理技术、图像处理技术、视听技术都集成在一起，而且把语音信号、图像信号先通过模数转换变成统一的数字信号，这样作以后，计算机就可以很方便地对它们进行存储、加工、控制、编辑、变换，还可以查询、检索。近年来，多媒体技术迅速发展，其应用已遍及国民经济与社会生活的各个角落，正在对人类的生产方式、工作方式乃至生活方式带来巨大的变革。因为多媒体具有图、文、声并茂甚至有活动影像这样的特点，具有许多对于教育、教学过程来说是特别宝贵的特性与功能，这些特性与功能是其他媒体所不具备或是不完全具备的。因此，多媒体技术对教学也产生了积极的效应，充分发挥多媒体教学的优势，对于培养学生的创造思维，具有重要作用。

在传统的教学过程中一切都是由教师决定。从教学内容、教学策略、教学方法、教学步骤甚至学生做的练习都是教师事先安排好的，学生只能被动地参与这个过程，即处于被灌输的状态。而在多媒体计算机这样的交互式学习环境中学生则可以按照自己的学习基础、学习兴趣来选择自己所要学习的内容，可以选择适合自己水平的练习，如果教学软件编得更好，连教学模式也可以选择，比如说，可以用个别化教学模式，也可以用协商讨论的模式。使计算机像学习伙伴一样和你进行讨论交流。也就是说，学生在这样的交互式学习环境中有了主动参与的可能，而不是一切都由教师安排好，学生只能被动接受。按认知学习理论的观点，人的认识不是外界刺激直接给予的，而是外界刺激与人的内部心理过程相互作用产生的，必须发挥学生的主动性、积极性，才能获得有效的认知，这种主动参与性就为学生的主动性、积极性的发挥创造了很好的条件。

人机交互、立即反馈是多媒体技术的显著特点，是任何其他媒体所没有的。多媒体计算机进一步把电视机所具有的视听合一功能与计算机的交互功能结合在一起，产生出一种新的图文并茂的、丰富多彩的人机交互方式，而且可以立即反馈。这样一种交互方式对于教学过程具有重要意义，它能够有效地激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，从而形成学习动机。交互性是多媒体计算机所独有的，正是因为这个特点使得多媒体计算机不仅是教学的手段方法，而且成为改变传统教学模式乃至教学思想的一个重要因素。

多媒体教学的优势体现在以下几个方面。

（1）直观性：能突破视觉的限制，多角度地观察对象，并能够突出要点，有助于概念的理解和方法的掌握。

（2）图文声像并茂：多角度调动学生的情绪、注意力和兴趣。

（3）动态性：有利于反映概念及过程，能有效地突破教学难点。

（4）交互性：学生有更多的参与，学习更为主动，并通过创造反思的环境，有利于学生形成新的认知结构。

（5）通过多媒体实验实现了对普通实验的扩充，并通过对真实情景的再现和模拟，培养学生的探索、创造能力。

（6）可重复性：有利于突破教学中的难点和克服遗忘。

（7）针对性：使针对不同层次学生的教学成为可能。

（8）大信息量、大容量性：节约了空间和时间，提高了教学效率。

多媒体教育技术飞速发展，教学过程中多媒体技术的运用越来越普遍。在学习多媒体、计算机技术的同时，我们应该关注教育理论的发展，随时用先进的教育理论来指导自己的多媒体教学，发挥多媒体教学的优势，从而提高热力学统计物理课程的教学质量。

4 结语

通过两年的热力学与统计物理课程教学实践和学生平时的学习效果来看，进行教学方法改革和考试方式改革是非常必要的。引入讨论式教学方式，改革以往的考试方式，充分利用多媒体教学手段是培养创新型人才的必经之路。

参考文献

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中图分类号：TK123 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）48-0181-03

熵是热力学中一个非常重要并且抽象的概念，学生能否全面地、彻底地掌握第二定律，对熵概念以及热力学第二定律实质的理解至关重要。

目前工程热力学的教学中普遍存在一个问题[1，2]，就是熵概念的引入时机和方式。这些教材中，熵概念的第一次引出，即以其微分形式：dS=dQrev/T。熵的这个定义只给出了状态函数熵的微分或熵变，并没有熵的直接表达式[3]。这种只提出熵的定义，却不阐明熵自身的物理意义的引进方式，使得学生对熵的物理意义全然不知，只是一味的死记硬背熵变计算公式。这时候的熵可谓是“千呼万唤始出来，犹抱琵琶半遮面”。然而，在后期进入到热力学第二定律的章节学习后，熵随着第二定律的数学表达式又突然冒了出来，而且还花样翻新，例如克劳修斯不等式：dS≥dQ/Tr。通常这个时候，学生开始犯糊涂了，与前面熵初次引入时的熵变定义式搞混了，而后紧接着还要推出孤立系统的熵增原理等，如果整体教学中缺乏清晰的主线和脉络、不阐明不可逆引起熵增的实质原因，却铺开来广讲或一味地让学生沉浸在大量的熵变计算中，效果差强人意，如很多学生常把孤立系统的熵只增不减理解为熵只增不减，或者不明白为什么处处可逆的卡诺循环的热效率也不能达到百分之百。这样的错误表明学生对热力学第二定律尚未真正掌握。

热力学第二定律的教学是从分析自然现象展开的：如打碎的鸡蛋不可能自行复原、水不能在自然条件下由低处流到高处等，这些现象表明一切自然发生过程都有其特殊的方向性。再者，我们熟悉这样的经验事实：当两个不同温度的物体相互接触时，热量不可能自动地由低温物体传到高温物体，而这恰恰就是由克劳修斯提出的热二定律的一种经典表述，此时热二定律看起来还如此简单，学生尚不难理解，但仅仅停留在这个层面理解热二定律，显然是不够的。热力学二定律虽来源于生活，但远高于生活。在指出另一种由开尔文从热转化功的角度阐述的热二定律时，学生开始有点迷糊了。开尔文表述为：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。

按照通常的教学程序，接下来的教学点就是卡诺循环。如果这个时候，再把讲课的重点放在对构成卡诺循环的两个定熵、两个定温过程的讲解上，学生感觉热二定律更难捉摸了，何况这之后还要推导熵的不等式，熵――这个令物理学家都“混乱”的概念可能一下子就把学生击倒了。如果这样安排教学，定会加剧学生对第二定律整章内容的恐惧心理，甚至最终导致放弃对热二定律整章的学习，

所以，在这些内容的教学中，绝不能循规蹈矩，应适时地对教学的顺序做相应的调整，紧紧抓住一条清晰的脉络讨论，不广讲、不偏离主线太多，抓住本质（类比干），在该过程中适时地、善巧地引出一些主要的第二定律表述（枝），顺藤摸瓜，最终完全揭示热力学第二定律的内涵。这样，学生容易抓住主线，对整章的知识框架有清晰的认识，就不会对纷繁的不同表述和不等式望而生畏。教师在后期的具体教学中，再去围绕其他各种表述进行细化讨论和延展，就可事半功倍。这种先抓本质的教学思路非常适合热力学第二定律和熵――这种既纷杂，又抽象的教学内容。

下面以一种脉络式的教学思路对热二定律进行探究，层层递进，分析现象得到结论，引出提问，再分析，得到下一个结论，直至把热力学第二定律实质诠释出来。

首先，通过两个热机的常见工程实例――火力发电厂和汽车发动机动力循环入手，引出热力学第二定律在热转化成功的过程中有低温热源存在、同时有部分热量被抛入低温热源的现实（讲解电厂冷却塔以及汽车尾气余热排放至外界环境）。由实例可初步得到任何热机的效率不仅不能大于百分之百，也不能等于百分之百，也即效率必须小于百分之百。该结论映证了开尔文说法。

结论1：热一定律告诉我们效率不能大于100%，开尔文说法得到热机效率只能小于100%。

提问1：效率不能等于百分之百，等于多少，99%？

在热力学第二定律尚未问世之前，热机工程师错误地把热机效率的最理想目标定为100%。1824年，法国工程师卡诺对此提出了质疑，他在确定的高温热源T1与低温热源T2之间，构建一个最理想（即热效率最大）的热机循环――卡诺循环。按最理想的假定，该循环至少应保证过程无摩擦（无耗散）和传热无温差（准静态）等条件，也即循环必须可逆。但即便这样一个最理想的热机循环效率也并不等于或者接近100%，而是依赖于高低温热源本身的温度（？浊c=1-T2/T1卡诺定理）。

以前述的两个典型的热机实例分析。目前，火电厂蒸汽动力循环[4]，一般T1=500℃，环境为T2=25℃，按照卡诺循环最理想效率为62%，大大低于100%；汽车燃气动力循环，T1=1000℃，T2=25℃，卡诺效率为76%，也低于100%。

结论2：在确定温度的高低温热源之间的全可逆理想循环，热效率有一峰值，受温度限制，可能远低于100%。（机理暂不解释，见结论6后的反推）

提问2：实际工程中，摩擦耗散等不可逆因素必定不可避免，这对热机的效率又有何影响？

经验和事实表明：一切实际过程都包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆的。仍以上面提到的热机实例来分析。实际工程中，蒸汽动力循环热效率为45%左右（

结论3：自然界中，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，不可逆损失造成热效率降低。

一个自发进行的不可逆过程，其逆过程决不可能不付任何代价的自动进行。例如：为什么热量可以从高温热源自动的传向低温热源，而不会自动地从低温热源传向高温热源。因此，一个过程的不可逆性与其说是决定于过程本身，不如说是决定于它的初态和终态。这也预示存在着一个与初态和终态有关的某个状态函数，用以左右一个过程的方向。

问题3：一个自发（不可逆过程）初态和终态有什么本质的不同？

以气体绝热自由膨胀分析自发过程初态与终态的区别：理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。一刚性绝热容器被隔板分开，左边有气态工质，右边真空，在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器，最终达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。观察到绝热自由膨胀初终态有两方面的不同：

1.终态体积变大，分子相互位置分布更加无序；

2.可利用与右侧空间的势差推动活塞向外输出容积变化功，但由于进行自发膨胀，作功为零。

对于一个热力学系统，如果处于非平衡态（与外界存在势差，有作功能力），我们认为它处于较有序的状态，如果处于平衡态（与外界无势差，无作功能力），我们认为它处于较无序的状态。

再者，功热转换的自发过程：高速行驶的汽车，突遇事故瞬间停止，原有动能耗散成环境中的热能，能量的数量虽然守恒，但能量的无序性增加。而该过程的逆过程――环境热转换成动能显然不能自发进行。热是分子混乱运动的一种表现，而功是分子有序运动的结果。功转变成热是从规则运动转化为不规则运动，混乱度增加，是自发的过程；而要将无序运动的热转化为有序运动的功就不可能自动发生。

结论4：热力学第二定律：各种自发过程的方向性具有共同的本质：无序性（混乱度）增加，能量质衰退。

问题4：如何定量地描写状态的无序性的变化（如增加）和作功能力的变化（如衰减）？

从以上例子可以看出：热力学第二定律揭示一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，可用一个新的状态函数作为表征系统混乱度的一种量度，状态函数――“熵S”被引出。

所以，熵的物理意义：系统无序性（混乱度）的量度。

结论5：孤立系统中的熵永不减少。孤立系统中发生可逆过程，其熵不变，作功能力无衰减；孤立系统中发生不可逆过程，其熵增加，作功能力降低。热力学第二定律也可表述为：一切自发过程总是向着熵增加的方向进行，向能质衰减的方向进行。

问题5：为什么宏观演化必定按“熵增”的方向进行，熵增的本质是什么？

以54张扑克牌的排序为例分析自发过程熵增的根本原因。新扑克最初的排序极其有序，我们称其为一种微观态，概率为1/54！。随机洗牌后，混乱度增大，此时排序非常混乱的微观态数要大很多。这样，扑克牌从有序自发到无序（孤立系统熵增大）的过程，就是扑克排序从小概率往大概率发展的过程。然而，这个过程的逆过程，也即微观态数减小的过程，是从概率大往概率小发展，不能自动进行。这就是为什么即使洗无数次牌，也不可能再出现当初最有序的低熵状态。这就反映了不可逆过程熵增的本质，即热力学概率增大。

可以从54张牌的系统拓展到由大量分子构成的热力学系统，同样遵从这样一个规律。

结论6：系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行，这是热力学第二定律的统计意义。

再回到结论2，可对卡诺定理进行微观解释：可逆热机循环中，工质从高温热源吸收热量Q1，将其中最大可以转化为功的部分W转化为了功，这部分能量从热功，能量品质升高，这样一个非自发过程不能不费代价的进行，同时一定要使得另外一部分热量Q2从高温热源传向了低温热源，这部分能量的品质降低去与之补偿，两者正好相抵，这是可逆的情况。如果热机不可逆，相同的Q1情况下，传给低温热源的热量大于Q2，能量品质降低的份额大于能量品质升高的份额，总体由于不可逆造成能量品质衰退，作功减少。

经过以上脉络法教学方式层层递进，主线清晰，学生能够紧跟教学思路，分析现象，得到结论，引出新问，再分析，一步步接近热力学第二定律的实质。该教学方式最大的优势体现在只需要半个小时的课时就可清楚地揭示热力学第二定律的核心机理，而后可围绕这个核心再展开不等式推导等其他教学内容。这样的教学方式，做到了使学生概念清晰，思路明确，故能取得事半功倍的教学效果。

参考文献：

[1]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.

篇（9）

作者简介：耿凡（1982-），女，江苏徐州人，中国矿业大学电力工程学院，讲师；王迎超（1982-），男，山东滨州人，中国矿业大学力学与建筑工程学院，讲师。（江苏 徐州 221116）

基金项目：本文系2012年中国矿业大学青年教师教学改革资助计划项目（项目编号：2001263）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0076-02

工程热力学相关的热工技术和节能环保问题日益凸显，因此，“工程热力学”教学改革需要深入。那么，如何调动学生的学习兴趣，使其更清晰地理解并掌握抽象概念，把工程实际问题更形象地展示给学生并让学生应用所学知识去分析、解决实际问题，这对高校传统的教学方法和手段提出了挑战。因此，开展研讨式授课的教学模式改革被提上日程。[1，2]

一、研讨式教学改革的指导思想、原则及作用

1.指导思想

根据“工程热力学”课程的内容及特点，研讨式教学的指导思想是：以解决问题为中心，通过教师创设问题情境，学生按照课程要求在教师的教学指引下，对具体的热工理论及实际问题进行思考和研究，借助丰富的网络资源、必要的实验及模拟手段，探究其知识的发生过程、提出解决问题的方法。

2.实施原则

研讨式教学体现的主要教学原则是学生主体性原则、启发性原则、循序渐进原则及和谐性原则。

（1）学生主体性原则。学生在研讨式教学模式中成为学习行为的主人，始终处于稳定的自主地位，在教师的帮助下积极思考，多动手、多分析、多总结，积极发掘自己的创造潜力，有意识地占据课程学习的主体地位。

（2）启发性原则。教师在研讨式教学模式下以启发为主，设置贴近学生生活、富有吸引力的情境，提出有思考价值的问题，这要求教师有全面、深刻、独到的见解，了解学生原有知识基础和能力水平，并且有熟练利用现代化手段教学的能力。[3]如“门窗紧闭房间可否用电冰箱降温”，据笔者亲身授课经历，这一问题很能吸引学生的注意力，而且贴近生活。学生能够积极思考并能在教师的引导下用热力学第一定律进行分析得出结论。

（3）循序渐进原则。教师设计的问题要由易到难、由简到繁循序渐进地进行，便于让学生顺利进入状态，从而逐渐调动其积极性并提高其研讨的兴趣；另外，由于学生个体的差异，对设置问题的接受能力也有所不同，因此，教师也要针对学生个体的具体情况，对一个问题设置多个角度、多个层次、多个梯度便于学生理解，让学生由少到多、由个体到班级逐步理解问题。

（4）和谐性原则。研讨式教学过程中，教师通过设计的问题给学生指出方向，并适时启发学生思考，而学生在所设置的问题情境中要靠自己来解决问题，这种导与演的情境创设了师生之间、学生之间相互影响、共同进步的环境，呈现出平等和谐的教学氛围。

3.作用

研讨式教学包括对问题的认识、分析和解决各方面，主要或完全由学生自己来做，能够调动学生积极性，开阔其视野，有助于学生综合能力的提高。具体作用可分为以下几点：研讨式教学体现了以学为本的科学发展观，充分激发了学生的主体性；能够解决“工程热力学”理论与实践脱节的难题，能有效提高学生的实践能力；能够依托“工程热力学”课程设计，鼓励学生独立思考，着重培养其科研能力和创新精神。

二、研讨式教学改革可行性分析

从课程本身的性质和特点来看，研讨式教学方法和手段的改革是可行的。通过教学过程发现：学生能够通过课程教学了解和掌握了“工程热力学”的相关知识，但由于课堂及实验条件的限制，学生对于抽象概念认识模糊、对主要热工问题的认识不深，思路不清晰，解决问题能力十分有限，不少学生对此课程失去了学习兴趣。尽管引起该问题的原因很多，但教学方法和手段的局限是其重要原因。因此，教学方法和手段的改革十分重要。

“工程热力学”的研讨式教学打破讲授为主的模式，预期在教学过程中结合实际问题、以互动为主的方式使学生通过认识过程去掌握知识结构，从而掌握“工程热力学”的基本概念、理论和计算，并让其具有对各种“工程热力学”问题进行初步定性定量评价的能力和分析解决热工技术问题的能力。另外，在“工程热力学”研讨式教学初见成效后，可将其逐步推广到“工程流体力学”、“传热学”等课程中去。

三、研讨式教学改革具体内容

开展“工程热力学”研讨式教学的具体做法很多，本文拟采从以下几个方面进行分析：

1.常规教学为基础

教师应对当前典型热力学教材进行详细阅读，科学编辑，根据学科发展对课程内容进行部分更新和调整，优化课程内容。在已有的较扎实的“工程热力学”课程教案的基础上，制作与授课专业相符的具有较高专业水平的多媒体教学课件，采用图、文以及动画等形式为课程教学提供多样化、多视角、立体化的教学信息空间。[4]

2.实例研讨作穿插

教师在课堂讲述中适时引入工程和生活中常见的实例，如在讲“湿空气”时，让学生思考简单问题：“为何什么阴雨天晒衣服不易干，而晴天则容易干？”由此展开研讨式教学，通过教师对实例启发性的分析，把枯燥的理论变成具体的实际问题，开展课堂讨论，激发学生学习的兴趣。与此同时，教师启发学生独立思考，让学生以解决问题为目的，完成查资料、讨论、分析、提出整改措施、总结经验教训的一体化学习过程。

3.热点问题当点缀

教师结合当前的热工领域的热点问题，如提高热机效率、节能降耗、低碳环保以及日本核电事故等问题，开展课堂讨论调动学生积极性，在条件允许的情况下给学生课后试验的机会，让他们在动手过程中更深入地理解问题，或者借助模拟实验手段，鼓励学生多途径分析解决问题。最后总结、分析并撰写小论文。

4.课程本身问题

另外，在学生逐渐学会分析、解决、总结问题的同时，教师也要引导学生学会分析总结本门课程的学习，把课程本身作为一个问题去对待，学生要逐渐学会自己分析总结重点、难点和规律等，从宏观、微观两个角度认识课程。学生在学习过程中发现的疑点问题，在及时反映给教师的同时，要能够独立思考，并通过查资料、分析总结进而消除疑点问题。

通过研讨式教学，学生养成良好的思考习惯，从被动学习变为主动的学习，从而多角度地体会学习的过程。

四、实施方案

1.实时改进教学内容

教师要搜集“工程热力学”方面的教材、课件及教学改革论文，学习前人的教改思路和方法，深入分析兄弟院校的“工程热力学”课程建设经验及精品课程，取长补短。在大体保持传统内容及学时基础上，对教学体系和内容作进一步调整，适当增加与专业相关的内容，简化或删去部分比较陈旧的内容。

2.构建实例和热点问题资料集

教师搜集国内外“工程热力学”相关实例和典型热工问题，如针对性地引入日常生活常见的散热器管片、电冰箱和空调等生活中常见的电器循环、节能减排、低碳环保等热点问题，并运用“工程热力学”原理对具体热工过程、设备及工程热点问题进行深入剖析，形成与课程相配套的实例资料集。结合构建的实例集，增设课程实例研讨环节，激发学生的学习兴趣，提高学生自主学习和独立思考的能力。

3.重视交流

教师应根据“工程热力学”大纲，明确课程定位，在教学过程重视与学生交流，及时了解学生兴趣、理解与接受能力。根据教学过程中发现的难点及疑点问题，鼓励学生根据所学有针对地加强相应习题的训练以加深对这些问题的认识。

4.习题训练

教师针对每一章的重点难点，构建相应题型，通过课题提问形式进行课堂讲授，并针对性地布置习题让学生进行课后复习和课前预习，使其独立解决问题，让其在作业同时实现对重点难点的及时掌握和有效巩固。同时，在课后多布置一些和实际生活相关的或者没有唯一答案的题目，例如“试分别举例说明热力学第一定律和第二定律对生产活动或日常生活的指导作用”等，通过对这些题目的思考与分析，学生的综合思维能力得到了锻炼，也活跃了学习的气氛。[4]

五、总结

研讨式教学在“工程热力学”课程的应用，可以调动课堂授课的生动性，激发学生的学习兴趣，学生可以集思考、行动、分析、总结于一体，有利于学生认知能力的开发和对教学内容的理解，具体的实施细节还有待于在教学实践中进一步摸索和完善。研讨式教学不仅对“工程热力学”教学改革有积极作用，对其他课程的改革也有借鉴意义。

参考文献：

[1]龙文希.研讨式教学法的实践与体会[J].广西教育学院学，2002，

（5）：116-117.

[2]王默晗.“工程热力学”教学方式探讨[J].中国电力教育，2010，

篇（10）

随着时代的变迁、社会的进步和高等教育的发展，我国高等教育教学改革过程中不断出现新的问题，期中课程的教学改革是核心，而改革重中之重是如何调动学生的学习积极性和促进学生综合实践能力的提高，本文结合多年的化工热力学教学改革情况，谈几点体会以共勉。

1 引用研究性教学模式，创造主动学习氛围

化工热力学课程专业性比较强，内容比较枯燥，基本原理概念抽象、公式推导多、工程计算更是繁琐，学生上课往往表现学习兴趣不高。针对这一实际情况，教师首先需要对热力学的基本知识进行梳理，按照教学计划和要求对教学内容模块进行划分，并对教学内容外延知识体系进行补充，为课堂教学创造必要条件。化工热力学的课堂教学要求教师用科学恰当的方法把自己所掌握的精确的专业知识教授给学生，为达到人才培养的目标，提高化工热力学教学的时效性，部分引入以教师为主导、学生为主体的研究性教学模式，能够充分调动学生学习的积极性。

研究性教学是指老师以课程内容和学生的知识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识培养能力和锻炼思维的新型教学模式。这种教学模式带动学生积极地投入到课程学习中去发现问题、研究问题和解决问题，并在研究过程中获取知识、提高技能、培养能力[1]。为此，在热力学教学中，我们尝试了“设定内容情境-启发思考-交流探究-总结提升”教学环节，将复杂的热力学知识体系，和学生先前学过的基本物理、化学、数学等知识紧密联系起来，应用于实际，营造自主或团体进行讨论和探究，和传统的教学模式相比，大大提高了学生的学习积极性，并达到了能力培养的目的。

在实际教学过程中，曾尝试选择几节内容，采取学生进行讲课。教师布置任务范围，提出要求，学生以团队为单位首先学会读懂教材内容，查找所需资料，再设计教学课件，最终在讲台上进行展示讲解。从学生到老师角色的转变，从自己学明白到讲解清楚，激发出了学生对热力学学习的兴趣，加强了对知识的理解深度，与此同时活跃了课堂的气氛，教师也可以从中观察到学生的学习心理，寻找到教和学的突破口，对于课堂教学的创新和学生能力的培养具有重要意义。

2 利用多媒体和网络教学手段，提高自主学习能力

针对化工热力学知识体系和内容的具体特点，在教学方式上，发挥多媒体优势进行教学，可以大大提高学习的时效性和增强学生学习的积极性。

多媒体技术应用文本、图象、动画、声音等运载信息的媒体结合体，以图文并茂的形式为化工热力学教学充实供了多样化、多维化的教学信息空间，使化工热力学的教学内容、教学模式得到了很大的充实和改进[2]。结合化工热力学自身的特点设计生动、立体、直观性强的教学软件，与公式推导的板书相结合，加快和加大课堂教学的信息量，吸引学生的注意力，提高了教学效果。

在多媒体内容的展现方式上，除了课堂教学外，充分利用互联网，拓展网络教学。学生反映平时在化工热力学学习中，经常会遇到疑难问题，课堂时间又极其有限，往往会造成问题堆积。针对这一情况我们建立了化工热力学网络教学辅导平台，可以师生交流、学生间交流，利用网络的开放性、交互性、共享性的特点，传递与化工热力学相关的前沿信息和资料，将教学内容在网上公开，实现资源共享，并及时为学生答疑解惑，随时提出新问题，在网上进行自由讨论，师生间共同研究，从而既迅速有效的解决了问题，又提高了学生的学习效率。

3 结合实验实践教学，培养工程实践能力

化工热力学的实验教学是对化工热力学基础知识的综合运用与实践，意在培养学生建立独立思考、观察分析、解决问题、验证结果的思维体系，培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力；让学生明确化工热力学在工业生产中、科学研究和工程设计中的重要性，有一个比较完整的感性认识和理性认识，也是进行产品生产和科研开发的必要准备。在实验教学的过程中，指导教师根据教学内容，详细制订系统完整的实验过程，建立了“做什么实验-为什么做实验-怎么做实验-如何提高实验数据可靠性”思维引导方式，注重挖掘学生的内在潜能和启发学生的智慧，在巩固和深化专业理论知识的基础上，要强化实验中出现的各种现象，再把实验过程中遇到的具体问题放入化工热力学的课堂教学当中，在相互融入讲解的过程中潜移默化的传授给学生，使其印象深刻，充分理解。

化工热力学所研究和解决的都是化工生产中的实际问题，因此实践教学环节非常重要，在热力学的应用章节的教学中，指导教师可以带领学生直接参与到企业的生产之中，结合课堂教学实例，按照“装置设想-实验室开发-工程设计-生产操作运行-工艺改进”主线，在现场指导学生运用所学的化工热力学基本理论联系实际，完成一定的实习任务，同时使学生在真实的生产环境中获取初步的职业训练和积累简单的生产操作经验，逐步提升工程意识和理论联系实际的能力；在企业实习实践活动中，学生开始涉入企业的先进理念和特色文化的信息，增强了参加工程实践活动的兴趣，为将来走向工作岗位、立足企业打下良好的基础[3]。

4 完善考核方式，促进培养目标达成

为了更好地评价学习的效果，必须进一步完善公平、公正、公开的考核体系，制定适应上述教学的评分标准，准确的反映学生的学习情况和能力发展水平，使学生在为成绩而努力学习的过程中，能够完成知识体系的建立和能力的提高。为此，教师应从培养学生学习思维和提高全面创新能力出发，逐步减轻期末理论考试的分量，倾向于平时的学习态度，如课堂表现情况，作业、实验、实结情况都占一定的考核比例，坚持课内与课外相结合、考试与考评相结合的原则。评分的等级和标准要进一步细化，从激发学生的学习热情出发，科学、有效、灵活的进行化工热力学的考核评分工作。如在考核的过程中，我们不考核学生对化工热力学公式的死记硬背，而是考核学生是否掌握了公式理论的应用场合条件，理解了各种符号的含义，能否明白推导步骤和过程，考核学生的推理、演绎能力等。

总之，从以上几方面入手，对化工热力学的教学工作有了更进一步的认识，以培养高素质化工人才为目的，通过不同教学方法的体验，激发了学生的学习兴趣，灵活运用化工热力学的理论知识解决实际问题的综合实践能力。

【参考文献】