大学物理热力学总结汇总十篇

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篇（1）

The Rotary Memory Method for Maxwell’s Relations

ZHU Yuan-ju

（College of Chemistry and Chemical Engng，Henan Univ，Kaifeng Henan 475003，China）

【Abstract】By means of studying the nature of thermodynamic functions in this paper，based on engaging in teaching and researching physical chemistry for a long time，the author find out of the rotary memory method for thermodynamic Maxwell’s relations.

【Key words】Thermodynamic function；Basic thermodynamic equation；Maxwell’s relations；Rotary memory method

0 引言

文章根作者多年从事物理化学教学研究与教材编写的经验，总结出热力学函数的方框记忆法以及热力学方程的特征变量记忆法和麦氏关系的旋转记忆法[1].热力学函数中“PV”的意义先为人知，实际上“PV”为膨胀作功能力，热力学称？赘=-PV为巨热力学势[2]，即为一种潜在的势能，在开放系统的统计热力学研究中具有重要意义；“TS”为有序作功能力。

1 热力学函数的方框记忆法

热力学函数中焓H最大，热力学能U和自由焓G各缺少一块，自由能F最小。为了便于记忆，将四个基本热力学函数填入方框图中，如图1所示，热力学函数的关系如下：

H=U+PV

G=H-TS

F=U-TS

2 热力学基本方程的特征变量记忆法

热力学函数都是状态函数，都具有全微分的性质，由热力学方程可以导出一组麦克斯韦关系式：

dU=TdS-PdV （）=-（）（1）

dH=TdS+VdP （）=（）（2）

dG=-SdT+VdP （）=（）（3）

dF=-SdT-PdV （）=（）（4）

热力学基本方程的特征变量记忆法：任意一个热力学函数（如U）两边的变量为其特征变量（S，V），特征变量S的另一半为T，符号即为S的符号“+”，特征变量V的另一半为P，符号即为V的符号“-” ，即dU=TdS-PdV。

需要记住的是热力学能U的特征变量为（S，V），热焓H的特征变量为（S，p），自由焓G的特征变量为（T，p），自由能F的特征变量为（T，V）。在所有四个基本热力学方程中，由特征变量S或p组成的微分项均取正号，即有“+TdS”、“+VdP”；而由特征变量T或V组成的微分项均取负号，即有“-SdT”、“-PdV”。

3 麦氏关系的旋转记忆法

麦克斯韦关系的旋转记忆法：任意相邻的两个变量构成一组麦克斯韦关系式，从各自出发按相反方向旋转。例如（S，-V）一组，从S出发沿顺时针旋转，依次是分子（分母）S、分母（分子）P和角标T，等式的右边从-V出发沿逆时针旋转，依次是分子（分母）（-V）、分母（分子）T和角标P，构成的麦克斯韦关系式为：

-（）=（） or -（）=（）（5）

如图2所示，共有（S，-V）、（S，P）、（-T，-V）、（P，-T）四组麦克斯韦关系式。

需要记住的是变量（T，S）和（p，V）是成对出现的，其中每对的一个为正号“+”（S，p），另一个为负号“-”（-T，-V）。

4 总结

旋转记忆法是记住麦氏关系的最有效方法。麦氏关系的用途十分广泛，很多热力学方程都是借助麦氏关系导出的，通过麦氏关系还可以把一些无法由实验测定的量转换为可观测的量。初学者应该牢记麦氏关系创造出一套适合自己的学习方法，熟练地掌握麦氏关系及其推广的一般情形[3]，对于提高解题技能具有重要意义。

【参考文献】

篇（2）

摘 要：众所周知，热力学三大基本定律是热现象宏观理论的重要基础.因此，了解这些定律的深刻意义和建立过程，在热现象的研究当中是格外重要的.本文中主要介绍热力学三大基本定律的概述，以及在其建立过程中，做出卓越贡献的物理学家和他们的重要成就.

关键词 ：热学基本定律；概述；形成史

中图分类号：O414.1 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）01-0009-02

热力学是热学理论的一个方面.热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律.热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用.因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性.热力学三定律是热力学的基本理论.

1 热力学第一定律

1.1 热力学第一定律概述

能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一.自然界中的一切物质都具有能力，能量有各种不同的形式，这种不同形式的能量都可以转移（从一个物体传递到另一个物体），也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式)，但在转移和转换过程中，它们的总量保持不变.这一规律成为能量守恒与转换定律.能量守恒与转换定律应用在热力学中，或者说应用在伴有热效应的各种过程中，便是热力学第一定律.热力学第一定律是人类在实践中积累的经验总结，它的发现和建立，打破了人们企图制造一种可以不消耗能量而能连续做功的永动机.因此，热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是造不出来的[1].

其基本公式可以表述为公式（1），它表明向系统输入的热量Q，等于质量为m的流体流经系统前后焓H的增量、动能v的增量以及系统向外界输出的机械功W之和.

1.2 热力学第一定律形成史

1.2.1 罗伯特·迈尔

热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系.德国物理学家、医生迈尔发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒.他由此受到启发，去探索热和机械功的关系.1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想.迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人.

1.2.2 焦耳

英国科学家焦耳(J.P.Joule，1818-1889)关于热功当量的测定，为最终确立热力学第一定律奠定了坚实的实验基础.1850年，焦耳在他的《论热功当量》的论文中，已经将热功当量值总结为：以水做实验为773石4磅/卡(424千克米/千卡)，以水银作实验为776.30磅/卡(425.77千克米/千卡)，后来又经过一系列极为精确的实验，焦耳又将J值确定为423.85千克米/千卡(4.153焦耳/卡)，这已和现代精确实验极为接近了.他和迈尔分别从不同的方面和不同的途径达到了对能量转化与守恒的证明.

1.2.3 亥姆霍兹

德国物理学家亥姆霍兹从多方面论证了能量转化与守恒定律，其中最主要的是从否定永动机的存在这一途径来完成的.1842年，他在关于《力的守恒》的论文中，就论述了他的能量转化与守恒的基本思想，论证了“活力”与“张力”之和是一个常数，称之为“力的守恒原理”，并把这种“力”的保守性同永动机之不可能联系起来.他的这一工作从理论上对能量守恒原理作出了重要概括.

2 热力学第二定律

2.1 热力学第二定律概述

热力学第二定律有两种表述，第一种是“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化”，另一种为“不可能从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化，”即第二类永动机是造不出来的[2].

其基本公式可以表述为公式（2），式中，对不可逆过程应取用不等号，δQ指系统实际过程热，T指环境温度，对可逆过程应取用等号，δQ指可逆过程热，T为系统温度.

2.2 热力学第二定律形成史

十八、十九世纪，由于科学技术迅猛发展，蒸气机在英国煤矿业得到了普遍的使用，这同时给物理学家提出了许多急待解决的理论问题，比如：热现象的产生原理、提高热机效率的方法、热机效率上限的存在与否、永动机的存在与否等等.

正式提出热力学第二定律的是英国物理学家汤姆逊·开尔文(WilliamThomson，1524-1907)和德国物理学家克劳修斯在研究热现象的过程中，发现按能量守恒与转化定律，于是开尔文提出了“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而不产生其它影响”.

而克劳修斯在提出热力学第二定律的表述后，于1854年发表了题为“论热的机械理论的第二定律的变化了的形式”论文，文中对热力学第二定律又作了补充.至此，经过众多物理学家的努力，热力学第二定律才完整地建立起来.

3 热力学第三定律

3.1 热力学第三定律概述

20世纪初，人们通过对低温下热力学现象的研究，确定了物质熵值的零点，逐步建立起了热力学第三定律，进而提出了规定“熵”的概念，为解决一系列的热力学问题提供了极大的方便.热力学第三定律可以准确简洁地表述为：0K时，任何完美晶体的熵值为0.也可以表达为，绝对零度不能达到[3].

其公式可以按照公式（3）来表示，说明ΔG和ΔH随着T变化，而当T趋向于0时，ΔG和ΔH近似相等.

3.2 热力学第三定律形成史

3.2.1 T·W·Richards

1902年，T·W·Richards研究了低温下电池反应的G、H与温度的关系，得出这样一个结论：当温度降低时，G、H逐渐趋于相等.Richards的研究为热力学第三定律的提出提供了必要的理论和实验基础.

3.2.2 普朗克

1912年，德国人普朗克在能斯特的热定理基础上，进一步假设：0K时，纯凝聚体系的熵值为零[4].

3.2.3 路易斯和兰德尔

1920年，Lewis和Gibson发现指出普朗克的假设S(0k)=0只适用于完美晶体.因为0K时一些物质可能有多种晶体形态，但其中只有完美晶体熵可能为零.普朗克、路易斯和兰德尔对普朗克假设作了修正，得出如下说法：如果温度为0k的每一种元素处于结晶状态的熵值都为零，则一切物质的熵值都具有一定的正值，但温度为0k时其熵值可变为零，对于完美晶体来说确实如此.

至此，人们就建立起了比较完整、准确的热力学第三定律.

4 结语

热力学三个定律是无数经验的总结，至今尚未发现热力学理论与事实不符合的情形，因此它们具有高度的可靠性.热力学理论对一切物质系统都适用，具有普遍性的优点.这些理论是根据宏观现象得出的，因此称为宏观理论，也叫唯象理论.

热力学是热学理论的一个方面.热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律.热力学基本定律是人类在长期生产经验和科学实验的基础上总结出来的，他们虽不能用其他理论方法加以证明，但由它们出发得出的热力学关系及结论都与事实或经验相符，这有力地说明了热力学定律的正确性.纵观热力学定律的发展史，科学是一个集观察、思考、实验、总结、学习、于一体的事物，只有以谨慎的态度对待它，才会迎来科学事业的飞跃.

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参考文献：

〔1〕魏蔚,吴建琴,马晓栋.关于热力学第一定律的讲述[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2011（04）:59-62.

〔2〕李复,高炳坤.热力学第二定律理论体系的讨论[J].大学物理,2000（04）:19-22.

篇（3）

【Abstract】Beginning from the set of cultivation schemes and the feature of talent cultivation，analyses mutual connections between College Physics and Safety engineering courses.Optimizes The Teaching Content and proposes a Teaching Procedure of “physics and safety” which can make students aware of the important role of College Physics.And then，learning motivation of students could been raised and teaching quality of teachers could been improved.

【Key words】Safety engineering；College physics；Education reform

0 前言

物理学是研究物质的基本结构、运动形式及物质间相互作用的自然科学，它是其他自然科学和工程技术的基础[1]。以物理学基础为内容的大学物理课程，是所有理工科专业学生必修的一门基础课程，通过该课程的学习，不仅可以培养学生的科学素养，增强学生分析问题解决问题的能力，开发学生探索精神和创新意识，还为学生日后专业课的学习打下坚实的]基础。但是对于不同专业，所需的物理知识侧重点是不同的[2-5]，例如电子类专业侧重于电磁学，化工类专业侧重于热学，机械类专业侧重于力学等。然而目前我国大部分大学物理教材及教学内容并无专业差别，教学内容往往偏重于理论知识，容易造成理论和实践及专业的脱节，导致学生无法体会大学物理课程与自身专业的密切联系，使得教学效果大打折扣。要充分发挥大学物理课程的作用，就应该根据各专业的特点，有针对性的合理安排教学内容，这样才能高效的达到更好的教学效果。本文以中国劳动关系学院安全工程专业为例，对该专业的大学物理课程进行针对性的改革探索。

1 安全工程专业课程与大学物理相关性分析

1.1 大学物理教学内容

根据《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》[1]，将大学物理教学内容分为11个教学模块。

1.2 与大学物理相关的安全工程专业课程

将表1中11个教学模块与安全工程专业各门课程教学大纲中教学比对，便可以总结出与大学物理有关联的相关课程。

1.3 大学物理各模块与安全工程专业的紧密程度

将11个教学模块中的125个知识点与各课程教学大纲中的知识点比较分析，可以进一步分析大学物理各个知识点与安全工程专业课程的相关性及紧密程度，现将这种紧密程度由高到低分为A、B、C、D4个等级分别代表强、较强、弱、很弱4中关系。

2 课程改革

2.1 教学内容的改革

鉴于中国劳动关系学院安全工程专业大学物理只有80个理论学时，远达不到《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》建议的最低126学时。因此有必要对教学内容做有效调整。结合安全工程专业培养要求，以学生应掌握的最基本的物理基础知识为纲，该简化的内容简化，该深入的内容深入。具体作如下调整：

一是，删除部分课堂讲授内容改为学生自学。将表3中等级为D的几块内容（狭义相对论、量子物理、天体物理及高新技术）略去不在课堂讲授。

二是，缩减部分内容学时。和高中物理相比，大学物理需要应用高等数学基础，物理量也由简单的恒量间的关系转变为变量间的函数关系，突出变量间的瞬时性和矢量性，能够解决更为复杂普适的问题。尽管如此，大学物理的很多知识点都是学生熟悉的，例如质点力学中质量、速度、加速度、牛顿定律等内容。教师应根据学生基础，着重针对加深学生对概念的理解。对于这些内容可以适当缩减学时。另外还有部分内容和其他课程重复（比如热学中热力学第一、第二定律和普通化学、工程热力学与传热学重复），可与其他任课教师协调后精简。

三是，加强和专业紧密程度高的内容教学。例如对于力学中的刚体转动，一方面学生对这部分内容陌生，一方面它是工程力学、机械原理课程等后续课程的重要基础。

2.2 教学模式设置

为了能够让物理知识与专业知识相结合，引起学生兴趣，在教学中引入“物理与安全”环节，图1中以知识点“静电场中的导体”为例，展示“物理与安全”环节的教学过程，在物理知识环节，涉及静电平衡、电荷分布规律、尖端放电、导体接地后的电荷分布、静电屏蔽等内容，通过对尖端放电的理解，便可以导入电气安全、静电安全、雷电安全等安全知识，同时又可以结合物理知识讲解如何比防止相关安全事故的发生。通过这个环节的设置，会让学生体会到物理知识与安全知识之间的相互关联。

3 总结

大学物理作为安全工程专业的一门基础课，一方面可以培养学生的科学素养，另一方面也能够增强学生们的学习能力，为后续的专业课程学习打下坚实的基础。研究基于安全工程专业的大学物理教学改革，既能够使该课程的教学更好的为专业课服务，体现理论与实践的相互结合，又能够增加学生的学习兴趣，从而有效的提高大学物理课程的教学效果。

【参考文献】

[1]非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求[J].物理与工程，2006，16（5）.

[2]白浪.材料类专业的大学物理教学探索[J].读与写杂志， 2016，11（7）.

篇（4）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0170-02

材料物理专业是材料科学与物理学的一个交叉学科，专业特点要求在课程设置上既有材料科学方面的课程又要有物理类课程。安徽工业大学材料物理专业于2003年开始进行筹划建设，2005年实现了首次招生。经过几年的探索、规划和实践，基本完成了专业定位和课程体系设置[1]，正逐步完善专业建设。现阶段，保留了量子力学，热力学与统计物理（以下简称热统）和固体物理学作为本专业的物理类必修课程。其中，热力学与统计物理是一门重要的专业基础课，无论对后续的物理类还是材料类课程的学习都起到承上启下的知识连接作用。本课程的设置目的使学生能够熟练掌握热力学和统计力学的基本原理和研究方法，逐步建立分析微观世界的思路和方法，训练学生严格的逻辑思维能力，培养演绎推理能力，提高解决具体问题的能力。

1 热力学与统计物理课程教学中存在的主要问题

热统课程内容由热力学和统计物理两部分组成。其中，热力学是研究热现象的宏观理论，它从若干经验定律出发，通过严密的逻辑演绎方法，最终给出系统的宏观热性质；而统计物理则是研究热现象的微观理论，它从微观粒子的力学规律出发，加上统计假设，获得系统的宏观性质。从内容上来看，热统课程的理论性强，教学内容繁杂。尤其，在当前高校推行素质教育和培养应用型人才的指导下，基础理论课课程教学学时均有不同程度的压缩。我校热统课程安排为40个学时，由此带来了教学学识少和教学内容多的严重矛盾。我们根据我校材料物理专业特色方向和后续课程，在热统教学内容上做出了适当的调整。

现行的热统教材理论性强，较适合理科生使用，缺乏较合适的工科材料类学生使用的热统教材。在组织教学中，我们以汪志诚编写的《热力学・统计物理（第四版）》作为主要参考教材[2]，同时综合了多本经典教材，如：胡承正编著的《热力学与统计物理学》，包景东编著的《热力学与统计物理简明教程》等[3～4]。根据我校材料物理专业培养目标和专业特色方向，本着“先进、有效、有用”的原则，对热统课程的教学内容应该进行认真清理与重构，形成适合本校实际的课程讲义。

在教学方法和考核方式上也应根据我校实际进行相应的改革。热统课程是一个理论性强的课程，其中的物理概念抽象，物理公式繁杂。安徽工业大学材料物理专业是在工科背景下成立并发展起来的，学生的数理基础相对薄弱，在学习的过程中会有些吃力。长期的教学实践告诉我们，如果采取传统的灌输式教学方法，只能使热统课堂教学枯燥无味，学生被动的接受知识，失去了学习兴趣，甚至对后续的专业课学习产生抵触情绪。另外，传统的闭卷考试常造成学生不重视平时的学习过程，期末复习只看教学课件，期待老师划重点，搞突击记忆。

针对上述现状，我们尝试着进行了教学内容，教学方法和考核方式的改革和实践。

2 教学内容的改革

2.1 优化教学内容

热统课程的热力学部分与先修课程，如大学物理、物理化学和工程化学基础的部分内容重复率较高。我们在充分了解本专业学生的先修课程和后续课程的教学内容后，对与其他课程有交叉重叠的部分进行了压缩和删减。比如：热力学部分的热力学基本定律，热力学函数，化学平衡条件，理想气体的化学平衡等都在先修课程里面作为重点内容进行讲授的。在实际教学时，只作复习性的简述或以学生自学的方式完成。但为保证热力学基本概念与规律的严格性与系统性，对重要的基本概念和定律还是进行重点讲解。通过这样的调整，节省了热力学部分的教学学时，加大了统计物理部分的学时讲授。统计物理是从宏观系统的微观结构入手，从内容上与量子力学和固体物理课程联系紧密，也为后续的计算材料学课程，甚至可为本科毕业论文工作提供前期的知识准备。在统计物理教学部分，将在先修课程中学习过的麦克斯韦速度分布率和能均分定理略讲；固体的热容量的德拜理论是固体物理课程的重点教学内容，在热统教学中，这部分只简单提及。经过这样的教学内容优化后，节省了课时，加强了课程之间的联系，提高了教学效率。

2.2 适当引入材料学科前沿内容

创新型人才的培养要求课程内容要体现先进性和现代化。通过合理的补充与热统课程相关的材料学和物理学最新的学术成就与进展，有意识的突出课程的广度，丰富和具体化基本理论内容。增加学科前沿内容，我们从两个方面进行。一方面是在讲授基础理论知识的同时，引入与该知识密切相关的科学技术发展的介绍。例如：在对温度和温标作复习简述的时候，介绍测温仪表和测温技术。电阻温度计，热电偶测温技术，红外测温技术等在后续的材料类课程学习，课程设计和实验及毕业论文工作是非常重要的一部分。在讲授气体的节流和膨胀过程一节时，介绍了获得低温的技术，以及与低温有关的材料性能的变化，超导电现象的发展历史及科研现状等；在讲授单元系的相变时，加强了对二级相变和临界现象的讲授，介绍了磁性材料，超导材料，超流体等方面的最新研究进展；在统计物理部分，介绍玻色-爱因斯坦凝聚的新进展，讲授统计物理部分的金属中的自由电子时，适当介绍计算材料学和计算物理方面的研究现状等。另一方面是通过鼓励学生现场听取相关的学术报告，或者观看相关报告的视频。通过前沿知识的适当引进，开阔了学生的视野，激发了学生的学习和科研兴趣，获得了较好的教学效果。

2.3 注重理论联系实际

材料类专业是应用性很强的专业，要求热统课程教学内容要体现实用性，加强理论与实际的联系。我们鼓励学生通过本科生科研训练计划（SRTP）和大学生创新创业计划的方式参与相关教师的课题研究，或者开设课程设计和实验。如在讲授相变的章节时，为了让学生加深对二级相变的理解，开设了高温超导转变的实验，巨磁电阻材料的相变实验等。组织学生参观学校相关的实验室，如参观计算材料实验室，使学生了解相图的理论计算方法，第一性原理计算及材料设计方法。经过这样的训练，学生对物理概念有了深入的理解，提高学生的应用能力，研究能力和创新能力。

3 教学方法和考核方式的改革

3.1 学生为主体，教师为主导

在组织课堂教学时，认真贯彻以学生为主体，教师为主导的教学思想，加强师生互动，争取使学生由被动接受知识变为主动探索知识。在课前，给学生预留思考题进行课前预习，让学生带着问题去听课，做到有的放矢。在组织教学时，对重点章节进行精讲，适时开展物理基本概念和基本问题的讨论，启发学生思考和推理。对相对容易理解的章节组织学生自学，或者制作成ppt课件，在课堂上讲解，教师在做总结式讲授。课后，要求学生独立完成作业和习题，以期加深对基本概念的理解和应用。

3.2 重物理思想 简化数学推导

在组织教学的过程中，重点讲解基本概念，突出物理思想。借助于多媒体教学，对于较抽象、难理解的概念和原理，可通过制作图文并茂的课件，或者观看相关视频的方式，使抽象的概念形象化，增强学生的感性认识。适当补充基本概念辨析题和思考题以促进学生对基本概念的深入理解和掌握。对于必要的数学推导，使用板书的方式进行详解和推导，留给学生足够的时间思考并跟上教师的思路。

3.3 考核方式的改革

考核是教学过程的主要环节之一，应具有实用性和针对性，并能体现学生的综合素质。我们在考核方面，加大了平时成绩的比例，增加了课堂回答问题，课堂讨论，撰写科研小论文等环节的考核。在期末的闭卷考试中，减少死记硬背的概念题和公式，把考核重点放在学生对基本物理概念的理解和基本理论知识的实际应用上。

4 实践效果

在教学实践中逐步形成了适合我校材料物理专业实际的热统课程讲义。实践证明，改革措施在缓解授课学时与教学内容的矛盾，拓宽学生知识面等方面效果显著。尤其，热统课程作为材料物理专业的前期先修基础课，对后续的课程学习起着承上启下的重要作用。通过上述的教学改革后，学生的学习积极性大大提高，热爱本专业的学习，踊跃参加SRTP和大学生创新创业的计划，甚至部分同学提前加入教师团队的课题组，对未来的工作或者继续深造充满信心。

参考文献

[1] 方道来，童六牛，夏爱林，等.材料物理专业定位及课程体系设置的探索[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2011（23）：104-105.

篇（5）

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）03-0078-02

一、引言

大学物理学是一门重要的通识性必修基础课程，力、热、声、光、电等内容在各个学科中都有广泛的应用。在高等院校中开设大学物理课程，其教学目的是使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和理解，增强学生分析问题和解决问题的能力，培养探索和创新意识，提高科学素养，树立科学的世界观[1]。随着科学技术的迅速发展，物理学与各学科间相互交叉、相互渗透日益密切，物理学将为学生适应现代科学技术发展在专业领域中有所发现、有所创造、有所前进打好基础。通过大学物理课程教学，应注重培养学生以下素质：

1.求实精神——通过大学物理课程教学，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。

2.创新意识——通过学习物理学的研究方法、物理学的发展历史以及物理学家的成长经历等，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望以及敢于向旧观念挑战的精神。

3.科学美感——引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等美学特征，培养学生的科学审美观，使学生学会用美学的观点欣赏和发掘科学的内在规律，逐步增强认识和掌握自然科学规律的自主能力。

然而，对于农林类专业的学生（包括农学、林学、食品、动科等），大学物理学时相对较少，我校理论教学48学时，实验教学32学时，共80学时，理论学时和实验学时都不足理工科学生课时的一半。因此学生对该课程的认识不足，学习兴趣不高；而且这些学生高考录取分数较低，数学物理基础不是特别好；最后是大学物理学用到很多高等数学知识，而很多学生刚学习完一学期高等数学，对高等数学知识的欠缺和不牢固是影响学生学习成绩的另外一个重要因素。因此，学生的学习效果不明显，并未达到应有的学习要求。几年来我校物理教研室本着边研究、边实践、边提高的原则，对少学时物理教学进行了卓有成效的改革和建设，在调整课程体系、改革课程内容及考试方法等方面作了大量的研究和实践工作，取得了较好的效果。在教学内容方面，主编了教材《普通物理学》（张庆国，陈庆东主编，中国农业出版社，2012年1月出版）。我们把教学内容要求分为四级：掌握、理解、了解和阅读。“掌握”要求学生深刻理解，熟练掌握。“理解”要求学生理解和基本掌握。“了解”要求学生进行一般性的了解，能进行定性分析，知道所涉及的物理量和相关的公式。阅读为选用内容，为开阔学生视野而设定。在本文中，根据多年来从事少学时大学物理教学的改革经验，总结了提高少学时大学物理教学效果的几个方法，希望真正提高学生的学习效果，加强基础、提高能力、提高物理素养，最后达到教师的“教”和学生的“学”的和谐统一。

二、教学方法探究

2l世纪需要知识面宽、适应性强、有开拓精神和创新意识的人才。所以我们在传授物理知识时，应重视培养学生的物理学研究方法及思想方法[2]。古人云“授之以鱼，不如授之以渔”，提高学生科学素质的关键在于提高教师素质，为此我们对物理学的典型思想方法进行了深入研究。根据我们多年来的教学成功经验，要在有限的学时内，提高学生成绩，增强学生利用物理知识分析和解决实际问题的能力，达到大学物理的教学要求，我们总结了以下几点：

1.提高学习兴趣。我们都知道，“兴趣是最好的老师”，提高学生的学习兴趣，是提高学生学习效果的前提。可以在课程开始之前，可以在第一次上绪论课时，多讲述物理学在高新科技，尤其是本专业的应用。例如，对农林类专业的学生，可以讲述植物根部的水为什么能够到达树顶，植物叶面很多小孔的作用，土壤中的水为什么能够悬浮等问题，引导他们利用大学物理中的流体力学的知识可以解释；对于动科类专业的学生，可以讲述为什么血液能够在血管中流动，x射线成像是什么原理，原子核的放射性对生物体有什么影响等，引导他们利用大学物理学中的相关内容可以进行解释。通过这些内容的讲述，学生知道了大学物理学和专业知识的关系，激发了学习动力，为提高学习效果提供了保障。

2.增加学习乐趣。中国人常说“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。在实际教学中，讲到相关知识时，可以适当讲解该定理的产生过程，以及一些物理学中的名人轶事，提高学生的乐趣，增加大学物理学习的趣味性。例如，在讲高斯定理时，可以讲解数学王子高斯成长过程中的一些故事；在讲光的衍射时，可以讲解泊松亮斑的产生及命名过程；在讲解粒子的波粒二象性时，可以让学生猜想一下，如果宏观物体具有波动性，会产生哪些效应等。通过这些内容的了解，不仅提高了学生学习的乐趣，也对学生进行了励志教学，启发他们努力学习、积极探索新事物的精神。

3.活跃课堂气氛。物理学的学习对有些学生来说是困难的，甚至是枯燥的，这些学生在课堂上不愿意听讲，课后不愿意复习，抄袭作业，敷衍了事，不能达到教学要求。因此，在课堂教学中，要设法提高课堂气氛。课堂讲课时，随机提问，让每个学生都要跟上教学进度；每章节结束，让学生总结本章节的主要内容、重要共识、基本方法等，迫使每个学生都要认真听讲，积极总结。把提问和总结与期末考核的平时分结合起来，让学生重视这些教学环节。

4.打开专业窗口。在给农林各专业讲解大学物理时，应多介绍物理学和生物学的结合和应用。如生物力学、生物系统热力学、化学势与水势、大气电场对生物的影响、环境磁场对生物的影响、热力学和量子力学对生命现象的解释等。这对于提高学生学习物理学的主观能动性，扩大视野以及在各自专业范围内的思路无疑是有帮助的。

5.重视实验教学。物理学是一门实验科学，对学生加深对书本知识的理解，提高学生动手能力具有重要的作用。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”说的就是这个道理。因此，要重视实验教学环节。课前，要检查学生的预习情况，包括检查预习报告和提问相关内容；实验过程中，要保证每个学生规范操作，顺利完成，得到相应结论；课后认真批改实验报告，对出现严重错误的学生要求重新完成实验。

三、总结

在本文中，根据多年对少学时大学物理教学的经验，我们总结了增强学生兴趣，提高学生利用物理知识分析和解决实际问题的能力，从而达到大学物理的教学要求的几个方法，为提高少学时大学物理教学的目标提供了一些方法。在今后的教学过程中，还要不断改革，不断总结，为真正提高少学时大学物理教学寻找更加合理有效的方法。以上是我们对提高少学时大学物理教学的一些思考，优化课堂教学是一个长期的课题，我们将不断地努力实践探索，使少学时大学物理教学工作日趋完善。

参考文献：

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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）49-0089-02

一、引言

物理化学是物理学和化学交叉的一门重要的边缘学科，是化学学科的理论基础，也是化学的灵魂，它在科学研究和生产实践中有广泛的应用。因此，掌握并灵活运用物理化学知识和方法，对化学化工专业的学生来说具有重要意义。物理化学是自然科学的一个分支，对自然科学普遍适用的研究方法在物理化学领域中同样适用。除此之外，物理化学还有它自己的具有学科特征的理论研究方法，从物理学角度可划分为热力学方法、统计力学方法和量子力学方法；从方法论的角度有标准状态法、状态函数法、平衡状态法等。无论是一般的研究方法还是它特有的研究方法，对学好物理化学都至关重要。本文只针对其中的标准状态法进行介绍，主要是因为标准状态法在物理化学中的应用比较多，但都比较零碎，学生们理解困难。根据我们多年的教学经验，把它进行归纳总结，解释了它的含义，并对它在物理化学中的应用作了举例说明。

二、标准状态法在物理化学中的应用

1.标准状态法。标准状态是为了确定某些热力学函数的相对值而选定的特定状态。通常一些物理量的绝对值无法知道，可以人为的规定一个标准状态，以标准状态的物理量作为参考点或零点来确定其他状态下的这些物理量的值（相对的），这样可以比较不同状态下这些物理量的大小或可以计算某一变化过程这些物理量的变化值，这种方法叫标准状态法。标准态的选择原则上有任意性，但必须合理、接近实际、方便使用且易为公众所接受。下面举例说明在物理化学中标准状态的选择及其应用。

2.标准状态法在化学势中的应用。如在热力学中，化学势μB是一个非常重要的概念，它决定了所有传质过程的方向和限度。在非体积功为零的条件下，物质总是由化学势高的一方流向化学势低的一方，直到化学势相等达到平衡为止。所以能比较同一物质B在不同系统或状态时化学势的大小，显得至关重要。但是由于μB的绝对值不可求，就必需建立公共的标准态。那么，以标准态的化学势μ■为基准，可得到任意状态下的化学势的表达式，这样就可以轻松利用化学势的判据了。①化学势中标准态的选择。化学势中标准态的选择可分为三类：第一类为纯物质，对于纯气体，无论是理想气体还是真实气体，其标准态均为标准压力p？苓（100kPa），温度为任意指定的T，且具有理想气体行为的状态。对于真实气体来说，其标准态是并不存在的假想状态。对纯液体、纯固体，其标准态为标准压力p？苓，温度为任意指定的T的状态。第二类为混合物，组成混合物的任一物质都等同对待，选用同样的标准态。混合物中任一组分的标准态等同于它们各自处于纯态的标准态。如液体混合物中任一组分B的标准态为温度T，标准压力p？苓时纯液体B的状态。第三类为溶液，溶液有溶剂和溶质之分，对溶剂和溶质分别选用不同的标准态。溶液中溶剂的标准态与液态混合物的任一组分的标准态相同——为标准压力p？苓，温度为任意指定的T的纯溶剂的状态。而对于溶液中的溶质，当溶液的组成标度不同时，其标准态也不相同：溶质浓度用bB表示的标准态——温度T、压力p？苓，bB=b？苓=1molkg-1，并服从Henry定律（pB=Kb，BbB）的那个假想状态；溶质浓度用xB表示的标准态——同温度T、压力p？苓，xB=1，且服从Henry定律（pB=KxxB）时溶质B的假想状态；溶质浓度用cB表示的标准态——温度T，压力p？苓下，体积摩尔浓度cB=c？苓=1mol·L-1，且服从Henry定律（pB=KxcB）时溶质B的假想状态。综上所述，不管溶液选用何种组成表示方法，其共同特点是所选取的标准状态都是假想状态，这是数学积分的必然结果。②基于标准态的化学势表达式。根据选取的标准态，不同系统在任意状态（温度T，压力p）时的化学势都可以以标准态时的化学势（μ■）为基准表达出来：理想气体、真实气体及它们的混合物中组分B的化学势均可用下述表达式μB（g）=μ■（g）+RTln（pB/p？苓）+■{VB（g）-RT/p}dp理想液态混合物中任一组分的化学势：

μ■=μ■+RTlnxB+■V■■dp溶液中溶剂A的化学势：μA（1）=μ■+RTlnxA+■V■■dp溶液中溶质B的化学势表达式为：μ■=■+RTln（bB/b？苓）+■V*■dp μ■=■+RTlnxB+■V*B（溶质）dp μ■=■+RTln（cB/c？苓）+■V*B（溶质）dp，当压力p与p？苓相差不大时，可忽略积分项。化学势是化学热力学的核心内容，正确理解化学势的定义及其物理意义，并能正确写出不同系统中各组分化学势的表达式，对掌握化学势的判据及深刻理解化学热力学有重要意义，甚至对一个化学工作者也是至关重要的。

3.标准状态法在热力学函数中的应用。化学反应中常用的热力学函数（如物质的焓、吉布斯函数、熵）不仅是温度、压力的函数，还与其组成有关，但是这些热力学函数的绝对值不可求，这使得在化学反应中ΔrHm、ΔrGm、ΔrSm的计算出现了困难。所以，要解决这个问题，重要的问题就是为这些热力学函数选择一个基准，标准态就相当于这样的基准。①热力学函数标准态的选择。热力学函数标准态的选择可分为三类：对于气体，其标准态均为标准压力p？苓（100kPa），温度为任意指定的T，且具有理想气体行为的状态。对于液体，其标准态为标准压力p？苓，温度为任意指定的T的纯液体状态。对于固体，其标准态为标准压力p？苓，温度为任意指定的T的纯固体状态。规定物质的标准态后，热力学函数变如ΔrHm、ΔrGm、ΔrSm的计算变得简单，先计算标准态时热力学函数变如ΔrH■、ΔrG■、ΔrS■，再进一步进行修正即可。②基于标准态的热力学函数变的计算。对于任一化学反应：0=■V■B在一定温度下各自处在纯态及标准压力下的反应物，反应生成同样温度下各自处在纯态及标准压力下的产物，反应进度为1mol时的焓变，为标准摩尔反应焓ΔrH■；这一反应过程吉布斯函数的变化，为标准摩尔反应吉布斯函数ΔrG■；这一反应过程的熵变，为标准摩尔反应熵ΔrS■。由于反应物和产物各自处于纯态，并没有混合，所以在标准态下发生的化学反应是一个想象的过程（可以通过van’t Hoff平衡箱完成）。由于焓、吉布斯函数、熵这些热力学函数的绝对值不可求，因此要计算这些标准状态时热力学函数变化（ΔrH■、ΔrG■、ΔrS■，）还需找出合适的参考点，下面分别对其进行讨论。①计算标准摩尔反应焓ΔrH■，在物理化学中采用了两个相对值：一是标准摩尔生成焓ΔfH■（B，β，T），其参考点是任一稳定单质的标准摩尔生成焓等于零，即

ΔfH■（稳定单质，T）=0。特别指出，若有离子参加的化学反应，规定H+的标准摩尔生成焓为零，即ΔfH■（H+，aq）=0。另一是标准摩尔燃烧焓，其参考点是规定的燃烧产物{C—CO2（g），H—H2O（l），N—N2（g），S—SO2（g），Cl—HCl（水溶液）}的标准摩尔燃烧焓等于零，即ΔCH■（规定燃烧产物）=0。标准摩尔反应焓可由标准摩尔生成焓或标准摩尔燃烧焓计算而得：ΔrH■=■V■ΔfH■（B，β，T）=-■V■ΔCH■（B，β，T）。②计算标准摩尔反应吉布斯函数ΔrG■，采用的相对值是标准摩尔生成吉布斯函数ΔfG■（B，β，T）。以任一稳定单质的标准摩尔生成吉布斯函数等于零为参考点，即以ΔfG■（稳定单质）=0为参考点，可得到各物质的ΔfG■（B，β，T），则可通过式ΔrG■=■V■ΔfG■（B，β，T）计算化学反应的ΔrG■。特别指出，若有离子参加的化学反应，规定H+的标准摩尔生成吉布斯函数为零，即ΔfG■（H+，aq）=0。ΔrG■在物理化学中的作用也是非常重要的，我们可以利用它指示化学反应的限度。通过等温方程ΔrGm=ΔrG■+RTlnJP，计算出ΔrGm来判断化学反应的方向。③计算标准摩尔反应熵ΔrS■，采用了相对值即标准熵S■。即在热力学第三定律的基础上，即相对于S■m（完美晶体，0k）=0，求得纯物质B在在标准状态下温度T时的熵值。则标准摩尔反应熵可通过下式计算ΔrS■=■V■S■（B）。

4.标准状态法在电池中的应用。在电化学中一个很重要的内容就是关于原电池电动势的计算，假如知道单个电极的电势问题就会变得简单，但是到目前为止，我们还不能通过实验测定或从理论上计算单个电极的电势的绝对值，同样采用标准状态法使问题迎刃而解。以标准氢电极作为基准，对于任意给定的电极，使其作为正极，以标准氢电极为负极，组合为原电池，即标准氢电极||给定电极（设已消除液体接界电势），则此原电池的电动势为该给定电极的电极电势（是相对值，即以E■{H+|{H2（g）}=0作为参考点）。每一个电极都采用相同的标准，相对值也具有绝对值的含义了。这样就可利用公式E（电池）=E（正极）-E（负极）很轻松的计算电池的电动势了。当给定电极中各组分均处在各自的标准态时相应的电极电势为标准电极电势。此时所采用的标准态规定压力为标准压力，相应离子的活度为1的状态。按标准电极电势数值大小排成序列表，简称标准电动序，利用标准电动序可以估计在电解过程中，溶液里的各种金属离子在电极上发生还原反应的先后次序，还可以判断氧化还原反应自发进行的方向，以及可以求出反应的焓变、熵变、吉布斯函数变及平衡常数。

三、结语

通过上面的讨论，我们可以把标准状态法的应用分为两种情况。第一种情况是只为比较物理量大小时，只需定义一个标准状态就可以了。如化学势的标准态。第二种情况是不单要比较物理量的大小，并且要计算该物理量的具体数值，这时只定义一个标准态就不够了，还需再定义一个零点值。综上所述，标准状态法在物理化学是不可缺少的方法，利用标准状态法可方便的求得热力学函数（反应焓、反应的熵变、吉布斯函数）的变化及方便的比较化学势的大小，从而为判断化学变化的方向与限度提供依据。同时利用标准状态法也可方便的计算电极电势及电池电动势，为比较物质的氧化还原能力的大小及判断氧化还原反应的方向提供理论支持。俗话说得好，“授人以鱼，不如授人以渔”。也就是说，我们不仅要注重知识，更重要的是要注重得到知识的方法。掌握了方法，才不会人云亦云，才会有自己开创性的成就，社会才会快速发展。

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物理化学在两阶段工科化学(化工类)课程体系中处于枢纽地位。第一阶段由化学原理(基础物理化学)、无机化学、有机化学、分析化学等课程组成。化学原理作为理论教学内容,在对中学化学知识总结提炼上升到理性认识高度的基础上,对后继无机化学、有机化学作为应用教学内容提供理论基础。第二阶段由物理化学加后继专业或专业基础课程、选修课程组成。物理化学作为理论教学内容,既将先前所学无机化学、有机化学等知识从理性上加以认识提高,又为后继课程提供理论基础。[2]在专业教育的范畴内,物理化学是工科,尤其是化工、冶金、轻工等各专业必备的化学理论基础,它衔接基础理论和相关的专业课程,是一门专业基础课程。

二、物理化学课程的教学内容

物理化学提供应用于所有化学以及相关领域的基本概念和原理,严格和详细地阐释化学中普适的核心概念,以数学模型提供定量的预测。因此,物理化学是分析化学、无机化学、有机化学和生物化学课程,以及其他相关前沿课题的概念的理论基础。总体而言,物理化学理论课程可能涉及的教学内容如下:[3]

1.热力学与平衡

标准热力学函数(焓、熵、吉氏函数等)及其应用。熵的微观解释。化学势在化学和相平衡中的应用。非理想系统、标准状态、活度、德拜-休克尔极限公式。吉布斯相律、相平衡、相图。电化学池的热力学。

2.气体分子运动学说

麦克斯韦-玻耳兹曼分布。碰撞频率、隙流速度。能量均分定律、热容。传递过程、扩散系数、黏度。

3.化学动力学

反应速率的微分和积分表达式。弛豫过程。微观可逆性。反应机理与速率方程。稳定态近似。碰撞理论、绝对速率理论、过渡状态理论。同位素效应。分子反应动力学含分子束、反应轨迹和激光。

4.量子力学

薛定谔方程的假定和导出。算符和矩阵元素。势箱中的粒子。简谐振子。刚性转子、角动量。氢原子、类氢离子波函数。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氢分子离子、氢分子、双原子分子。LCAO方法。计算化学。量子化学应用。

5.光谱

光-物质相互作用、偶极选律。线型分子的转动光谱。振动光谱。光谱项。原子和分子的电子光谱。磁共振谱。拉曼光谱、多光子选律。激光。

6.统计热力学

系综。配分函数表示的标准热力学函数。原子、刚性转子、谐振子的配分函数。爱因斯坦晶体、德拜晶体。

7.跨学科的应用

生物物理化学、材料化学、环境化学、药学、大气化学等。物理化学实验课程培养学生用物理化学原理联系定量模型与观察到的化学现象的能力,深化学生对模型定性假设和局限的理解,锻炼他们采用模型定量预测化学现象的基本技能。

学生应能记录正确的测量值,估算原始数据的误差。学生需要理解电子仪器的原理和使用方法,操作现代仪器测量物理性质和化学变化,积累用这些仪器解决实验问题的经验。物理化学实验应含有结合若干实验方法和理论概念的综合实验教学内容。适用于工科化学(化工类)课程体系的物理化学实验教学内容大体如下:

1.热化学实验

计算机联用测定无机盐溶解热。计算机联用测定有机物燃烧热。温度滴定法测定弱酸离解热。差热分析。

2.相平衡化学平衡实验

不同外压下液体沸点的测定。环己烷-乙醇恒压气液平衡相图绘制。液-固平衡相图绘制。凝固点下降法测定物质摩尔质量。沸点升高法测定物质摩尔质量。热重分析。氨基甲酸铵分解平衡常数的测定。

3.表面化学实验

溶液表面张力测定。沉降法测定粒度分布。BET容量法测定固体比表面积。

4.化学动力学实验

量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数。蔗糖转化反应速率系数测定。酯皂化反应动力学。一氧化碳催化氧化反应动力学。甲酸液相氧化反应动力学方程式的建立。可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限的测定。计算机联用研究BZ化学振荡反应。

5.电化学实验

强电解质溶液无限稀释摩尔电导的测定。离子迁移数测定。原电池反应电动势及其温度系数的测定。金属钝化曲线测定。

6.结构化学实验

磁化率测定。分子介电常数和偶极矩的测定。

三、面向专业的物理化学教学内容建设

当然,一个工科类专业的物理化学教学不可能也不必要包含上列的所有内容。因此,各学科专业教学指导委员会根据专业的培养目标和规格,在已经或即将公布的各学科专业的指导性专业规范中,制订了包括物理化学在内的化学课程教学基本内容作为最低要求。如化学工程与工艺专业的规范(研究型)中规定:物理化学可分为两部分,物理化学(I)主要内容为化学热力学和反应动力学等,作为化工主干课的基础,应注意与化工热力学课程和化学反应工程课程的衔接和分界(一些内容可在化工热力学课程和化学反应工程课程中展开,以加强工程背景);物理化学(II)主要内容为溶液理论、统计力学、量子力学等方面的概要以及近展等。各专业的物理化学教学基本内容充分体现了本专业的学科特点,是在保障人才培养质量的前提下,兼顾国内各相关学校的教学条件提出的基本要求。因此,它体现的是该专业人才的知识体系的共性。由于各校的学科背景和教学条件的优势不同,要培养具有特色的专业人才,需要在教学中研究如何在满足各专业的教学基本内容要求的基础上开展物理化学教学。我们认为在教学内容建设中应坚持贯彻下列原则,才能切实发挥物理化学这一门专业基础课程的作用。[4]

1.承前启后,发挥枢纽作用。了解授课对象的先修和后继课程与物理化学的联系,深化化学原理课程中的物理化学理论,介绍其在后继专业课程中的应用,以开阔视野并兼顾系统性和趣味性。

2.少而精和博而通。传统的基础内容要突出重点,讲深讲透,体现学科框架;选择介绍相关前沿的内容以扩大知识面。

3.提倡内容侧重的多样化。针对不同专业时要不拘一格,倡导内容侧重的多样化;即便面对同一专业,内容侧重亦应有宽松的选择余地。

4.体现工科特色,强调应用性和实践性。引入研究型实践项目,使学生加深对理论的理解,提高应用水平。

四、建设物理化学教学内容的措施

华东理工大学物理化学教研室在国家精品课程和国家级教学团队建设过程中,以提高专业人才的教育质量为目标,采取了一系列措施,提高物理化学课程的教学水平和质量,促进相关专业的课程体系建设。

1.根据授课专业的先修、后继课程,研读相关教材,如化学工程与工艺专业的现代基础化学、化工热力学、化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成教材,了解其改革动向和内容变革,并且请有关学科的学术带头人做物理化学在学科领域应用介绍的报告,提出教学内容改革建议。这样做的结果一方面可以避免教学内容上不必要的重复,另一方面可以合理地选择教学内容侧重,实现化学基础课程与专业课程的合理衔接。

2.编写教材和教学参考书,保障教学基本内容的教学质量,介绍物理化学学科发展、在交叉领域的应用;介绍溶液模型、线性自由能关系等半经验方法,以衔接后继课程。近年来编写或修订出版了《物理化学参考》、《物理化学》(第五版)、《物理化学导读》、《物理化学释疑》、《物理化学教学与学习指南》。开展教学研讨,提高教师队伍的学识水平和在教学中贯彻少而精、博而通教学思想的能力。

3.制作相关前沿课题和理论应用实例,如“正、负离子混合表面活性剂双水相系统及其微观结构”、“温室气体CO2的捕集和封存(CCS)技术”、“复杂材料的微相平衡和结构演化的数学模拟”、“离子液体的合成、性质和应用”等教学素材,进行教学资源的储备。

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一、多媒体与三维模型的应用

固体物理学是一门研究固体的微观结构、组成固体的粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与规律，并在此基础上阐明固体宏观性质的学科。因此，固体的微观结构是这门课程的基础。许多固体物理学的教材，例如黄昆等的《固体物理学》经典教材，开篇即讨论晶体的结构。但对晶体结构的理解，特别是对三维的晶体结构的理解，需要学生较好的空间想象能力。由于晶格的周期平移不变性，理想晶格可以通过原胞或单胞的周期平移、重复而得到。那么，如何选取合适的原胞或单胞？原胞的形状如何？原胞内有多少个原子？单胞内的各个原子是否等价？在教学过程中，许多学生对这些问题一时不能很好理解。

随着计算机的普及和利用，多媒体教室普遍存在，并被广泛使用。多媒体教学手段的利用，有助于学生对固体微观结构的理解。例如，可以通过视频或PowerPoint文件，可以直观地展示晶体的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等。与传统板书相比，利用多媒体呈现并分析固体的微观结构以及晶体的结构特征，对教师而言，更加省时、省力；几何关系的表达也更为准确，便于学生的理解。此外，若能结合三维的原子实物模型，那么，固体的微观结构将能更为直观地展现在学生眼前。多媒体与三维模型的应用对于学生理解固体的微观结构、晶格的周期性、原胞、晶体的对称性等基础概念很有好处。

当然，多媒体教学也存在着一定的局限性。例如，在公式的推导、基础概念的讲解等方面，板书其实更受学生的欢迎。与多媒体教学相比，板书的节奏慢，师生间可以有较多的互动；学生相对容易跟上教师思考问题、解决问题的步伐，学生也能有较充分的时间来理解各个知识点、梳理要点以及做笔记等。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。

二、教学内容的取舍

由于固体物理学融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学、晶体学等多学科的知识，其知识面广、量大，在有限的学时里，不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。因此，实际教学中可以结合本专业的特色，有选择地取舍部分教学内容。例如，侧重固体热学性质的专业可以考虑以晶格振动等内容为主；而侧重微电子的专业则可以考虑以能带理论、半导体中的电子等内容为主。当然，一些多个领域都涉及到的基础知识也应是这门课程不可缺少的一部分内容。

固体的微观结构和结合方式是固体物理学的基础，因此，晶体的结构和晶体的结合等知识点应是这门课程的基础知识之一。考虑到理想晶格由原子实和电子组成，晶格的运动主要在晶格振动等部分讨论；而电子的运动主要在能带理论等部分讨论，具体还可以分为金属中电子的运动和半导体中电子的运动等部分。尽管这原子实和电子的运动实际上相互联系，但很多时候，可以分别侧重讨论。此外，实际晶体也并非理想晶体；实际晶体除了有边界之外，也常含有缺陷。但在许多情况下，晶格的振动、电子的运动和缺陷的影响依然可以依据实际情况分别讨论，并得到与实际较为符合的理论结果。因此，晶格振动、能带理论和缺陷等知识点之间相对独立，或可根据各专业的实际情况取舍部分教学内容。

在许多固体物理学的教材中，例如黄昆等的《固体物理学》教材和阎守胜的《固体物理基础》教材，密度泛函理论并没有被提到。事实上，密度泛函理论是一个被广泛使用的基础理论，它是凝聚态物理前言研究的有效手段之一，也是材料设计的一种有效方法。教学过程中，教师可以结合各专业的实际情况介绍一些密度泛函理论的基础知识。同时，还可以介绍一些最新的相关研究进展，以拓展学生的知识面、提高学生的学习兴趣。

三、模块化的教学形式

如前所述，固体物理学中的许多知识点间相对独立；基于这门课程的特征，教师在教学过程中可以考虑模块化的教学形式，以子课题的形式将相应内容呈现给学生。可能的模块如：讨论晶体的结构和晶体的结合方式的基础模块――晶体的结构与结合；讨论晶体中原子实运动的模块――晶格振动；讨论晶体中电子运动的模块――能带理论；讨论实际晶体中可能存在的缺陷的模块――晶体的缺陷等；其中，能带理论部分还可分为：近自由电子模型、紧束缚模型、赝势方法等数个部分。这样做首先有利于教学内容的取舍；其次，有利于学生对各知识点的理解、有利于学生梳理清楚各个知识点之间的关系。

此外，固体物理学是凝聚态物理前沿研究的基础之一；其基础知识、理论推导、实验背景以及处理问题的方式方法等，都是开展凝聚态物理研究的基础。而模块化教学，以课题研究的形式提出问题、解决问题，将教学内容以问题为导向呈现给学生，这有助于培养学生的学习能力和解决实际问题的能力。而且，课题研究的教学模式，既是在教授学生知识，也是在开展科研，有助于提高学生对科研的认识、有助于培养学生的科研能力。这种课题研究的模块化教学形式还可以结合基于原始问题的教学来开展。

四、基于原始问题的教学

所谓原始问题，可简单理解为：现实生活中实际存在的、未被抽象加工或简化的问题。于克明教授、邢教授等人详细探讨了原始物理问题的诸多方面；此外，周武雷教授等人还讨论了原始物理问题含义的界定等相关问题，并呼吁将基于原始物理问题的教学实践引入大学物理的教学中。这应是个值得提倡的建议，毕竟现实生活中遇到的具体问题都是原始问题。与传统的习题不同，原始问题未被抽象、加工或简化。学生处理实际问题的第一步便是将问题适当简化，这也是学生需要学习的一种能力。

事实上，合理的模型简化是各种理论的基础，也是实际应用或科研必不可少的一种能力。例如，讨论晶格热容的爱因斯坦模型和德拜模型，尽管模型简单，但它们数十年来是我们讨论、分析相应问题的基础。今天，那些被写进教科书的基础理论，在当时、在理论刚被提出时，都是为了原始问题的解决。下面以晶体热容为例，稍加详述。

问题的背景：根据经典的热力学理论，晶体的定体摩尔热容是个与温度无关的常数。实验发现晶体的热容在高温下确实接近于常数，但是晶体的热容在低温下并不是个常数，其与温度的三次方成比例关系。

问题的提出：理论预言与实验观测为何不相符？如何解释实验现象？20世纪初刚刚发展起来的量子力学是否能解释这个实验现象？这些问题在爱因斯坦的年代应该都是前言的科研问题。

问题的简化：（1）不考虑边界、缺陷、杂质等的影响，将实际晶体抽象为理想晶体；（2）基于绝热近似，不考虑电子的具体空间分布，将原子当作一个整体，原子―原子间存在相互作用；（3）基于近邻近似，只考虑近邻原子间的相互作用；（4）基于简谐近似，将原子间的相互作用势在原子的平衡位置作泰勒级数展开，并保留到二阶项。

问题的解决：基于上面的模型简化，写出描述原子运动的牛顿第二定律，并求解方程组，这些方程组与相互独立的简谐振子的运动方程组相对应。结合量子力学，得到体系的能量本征值；写出晶格振动总能的表达式，继而给出由晶格振动贡献的晶格热容的表达式。由于晶格热容的表达式复杂，很难直接与实验结果对比，因此引入进一步的简化和近似――爱因斯坦模型或德拜模型。

这种提出问题、分析问题、解决问题的方式与做前言科学研究的方式相接近，既能提高学生对科研的认识、培养学生的科研能力，又能培养学生理论联系实际、解决实际问题的能力。

五、小结

针对固体物理学这门课程的一些特点，本文从教学手段、教学内容和教学形式等方面提出了一些教学改革的心得体会。教学手段上，可以利用多媒体和三维模型等教学手段，以便让学生更容易理解固体的微观结构。教学内容上，可以针对专业特色，有选择地取舍部分章节。而模块化的教学形式，可以将相对独立的知识点以子课题的形式呈现给学生，既能帮助学生梳理知识点，又能让学生对课题研究有所认识。最后，通过课题研究的教学形式、理论联系实际的讨论分析以及基于原始问题的教学，培养学生学习和应用的能力。

致谢：感谢上海高校外国留学生英语授课示范性课程《英文大学物理》建设项目的资助。

参考文献：

[1]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.

[2]阎守胜.固体物理基础[M].第二版.北京：北京大学出版社，2003.

[3]谢希德，陆栋.固体能带理论[M].上海：复旦大学出版社，2007.

[4]冯端，金国钧.凝聚态物理学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]陈志远，熊钢，易伟松.多媒体技术应用于固体物理教学的探讨[J].咸宁师专学报2002，22（6）：53-55.

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物理学是一门以实验为基础的学科，无论是物理规律的发现，还是理论的验证，都离不开实验。物理教学中的演示实验对于促进学生理解物理概念、掌握物理规律起着十分重要的作用，它的特点是紧密配合教学，原理清晰，形象直观，易于操作，携带方便。另外演示实验一直是课堂中学生感兴趣的部分，对于激发学生的学习兴趣起不可忽视的作用。我从事物理教学多年，在此从理论教学者角度出发，谈谈对物理演示实验教学的几点思考，以对实验教学有所帮助。

一、实验教学存在的问题

目前大部分高校大学物理教学和基础物理实验教学是分开的，理论教师只负责理论教学，实验教师只负责实验教学，有时候教学进度不一致，例如有些实验课教学超前于理论教学，学生只能按实验要求和老师的讲解完成实验。在这个实验过程中，学生仅是完成实验数据记录，没有理论准备和实验思考的过程，这不符合教学目的。由于课时压缩、实验条件的制约，大学物理教学偏重理论教学的讲解，忽视了实验教学，而对于难以理解的物理过程和物理图像，实验教学要比理论教学的效果更好。

当前设置的基础实验内容多为验证性实验，缺乏富有启发性的演示实验，随着教学改革的不断深入，演示实验越来越受到人们重视。

二、演示实验和基础实验互为补充，为理论教学提供服务

我们应该本着强化基础实验，发展演示实验的教学理念，两者同步发展，各有侧重，互为补充，共同为提高大学物理教学质量服务。

加强基础实验不仅能训练学生的动手操作能力，而且能加深物理概念或定律建立过程的理解。对于在物理学发展史上非常重要的实验，我们应予以重视，这类实验操作的过程也是了解实验发展的历程，可以培养学生良好的科学素养。在实验过程中，应当让学生体会到，这些实验现在看来非常简单，但它的发展历程几经曲折，是前人集体智慧的结晶，而只有那些善于继承又勇于创新的科学家才能抓住机遇，做出突破性的贡献。

演示实验直观明了，不仅能活跃课堂气氛，而且能激发学生的学习兴趣和爱好，提高学生的观察能力和思维能力。对于大学物理教学中学生难以理解的部分，若是采用演示实验，将会达到良好的教学效果。譬如，力学部分物体转动定律学生不易理解，而之前的力学部分是学生熟悉的质点平动问题，这时候插入演示实验，对比平动和转动问题，让学生参与实验演示，形象体会二者之间的异同，学生更容易接受。再如热学部分，热学规律是统计规律，涉及的概念较抽象，课程中如演示加耳顿板实验，可以形象地说明热力学规律是对大量偶然事件整体作用的统计结果。

让学生在观察和动手操作中总结规律，将会达到事半功倍的效果。学生作为教学和实验操作的主体，在动手的过程中，不仅能掌握知识点，而且能学会观察和思考，这样既能增强教学效果，又能培养学生的观察能力、思考能力。

三、物理实验教学的发展方向

1.加强实验室建设

工欲善其事，必先利其器。校方首先应加强实验室硬件条件的建设，购置必要的实验仪器，以利于实验的顺利展开；其次，不断提升实验教师的专业素质，提高实验室软实力。实验室不是仅仅安排几个实验教师就可以的，为了使实验开设具有延续性，我们应该不断提高实验教师的专业素质，向深度和广度发展。

2.演示实验与课堂讲授相结合

演示实验具有直观形象的特点，可以化抽象为具体，化枯燥为生动，使得物理教学中难以理解的抽象概念和定律借助演示实验获得形象生动的图像，通过观察、分析和总结掌握物理规律，又可以活跃课堂气氛，促进学生思考。

教师可以根据课堂内容，制作一些简单的、易操作的演示仪器或利用实验室现有的实验仪器，开展基于课堂的演示实验，让学生参与演示操作，给学生留出观察和思考的时间。如电磁学的教学中，奥斯特实验和电磁感应实验均可以随堂演示。这样既可以调动学生的学习积极性，又可以促使学生仔细观察，相互讨论交流，总结规律，与教师的单纯叙述相比，效果要好得多。

3.充分发挥多媒体在教学中的作用

现代教育教学手段不断丰富，各种教学方法、教学手段互补，是现代教学的发展趋势。对于物理过程复杂且难以随堂演示的实验，可以利用丰富的教学资源展现出来，包括自制视频、演示动画、电视插播片等，既可以弥补随堂演示实验的不足，又可以活跃课堂气氛。如对驻波的形成及特性分析，单缝夫琅和费衍射中子波概念的引入，等等。还可以结合仿真，给出物理各参数之间的关系，如矩孔的衍射实验，改变矩孔的宽度，其仿真结果效果会更好。

4.积极建设研究性开放实验室

我校物理实验教学组专门开设了一间研究性开放实验室，里面包括基础物理中四大力学（力学、热学、电磁学和光学）的内容。包括一些购置的仪器，学生和教师制作的简单仪器，某些仪器的零配件和残件。实验室由专门的教师负责日常维护，学生只需通过申请便可自行操作或使用实验室的仪器，研究自己感兴趣的课题。也可以在教师的指导下，利用开放实验室，对教师申请项目的子课题进行独立研究。

我校开展了“大学生课外学术科技作品竞赛”、“创新性实验计划”、“挑战杯”等课外科技活动中，来自不同学院的参赛学生利用研究性开放实验室进行科学研究，取得了喜人的成果。

四、结语

演示实验具有直观形象的特点，可以化抽象为具体，化枯燥为生动，使得物理教学中难以理解的抽象概念和定律借助演示实验，获得形象生动的图像，观察、分析和总结掌握物理规律可以活跃课堂气氛，促进学生思考。

在大学物理教学中加强演示实验是教学改革的必然趋势，是增强教学效果的重要手段。借助全国第十届大学物理演示实验会议2011年暑假在我校召开的这个机会，我校加强了演示实验的建设和开展，鼓励更多的老师和学生参与演示仪器的制作和演示实验的开展。

参考文献：

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物理学与人类的日常生活密切相关，在众多学科中，物理学与其他学科的交叉应用最为广泛，推动着各学科发展，对了解大自然的发展规律，指导人类科学活动、引导科学技术的进步起着不可估量的作用。高等学校是培养人才的摇篮，大学物理课程作为一门公共基础课程，对培养学生学习能力，解决问题的能力、乃至创新能力都是一个重要环节。随着社会的进步和多方位的人才需求，传统的教学方法已经不能满足形式发展的需要，教学改革是大势所趋，物理教学改革也在不断的进行深入开展，许多优秀的物理教师已经在某些方面取得了突破性进展，但也存在许多的问题，这不仅给我们提出了疑问，怎样才能真正激发学生学习兴趣，培养应用型人才。通过仔细的分析和日常的教学总结，发现从知识的实用性出发更容易引发学生学习的兴趣。

一、明确大学物理课程教学目标

《大学物理》是理工科专业的一门重要的必修基础课，在培养学生的科学素养、逻辑推理和创新思维等方面起着举足轻重的作用。物理学的基本原理渗透在自然科学的各个领域，包括多种思维能力，如逻辑思维、抽象思维、发散思维、集中思维等，因此，大学物理课程的教学直接影响大学生的培养质量。针对物理学的核心内容，练习学生观察和描述现象、建立物理模型的能力；分析实际问题中物理原理的能力；从物理原理上进行技术创新的能力。物理学是科学技术的源泉，是多学科交叉、转移和渗透的支撑点。因此，教师教好物理，学生学好物理都是为将来的终身学习打下了良好的基础。

二、分析大学物理教学中存在的问题

物理课程的教学对于众多的物理教育工作者来说，有很多的问题尚待解决[1]。首先从学科内容来说，整个物理学的知识点众多，相应的物理教材层出不穷，重难点不突出，很难针对学生的专业教学；其次上课过程中学生的积极性下降，听课率不高，学习热情不高涨，有玩手机、打瞌睡等现象出现；再次物理实验课考查的是学生的动手能力，部分学生没有完全参与进来，不能独立完成实验，导致动手能力不强。

三、引入实用性教学思维，培养高素质应用型人才

我们进行教学的目的是为了学生将来能更好的应用，所以在授课过程中，可以不单讲授知识点本身，更要着眼于知识点在现实生活中起什么作用或指导意义，这样才能激发学生兴趣、拓展逻辑思维、锻炼解决问题的能力。开阔学生的视野，为进一步提高教学质量可此从以下几方面进行改进：

（一）消除逃避心理

谈及物理学生们通常认为它是深奥的，很难学习并掌握，因此产生逃避心理。因此在开课初期告诉学生学习物理确实有一定难度，但不要产生抵触情绪，态度决定一切[2]。学习物理的过程好比爬山，虽山高路陡，但风景很美。让学生坚信物理就在身边，学好物理可以培养自身能力，还可以解释大自然的很多规律，甚至探索神奇的宇宙世界。

（二）总结原理归类，解释自然现象

纵观大学物理教程内容可以归结于几大部分，力学、热学、电磁学、光学、近代物理学[2]，力学中的经典定律，如万有引力定律和牛顿三定律，可以解释汽车中人的前、后倾、电梯中的超重与失重、地球的自转、卫星轨道、潮涨潮落、台风的形成等现象。热学中的热力学第一定律，告诉了我们不能实现的第一类永动机、钻木取火、汽车发动机原理等内容。电磁学中的静电场物质的电结构和静电学原理，可以解释日冕、电离层、臭氧层、雨雷电、极光、负氧离子、避雷针、静电除尘等内容。光学中的光的直线传播、反射定律和折射定律可以解释日食和月食、物体影子、林间美丽的光柱、坐井观天、小孔成像、万花筒、光纤通信、筷子弯折、虹霓景观、海市蜃楼、透镜成像等现象。近代物理学中的原子结构、电子轨道、电子能量、电子跃迁等可以解释元素周期表、能级图、发光颜色、激光、X射线断层扫描技术（CT）等的应用。

（三）转变教学手段，传统与现代相互配合

实行大学物理教学改革，并不是否定传统教学，而是在此基础上找出更适合学生学习的方法。随着现代技术的不断发展，出现了计算机辅助教学、网络视频教学等多媒体手段，有些人担心这样会逐渐否定了传统教学的方式[3]。无论是传统教学模式还是现代化教学手段，只要有正确的教学思维引导，即使相结合使用也会产生很好的教学效果。任何教学方法都不是万能的，适当加以结合运用效果更好。对于一些概念性较为抽象的物理内容，传统教学方式还是较好的方法，如果再加以实际应用举例，相信效果相得益彰。列举实用性例子就可以运用多媒体教学中的图像、视频等吸引学生的注意力，激发学生学习的兴趣。传统与现代的相互配合，可以实现教与学的优化，进而提高教学质量，促进教学改革。

四、总结

由此可见，教师可以在教学过程中总结优秀的教学想法以及学生乐于接受，循序渐进的学习方法。在大学物理课程的讲授中穿插实用性教学思维可以适当激发学生学习兴趣以及求知欲。实用性教学思维注重教学手段的更新，将传统的教学方法与现代教学方法适当有效的结合，不仅增大了授课信息量，还增强了教学直观性和趣味性，提高了教学质量，也促进了教学改革。

参考文献：

[1]崔玉，张俊.工科院校的大学物理教育改革[J].赤峰学院学报.2012，28（1）：202-203

[2]杨 艳，刘兴来，胡俊丽等.大学物理学生自主学习教学环节的探索与实践[J].物理通报2012，（7）：31-32