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一、熱學部分內容的特點
不同于物理學的其它部分，熱學包括宏觀理論與微觀理論兩種理論。熱現象的宏觀理論熱力學，通過大量的觀察和實驗總結出三條基本定律，給出了熱運動與其它運動形態相互轉化的基本規律。熱力學具有嚴密的邏輯體系，其前提簡單，應用范圍卻很廣，被愛因斯坦稱為是“具有普遍內容的唯一的物理理論”。熱運動的微觀理論（在大學物理中是氣體動理論）則是從體系的微觀模型出發，應用統計方法計算體系的宏觀量（壓強和內能等）。統計理論的結果可以使我們深刻理解那些抽象的熱力學概念的本質，它與熱力學相輔相成，構成了有關熱運動的完整理論。從研究方法看，熱力學基本定律用否定語氣表出，熱力學第二定律數學表達式用反證法導出，都給我們提供了不同于物理學其它部分的思維論證方法，有利于培養學生運用邏輯推理進行抽象思維的能力。熱學的從微觀到宏觀的統計方法，在物理學中更是獨樹一幟，它完全不同于力學、電磁學乃至熱力學的實驗———理論———實驗的傳統方法，是一種假設———理論———實驗的方法，這種方法是現代物理學最重要的方法之一。然而，在大學物理熱學部分這兩種理論的表述都沒有系統化。有的教材中在給出熱力學第二定律的定性表述之后，導出了卡諾定理，并未進一步導出其數學表達式，而是由熵的玻爾茲曼關系給出了熵增加原理。這種講法沒有體現熱力學理論本身的完整性。氣體動理論的系統理論較為復雜，大學物理中的氣體動理論只是初步理論，其中，作為中心內容的氣體分子速率分布律（麥克斯韋速率分布律）一般教材都不講導出過程，而玻爾茲曼分布律僅僅是由麥克斯韋速率分布律推廣而來，缺乏系統性，給人以支離破碎的感覺。因此，熱學部分的教學內容需要很好地組織、整合。
二、整合部分教學內容
筆者認為，在熱力學部分，熱力學第二定律的數學表達式及其導出過程，集中體現了熱力學理論的完整性以及其特有的邏輯思維方法，是不應或缺的。在導出卡諾定理之后，接著導出克勞修斯表達式，再定義熵函數，得到熱力學第二定律的數學表達式（熵表達式）和熵增加原理，篇幅不長，難度不大，可以納入必講的教學內容。如果教學時數確實有限，至少作為選學內容可以寫入教材筆者認為，在不增加難度的情況下，可以較大幅度地整合氣體動理論內容，以增加其邏輯性和系統性，有利于展示統計方法。建議將氣體動理論部分的內容按以下方式整合：1）麥克斯韋速率分布律。分析氣體分子熱運動特征———提出理想氣體的微觀模型———定義速率分布函數———導出用速率分布函數表達的理想氣體的壓強公式———用簡單方法導出平衡態速率分布函數的形式———代入理想氣體的壓強公式確定參量———麥克斯韋速率分布律———三種特征速率。2）理想氣體的物態方程和熱容量。用麥克斯韋速率分布律計算壓強———氣體動理論的物態方程———用麥克斯韋速率分布律計算單原子分子理想氣體的平均動能———溫度的微觀意義———推廣得到能量均分定理———理想氣體的內能和熱容量。3）熵的玻爾茲曼關系熱力學第二定律的微觀意義。4）氣體分子的平均自由程和遷移過程。
三、明確教學目標和要求
筆者查閱了教學時數在108~126學時的數份大學物理教學大綱，發現熱學部分除了內能、熱力學第一定律及其對理想氣體的應用這部分要求“掌握”外，對其他部分各大綱的要求多有不同。在熱力學部分，對可逆過程與不可逆過程、熱力學第二定律的表述及其統計意義，一般要求是“理解”，但也有要求“掌握”和“了解”的；多數大綱對有關熵和熱力學第二定律的熵表達式沒有提出要求，只有一份大綱提出了“理解”的要求。在氣體動理論部分，幾份大綱中多數僅要求“理解”壓強和溫度的微觀本質和能量均分定理，對理想氣體分子熱運動圖像和統計方法以及麥克斯韋速率分布律等的要求都是“了解”，也有一份大綱對上述幾部分內容都要求“掌握”。幾份大綱的對熱學部分的教學要求分歧很大，表明這個問題確有討論的必要。我們認為，熱力學第二定律的數學表達式的導出過程，集中體現了熱力學特有的邏輯思維方法，從注重學習物理學方法的角度看，是不應或缺的。從提出模型、進行統計平均、建立宏觀量與微觀量的聯系到闡明宏觀量的微觀本質的統計思想和方法，應當是氣體動理論部分的重點內容。麥克斯韋速率分布律是氣體分子熱運動的重要統計規律，即使是通過不嚴格的粗淺的方式導出，也是有利于學生接受和理解這一規律的。能量均分定理對討論理想氣體熱容量是有用的，但它并非氣體動理論的基本定理，不宜過分強調。據此，我們提出以下教學目標：1）理解準靜態過程、內能和熱量的概念，理解熱力學第一定律的物理意義及其普遍性。2）掌握理想氣體各種等值過程和絕熱過程中的功、熱量、內能改變量及卡諾循環的效率的計算。3）理解熱力學第二定律定性表述的實質，理解可逆過程和不可逆過程。通過由熱力學第二定律定性表述導出卡諾定理和克勞修斯不等式，理解熱力學理論的邏輯思維方法。4）了解熵的宏觀意義和熵增加原理。5）理解氣體分子熱運動的基本特征。理解速率分布函數的統計意義。通過推導氣體壓強公式，理解從提出模型、進行統計平均到建立宏觀量與微觀量的聯系的統計思想和方法。6）理解麥克斯韋速率分布律及其三種特征速率。7）通過麥克斯韋速率分布律計算氣體的物態方程和熱容量，理解統計方法的系統性，理解壓強、溫度、內能等概念的微觀本質。8）通過熵的玻耳茲曼關系了解熱力學第二定律的統計意義。9）了解氣體分子平均自由程的概念和對遷移過程的應用。應當指出，在實際教學中教師不看大綱僅按教材教學的現象較為普遍。在這種情況下，教師對教學目標和要求不明確，教學內容的處理就把握不準，教學效果就難以提高。
四、講究教學方法
教學目標確定以后，接下來的問題就是如何實現這些目標。在力學部分，從基本的實驗定律牛頓定律出發，每導出一個定理，教師講例題，學生做作業。如果說這種教學方法在講解熱力學第一定律及其對理想氣體的應用時，效果還可以的話，在講解熱力學第二定律和氣體動理論時就很難有好的效果了。熱力學第二定律和氣體動理論部分幾乎沒有什么應用的內容，但要求注意推理過程，理解其中的思想和方法，而學生已有的習慣并不重視這一點。因此，需要采用更有吸引力和啟發性的教學方法。筆者在教學過程中體會到，比較長篇大論的講解，將教學內容分解為一個個問題的講解方法更能吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣。用這種方法，問題必須精心設計，提出問題要學生思考，但不一定要學生回答。以講解熱力學第二定律為例，可設置如下問題：1）滿足熱力學第一定律（能量守恒）的熱力學過程都能實現嗎？熱現象是否還有其它規律？2）比如說，有沒有可能制造一個效率為100%（僅從一個熱源吸熱做功，不放熱）的熱機呢？（給出熱力學第二定律開爾文表述后）是否可以說，開爾文表述就是“熱不能完全變成功”？3）再比如說，熱量可能不可能由低溫物體自發傳到高溫物體呢？（給出熱力學第二定律克勞修斯表述后）是否可以說，克勞修斯表述就是“熱量不能從低溫物體傳到高溫物體”？4）兩種表述似乎并不相關，為什么都是同一規律———熱力學第二定律嗎的表述呢？5）我們知道，功可以全部自發轉變為熱，而開爾文表述說熱不能全部自發轉變為功。這反映出一個什么問題？同樣，熱量可以從高溫物體自動傳到低溫物體，而克勞修斯表述說熱量不可能由低溫物體自動傳到高溫物體。這又反映出一個什么問題？6）可逆過程與不可逆過程的本質有什么不同？用可逆過程和不可逆過程的語言，你能將熱力學第二定律的兩種表述分別說成什么？7）兩種表述等價性的證明過程也表明不可逆過程是相互關聯的，由此看來，熱力學第二定律實質上說明了什么？熱力學第二定律還能不能用其它方式表述？8）熱力學第二定律能不能有一個數學表達式？如果能，它會是一個什么樣的式子？等式還是不等式？如果時間允許，也可用這些問題進行課堂討論，相信效果會更好。
五、改進練習和考核
為了達到教學要求，除了講究教學方法外，還需要改進練習與考核的內容和方式。熱力學第二定律和氣體動理論部分幾乎沒有什么應用的內容，有價值的習題較少，應當特別注意思考題的應用?？梢岳盟伎碱}組織課堂討論，也可以將有些思考題作為習題布置下去。比如針對熱力學第二定律，下面幾個題目作為習題可以很好地配合教學內容：1）熱力學第二定律的普朗克表述是：不可能制造出一個機器，它在循環過程中從單一熱源吸熱全部用于將一重物提高。證明普朗克表述與開爾文表述等價。2）證明，功變熱的不可逆性與理想氣體自由膨脹的不可逆性是相互關聯的。3）證明，對于任何物質，一條等溫線與一條絕熱線不能有兩個交點。4）證明，對于任何物質，證明兩絕熱線不能相交。5）用熵增加原理證明理想氣體的自由膨脹過程是不可逆過程。從某種意義上說，期末考試也是學習平時學習的指揮棒。除了習題之外，平時強調的思考、討論的問題，也要在期末考試中體現出來。以填空題、選擇題和問答題等多種形式，考察學生對熱學基本概念、基本定律和科學方法的理解和掌握程度。
六、結束語
在熱力學部分要講授熱力學第二定律數學表達式的導出，在氣體動理論部分要按理想氣體模型———麥克斯韋速率分布律———宏觀量的統計表達式的思路整合。這種內容的安排能夠體現“根據物理問題的特征、性質以及實際情況，抓住主要矛盾，進行合理的簡化，建立相應的物理模型，并用物理語言和基本數學方法進行描述”的物理學方法，“在傳授知識的同時，注重學生分析問題和解決問題能力的培養”（《非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求》）。同時，內容上的這種安排應該在教學目標和要求中明確提出，并且積極改進教學方法，引導學生注重物理學方法的學習和領悟。
作者：趙倩 慕利娟 張雪峰 單位：內蒙古科技大學
