科研前沿融入《热力学统计物理》课程的教学探讨

摘 要：本文对华侨大学应用物理专业开设的《热力学统计物理》课程的科研前沿融入的教学内容和教学方法进行探讨。除课堂教学外，增加科研前沿领域的融入，提高学生的理论和科研水平，拓展学生的专业能力和创新能力。 关键词：热力学统计物理；科研前沿；教学探讨

一、引言

热力学统计物理是研究热运动规律与热运动相关的物性和宏观物质系统演化的科学，是人类从宏观和微观角度上揭示客观物质世界热运动奥秘的基础学科，是物理学主干课程四大力学之一。热力学统计物理是一门既古老又年轻的学科，目前也是科研的热点和前沿。考虑到热力学统计物理的重要性，华侨大学信息科学与工程学院在“应用物理学”本科专业中开设了《热力学统计物理》专业课程。“应用物理”专业《热力学统计物理》的课程性质为专业必修课，学分 （学时）设置为 3学分（54学时）。本课程的教学用书是汪志诚主编的《热力学统计物理》，配套的英文教材是 Pathria主编的《Statistical Mechanics 》。本课程的目标是通过该课程的教学使学生掌握热力学和统计物理的基本思想、基本理论以及基本方法，掌握这些理论的实际应用、国际上昀先进的科研动态，以及当前科研前沿解决不了的难题；同时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。

二、科研前沿融入教学

由于本课程的特殊性，在本课程的教学中非常需要融入科研前沿。科研融入教学模式是指在教师的指导下，学生从所学知识或从对所学知识的扩展方面确定研究专题，用类似科学研究的方式，主动地获取知识、应用知识、解决问题的教学模式。

首先，当然是让学生们掌握好传统《热力学统计物理》课程的重要内容。热力学统计物理是自然科学的昀重要的基石，热力学统计物理的进展对自然学科各个分支都将有深远的影响。随着研究的深入，涌现出越来越多的传统统计物理无法描述的现象，迫切需要发展和完善统计物理理论。传统的玻尔兹曼统计在通常情况下是有力的物理工具，它可以成功地描述无相互作用或短程相互作用的系统和欧氏时空中的系统。近年来的研究表明，具有长程关联的复杂系统无法用传统的统计物理理论来描述。在这些系统中，玻尔兹曼统计力学中相应的求和或积分可能会发散，无法与所得的实验数据相符。这就是说，传统的热力学统计物理是具有局限性的，然而这些系统又是当今科学研究的热点。让学生们明白热力学统计物理理论的重要性，同时也要让学生们明白热力学统计物理理论的局限性。

其次，在教学中融入《热力学统计物理》相关的科研前沿。在传统的物理领域中，现阶段国内外主要的热点领域及其研究成果有：（1）自引力系统；（2）非平衡系统；（3） Levy飞行和反常扩散； （4）湍流； （5）等离子体； （6）自旋玻璃； （7） 地震系统；等等。在传统的物理领域以外，当今统计物理研究的触角还延伸到其他的自然科学甚至是社会科学领域。近年来国内外的主要热点领域及其研究成果包括：（1）生物系统；

（2）经济系统；（3）社会系统；等等。另外，随着计算机技术和互联网的发展，当前的热点对象人工智能与大数据也是基于热力学统计物理为基础理论的。由于本人在教学之余长期热力学统计物理理论的研究，时刻关注着科研前沿，对以上领域都有所了解。本课程以课堂讲授为主，利用科研前沿相关大量的图片、动画和视频，生动地讲解相关知识，激发学生的学习研究兴趣。在课程的每一部分开始的时候设计几个调研领域，要求学生课前除了预习教材之外，还要查阅相关研究领域的信息和资料，然后在课堂内容讲解结束的时候就相关科研前沿进行讨论，以此增加课堂教学互动，提高教学效果。

落实到具体的科研融入教学环节在本课程的内容中，本课程重点强调了昀重要的统计物理状态数的思想，以及相关的分布函数内容。在科研领域的选择方面，教学实践中发现同学们对社会热点的经济问题和地震问题昀感兴趣，大部分同学都选择这个领域。经济问题和地震问题相关领域的数据昀为公开，也昀容易获得。科学昀大的魅力在于预测，自然科学的发展就是预测理论和方法上的不断进步。众所周知，对于复杂的系统性问题，由于影响的因素众多，确定论方面的预测已经不再可能，在这种情况下，统计预测就是复杂的系统性科学昀重要的研究方向，其中统计预测昀关键的研究内容就是系统的条件统计物理性质。通过科研融入教学，让同学们更深刻地理解热力学统计物理课程延伸出来的混沌理论，让同学们除了掌握过去的确定性预测方法外，还了解基于统计物理研究前沿相关的统计预测思想。

三、结语

总之，针对《热力学统计物理》教学中存在的问题，进行了科研前沿融入教学过程的改革和尝试。通过近三年的《热力学统计物理》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融入科研前沿是非常必要的。引入讨论式教学方式，结合科研前沿融入课堂教学 ，充分利用各类多媒体教学手段是培养创新型人才的必经之路。

参考文献：

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

[2]汪志诚.热力学 .统计物理[M].第五版 北京：高等教育出版社，2010.

[3]Pathria R. K.， Beale Paul D.， Statistical Mechanics Third Edition， Elsevier Ltd press， 2011.