原子物理學(xué)課程教學(xué)改革的實(shí)踐與思考

尹世忠

[摘要] 為了提高原子物理學(xué)課程的教學(xué)效果,我院從2003級學(xué)生開始,對我院的原子物理學(xué)課程進(jìn)行了一系列的改革,介紹了我系原子物理學(xué)課程教學(xué)改革的一些做法和設(shè)想。

[關(guān)鍵詞] 原子物理學(xué) 教學(xué)改革 實(shí)踐教學(xué)

隨著科技的飛速發(fā)展,原子物理學(xué)已經(jīng)成為21世紀(jì)重要科學(xué)技術(shù)的共同基礎(chǔ)之一,它在高新科技中的基礎(chǔ)地位和重要作用日益顯現(xiàn)。同時(shí)它在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研能力方面也有著不可替代的作用,所以原子物理學(xué)成為了物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一,也成為了其他理工科專業(yè)的必修課程之一。

一、原子物理學(xué)課程的性質(zhì)與我系開設(shè)的歷史回顧

原子物理學(xué)為物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課。它上承經(jīng)典物理,下接量子力學(xué),屬于近代物理的范疇,是學(xué)習(xí)理論物理和從事材料科學(xué)、信息科學(xué)、光學(xué)、激光技術(shù)、化學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及空間科學(xué)研究的基礎(chǔ)。在內(nèi)容體系的描述上,原子物理學(xué)采用了普通物理的描述風(fēng)格,講述量子物理的基本概念和物理圖象以及支配物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的基本相互作用,并在此基礎(chǔ)上討論物質(zhì)結(jié)構(gòu)在原子、原子核以及基本粒子等層次的性質(zhì)、特點(diǎn)和規(guī)律。我院在上個(gè)世紀(jì)80年代就開設(shè)原子物理學(xué)課程,在90年代中期,為了全面講解近代物理學(xué)的知識,我們曾經(jīng)以近代物理學(xué)代替了原子物理學(xué)。到20世紀(jì)90年代末,又把原子物理學(xué)作為一門獨(dú)立課程進(jìn)行了設(shè)置。2002年,我院開始招收物理學(xué)專業(yè)本科學(xué)生,原子物理學(xué)成為一門專業(yè)基礎(chǔ)課。為了提高原子物理學(xué)教學(xué)的效果,我們從2003級學(xué)生開始著手對原子物理學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革,2003級和2004級是探索階段,在2005級、2006級、2007級加大了改革的力度。

二、原子物理學(xué)課程教學(xué)改革的實(shí)踐

1.調(diào)整課程結(jié)構(gòu),整合教學(xué)內(nèi)容,增加現(xiàn)代化的知識

調(diào)整課程結(jié)構(gòu),整合教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)改革的核心工作。在原子物理學(xué)的教學(xué)改革中,我們始終堅(jiān)持把調(diào)整結(jié)構(gòu)整合內(nèi)容作為教改的中心工作。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),隨著科技的迅猛發(fā)展,許多高新科技都用到了原子物理學(xué)的基本理論,而我們大部分院校使用的教材是禇圣麟先生編寫,1979年,出版的《原子物理學(xué)》,該教材雖然是1987年獲國家教委一等獎(jiǎng)的優(yōu)秀教材,但是由于編寫時(shí)間較早,缺少一些新知識、新技術(shù)的介紹,教學(xué)內(nèi)容需要整合和充實(shí)。我們本著“加強(qiáng)基礎(chǔ),結(jié)合前沿,促進(jìn)創(chuàng)新”的精神,對原子物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了大膽的調(diào)整和整合,重新編寫了教學(xué)大綱和考試大綱,加強(qiáng)了科學(xué)前沿和高新技術(shù)的引進(jìn)。精簡和整合了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容,如舊量子論和中學(xué)物理已經(jīng)涉及到的東西;大量引入了科技前沿和新成果,如里德堡原子、μ原子、反原子、反物質(zhì)、粒子加速器、新粒子的探索、電子自旋成像等;引入多學(xué)科綜合性問題,如隧道掃描顯微鏡,納米科技,激光技術(shù)、原子的冷卻等;引入應(yīng)用領(lǐng)域問題,如激光技術(shù),X射線造影,核磁共振,核電站的建設(shè)、太陽能的利用、中子彈的研制等;引入我們自己的科研工作,如納米晶絲的磁性、鐵磁非晶絲的磁化、磁晶各向異性等,介紹近些年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的學(xué)術(shù)成就等。同時(shí),我們還嘗試了原子物理學(xué)和量子力學(xué)打通的工作,與量子力學(xué)課程組進(jìn)行了研究。這樣經(jīng)調(diào)整整合后,其教學(xué)內(nèi)容在已知與未知、過去與未來、基礎(chǔ)與前沿等之間保持了一種恰當(dāng)?shù)膹埩?以針對性、應(yīng)用性、實(shí)踐性和滿足后續(xù)課程(量子力學(xué)、固體物理等)學(xué)習(xí)需要為前提,既保留了該門課程的基本知識框架、知識間的內(nèi)在聯(lián)系,又反映了本學(xué)科領(lǐng)域最新科技成果和研究前沿方向,構(gòu)建了支持學(xué)生終身學(xué)習(xí)的知識平臺,促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新意識、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng),充分體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和現(xiàn)代化,經(jīng)過幾年的實(shí)踐,收到了良好的效果。

2.改革教學(xué)方法,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力

有了先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容,如何讓學(xué)生接受消化成了我們要研究的一個(gè)突出問題。按照學(xué)校的總體培養(yǎng)方案,原子物理學(xué)課程的教學(xué)時(shí)數(shù)越來越少,從每學(xué)期的72學(xué)時(shí),減少到了54學(xué)時(shí),48學(xué)時(shí),再考慮到法定節(jié)日耽誤的課時(shí),一個(gè)學(xué)期48個(gè)學(xué)時(shí)都難以保證。而原子物理學(xué)是一個(gè)從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理的一個(gè)過渡課程,有時(shí)用舊量子論處理問題,有時(shí)又必須用量子力學(xué)理論處理問題,這樣就給學(xué)生造成了一個(gè)接受和理解的難度,有時(shí)甚至是造成了混亂和困惑,學(xué)生無所適從。為此我們對教學(xué)方法進(jìn)行了研究。

第一,樹立研究型教學(xué)思想,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力,體現(xiàn)先進(jìn)的課程理念。在原子物理學(xué)的教學(xué)中,我們首先更新觀念,樹立“以人為本,以學(xué)生為中心”的現(xiàn)代教育教學(xué)理念和以素質(zhì)教育為主的研究型教學(xué)思想,以滿足社會需要、學(xué)習(xí)者個(gè)人發(fā)展以及學(xué)科自身特殊性為前提,強(qiáng)調(diào)基本素質(zhì)、基本知識、基本能力和基本技能并重,強(qiáng)化了課程理念的先進(jìn)性。

第二,在教學(xué)方法上,一改過去“教師唱主角滿堂灌”的“注入式知識教育”為適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的“研究式素質(zhì)教育”。正好我系2005級以后物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的班容量不是很大,給我們改革教學(xué)方法提供了方便。我們采用了精講式、啟發(fā)式、研究式、探索式、滲透式等多種教學(xué)方法,增加了討論課、學(xué)習(xí)報(bào)告的學(xué)習(xí)形式。對一些奠定基礎(chǔ)的、在歷史上起到重要作用的、在知識體系中不可或缺的內(nèi)容必須精講、啟發(fā);對一些前沿性的、應(yīng)用性的、綜合性的、沒有定論的東西則采用研究、探索、滲透的方式;每學(xué)期設(shè)置2次討論課,1次學(xué)習(xí)報(bào)告課,把學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的感興趣的、通過查閱資料能夠解決的問題以及沒有定論需要繼續(xù)研究的問題在討論和報(bào)告中處理;而有些知識則是采用不講的方式,由學(xué)生自學(xué),由連續(xù)型細(xì)節(jié)式授課轉(zhuǎn)變?yōu)樘S型平臺式授課。這些教學(xué)方法的改進(jìn),極大地拓寬了學(xué)生的視野,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神。

第三,在教學(xué)手段上,跳出了“一支粉筆一塊黑板一張嘴”的填鴨式,編制了多媒體課件、電子教案等,利用現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來輔助教學(xué),同時(shí)也注意糾正了“以機(jī)代人、人機(jī)共灌”的極端多媒體教學(xué)方式,這樣由過去單一的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)化為多形式的互動(dòng)交流,既解決了課程容量與教學(xué)時(shí)間的矛盾,同時(shí)又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和研究能力。

3.把原子物理學(xué)的教學(xué)與學(xué)生的畢業(yè)論文有機(jī)結(jié)合

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,我們把原子物理學(xué)的教學(xué)與學(xué)生的畢業(yè)論文做到了有機(jī)結(jié)合。近幾屆學(xué)生的畢業(yè)論文都有選自原子物理學(xué)課程的。有一些綜述型的題目,如:原子物理學(xué)與量子力學(xué)的銜接、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次、組成物質(zhì)的最小單元、里德堡原子與μ原子、反原子與反物質(zhì)等;有一些應(yīng)用型的題目,如太陽能與我市太陽能利用、核電與我國的核電站、現(xiàn)代醫(yī)療與原子物理學(xué)等;也有一些研究型的題目,如:蘭姆位移的實(shí)質(zhì)、電子自旋對原子光譜的影響、納米晶絲的磁性與原子磁矩、鐵磁性物質(zhì)參雜后的磁性等。

4.把近代物理實(shí)驗(yàn)與原子物理學(xué)課程打通

我系也和其他大部分院校一樣,在開設(shè)原子物理學(xué)課程的同時(shí),開設(shè)的另一門獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程是近代物理實(shí)驗(yàn),它由實(shí)驗(yàn)老師獨(dú)立完成。在原子物理學(xué)進(jìn)行教改的時(shí)候,我們發(fā)現(xiàn)近代物理實(shí)驗(yàn)許多都是和原子物理學(xué)有關(guān)系的,許多就是原子物理學(xué)理論的一個(gè)驗(yàn)證或是應(yīng)用。為使原子物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)更加緊密地結(jié)合,增強(qiáng)學(xué)生對原子物理學(xué)理論的感性認(rèn)識,經(jīng)過系領(lǐng)導(dǎo)的同意,我們和近代物理實(shí)驗(yàn)老師合作,共同組成了原子物理學(xué)課程組,實(shí)現(xiàn)了原子物理學(xué)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同步,既深化了學(xué)生對理論的理解,也降低了實(shí)驗(yàn)課程的難度。效果頗佳。

5.編制了一些課程擴(kuò)充資料

為了幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容,我們參考其他院校的做法,編制了作業(yè)題解答、課外習(xí)題集、考試試題庫、卷庫,并且選定了一些科技期刊和閱讀材料提供給學(xué)生閱讀和學(xué)習(xí),開寬學(xué)生的眼界。

三、對原子物理學(xué)課程教學(xué)改革的思考

雖然對原子物理學(xué)課程的教學(xué)改革,我們?nèi)〉昧艘恍┬Ч?但是總感覺教學(xué)改革進(jìn)行的還不徹底,還有許多不盡如人意的地方,還有許多工作要做,關(guān)于這些我們做了如下思考。

第一,對原子物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系能不能來一個(gè)大的改革。首先,舊量子論的內(nèi)容跳過不講,直接用量子力學(xué)的理論來講原子物理學(xué)。既在光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)、史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)、黑體輻射實(shí)驗(yàn)、康普頓效應(yīng)等的基礎(chǔ)上給出量子力學(xué),然后用量子力學(xué)理論去研究原子的能級、光譜、電子自旋、原子核結(jié)構(gòu)等問題。而把玻爾的舊量子論作為一個(gè)歷史情節(jié)介紹,降低舊量子論的比重。其次,增加前沿動(dòng)態(tài)。因?yàn)槲覀儧]有后續(xù)的原子核物理、粒子物理,所以特別應(yīng)該增加原子核的方面的知識;增加粒子物理方面的知識;增加應(yīng)用性的知識;增加外場中原子的行為和現(xiàn)象的介紹,增加新核素、新粒子的觀察與探索等內(nèi)容。

第二,一定要把原子物理學(xué)與量子力學(xué)打通,整合成一門理論課,并且把原子物理學(xué)、量子力學(xué)、固體物理學(xué)、近代物理實(shí)驗(yàn)組合成一個(gè)課程群。使之在培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力上做出更大的貢獻(xiàn)。首先,原子物理學(xué)和量子力學(xué)必須打通,因?yàn)槟壳暗姆止た?原子物理學(xué)是量子力學(xué)的先行課程,成為了量子力學(xué)的基礎(chǔ),而量子力學(xué)又是處理原子問題的有力工具,二者相互滲透,沒有先后。如果能夠把原子物理學(xué)和量子力學(xué)打通成一門理論課程,那樣既可以完善原子物理學(xué)中的理論,又可以增強(qiáng)學(xué)生對量子力學(xué)的感性認(rèn)識,使得兩門課程的體系更加完整,學(xué)習(xí)難度會自然降低。其次,要認(rèn)真研究如何實(shí)現(xiàn)原子物理學(xué)、量子力學(xué)、固體物理學(xué)、近代物理實(shí)驗(yàn)這一課程群,并以此為依托申報(bào)省級以上的教改立項(xiàng)課題。這幾門課程的理論是相通的,只是適用對象不同,所以會衍生出許多不同的知識,這個(gè)課程群建成后,能夠使學(xué)生的知識體系更加緊湊和完善,使幾門課程的知識互通,能夠降低學(xué)習(xí)難度,能夠使學(xué)生方便地接觸到科技前沿,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,對畢業(yè)后從事高新科技或是教授大中學(xué)的相關(guān)課程都是大有裨益的。

第三,如何進(jìn)行考試改革。學(xué)生成績的考核方式直接決定著學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度,我們要改傳統(tǒng)的“結(jié)果性”考核為“過程性”考核。加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)測,注意發(fā)現(xiàn)那些有創(chuàng)新精神、勤奮刻苦的學(xué)生,注意發(fā)現(xiàn)那些有一定特長、有潛力、不循規(guī)蹈矩的學(xué)生,加強(qiáng)培養(yǎng),加強(qiáng)引導(dǎo)。

第四,如何進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容的改革。實(shí)踐性的教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力方面具有不可替代的作用。如何充分發(fā)揮實(shí)踐性教學(xué)的作用一直是我們努力探索的一個(gè)課題。我們要使實(shí)踐性教學(xué)走出實(shí)驗(yàn)室,使實(shí)驗(yàn)課程走出驗(yàn)證的初級階段,開設(shè)綜合性、開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),這一點(diǎn)需要一定的物質(zhì)基礎(chǔ),值得我們?nèi)パ芯俊?/p>

第五,關(guān)于教材的選擇與處理。教材可以說是教學(xué)的抓手,是最為重要的教學(xué)資源。就目前看,比較通用的原子物理學(xué)教材是禇圣麟先生編寫的《原子物理學(xué)》和楊福家院士編寫的《原子物理學(xué)》,這兩個(gè)版本的教材各有自己的優(yōu)點(diǎn)。我們的觀念是“教學(xué)是用教材教,而不是教教材”,今后,我們計(jì)劃改以前固定一種版本教材為兩種版本交替使用。這樣有一個(gè)好處是上下連續(xù)兩屆學(xué)生可以互相借閱,使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)基本上都能夠有兩本教材,方便了學(xué)習(xí)。

以上這些只是我們在原子物理學(xué)課程改革中的一些做法和想法,有的甚至可能還很不成熟,希望得到各位同仁的支持和幫助。

參考文獻(xiàn):

[1]禇圣麟.原子物理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1979.

[2]楊福家.原子物理學(xué)(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2000.