原子物理學(xué)教學(xué)中學(xué)生能力的培養(yǎng)

呂立君

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

原子物理學(xué)教學(xué)中學(xué)生能力的培養(yǎng)

呂立君

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

原子物理學(xué)是由宏觀世界通向微觀世界的橋梁和紐帶，上承經(jīng)典物理，下接量子力學(xué)，是量子物理、量子化學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ).原子物理學(xué)的建立與發(fā)展過程是微觀體系物理思想和研究方法的形成過程.本文結(jié)合原子物理學(xué)課程特點和學(xué)生實際，對如何在原子物理學(xué)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題能力、自主研究物理問題的興趣、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力做了論述.

科學(xué)思維；創(chuàng)造性；能力培養(yǎng)

1 引言

原子物理學(xué)的研究對象是原子、分子、基本粒子等微觀客體，主要討論物質(zhì)結(jié)構(gòu)在原子、分子、原子核以及基本粒子等層次的性質(zhì)、特點和規(guī)律.原子物理學(xué)是由宏觀世界通向微觀世界的橋梁和紐帶，上承經(jīng)典物理，下接量子力學(xué)，是量子物理、量子化學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ).量子力學(xué)的發(fā)展有力推動了核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理等的研究，使原子物理學(xué)與其它學(xué)科的聯(lián)系更加緊密，原子物理學(xué)的原理和新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在能源、材料、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)諸多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程技術(shù)和國防事業(yè)產(chǎn)生深遠影響.原子物理學(xué)課程極具挑戰(zhàn)性，因其研究對象為微觀客體，其結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律不能直接進行感知，在生活中沒有相應(yīng)的模型與之對應(yīng)，許多經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律不再適用于微觀體系，涉及相關(guān)知識較多，如數(shù)理知識、物理知識、化學(xué)知識、量子力學(xué)知識等等，同時涉及許多現(xiàn)代物理的測量技術(shù),實驗技術(shù)含量高，內(nèi)容深奧、抽象、不易理解.另外原子物理學(xué)的建立與發(fā)展過程恰是微觀體系物理思想和研究方法的形成過程，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的良好途徑.根據(jù)該課程特點及其在物理學(xué)中的重要地位，在教學(xué)過程中，我們遵循學(xué)生的認識規(guī)律，積極推進教學(xué)模式和教學(xué)方法改革，培養(yǎng)學(xué)生研究探索問題的能力和創(chuàng)新能力.

2 滲透研究方法

原子物理學(xué)研究對象是原子、分子等微觀客體，許多經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律不再適用于微觀體系，微觀客體的結(jié)構(gòu)和運動情況不能直接進行觀察，必須從反映原子內(nèi)部情況的可觀測量中去推究原子的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原子的各粒子的運動規(guī)律及各粒子間的相互作用規(guī)律等，我們充分利用本學(xué)科的這一特點，在相關(guān)的背景知識環(huán)境中，引導(dǎo)學(xué)生探索研究，加強物理思想及科學(xué)思維方法的滲透.如：原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的授課過程：介紹電子的發(fā)現(xiàn)→湯姆遜栆糕模型→（檢驗?zāi)Ｐ停┍R瑟福的散射實驗→大角散射的實驗結(jié)果否定了湯姆遜模型→盧瑟福提出核式結(jié)構(gòu)模型→由盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型推出庫倫散射理論（實驗無法驗證）→進一步推出較深入的盧瑟福散射理論→由這個理論推測出四種關(guān)系[1]（1）同一α粒子源和同一散射物的情況下；（2）同一α粒子源和同一材料的散射物，在同一散射角與散射物的厚度t成正比；（3）同一散射物，在同一散射角＝常數(shù)；（4）同一α粒子源，在同一散射角，對于同一N t值與Z2成正比→四種關(guān)系全部被實驗所證實→盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型正確.這樣一個過程體現(xiàn)了研究微觀體系的基本思想：根據(jù)事實（原子所表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象和特征）提出合理的假設(shè)→這個假設(shè)能否說明實驗事實或與進一步的實驗事實相符或由此推出較深的理論→由進一步的實驗驗證理論的正確性.通過這一過程的教學(xué)，學(xué)生不僅學(xué)到知識、提高能力，而且得到科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，提升科學(xué)素質(zhì).

在原子物理教學(xué)過程中，可以適時滲透物理思想和科學(xué)思維方法，如玻爾理論→索莫非理論→量子理論；氫原子→類氫離子→堿金屬原子；單電子原子→雙電子原子→多電子原子.

3 培養(yǎng)創(chuàng)新意識

原子物理學(xué)的建立與發(fā)展過程是微觀體系物理思想和研究方法的形成過程，是創(chuàng)造性思維的集萃.在教學(xué)過程中，適時引入原子物理學(xué)的背景知識和科學(xué)家們在探索研究過程的創(chuàng)新思維故事，利于學(xué)生創(chuàng)造性思維意識的培養(yǎng).如：在學(xué)習(xí)能量量子化概念時，介紹普朗克為湊合實驗數(shù)據(jù)而猜出來的黑體輻射能量密度分布公式[2]，公式公布當(dāng)天，魯斯本將盧默和普林斯海默當(dāng)時測到的最精確的實驗結(jié)果進行核對，發(fā)現(xiàn)兩者精確相符，為了給這個湊出來的公式一個理論解釋，普朗克創(chuàng)新性的提出電磁輻射的能量是量子化的思考過程，即E=nhv，n=1,2,3……，及在此量子化的條件下推導(dǎo)出著名的普朗克公式.再如學(xué)習(xí)實物粒子波時，介紹剛從歷史學(xué)的研究轉(zhuǎn)向物理學(xué)的法國青年路易·德布羅意把波粒二象性推廣到所有物質(zhì)粒子的思考過程.這些革命性的創(chuàng)新故事，對培養(yǎng)學(xué)生不拘一格，破舊立新的創(chuàng)新思維意識將起到積極的促進作用，同時這些創(chuàng)新為量子力學(xué)的建立奠定了堅實的基礎(chǔ).

另外，原子物理學(xué)的原理和技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、天體物理學(xué)、礦物學(xué)等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.在教學(xué)過程中，我們結(jié)合教材內(nèi)容，適當(dāng)增加了原子物理學(xué)的現(xiàn)代研究成果及新技術(shù)應(yīng)用方面的教學(xué)內(nèi)容，開闊學(xué)生視野，如結(jié)合教學(xué)內(nèi)容適時加入核磁共振層析技術(shù)、核能利用、X射線衍射物象分析技術(shù)、血管造影技術(shù)、激光技術(shù)、放射性的應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

4 引導(dǎo)創(chuàng)新思維

物理學(xué)是一門實驗科學(xué).實驗是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是創(chuàng)造新知識、產(chǎn)生新技術(shù)的搖籃，是培養(yǎng)創(chuàng)新精神、分析解決問題能力和造就高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié).在教學(xué)安排上，我們強化實驗教學(xué)，改變以往理論教學(xué)與實驗教學(xué)分開的教學(xué)模式，將理論課程與實驗課程有機結(jié)合，為學(xué)生提供研究問題探索問題的良好環(huán)境，并運用探索研究式、啟發(fā)式、討論式等[3]教學(xué)方法充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動作用，幫助學(xué)生順利完成抽象思維過程，建立概念，掌握規(guī)律，發(fā)展能力.如：在講授玻爾理論時，先由氫原子的光譜→玻爾理論→設(shè)計驗證玻爾理論的實驗原理、實驗方案→夫蘭克一赫茲實驗驗證原子內(nèi)確實存在不連續(xù)的定態(tài)能級，這樣的教學(xué)過程學(xué)生不僅掌握知識，對知識的理解會更深入透徹，同時充分發(fā)揮其聰明才智，在輕松愉悅的環(huán)境中使學(xué)生推理能力、分析解決問題的能力得到提高.講授塞曼效應(yīng)現(xiàn)象等內(nèi)容時都可以結(jié)合實驗進行教學(xué).對于難以理解又不具備實驗條件的教學(xué)內(nèi)容，可以利用多媒體技術(shù)[4]將抽象的物理模型、物理過程直觀地展示給學(xué)生，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)便于探索研究問題的教學(xué)環(huán)境.如講授電子自旋運動時，我們由鈉原子光譜的精細結(jié)構(gòu)→電子自旋→利用多媒體技術(shù)模擬史特恩-蓋拉赫實驗過程，然后通過教師的引導(dǎo)、啟發(fā)、學(xué)生間互相討論，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力.再如講授原子的核式結(jié)構(gòu)時，同樣可以模擬α粒子散射實驗，引導(dǎo)學(xué)生思維.另外為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，我們整合了實驗教學(xué)資源，全方位開放了近代物理實驗室，學(xué)生可帶著問題進入實驗室，通過實驗發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，并與教師研究討論，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題及創(chuàng)新思維能力.

5 拓展學(xué)習(xí)途徑

改變師生交互方式，使教學(xué)在時間和空間得以延伸.如作業(yè)有掌握基本概念基本規(guī)律掌基礎(chǔ)題、有能夠運用概念、規(guī)律解決實際問題的應(yīng)用題，也有結(jié)合教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)設(shè)計的課程論文，引導(dǎo)學(xué)生突破三尺講臺的束縛，改變以往單一從課堂教學(xué)中獲取知識的途徑，充分利用實驗室、網(wǎng)絡(luò)資源，主動研究、探索、分析和解決問題.并利用網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)教師與學(xué)生適時交互，學(xué)生的思維活躍，學(xué)習(xí)效率得到提高，真正做到教學(xué)相長.另外結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實際經(jīng)常安排專題討論，比如:光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別、如何利用X射線的吸收限完成血管造影等等，另外我們經(jīng)常舉辦與課程內(nèi)容相關(guān)的知識講座，如反物質(zhì)與暗物質(zhì)、核能利用等培養(yǎng)學(xué)生探索研究問題的能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新精神.

6 小結(jié)

在原子物理學(xué)教學(xué)過程中,我們不斷探索與學(xué)生和學(xué)科特點相適應(yīng)的新思路、新方法，采用理論與實驗教學(xué)有機相結(jié)合（實驗-理論-實驗）的教學(xué)模式，適時滲透物理思想和科學(xué)研究方法，用探索、研究、討論式等教學(xué)方式，積極促進以學(xué)生為主體的主動探究學(xué)習(xí)方式的形成,另外通過知識講座、專題討論、課程論文、實驗室開放等措施，極大的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生思維活躍，探索積極性高，收到了良好的教學(xué)效果.

〔1〕褚圣麟．原子物理學(xué) [M].高等教育出版社，2010.8-19.

〔2〕楊福家.原子物理學(xué) [M].高等教育出版社，2007.32-41.

〔3〕許弟余，許友文.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，16（4）：96-97.

〔4〕周恒為，夏莉艷.伊犁師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（1）：40-42.

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1673-260 X（2013）10-00234-02