應(yīng)用型院校物理教育專業(yè)原子物理學(xué)的優(yōu)化

馮瑞姝,徐 栩

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

原子物理學(xué)屬于普通物理范疇，它不僅是物理(師范)類專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)理論課，也是與力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)聯(lián)的重要課程，并且后續(xù)與量子力學(xué)、近代物理實驗、固體物理學(xué)等重要理論物理課程相銜接。原子物理學(xué)著重從物理規(guī)律出發(fā)，探討原子、原子核的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，并解釋它們的表觀性質(zhì)。因此，原子物理學(xué)是連接經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)的重要橋梁。正是基于原子物理學(xué)在課程設(shè)置中的位置，以及原子物理學(xué)課程自身的知識特點，課程的教學(xué)對學(xué)生的理論應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)有著重要的作用，尤其對應(yīng)用型本科院校的物理教育專業(yè)，更要注重實踐和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此，原子物理學(xué)課程以應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案為核心的課程優(yōu)化勢在必行。

1 原子物理學(xué)課程優(yōu)化基本要求

應(yīng)用型本科院校物理教育專業(yè)原子物理學(xué)的課程優(yōu)化的基本要求是：首先，通過課程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合，實現(xiàn)教師教育的培養(yǎng)目標(biāo)，為中學(xué)輸送高質(zhì)量的物理教師人才；其次，符合物理專業(yè)的內(nèi)在邏輯序列，按照知識理論與應(yīng)用實踐相統(tǒng)一的原則安排課程先后，注重課程的聯(lián)系與協(xié)調(diào)，形成一個完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練課程體系；再次，要符合大學(xué)生身心成長的內(nèi)在規(guī)律，最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主體的積極性，讓學(xué)生在愉悅的心境和優(yōu)美的環(huán)境中主動地完成學(xué)習(xí)任務(wù)；最后，優(yōu)化的課程既要適應(yīng)當(dāng)下社會的需要，又能反映當(dāng)下社會需要的變化。

2 原子物理學(xué)課程優(yōu)化方案

原子物理學(xué)課程強調(diào)物理實驗的分析，以及物理概念、物理圖像的建立。它是用半經(jīng)典半量子的、近似的、不完整的量子物理學(xué)理論和方法探究原子結(jié)構(gòu)以及運動規(guī)律的課程。它的知識特點就是完全以實驗觀測事實為依據(jù)而建立相應(yīng)的原子理論體系，并對原子問題給出合理的解釋。由于原子物理學(xué)的研究對象抽象，理論又介于經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)之間，屬于半經(jīng)典半量子的理論，因此初學(xué)階段，幫助學(xué)生如何從經(jīng)典思想向量子思想轉(zhuǎn)變，是原子物理學(xué)課程教學(xué)的重要任務(wù)。通過原子物理課程的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)實驗事實進(jìn)行理論創(chuàng)新，提高實踐與理論相結(jié)合解決問題的意識和能力。

2.1 課程目標(biāo)

課程的主要目標(biāo)和任務(wù)是以原子結(jié)構(gòu)為中心，以實驗事實為線索，了解原子和原子核層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及運動和變化規(guī)律，揭示微觀現(xiàn)象與規(guī)律的本質(zhì)。介紹有關(guān)問題所需要的量子力學(xué)基本概念，闡述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)三個層次的物理過程、研究方法，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維。使學(xué)生對物質(zhì)世界有更深入的認(rèn)識，獲得在本課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些最基本問題，以及具有講授初、高中物理中原子物理學(xué)部分的初步能力。并為以后繼續(xù)學(xué)習(xí)量子力學(xué)及其相關(guān)理論物理課程奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)人才培養(yǎng)的要求，確立在傳統(tǒng)教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、扎實的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)國內(nèi)外一流大學(xué)物理教學(xué)的長處,以現(xiàn)代教育技術(shù)為切入點，開展創(chuàng)新性教學(xué)研究，引入現(xiàn)代科技成果，拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識。

2.2 課程功能

原子物理學(xué)的發(fā)展對激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，作出過很大的貢獻(xiàn)。激光出現(xiàn)以后，用激光技術(shù)來研究原子物理學(xué)問題，實驗精度有了很大提高，從而又發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象和新問題，推動了對原子能級精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。通過本課程的學(xué)習(xí)，力圖使學(xué)生初步建立描述微觀世界的物理圖像，理解適應(yīng)微觀世界的新概念，掌握處理微觀世界物理問題的新方法，為后續(xù)量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。課程教學(xué)中，要結(jié)合有關(guān)內(nèi)容，適當(dāng)將一些背景材料和物理學(xué)史引入教學(xué)，以利于加深對新知識的理解和把握。同時，通過介紹二十世紀(jì)初物理學(xué)家，在解決經(jīng)典物理學(xué)應(yīng)用于微觀粒子體系遇到困難時的大膽探索、勇于創(chuàng)新的思想脈絡(luò)，使學(xué)生受到創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神方面的熏陶和教育，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。使學(xué)生了解物理學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實踐——理論——再實踐的認(rèn)識過程，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、活躍、創(chuàng)新的思維方式和學(xué)習(xí)方法。

2.3 課程結(jié)構(gòu)

原子是從宏觀到微觀的第一個層次，是一個重要的中間環(huán)節(jié)。物質(zhì)世界這些層次的結(jié)構(gòu)和運動變化，是相互聯(lián)系、相互影響的，對它們的研究缺一不可，很多重要的基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)科學(xué)的發(fā)展也都要以原子物理為基礎(chǔ)。由于原子物理學(xué)課程是學(xué)生第一次系統(tǒng)接觸到的近代物理學(xué)的理論體系，它的許多概念、觀點與學(xué)生長期形成的經(jīng)典物理觀念不相符合。因此在教學(xué)過程中，一定要千方百計做好這個觀念上的轉(zhuǎn)化工作，讓學(xué)生逐步形成適應(yīng)微觀世界的思維方式，循序漸進(jìn)的從經(jīng)典物理世界走進(jìn)量子世界。原子物理學(xué)以半經(jīng)典半量子的近似的量子物理方法為手段，以原子光譜實驗事實以及德布羅意物質(zhì)波為核心，由簡單到復(fù)雜漸進(jìn)地研究氫原子、堿金屬原子、多電子原子、磁場中的原子、電子的殼層、原子核等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運動規(guī)律。

圖1課程結(jié)構(gòu)體系框圖

2.4 課程內(nèi)容

以課程結(jié)構(gòu)為原則安排的原子物理學(xué)，理論課程講授課40學(xué)時，習(xí)題課7學(xué)時，討論課7學(xué)時，共計54學(xué)時。課程首先介紹近、現(xiàn)代物理發(fā)展史，近、現(xiàn)代物理的發(fā)展概況與科學(xué)技術(shù)的關(guān)聯(lián)，以及原子物理學(xué)的研究對象和研究方法。使學(xué)生整體的了解原子物理學(xué)在物理學(xué)史中的地位極其重要性；其次經(jīng)由經(jīng)典理論過渡到量子理論研究，從光的波粒二象性到德布羅意實物粒子的波粒二象性過程的認(rèn)識。由盧瑟福α粒子散射理論確立原子的有核模式結(jié)構(gòu)，以及由氫原子、類氫原子和堿金屬原子光譜的實驗規(guī)律創(chuàng)立的創(chuàng)新理論——玻爾理論；然后學(xué)習(xí)利用量子力學(xué)初步知識處理氫原子問題的方法，以及量子數(shù)和角動量空間量子化等實際的量子問題。根據(jù)證實電子存在自旋的幾個重要實驗事實以及原子有效磁矩的計算方法，來討論原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼效應(yīng)等現(xiàn)象。通過對X射線產(chǎn)生的機制及譜線的特點、X射線的性質(zhì)開拓學(xué)生對原子物理的認(rèn)識；最后討論原子核的基本性質(zhì)、放射性衰變的基本規(guī)律、核裂變及核聚變的反應(yīng)機制以及核技術(shù)的應(yīng)用。

教學(xué)中，原子的基本結(jié)構(gòu)部分，要求學(xué)生掌握原子的核式結(jié)構(gòu)，了解α粒子散射實驗的設(shè)計思想、意義以及在科學(xué)研究、材料分析中的實踐應(yīng)用；氫原子部分，則要求掌握氫原子光譜的實驗規(guī)律以及原子的激發(fā)和輻射的基本原理，能夠應(yīng)用激發(fā)和輻射解釋激光原理。強調(diào)光譜的實驗事實、理論的建立與創(chuàng)新在科學(xué)研究、實踐技術(shù)中的應(yīng)用；對于量子力學(xué)初步知識，根據(jù)量子力學(xué)基本原子，體會量子理論、創(chuàng)新理論的特點，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思想、創(chuàng)新意識；其次學(xué)習(xí)更復(fù)雜原子結(jié)構(gòu)即堿金屬原子和電子的自旋，以光譜實驗事實以及玻爾創(chuàng)新理論為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探究堿金屬原子結(jié)構(gòu)與運動規(guī)律；然后學(xué)習(xí)對堿金屬原子與氫原子光譜事實的差別進(jìn)行理論修正的方法，從而展示光譜分析方法在材料檢測、分析和科研創(chuàng)新等方面的廣泛應(yīng)用。探討多電子原子情況時，總結(jié)氫原子、堿金屬原子的研究方法，進(jìn)而推廣到更復(fù)雜原子的研究，激發(fā)學(xué)生對更復(fù)雜原子的好奇心，啟發(fā)學(xué)生利用已學(xué)理論探索多電子原子，通過利用原子的激發(fā)和輻射躍遷討論氦氖激光器的基本原理，來進(jìn)一步強調(diào)量子規(guī)律、光譜分析的廣泛應(yīng)用。在磁場中的原子則以磁場和原子磁矩相互作用為基礎(chǔ)充分討論塞曼效應(yīng)，詳細(xì)分析正常與反常塞曼效應(yīng)，討論磁性材料、磁共振等前沿技術(shù)的應(yīng)用，充分展示磁效應(yīng)在材料磁性和磁共振技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。

2.5 課程實施

優(yōu)化的原子物理學(xué)課程，課堂以教師的講授和學(xué)生的討論為主，課后輔以一定數(shù)量的練習(xí)，同時開展針對一些與原子物理相關(guān)實際問題的討論，并形成提交課程論文。

教學(xué)過程中強調(diào)重視實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。原子物理學(xué)的很多重大發(fā)現(xiàn)都來源于實驗，重視實驗教學(xué)，充分認(rèn)識實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要地位，樹立以學(xué)生為本，知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，徹底改變實驗教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)觀念，形成理論與實驗統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的理念和氛圍。建立以能力培養(yǎng)為核心，層次分明、模塊多樣、相互銜接，理論與實驗教學(xué)有機結(jié)合的教學(xué)體系。聯(lián)系科研、工程、中學(xué)物理需要和社會實際，融入科技創(chuàng)新和實踐體會，推進(jìn)學(xué)生自主、合作、研究的學(xué)習(xí)。

2.6 課程評價

對于原子物理學(xué)的考查，除閉卷考試考查方式外，還要增設(shè)初中物理教案比賽、參加全國大學(xué)物理競賽、全國“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽、科技論文、設(shè)計性實驗等多種考試方法，考察學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和技能，分析和解決實際問題的能力，有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，更加科學(xué)和全面地考查學(xué)生對本課程的掌握與實踐應(yīng)用。

3 結(jié)語

為適應(yīng)應(yīng)用型院校物理教育專業(yè)人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力，勝任高等和中等學(xué)校物理學(xué)教育的教師、教育科研人員和其他教育工作者，以及能在科研機構(gòu)、高等院校和企事業(yè)單位從事科學(xué)研究和管理工作的高級專門人才，原子物理學(xué)課程還有待進(jìn)一步的優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題、建立物理模型、定性分析與定量計算的能力、理論聯(lián)系實際的能力和獨立獲取知識的能力，開闊學(xué)生的思路，激發(fā)學(xué)生的探索和創(chuàng)新精神，提升其科學(xué)技術(shù)的整體素養(yǎng)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來的研究、應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

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