原子物理學(xué)教學(xué)方法淺議

黃千紅++龔學(xué)余++王振華++謝安平++向東

摘 要：原子物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門重要必修課，也是核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。針對(duì)教學(xué)中實(shí)際問題及學(xué)生意見的反饋，結(jié)合原子物理學(xué)教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)行教學(xué)方法上的探討和嘗試，初步提出了原子物理學(xué)的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：原子物理學(xué) 教學(xué)方法 量子理論

中圖分類號(hào)：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（b）-0174-01

原子物理學(xué)是研究原子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是核類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，上承經(jīng)典物理學(xué)，下接量子力學(xué)和原子核物理等重要課程。相比經(jīng)典物理學(xué)課程原子物理學(xué)有很大差別，首先，原子物理學(xué)課程不像普通物理學(xué)課程從基本物理概念和物理規(guī)律出發(fā)進(jìn)行嚴(yán)密的理論運(yùn)算推導(dǎo)得到更普遍的基礎(chǔ)理論，而是遵循從實(shí)踐出發(fā)—理論模型建立—實(shí)踐檢驗(yàn)的認(rèn)識(shí)過程，應(yīng)用更多的是總結(jié)、歸納的方法；其次，研究對(duì)象是微觀體系，而學(xué)生對(duì)微觀現(xiàn)象缺乏直觀的感性認(rèn)識(shí)。正是由于這些差異，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中感覺原子物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)凌亂，理不清頭緒，導(dǎo)致不能鞏固和深化所學(xué)知識(shí)。因此，在教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生把握課程主線，認(rèn)識(shí)原子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，形成新概念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、思維能力、研究能力等成為原子物理學(xué)教學(xué)中需要探討的問題。本文針對(duì)褚圣麟先生教材《原子物理學(xué)》的教學(xué)淺談個(gè)人教學(xué)過程中的認(rèn)識(shí)。

1 學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)

學(xué)習(xí)興趣指一個(gè)人對(duì)學(xué)習(xí)的一種積極的認(rèn)識(shí)傾向與情緒狀態(tài)。學(xué)生對(duì)某一學(xué)科有興趣，就會(huì)持續(xù)地專心致志地鉆研它，從而提高學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)興趣既是學(xué)習(xí)的原因，又是學(xué)習(xí)的結(jié)果。由此，培養(yǎng)學(xué)生最初的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中找到樂趣，由被動(dòng)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)、好學(xué)、樂學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力過程中具有重要的意義。如何培養(yǎng)學(xué)生對(duì)原子物理學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，筆者從教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)如下幾個(gè)方面。

1.1 結(jié)合物理學(xué)史增強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性

原子物理發(fā)展史料豐富，若將史料運(yùn)用于原子物理教學(xué)中，將起到事半功倍的效果。在授課中將原子物理學(xué)發(fā)展史融入知識(shí)的傳授可增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性。如電子發(fā)現(xiàn)最早進(jìn)行試驗(yàn)的并不是湯姆遜，試驗(yàn)結(jié)果最精確的也不是湯姆遜，但湯姆遜是第一個(gè)敢于突破常規(guī)認(rèn)識(shí)而提出新粒子是電子的人，這一簡介讓學(xué)生明白科學(xué)研究中要尊重科學(xué)事實(shí)，敢于突破傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)；講述量子化概念提出時(shí)介紹普朗克為解釋黑體輻射提出量子化概念的歷程，由于這一嶄新理論與經(jīng)典理論的沖突，普朗克本人也不是特別堅(jiān)決，此后他曾試圖放棄量子論，用經(jīng)典物理學(xué)方法重新解決黑體輻射問題，但均未成功，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)發(fā)展中開創(chuàng)性革新的不易?？梢哉f原子物理的發(fā)展中，充滿對(duì)已有思想觀念的顛覆和新思想的建立，這些都需要科學(xué)懷疑和批判精神，充分說明科學(xué)無絕對(duì)權(quán)威，科學(xué)懷疑精神和獨(dú)立思考是科學(xué)進(jìn)步的動(dòng)力。通過物理學(xué)史的介紹，能在課堂上吸引學(xué)生的注意，使課堂氣氛活躍，激發(fā)學(xué)生對(duì)原子物理學(xué)的興趣，在輕松快樂的氛圍中學(xué)習(xí)，同時(shí)學(xué)習(xí)科學(xué)的批判精神，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

1.2 結(jié)合課程內(nèi)容介紹原子物理學(xué)中的難題激發(fā)學(xué)生鉆研興趣

好奇心和探索欲望是科學(xué)研究的原動(dòng)力，在教學(xué)中通過介紹課本中出現(xiàn)而尚未完全認(rèn)識(shí)明白的物理概念、物理問題，能極大激發(fā)學(xué)生的認(rèn)識(shí)和探索欲望，教師可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研并匯報(bào)，在這一過程中既能促進(jìn)學(xué)生了解學(xué)科的研究前沿，也能使學(xué)生加深對(duì)基本物理概念、原理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和初步的科研能力。在原子物理學(xué)教材中有不少世界性的難題，如，在索末菲橢圓軌道理論和相對(duì)論效應(yīng)中提出的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)所包含的物理含義、數(shù)值為什么剛好約為1/137；為解釋光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生而引人的電子自旋的概念人們是否已經(jīng)完全認(rèn)識(shí)清楚等，這些問題在教學(xué)中可充分利用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索欲望，激發(fā)學(xué)生的鉆研興趣。

1.3 結(jié)合物理學(xué)發(fā)展前沿介紹激發(fā)學(xué)生研究興趣

原子是從宏觀到微觀的第一個(gè)層次，物質(zhì)世界各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化相互聯(lián)系、相互影響，很多其他重要學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展以原子物理為基礎(chǔ)，在課程教學(xué)中結(jié)合課程內(nèi)容穿插原子物理學(xué)與相關(guān)學(xué)科的交叉及原子物理學(xué)發(fā)展的前沿介紹，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和鉆研熱情。如講述α粒子散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，介紹原子碰撞研究方法已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)重要的研究方向，涉及各種基本粒子與原子和分子碰撞的物理過程等；講述激光原理時(shí)，介紹激光技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)原子物理學(xué)發(fā)展的促進(jìn)，介紹我國激光領(lǐng)域研究的國際地位等。學(xué)科前沿的介紹能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)本學(xué)科的社會(huì)意義及其與個(gè)人的關(guān)系，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的社會(huì)責(zé)任感。

2 把握課程主線

原子物理學(xué)的內(nèi)容不像經(jīng)典物理學(xué)具有嚴(yán)密的邏輯體系，因此在教學(xué)中拎淸課程的主線有助于學(xué)生系統(tǒng)的掌握課程的知識(shí)內(nèi)容。對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)發(fā)展，課程以光譜分析法為主線：從原子光譜規(guī)律出發(fā)，原子光譜規(guī)律的變化可以反映出原子內(nèi)部能級(jí)的特點(diǎn)，進(jìn)而探究原子內(nèi)部的作用及其規(guī)律。對(duì)原子內(nèi)部作用的認(rèn)識(shí)，課程以量子力學(xué)中的角動(dòng)量概念為主線：從玻爾氫原子理論的角動(dòng)量量子化假設(shè)的提出，到單電子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量的耦合解釋精細(xì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，及兩個(gè)電子體系的LS耦合和JJ耦合等，并進(jìn)一步明確角動(dòng)量與磁矩概念的對(duì)應(yīng)，角動(dòng)量耦合的本質(zhì)是粒子間電磁相互作用，自旋和軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用引起原子能級(jí)的分裂和塞曼效應(yīng)能級(jí)分裂在本質(zhì)上是相同的。

3 講清基本概念

楊福家先生提出了原子物理學(xué)教學(xué)要注重“培養(yǎng)智能”，課程講述做到“言猶未盡”，“既講清楚又不講清楚”。這也就要求老師要把握課程教學(xué)中哪些要講清楚，哪些可不講清楚。對(duì)基本概念和基本物理模型我們要力圖闡述清楚，如，原子結(jié)構(gòu)模型的提出，從背景到實(shí)驗(yàn)過程、理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證給出了詳細(xì)的講解，而其中盧瑟福散射理論公式（散射角與瞄準(zhǔn)距離關(guān)系式）的推導(dǎo)可以引導(dǎo)學(xué)生自己在課余推導(dǎo)。又如，原子空間取向量子化概念，學(xué)生剛接觸量子理論，很容易將角動(dòng)量量子化與取向量子化混淆，講解中要讓學(xué)生理解取向的概念即矢量方向的描述，講清了這個(gè)概念有助于對(duì)史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的理解，而實(shí)驗(yàn)中偏轉(zhuǎn)位移公式的推導(dǎo)可以留給學(xué)生自己完成等等。

根據(jù)原子物理學(xué)的特點(diǎn)，在教學(xué)中要努力貫徹啟發(fā)式教學(xué)原則，倡導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)課外閱讀，進(jìn)行讀書報(bào)告、討論等多種教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合，對(duì)提高原子物理學(xué)教學(xué)是非常必要的。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁肇中.論科學(xué)研究的原動(dòng)力—好奇心是科學(xué)研究的原動(dòng)力[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2002，10（4）：3-5.

[2] 楊福家.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社.

[3] 褚圣麟.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社.endprint