原子物理學(xué)課程現(xiàn)代化對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力培養(yǎng)的初探

李新　彭順金

摘要：原子物理學(xué)在材料物理專業(yè)學(xué)生的課程教學(xué)中占有舉足輕重的地位。它不僅是經(jīng)典物理和量子物理連接的橋梁與紐帶，更是現(xiàn)代高新尖端技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。教師在傳授知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)該充分利用原子物理學(xué)課程的現(xiàn)代化加強(qiáng)這門課程的教育功能，從而加強(qiáng)對(duì)材料物理專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：課程改革；創(chuàng)新精神；創(chuàng)新能力；原子物理學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0103-02

原子物理學(xué)在材料物理專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)課程的教學(xué)中占有十分重要的地位。它不僅是經(jīng)典物理和微觀物理（量子力學(xué)、粒子物理和核物理）連接的紐帶與橋梁，更是現(xiàn)代高新尖端技術(shù)（光譜學(xué)、激光、磁共振等）應(yīng)用的基礎(chǔ)。原子物理學(xué)是于20世紀(jì)初開始形成的一門分支學(xué)科，它主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)層次，具體介于分子和原子核之間，其主要內(nèi)容是原子光譜和原子結(jié)構(gòu)。原子物理學(xué)是近代物理學(xué)的重要組成部分，如何對(duì)原子物理學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行現(xiàn)代化改革，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)使之更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力已經(jīng)成為當(dāng)前材料物理專業(yè)課程教學(xué)改革研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

一、原子物理學(xué)課程現(xiàn)代化改革的背景

目前高等院校的教師講授在原子物理學(xué)這門專業(yè)課時(shí)，選用的教材大多都是褚圣麟或楊福家先生編寫的《原子物理學(xué)》，其中有些院校已將原子物理學(xué)更名為近代物理學(xué)，這樣改革的目的是為了實(shí)現(xiàn)該門課程的現(xiàn)代化，使其不局限在傳統(tǒng)意義的原子物理學(xué)課程上。面對(duì)該課程的教學(xué)現(xiàn)狀和其特殊地位，如何結(jié)合近代物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)揮該課程的教育功能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力，對(duì)原子物理學(xué)課程改革的呼聲越來(lái)越高。目前我校也逐步將原有的原子物理學(xué)課程進(jìn)行了現(xiàn)代化改革，做了一些有益的探討和實(shí)踐。

二、整合知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)原子物理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

傳統(tǒng)的原子物理學(xué)教科書大多按照歷史發(fā)展的時(shí)間順序，即按照人類認(rèn)識(shí)原子世界的具體過(guò)程，從“光譜”這一概念入手組織教學(xué)。這種教學(xué)的特點(diǎn)是以光譜實(shí)驗(yàn)事實(shí)為主線，以玻爾的舊量子論為重點(diǎn)，用半經(jīng)典半量子論的方法講授課程。但是對(duì)于這樣的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排，學(xué)生并不容易掌握，而且讓學(xué)生花費(fèi)大量的時(shí)間掌握這些不易理解最終又要被量子論修正的理論，看起來(lái)確實(shí)是沒有必要的。因此傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容有些陳舊并且不易理解，也不能及時(shí)反映現(xiàn)代物理理論和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新水平，因此必須用新觀點(diǎn)和新思想重新組織教學(xué)內(nèi)容，以全新的角度構(gòu)建這門課程的知識(shí)體系。在材料物理專業(yè)學(xué)生原子物理學(xué)的教學(xué)中，可直接用量子力學(xué)的理論研究原子結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。原子中電子的運(yùn)動(dòng)都遵循著量子力學(xué)的理論，而傳統(tǒng)教學(xué)中以學(xué)生不好理解的舊量子論為基礎(chǔ)，再用量子力學(xué)修正的做法并不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。因此可以直接用量子力學(xué)的理論來(lái)研究原子結(jié)構(gòu)及其規(guī)律[1]，而將舊量子論僅僅作為一種鋪墊。實(shí)際教學(xué)中，可以先簡(jiǎn)明扼要地介紹舊量子論的核心內(nèi)容，而不必過(guò)多講授軌道的概念?？梢詣h除橢圓軌道理論和堿金屬原子的原子實(shí)極化和軌道貫穿等內(nèi)容。這樣就實(shí)現(xiàn)了原子物理學(xué)課程知識(shí)體系現(xiàn)代化的第一步，用最新的量子力學(xué)理論成果講述原子中電子的行為。量子力學(xué)理論是從特有的波函數(shù)、哈密頓算符以及薛定諤方程等形式化的理論，以高度濃縮的數(shù)學(xué)形式借鑒了各學(xué)科的研究成果，從而形成了一套獨(dú)特的理論體系。實(shí)際講授中可以薛定諤方程為主線，由薛定諤方程引入微觀粒子的波函數(shù)，建立二階偏微分方程，從而定量描述微觀粒子客體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一方面，根據(jù)不同的勢(shì)能表達(dá)，建立各種原子的薛定諤方程并求解，向?qū)W生闡述這些解的物理意義，并與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相對(duì)照，從而加深學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而把握原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。另一方面，要突出德布羅意物質(zhì)波的統(tǒng)計(jì)解釋。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容總是先從經(jīng)典物理學(xué)的角度和觀點(diǎn)看“粒子”和“波”這兩個(gè)概念，指出二者之間的相互排斥性，然后再引出微觀粒子的波粒二象性，并強(qiáng)調(diào)波粒二象性是微觀粒子客體區(qū)別于宏觀客體的一種屬性。這種講法常常會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生困惑，覺得微觀客體很不可思議，超過(guò)了他們的認(rèn)知和理解范圍。因此在講授時(shí)可以直接給出對(duì)德布羅意波的正確解釋，闡明微觀粒子的波動(dòng)性并非指粒子和波一樣彌漫到整個(gè)空間，它本質(zhì)上是粒子位置分布的一種概率波。為了更好實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化，還應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中穿插關(guān)于物理學(xué)前沿知識(shí)的專題，介紹近代物理學(xué)中和原子物理相關(guān)的最新發(fā)展和高新技術(shù)。在講授某些概念和原理時(shí)，可適當(dāng)介紹最新應(yīng)用成果和科技前沿。例如在講授原子的能級(jí)和激發(fā)時(shí)，可以詳細(xì)介紹激光產(chǎn)生的原理、特性以及應(yīng)用等；在講到隧道效應(yīng)時(shí)，可以介紹掃描隧道顯微鏡的原理及其發(fā)展；在講授X射線的吸收和透射時(shí)，可以介紹在醫(yī)學(xué)診斷和治療中具有廣泛應(yīng)用的CT技術(shù)。增設(shè)這些前沿內(nèi)容，一方面是為了加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)際的聯(lián)系，使內(nèi)容變得生動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面可以讓學(xué)生體會(huì)到當(dāng)今科學(xué)與技術(shù)、生活的高度融合，開擴(kuò)他們的視野，激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情。原子物理學(xué)的發(fā)展伴隨了20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，并且隨著新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、新模型新理論的建立而不斷深入[2]。從歷史上看，原子物理學(xué)的每次重大突破，都經(jīng)歷著非常復(fù)雜曲折的過(guò)程，同時(shí)閃耀著物理學(xué)家創(chuàng)新精神的光芒。在課堂教學(xué)中，教師可以結(jié)合現(xiàn)代化的教學(xué)內(nèi)容，抓住典型的歷史案例進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生了解到科學(xué)探究過(guò)程的艱辛，體會(huì)創(chuàng)新精神的可貴性，并學(xué)習(xí)科學(xué)家們?yōu)榱颂角罂陀^世界真理不畏艱辛、執(zhí)著追求的科學(xué)品質(zhì)和創(chuàng)新精神。

三、實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法的現(xiàn)代化，突出學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

教師教學(xué)的主要任務(wù)是傳授知識(shí)同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生入門，為了更好地突出學(xué)生的主觀能動(dòng)性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，教師有必要改進(jìn)原有的教學(xué)方法。除了教師講授、學(xué)生聽講的傳統(tǒng)教學(xué)方式外，還必須引入更加現(xiàn)代化的教學(xué)方式進(jìn)行有益的補(bǔ)充[3，4]。在原子物理學(xué)課程的教學(xué)中，近代物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)占有舉足輕重的地位，很多重要的理論和結(jié)論都是由實(shí)驗(yàn)直接引出的。因此要特別重視近代物理實(shí)驗(yàn)，課堂教學(xué)時(shí)可以結(jié)合近代物理實(shí)驗(yàn)，如夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)、塞曼效應(yīng)等。在實(shí)驗(yàn)演示中，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，為他們提供更好的認(rèn)識(shí)微觀世界的途徑。同時(shí)，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件允許時(shí)，可以讓學(xué)生先動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，然后針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律，從理論上給予解釋，從而加深學(xué)生對(duì)書本知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。在此過(guò)程中，可以給學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會(huì)重現(xiàn)當(dāng)年物理學(xué)家們探究的過(guò)程，讓學(xué)生能夠親身參與科學(xué)實(shí)驗(yàn)與探究的過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。另外可以指導(dǎo)學(xué)生撰寫與課程相關(guān)的小論文，幫助培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生撰寫的小論文，作為平時(shí)成績(jī)的一部分，計(jì)入學(xué)生的總評(píng)成績(jī)。論文的題目可以圍繞原子物理學(xué)的基本規(guī)律和應(yīng)用，由學(xué)生自己選題、搜索資料并獨(dú)立撰寫。不僅可以激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，拓寬他們的知識(shí)面，還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新的品質(zhì)。在這種教學(xué)過(guò)程中，可以充分體現(xiàn)教師引導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)理念和方法，加強(qiáng)學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的主觀能動(dòng)性，同時(shí)有意識(shí)地培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。endprint

四、實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化，為學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)創(chuàng)造情境條件

原子物理學(xué)課程的內(nèi)容包含的信息量較大，尤其是需要運(yùn)用深?yuàn)W的數(shù)學(xué)公式處理問(wèn)題，因此計(jì)算量大，而且物理圖像也比較抽象，學(xué)生往往受此困擾對(duì)該課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒。如果學(xué)生有畏難情緒，那么會(huì)缺乏學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，這對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)都是非常不利的。為了解決這一問(wèn)題，可以利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，編輯圖文、聲音、視頻并茂的多媒體輔助課件，使抽象的物理過(guò)程和物理圖像能夠形象化[5]，并且可以通過(guò)交互式的教學(xué)方法，增進(jìn)師生之間的互動(dòng)與交流。制作電子教案，采用多媒體手段輔助課堂教學(xué)，可以在教師講授時(shí)創(chuàng)造相關(guān)物理情境，讓學(xué)生可以暢游在物理學(xué)的海洋中，從中汲取有益的信息。例如在講到盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)時(shí)可以介紹散射技術(shù)的背景和儀器設(shè)備；介紹隧道掃描顯微鏡，可以用多媒體課件展示最早的排列原子的“IBM”圖片。通過(guò)這種直觀的展示，能夠讓學(xué)生在課堂隨時(shí)感受科學(xué)的魅力，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的興趣，也增強(qiáng)他們對(duì)創(chuàng)新的渴望和動(dòng)力。另外可以建立課程的教學(xué)網(wǎng)站，作為對(duì)課堂教學(xué)的補(bǔ)充，在課堂之外提供給學(xué)生更多和更生動(dòng)的學(xué)習(xí)資源[6]，同時(shí)可以增設(shè)留言板，進(jìn)一步加強(qiáng)師生之間的互動(dòng)和交流。在這些現(xiàn)代化的教學(xué)輔助手段下，學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸更多的知識(shí)，更多地思考與課程相關(guān)的內(nèi)容，為學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)創(chuàng)造客觀條件。

原子物理學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)中最重要的組成部分之一，它的發(fā)展是眾多物理學(xué)家的思想結(jié)晶，其中包含著十分豐富的物理文化內(nèi)涵。任課教師在傳授知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)充分開發(fā)原子物理學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程對(duì)學(xué)生的教育功能，通過(guò)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段的現(xiàn)代化更好地培養(yǎng)材料物理專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

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