《原子物理學(xué)》教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施探究

張佳　安松松

【摘 要】《原子物理學(xué)》是大學(xué)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)課程，也是銜接經(jīng)典物理與近代物理的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。本文結(jié)合課程設(shè)置內(nèi)容，針對(duì)該課程在授課及學(xué)生學(xué)習(xí)方面的特點(diǎn)和問(wèn)題，提出了若干應(yīng)對(duì)措施，有目的地嘗試解決相應(yīng)問(wèn)題。這些探究對(duì)其它相關(guān)課程的教學(xué)也是一個(gè)很有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】原子物理學(xué)；教學(xué)；興趣引導(dǎo)

中圖分類(lèi)號(hào)： G642；O562-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）25-0185-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.085

【Abstract】 is a required course to the students of physics major in university， which is also the important learning content for the combination of classical physics and modern physics. According to the curriculum content and the characteristics and problems in teaching and learning， several methods were proposed to solve these questions in this paper. These investigations can provide a valuable reference for the teaching of some other relevant courses.

【Key words】Atomic physics； Teaching； Interest guidance

0 引言

《原子物理學(xué)》是大學(xué)階段物理學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)基礎(chǔ)課程，屬于近代物理的范疇，也是經(jīng)典物理和近代物理的連接紐帶[1]。一方面，它沿襲了普通物理的經(jīng)典描述風(fēng)格，介紹量子物理的基本性質(zhì)和物理圖像，并探究支配物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的基本相互作用；另一方面，它采用量子力學(xué)的思想，尋找物質(zhì)結(jié)構(gòu)在原子及原子核結(jié)構(gòu)層次的性質(zhì)、特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一門(mén)科學(xué)。從研究方法來(lái)看，這門(mén)學(xué)科主要從光譜及實(shí)驗(yàn)資料入手，首先提出假設(shè)，隨后建立模型，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)科學(xué)驗(yàn)證，最后形成相關(guān)理論，這有別于普通物理學(xué)發(fā)展思路，即不是從基本概念和規(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)規(guī)律。所以，總體上來(lái)看，《原子物理學(xué)》教學(xué)內(nèi)容具有抽象、枯燥、難以形成直觀感等系列特點(diǎn)，而縱觀其教材（以《原子物理學(xué)》楊福家版[2]為例），有些章節(jié)知識(shí)點(diǎn)前后交叉并且較為分散，如第四章“原子態(tài)的符號(hào)表示”，其詳細(xì)講解在第五章中涉及，而此概念在第四章的突然出現(xiàn)會(huì)讓學(xué)生感到茫然，總的效果是導(dǎo)致部分學(xué)生由于沒(méi)有及時(shí)預(yù)習(xí)功課等原因造成學(xué)習(xí)上的困難或脫節(jié)，甚至?xí)?dǎo)致他們后期對(duì)該課程的學(xué)習(xí)失去興趣和信心。而從課堂整體上看，對(duì)于一些經(jīng)驗(yàn)不足的教師，可能會(huì)出現(xiàn)課堂教學(xué)氣氛沉悶，學(xué)生聽(tīng)講不知所云等現(xiàn)象，對(duì)這門(mén)課的實(shí)施出現(xiàn)教與學(xué)的思路脫節(jié)。

從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，不同層次學(xué)校的學(xué)生在個(gè)人智力、前期物理基礎(chǔ)、對(duì)知識(shí)的渴求程度、自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣等有著較大的差異。如對(duì)于一些985/211院校的學(xué)生而言，對(duì)于知識(shí)的自主學(xué)習(xí)可能比教師的講授更有學(xué)習(xí)興趣和效果，于是哪怕課本不同章節(jié)知識(shí)點(diǎn)有所交叉，也會(huì)通過(guò)自身的主動(dòng)學(xué)習(xí)予以克服；然而對(duì)于一些二本院校學(xué)生則不然，教師的課堂講授占據(jù)了他們獲取知識(shí)的絕大部分渠道，有些知識(shí)若上課當(dāng)場(chǎng)未能解決則可能會(huì)成為永久的疑問(wèn)，這也是這類(lèi)院校學(xué)生對(duì)知識(shí)總體結(jié)構(gòu)框架把握不清、學(xué)習(xí)興趣淡薄的重要原因。針對(duì)以上客觀現(xiàn)象，本論文以《原子物理學(xué)》這門(mén)課程作為載體，結(jié)合該課程的特點(diǎn)，介紹了一些相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施和方法，對(duì)其它學(xué)科的教學(xué)也有一定的借鑒作用。

1 應(yīng)對(duì)措施

1.1 優(yōu)化授課脈絡(luò)和思路

縱觀《原子物理學(xué)》全書(shū)內(nèi)容可知，其理論知識(shí)的發(fā)展具有一個(gè)主線，簡(jiǎn)單地說(shuō)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)有后續(xù)一個(gè)假設(shè)的提出，為了完善或發(fā)展這個(gè)假設(shè)，隨后會(huì)有新的關(guān)鍵內(nèi)容被提出，最終實(shí)現(xiàn)較為完善的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)框架。關(guān)于這種思路，《原子物理學(xué)》中有一典型的教學(xué)內(nèi)容可以在此進(jìn)行分析：當(dāng)蓋革-馬斯頓實(shí)驗(yàn)中采用α粒子轟擊原子時(shí)，發(fā)現(xiàn)α粒子在此過(guò)程中大約有八千分之一的概率被反射回來(lái)，對(duì)于此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，湯姆孫提出的“葡萄干面包模型”假設(shè)顯然不適用，經(jīng)過(guò)分析，盧瑟福提出了“核式結(jié)構(gòu)”模型，成功地解釋了這一現(xiàn)象，并推導(dǎo)出著名的盧瑟福散射公式。既然“核式結(jié)構(gòu)”模型已經(jīng)被認(rèn)可，那么模型中電子如何繞原子核運(yùn)動(dòng)，是否有其相應(yīng)軌道等問(wèn)題必然會(huì)被思考。隨后科學(xué)家玻爾基于盧瑟福原子模型，并結(jié)合相關(guān)的原子光譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律和普朗克的量子化概念，提出了新的原子模型即玻爾模型，并成功建立了氫原子理論。盡管如此，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用波爾理論應(yīng)用于一些較復(fù)雜的原子時(shí)，就與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了較大的出入，這表明，該模型還比較粗略，還需要新的理論或假設(shè)進(jìn)行完善。而在另一方面，當(dāng)用更高分辨率的儀器仔細(xì)觀察光譜線時(shí)，發(fā)現(xiàn)還存在精細(xì)結(jié)構(gòu)，于是玻爾理論中只考慮原子核和電子的靜電作用就已經(jīng)不足以解釋此現(xiàn)象了，磁相互作用的引入以及電子自旋假設(shè)的提出很好的解釋了這一結(jié)果。若根據(jù)上述這一理論發(fā)展主線進(jìn)行講解，基本可涵蓋教材一半的內(nèi)容，而且還可形成清晰的脈絡(luò)和思路，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)游刃有余。

1.2 穿插故事作為興趣引導(dǎo)

針對(duì)《原子物理學(xué)》涉及知識(shí)的抽象化，在每講一個(gè)章節(jié)內(nèi)容時(shí)，可穿插幾個(gè)背景故事作為課程的開(kāi)始，在此期間也可適當(dāng)講一下故事主角的生平，逐漸將學(xué)生的情緒和思路帶入到后續(xù)具體的理論知識(shí)中來(lái)。例如，在講湯姆孫“葡萄干面包模型”到盧瑟?！昂耸浇Y(jié)構(gòu)”模型的理論發(fā)展時(shí)，首先介紹一下湯姆孫如何通過(guò)陰極射線管中電子核質(zhì)比的測(cè)量預(yù)言了電子的存在，隨后湯姆孫提出原子中帶正電部分均勻分布在原子體內(nèi)，電子鑲嵌在其中，即所謂的“葡萄干面包模型”。然而，為了檢驗(yàn)該模型是否正確，盧瑟福設(shè)計(jì)了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀察到大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后發(fā)生約1度的偏轉(zhuǎn)，但有少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度很大，超過(guò)90度以上，甚至高達(dá)180度，對(duì)于此實(shí)驗(yàn)事實(shí)，湯姆孫說(shuō)“就像一枚15英寸的炮彈打在一張紙上又被反彈回來(lái)一樣”，所以無(wú)法用湯姆孫模型加以解釋?zhuān)窃又姓姾杉性诤苄〉捏w積內(nèi)時(shí)，排斥力才會(huì)大到使α粒子發(fā)生大角度散射。正是在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。故事講完了，問(wèn)題也來(lái)了，到底在α粒子轟擊金箔時(shí)遵循什么樣的力學(xué)規(guī)律？能夠在某一角度散射的α粒子數(shù)目或幾率到底多大？帶著一個(gè)一個(gè)的疑問(wèn)，就可開(kāi)始后續(xù)的理論推導(dǎo)課程講解，學(xué)生的思路和注意力也會(huì)順理成章地被帶入到教師的講課中來(lái)。

1.3 定期考核，溫故知新

針對(duì)《原子物理學(xué)》知識(shí)點(diǎn)散亂不夠系統(tǒng)，并且不同章節(jié)存在知識(shí)點(diǎn)交叉的問(wèn)題，可嘗試在整個(gè)學(xué)期的授課過(guò)程中，定期對(duì)前面講過(guò)的內(nèi)容進(jìn)行小的考核。一方面可以加深學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)知識(shí)的印象，另一方面可以思考以前對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解是否正確，現(xiàn)在是否有新的想法，做到溫故而知新。重要的是，復(fù)習(xí)并考核以往的知識(shí)內(nèi)容，有助于理解和學(xué)習(xí)正在授課章節(jié)的知識(shí)，幫助學(xué)生完成新舊知識(shí)的銜接。例如，在講楊福家第四版《原子物理學(xué)》第五章中“原子態(tài)”內(nèi)容時(shí)，溫習(xí)并考核第四章中“電子自旋的假設(shè)”及“堿金屬雙線”的相關(guān)內(nèi)容，不僅可以幫助學(xué)生理解原子態(tài)的形成過(guò)程，還可以對(duì)電子自旋導(dǎo)致的堿金屬雙線結(jié)構(gòu)以及相關(guān)聯(lián)的朗德因子的計(jì)算形成更為深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

1.4 聯(lián)系相關(guān)科研，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合

《原子物理學(xué)》所設(shè)內(nèi)容全部都是通過(guò)課堂理論講解來(lái)完成，尤其對(duì)于一些抽象的概念，單純地從頭腦中形成理論理解還顯得不夠，更重要的是，能否將學(xué)到的理論在實(shí)踐中有所體現(xiàn)，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，并且互相印證，進(jìn)而牢固所學(xué)知識(shí)。本論文針對(duì)此問(wèn)題，嘗試提出將課堂部分概念或理論，有效地和教師科研內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，甚至可以帶動(dòng)學(xué)生親自操作相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)，這不僅可以輔助學(xué)生理解課本內(nèi)容，還可以以此為契機(jī)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和基礎(chǔ)，對(duì)以后的發(fā)展大為有力。

2 結(jié)論

綜上所述，本文針對(duì)目前《原子物理學(xué)》教學(xué)過(guò)程中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，結(jié)合大學(xué)生尤其是二本院校學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和特點(diǎn)，一方面，分析了所見(jiàn)問(wèn)題的形成原因及特征，另一方面，提出可以通過(guò)優(yōu)化授課脈絡(luò)和思路、穿插故事作為興趣引導(dǎo)、定期考核及聯(lián)系相關(guān)科研等措施，有針對(duì)性地解決上述問(wèn)題。這些探討可以對(duì)教師在此課程或其它具有類(lèi)似特點(diǎn)的課程講解中引發(fā)一些思考或提供一些指導(dǎo)，具有一定的參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張玉廣，王庭太，劉生滿，葛向紅，張明，李林.原子物理學(xué)教學(xué)改革的初步思考[J].科技世界，2012（12）：75-76.

[2]楊福家.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社.

[3]楊流賽，謝愛(ài)理，楊勤桃，彭思艷.材料科學(xué)學(xué)報(bào)，2016（30）：156-160.