基于創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的原子物理學(xué)課程改革研究*

陳 琳，李 勇，黃 帥，肖政國(guó)

(銅仁學(xué)院大數(shù)數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

1 引言

原子物理學(xué)是物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的核心課程，如何提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)一直是廣大高校物理教育工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。上世紀(jì)90年代初，喀興林教授就提出原子物理學(xué)課程的現(xiàn)代化問(wèn)題，指出該課程一些經(jīng)典教材普遍存在“過(guò)分理論化傾向，內(nèi)容顯得比較陳舊”等現(xiàn)象[1]，此后不斷有人從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)等方面進(jìn)行改革探索[2,3,4,5,6]，例如張玉青等人在教學(xué)實(shí)踐中增加了如原子冷卻和囚禁、冷原子技術(shù)應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容[2]，李新等人專門(mén)討論了原子物理學(xué)課程對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)[4]，所有這些課程改革研究無(wú)疑為提高我國(guó)高校的原子物理學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量提供了有益的思路。然而根據(jù)清華大學(xué)朱邦芬院士針對(duì)物理學(xué)專業(yè)核心課程教材多樣性的一項(xiàng)研究，我國(guó)原子物理學(xué)課程的優(yōu)質(zhì)教材依然稀缺[7]，教學(xué)內(nèi)容與原子物理學(xué)近60年的研究成果相差甚遠(yuǎn)，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維和能力培養(yǎng)。在長(zhǎng)期從事該課程的教學(xué)實(shí)踐中，我們也嘗試進(jìn)行了原子物理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式的改革探索，取得一定效果。

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

原子物理學(xué)自上世紀(jì)初建立以來(lái)，取得輝煌成就，作為一門(mén)課程，主要介紹人們?cè)谘芯课镔|(zhì)在原子層次的微觀結(jié)構(gòu)方面建立的一些基本理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，在物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)培養(yǎng)中具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)開(kāi)設(shè)原子物理學(xué)課程的物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的高校主要使用兩本教材，其中43%的使用褚圣麟編寫(xiě)《原子物理學(xué)》，45%的使用楊福家的《原子物理學(xué)》。這兩本經(jīng)典教材基本反映上世紀(jì)70年代以前原子物理的研究成果，80年代以后的物理學(xué)研究成果在教材中沒(méi)有充分體現(xiàn)出來(lái)，相比之下，國(guó)外一些同類教材則與原子物理的研究前沿結(jié)合得非常緊密[8,9,10]?；谏鲜鲈?，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中做了一些改革試驗(yàn)，將原子物理學(xué)和量子力學(xué)作為一個(gè)整體，重新優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，刪減部分交叉充分和過(guò)于繁復(fù)的理論推導(dǎo)，增加部分過(guò)去教材中沒(méi)有的新的重要研究成果，主要變化表現(xiàn)在：

（1）整合原子物理學(xué)和量子力學(xué)兩門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容，減少不必要的交叉重復(fù)，讓學(xué)生了解更多前沿知識(shí)。在使用率比較高的《原子物理學(xué)》（褚圣麟）和《量子力學(xué)》（周世勛）兩本教材中有很多重復(fù)內(nèi)容，如黑體輻射、光電效應(yīng)、解薛定諤方程、塞曼效應(yīng)等，大約占《量子力學(xué)》的20%，重復(fù)內(nèi)容占用太多課時(shí)，在學(xué)校大量壓縮專業(yè)課程學(xué)時(shí)的大環(huán)境下，很多老師反映講授原子物理學(xué)時(shí)只能講解書(shū)上的一些基本內(nèi)容，無(wú)法適當(dāng)拓展讓學(xué)生了解課程前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)。我們重新劃分原子物理學(xué)和量子力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，在原子物理學(xué)講過(guò)的在量子力學(xué)中不再簡(jiǎn)單重復(fù)，需要在量子力學(xué)中講的在原子物理學(xué)中不過(guò)多強(qiáng)調(diào)，比如我們?cè)谠游锢韺W(xué)中介紹波粒二像性不講測(cè)不準(zhǔn)原理，分別講解電子波動(dòng)性和電子顯微鏡、中子波動(dòng)性和中子譜、原子束的波動(dòng)性和原子干涉儀，在量子力學(xué)中則集中分析測(cè)不準(zhǔn)原理；再比如薛定諤方程，原子物理學(xué)中介紹解氫原子的三維薛定諤方程，在量子力學(xué)中重點(diǎn)講解無(wú)限深勢(shì)阱和粒子囚禁、量子隧穿和掃描隧道顯微鏡、諧振子；再比如講自旋，原子物理學(xué)中重點(diǎn)在塞曼效應(yīng)、電子順磁共振，量子力學(xué)則講解核磁共振、巨磁電阻效應(yīng)。

（2）克服過(guò)分理論化傾向，注重理論的實(shí)際應(yīng)用和前沿研究。正如喀心林教授所說(shuō)，傳統(tǒng)物理學(xué)教材注重?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)的嚴(yán)密性和理論系統(tǒng)性，不利于發(fā)散思維培養(yǎng)，造成學(xué)習(xí)興趣不足、知識(shí)應(yīng)用能力差。教學(xué)中我們略去部分復(fù)雜的公式推導(dǎo)，而側(cè)重于物理思想分析和理論應(yīng)用。例如在講解波粒二象性時(shí)，略去了用雙縫干涉分析測(cè)不準(zhǔn)原理部分，介紹德布羅意波公式后依次分析電子波、中子波、原子波的檢驗(yàn)和應(yīng)用；光電效應(yīng)一節(jié)增加了光電倍增管，斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)一節(jié)增加原子分束技術(shù)、原子的選態(tài)分離技術(shù)，增加X(jué)射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用等，引導(dǎo)學(xué)生如何將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題，了解原子物理研究前沿現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力。

（3）教學(xué)內(nèi)容不再以科學(xué)研究的歷史為線索，而是按照原子結(jié)構(gòu)層次，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的邏輯順序，分析他們的相互作用、原子構(gòu)成、能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)躍遷和光譜。在原子光譜部分，增加了多普勒頻率展寬和自然躍遷展寬，克服只講靜止原子的中心頻率的缺點(diǎn)，避免學(xué)生形成原子光譜就是一種單一頻率的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

（4）增加科學(xué)史教育，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維。在原子物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中，沒(méi)有任何一種理論是一蹴而就的，而是多種思想反復(fù)碰撞，經(jīng)歷一次又一次的肯定-否定-再否定-再肯定的認(rèn)識(shí)過(guò)程才確立起來(lái)的。比如電子發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)陰極射線之后赫茲、勒納等物理學(xué)家認(rèn)為是電磁波，克魯克斯、湯姆生等認(rèn)為是帶電粒子，無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)和論爭(zhēng)，最終才由J.J.湯姆生確認(rèn)是新的粒子；再如原子結(jié)構(gòu)確立，發(fā)現(xiàn)電子后湯姆生提出蛋糕模型，長(zhǎng)生伴太郎提出行星模型，盧瑟福等人通過(guò)多次粒子散射實(shí)驗(yàn)建立起原子核式結(jié)構(gòu)模型。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的各種思想碰撞，培養(yǎng)批判性思維，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的火花和創(chuàng)新靈感。

3 創(chuàng)新教學(xué)模式，培養(yǎng)科學(xué)研究方法

（1）探索項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和小組討論的教學(xué)模式，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的理論課教學(xué)信息流向是單向的，教學(xué)過(guò)程中學(xué)生參與度低，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高。在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容之后，增加了很多應(yīng)用性的內(nèi)容，于是針對(duì)這些應(yīng)用性的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置微型研究項(xiàng)目，例如弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新研究、斯特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究，激發(fā)學(xué)生對(duì)這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行拓展性設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)施課程項(xiàng)目，促使學(xué)生主動(dòng)查閱資料，增強(qiáng)學(xué)生了信息收集能力、閱讀能力、實(shí)驗(yàn)操作能力等。

小組討論教學(xué)模式也可以在教學(xué)疑難環(huán)節(jié)設(shè)置討論話題，讓學(xué)生自己進(jìn)行公式推導(dǎo)，或者是介紹某個(gè)問(wèn)題的一種解決方法后啟發(fā)學(xué)生發(fā)散思維，尋找其他解決辦法。

（2）以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)激發(fā)學(xué)生求知欲。每個(gè)章節(jié)首先提出一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，引起學(xué)生興趣，然后圍繞分析問(wèn)題、建立模型、形成理論、應(yīng)用與推廣開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，使每個(gè)章節(jié)的教學(xué)形成提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題這樣一個(gè)邏輯閉環(huán)。

（3）注重歸納法、演繹法和類比法等思維方法的培養(yǎng)。歸納法和邏輯演繹法是建立整個(gè)物理學(xué)宏偉大廈的核心思維方法，在原子物理學(xué)研究中體現(xiàn)特別明顯。首先原子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)都是從某種元素原子開(kāi)始，然后換用其他元素原子，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)普遍規(guī)律，然后又將獲得的普遍規(guī)律用于研究未知的原子，對(duì)已知理論進(jìn)行檢驗(yàn)和改進(jìn)。這樣一步一步地從個(gè)別到普遍、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由此及彼推進(jìn)對(duì)原子世界的認(rèn)識(shí)。例如在原子結(jié)構(gòu)認(rèn)知過(guò)程中，先是從只有一個(gè)電子的氫原子入手，建立玻爾氫原子理論，然后建立量子力學(xué)普遍規(guī)律，再將量子力學(xué)推廣到其他復(fù)雜原子。

4 實(shí)施多元化課程考核，推動(dòng)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變

美國(guó)著名教育家布魯姆將學(xué)習(xí)分成記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新6 個(gè)層次，單一的筆試方式難以對(duì)分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。2018 年以來(lái)，我們針對(duì)本校學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃，學(xué)習(xí)能力差、創(chuàng)新意識(shí)淡薄等實(shí)際情況，制定了原子物理學(xué)過(guò)程考核辦法，強(qiáng)化過(guò)程考核，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變。過(guò)程考核包括課堂討論、課堂筆記、課后作業(yè)、階段測(cè)試、課程項(xiàng)目5 個(gè)環(huán)節(jié)，其中課程項(xiàng)目又包括文獻(xiàn)閱讀、實(shí)驗(yàn)（計(jì)算）、撰寫(xiě)報(bào)告、匯報(bào)交流4 項(xiàng)內(nèi)容。通過(guò)兩年實(shí)踐表明，學(xué)生學(xué)習(xí)效果已初見(jiàn)成效，基本杜絕上課玩手機(jī)、睡覺(jué)、逃課等現(xiàn)象，上課能夠積極參與到教學(xué)活動(dòng)中，考試成績(jī)也逐年提高，今后主要是提高學(xué)生創(chuàng)新能力，通過(guò)課程項(xiàng)目實(shí)施科技創(chuàng)新。

5 總結(jié)與展望

原子物理學(xué)屬于半經(jīng)典、半量子的物理理論，銜接經(jīng)典物理和量子力學(xué)及量子場(chǎng)論等。自19 世紀(jì)末電子發(fā)現(xiàn)以來(lái)，原子物理學(xué)研究極大地促進(jìn)了人類文明進(jìn)步，其中20 多項(xiàng)重要成果獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了小到夸克層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立了量子力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)、量子色動(dòng)力學(xué)等物理理論，并在精密計(jì)量、核能、激光、材料、醫(yī)療衛(wèi)生等方面得到廣泛應(yīng)用，是物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)中最能體現(xiàn)科學(xué)創(chuàng)新的一門(mén)課程，在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，大學(xué)的原子物理學(xué)課程應(yīng)適時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，使其與學(xué)科發(fā)展緊密接軌，讓學(xué)生充分了解其前沿理論和技術(shù)應(yīng)用，加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)，提高人才質(zhì)量。在長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐中，我們參考其他學(xué)者的原子物理學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，積極探索小組討論和課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，實(shí)施多元化過(guò)程考核，學(xué)習(xí)風(fēng)氣發(fā)生巨大變化，但仍處于改革起始階段，課程項(xiàng)目的內(nèi)容和形式還比較簡(jiǎn)單，多元化考核方法不夠精細(xì)，還缺少學(xué)生創(chuàng)新成果作為有力支撐，這是我們需要繼續(xù)努力的新方向。

一成不變的教學(xué)內(nèi)容，枯燥乏味教學(xué)模式、傳統(tǒng)單一的閉卷考試方法，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不利于對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)，因此改革教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)模式、探索非標(biāo)準(zhǔn)化、多元化的過(guò)程考核，并以此推動(dòng)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變、由知識(shí)記憶型學(xué)習(xí)向知識(shí)創(chuàng)新型學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，是高等教育進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在新一輪旨在提高全國(guó)高等教育創(chuàng)新能力的改革中，一定會(huì)形成更多關(guān)于原子物理學(xué)教學(xué)改革的優(yōu)秀成果。