“大學(xué)物理學(xué)”近代物理學(xué)篇章的總體教學(xué)和課程思政設(shè)計(jì)

何春鳳，段 彬，白炳蓮

（吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

引言

本文以張鐵強(qiáng)主編的《大學(xué)物理學(xué)》（高等教育出版社）中的近代物理學(xué)篇章為研究對(duì)象，進(jìn)行了整體教學(xué)和課程思政設(shè)計(jì)。該篇章包含《相對(duì)論》《波粒二象性》和《量子力學(xué)》三章，教學(xué)大綱的課時(shí)（含習(xí)題課）為20個(gè)學(xué)時(shí)，大綱要求掌握12個(gè)A級(jí)知識(shí)點(diǎn)，14個(gè)B級(jí)知識(shí)點(diǎn)。本篇章的整體教學(xué)設(shè)計(jì)注重章節(jié)之間的邏輯關(guān)系，在分章講解內(nèi)容之前給出了每個(gè)章節(jié)的基本核心內(nèi)容及相互關(guān)系。課程思政設(shè)計(jì)以厘清為什么學(xué)、學(xué)什么、如何學(xué)、效果怎么樣為目的開(kāi)展，在教學(xué)目的、目標(biāo)與方法、方法與策略等方面做了專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，旨在引起學(xué)生情感上的共鳴，有效激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力，達(dá)到“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的課程思政教學(xué)效果［1-2］。

一、整體教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)的根本原則以提升學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)為目的。邏輯思維能力是學(xué)習(xí)能力的核心，選用科學(xué)的課堂設(shè)計(jì)策略能夠優(yōu)化教學(xué)效果，提高教學(xué)效益，進(jìn)而打造高效率、高效益、高效果的課堂教學(xué)。

（一）近代物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)

物理學(xué)分為經(jīng)典物理學(xué)和近代物理學(xué)兩部分。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，近代物理學(xué)的范疇以1895年X射線、1896年放射線和1897年電子這三大發(fā)現(xiàn)（均獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）為開(kāi)端，由“萬(wàn)里晴空中出現(xiàn)的兩朵烏云”（以太漂移和紫外災(zāi)難）誘發(fā)了經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念危機(jī)，由此引發(fā)了物理學(xué)上的一場(chǎng)革命。量子理論和相對(duì)論是近代物理學(xué)的兩大支柱。量子理論解決了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本形態(tài)和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。相對(duì)論主要解決了時(shí)空的概念。波粒二象性在某種意義上是量子理論的進(jìn)步，是量子物理學(xué)的前期定量的過(guò)程，是中間的過(guò)渡期。

（二）相對(duì)論

相對(duì)論是愛(ài)因斯坦總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)并做了一定創(chuàng)新的集成。他認(rèn)為相對(duì)論分成兩部分：一部分是1905年提出來(lái)的狹義相對(duì)論，主要解決了慣性系的問(wèn)題，即物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系有沒(méi)有優(yōu)劣，也就是物理學(xué)的一個(gè)規(guī)律相對(duì)于不同的慣性參照系來(lái)講會(huì)不會(huì)出現(xiàn)差異。愛(ài)因斯坦強(qiáng)調(diào)不同的慣性參照系沒(méi)有優(yōu)劣之分，而不是像牛頓所描述的需要有一個(gè)絕對(duì)靜止的慣性參照系。但是狹義相對(duì)論并沒(méi)有徹底解決問(wèn)題，愛(ài)因斯坦得出狹義相對(duì)論之后，馬上發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界中找不到這樣的慣性參照系，因?yàn)槲覀兩娴目臻g都有引力的作用，有引力就存在加速度，因此一定不是慣性系，所以愛(ài)因斯坦覺(jué)得自己沒(méi)有徹底解決全部問(wèn)題。1916年，愛(ài)因斯坦對(duì)非慣性參照系的問(wèn)題做出了解釋?zhuān)⒘艘粋€(gè)新的時(shí)空說(shuō)法，即廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論較好地解決了非慣性系和引力之間的關(guān)系，建立了普適的時(shí)空觀。

在講解相對(duì)論的具體知識(shí)點(diǎn)時(shí)，要明確告訴學(xué)生應(yīng)該從以把握相對(duì)論的基本觀點(diǎn)為核心出發(fā)，通過(guò)熟練運(yùn)用相對(duì)論的基本公式解決實(shí)際問(wèn)題。相對(duì)論中的洛倫茲變換內(nèi)容以事件為例進(jìn)行推導(dǎo)，教師在講授時(shí)，將事件以貼近學(xué)生生活的鮮活實(shí)例為例，學(xué)生接受起來(lái)更為容易。比如地面參考系發(fā)生的兩件事，不再簡(jiǎn)單地?cái)⑹鰹槭录?和事件2，而具體描述事件1為學(xué)生現(xiàn)在在教室上課，事件2為沒(méi)來(lái)上課的學(xué)生此時(shí)在寢室睡覺(jué)。進(jìn)而提出問(wèn)題：宇宙飛船中的人（運(yùn)動(dòng)的參考系）是否認(rèn)為學(xué)生正在上課和學(xué)生在寢室睡覺(jué)這兩件事是同時(shí)發(fā)生的？宇宙飛船中的人認(rèn)為我們?cè)诮淌疑贤暌还?jié)課的時(shí)間是多少？是45分鐘（我們地球參考系認(rèn)為的時(shí)間長(zhǎng)度）嗎？這樣就自然引出了同時(shí)的相對(duì)性問(wèn)題和動(dòng)鐘變緩的問(wèn)題。在講解相對(duì)論的時(shí)空觀遵循洛倫茲變換時(shí)，可以通過(guò)實(shí)際化和日?；膶?shí)例，提高學(xué)生的興趣，更易于被學(xué)生所接受。

（三）波粒二象性和量子力學(xué)

《波粒二象性》一章的核心是量子概念。1900年普朗克提出量子論，5年后愛(ài)因斯坦做了進(jìn)一步的補(bǔ)充，提出光也是一種粒子，即光子的假說(shuō)；之后康普頓通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的假說(shuō)——傳統(tǒng)的波具有粒子屬性。但是，該粒子學(xué)說(shuō)和牛頓的彈性小球假設(shè)在本質(zhì)上是有差別的。傳統(tǒng)的粒子，比如粉筆頭、運(yùn)動(dòng)的小汽車(chē)，確切到微觀上，比如電子、原子、分子等，我們都把它看作一個(gè)粒子、一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，但是借助普朗克和愛(ài)因斯坦提出的假設(shè)，通過(guò)反向思維，德布羅意提出傳統(tǒng)意義上的粒子是否可以看作是一種波。任何一種物質(zhì)都應(yīng)該具有粒子和波動(dòng)兩種屬性。如何讓學(xué)生理解粒子和波動(dòng)的兩種屬性是本章教學(xué)的根本問(wèn)題。

課程導(dǎo)入和講解完全按照歷史的發(fā)展脈絡(luò)，即按照時(shí)間的順序（1900—1929年）講述。通過(guò)特殊物理事件發(fā)生的時(shí)間，引領(lǐng)學(xué)生回顧歷史長(zhǎng)河中物理學(xué)的發(fā)展遇到的問(wèn)題，以及這些問(wèn)題是如何被發(fā)現(xiàn)和提出的，最后是如何解決的。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅使學(xué)生清晰地了解了教學(xué)內(nèi)容，還對(duì)學(xué)生的思維能力訓(xùn)練非常有益。

闡述波粒二象性和量子力學(xué)兩部分內(nèi)容的邏輯關(guān)系。量子物理學(xué)是建立在波粒二象性的基礎(chǔ)之上，研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。微觀粒子的規(guī)律即波粒二象性。微觀粒子不是單純的一個(gè)粒子，更重要的是具有波動(dòng)性，即對(duì)微觀粒子的研究要采用波動(dòng)的理論進(jìn)行描述，這就是量子力學(xué)的核心思想。量子物理學(xué)往往在微觀、原子、分子的結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)用得比較充分，但是并不是說(shuō)量子力學(xué)只適合微觀世界，其在宏觀世界同樣適用，只不過(guò)在宏觀世界里所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律，采用傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)就可以很好地表達(dá)，能夠滿(mǎn)足社會(huì)的需求。

二、課程思政設(shè)計(jì)

課程思政設(shè)計(jì)注重學(xué)生的自我體驗(yàn)和感悟，注重與教學(xué)元素相融合，由一個(gè)思政點(diǎn)到多個(gè)思政點(diǎn)，再到一條思政線和一個(gè)思政面，打造全方位多維度的課程思政體系［3］。思政元素的設(shè)計(jì)應(yīng)避免“生切和嫁接”，以對(duì)課程內(nèi)容的重構(gòu)再造為基礎(chǔ)，將挖掘的思政元素有機(jī)融合到課程設(shè)計(jì)中。課程設(shè)計(jì)尤其注重給學(xué)生帶來(lái)的變化和與學(xué)生情感上的共鳴，讓學(xué)生能夠自然地接受，進(jìn)而有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，達(dá)到“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的課程思政效果，實(shí)現(xiàn)思想政治教育和知識(shí)教育的有機(jī)統(tǒng)一，育人和育才統(tǒng)一。

（一）相對(duì)論課程思政設(shè)計(jì)

在講完《相對(duì)論》一章的內(nèi)容后，布置了一項(xiàng)作業(yè)。作業(yè)的內(nèi)容設(shè)置如下：相對(duì)論的基本假設(shè)之一是所有慣性系在物理學(xué)領(lǐng)域都是等價(jià)的。針對(duì)上述教學(xué)內(nèi)容，你有什么關(guān)于生活和人生的思考呢？談?wù)勀愕南敕?。胡同學(xué)說(shuō)：“在學(xué)習(xí)了相對(duì)論的原理方法之后，我對(duì)人生和時(shí)間的概念有了更深刻的感悟。看上去變慢的時(shí)鐘，只是因?yàn)橛^察的角度不同，而在相對(duì)的時(shí)空里，它仍然在以不可抗拒的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。今夕復(fù)何夕，共此燈燭光。我從時(shí)光的縫隙中窺見(jiàn)一絲人生的真實(shí)質(zhì)地，它清澈又冰冷，滿(mǎn)懷溫情卻又遵循規(guī)律，這是讓我們要更加惜時(shí)！”徐同學(xué)說(shuō)：“現(xiàn)在的我相對(duì)于大一的我，本身并未改變，但知識(shí)的儲(chǔ)備量及對(duì)人生方向有了不同的見(jiàn)解。從另一種意義上來(lái)說(shuō)，我并不是之前的我，我比之前變得優(yōu)秀了，我也會(huì)在以后的日子里不斷豐富自己的知識(shí)，早日對(duì)社會(huì)做出貢獻(xiàn)?！睏钔瑢W(xué)說(shuō)：“相對(duì)論的同時(shí)的相對(duì)性，讓我想到，人生中不一定所有事情都是按照因果律，按照你的想法去發(fā)生的，可能會(huì)有意想不到的結(jié)果，我們對(duì)此要做好充分的心理準(zhǔn)備。另外，物理世界的奧妙值得我們繼續(xù)探討，感覺(jué)好玄乎，又好吸引我們?！备咄瑢W(xué)說(shuō)：“一個(gè)物體的長(zhǎng)度、時(shí)間變化，在不同的參考系下都會(huì)不同，就如同不同人眼睛中的自己一樣，亦會(huì)是不一樣的存在，我們無(wú)法在不同的參考系或時(shí)空中取得完全相同的人身，所以活出自我，活在當(dāng)下，努力過(guò)好自己認(rèn)為不留遺憾的人生?！睆膶W(xué)生的反饋來(lái)看，《相對(duì)論》章節(jié)的課程思政達(dá)到了潤(rùn)物無(wú)聲的效果。

（二）波函數(shù)和概率密度課程思政設(shè)計(jì)

課程思政設(shè)計(jì)首先從講述波函數(shù)的概率解釋的歷史地位入手，結(jié)合概率解釋的假設(shè)成立的內(nèi)在理論邏輯、歷史邏輯和實(shí)踐邏輯，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知世界的精神、科學(xué)思維方法和邏輯思維能力。概率解釋是量子力學(xué)的五大基本假設(shè)之一。在物理學(xué)中，定律、公理、假設(shè)的正確性是由實(shí)驗(yàn)或日常經(jīng)驗(yàn)證明的，這些結(jié)論不是經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算推導(dǎo)得出的。在使用時(shí)，可以先假設(shè)它們是正確的，再以此為基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)數(shù)理邏輯推理后建立起相應(yīng)的理論體系。如果這套體系能夠解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就認(rèn)為在一定范圍內(nèi)這些假設(shè)具備了正確性。雖然現(xiàn)在我們查閱史料，找不到波恩當(dāng)初到底是根據(jù)什么思維邏輯提出的概率解釋?zhuān)撬茖?dǎo)出來(lái)的理論，經(jīng)過(guò)后人的實(shí)驗(yàn)證明了其可用性，是正確的。

（三）薛定諤方程課程思政設(shè)計(jì)

1.從薛定諤方程的地位說(shuō)起。薛定諤方程在物理史上具有偉大的意義，被譽(yù)為十大經(jīng)典公式之一，是世界原子物理學(xué)文獻(xiàn)中應(yīng)用最廣泛、影響最大的公式，是量子力學(xué)最基本的方程之一，描述了量子態(tài)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。薛定諤方程常常被比作量子力學(xué)中的牛頓第二定律。薛定諤作為愛(ài)因斯坦的忠實(shí)支持者，建立此方程的本意是為了反擊哥本哈根學(xué)派的海森堡的觀點(diǎn)，然而薛定諤沒(méi)有想到自己的方程和“薛定諤的貓”的思想實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展。薛定諤為全人類(lèi)、全世界的發(fā)展貢獻(xiàn)了自己的智慧和力量。這是以學(xué)科的模范典型人物的開(kāi)拓創(chuàng)新精神來(lái)開(kāi)展課程思政設(shè)計(jì)的。

2.講解薛定諤方程的出現(xiàn)是歷史的必然。討論薛定諤為什么會(huì)得出一個(gè)不同于牛頓力學(xué)的方程。直接原因是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)法用牛頓力學(xué)來(lái)描述。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子和光子在不受力時(shí)，既不靜止，也不勻速直線運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)很尷尬的事實(shí)，這說(shuō)明牛頓力學(xué)是不完備的，是有缺陷的，即牛頓力學(xué)的適用是有局限性的。人們想要利用微觀世界，就必須理解微觀世界，掌握微觀世界的規(guī)律，同時(shí)提出一個(gè)全新的理論來(lái)解釋微觀世界的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，因此薛定諤方程應(yīng)運(yùn)而生。但是薛定諤方程也有其局限性，它沒(méi)有考慮速度，而很多微觀粒子都是在接近光速運(yùn)動(dòng)的，因此，相對(duì)論效應(yīng)絕對(duì)是不可忽視的。這些物理學(xué)史本身就是課程思政點(diǎn)，告訴學(xué)生要堅(jiān)持用與時(shí)俱進(jìn)和科學(xué)的批判眼光看待世界萬(wàn)物，同時(shí)，課程思政設(shè)計(jì)意在告訴學(xué)生要在思想的傳承中開(kāi)展科學(xué)研究。

接著討論以下兩個(gè)問(wèn)題：一是求解薛定諤方程能得到哪些有用信息；二是薛定諤方程本身的含義是什么。通過(guò)回答這兩個(gè)問(wèn)題，自然會(huì)追溯到一個(gè)根本問(wèn)題：進(jìn)入量子力學(xué)的正確思想準(zhǔn)備是什么。在量子力學(xué)中，我們熟悉的經(jīng)典力學(xué)量信息在何處。畢竟宏觀世界與微觀世界不是割裂的，所以在經(jīng)典力學(xué)中能得到的信息，在量子力學(xué)中也必然包含，即經(jīng)典力學(xué)量的信息都以概率形式被包含在波函數(shù)當(dāng)中。換言之，波函數(shù)不是一個(gè)具體的物理量，其包含了所有經(jīng)典力學(xué)量的概率信息，也就是波函數(shù)概率解釋的內(nèi)在本質(zhì)邏輯關(guān)系。同時(shí)，講清楚抽象的概念和深?yuàn)W的理論也是課程思政的內(nèi)容。

（四）隧道效應(yīng)課程思政設(shè)計(jì)

本部分的課程思政設(shè)計(jì)圍繞內(nèi)容本身富含的中華民族的文化要素開(kāi)展。隧道效應(yīng)的直接應(yīng)用是掃描隧道顯微鏡（STM）。掃描隧道顯微鏡是在1982年由IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室研制成功的，STM的問(wèn)世實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)直接觀察原子與分子的夢(mèng)想，發(fā)明者也憑此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通過(guò)掃描隧道顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的操控，通過(guò)展示圖片，學(xué)生看到了真正的微觀世界，激發(fā)他們從事科學(xué)研究工作的信心。通過(guò)圖1所示的“中國(guó)”字樣掃描隧道顯微鏡照片，進(jìn)行潛移默化的愛(ài)國(guó)主義教育，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，增強(qiáng)課堂的育人效果。

圖1 掃描隧道顯微鏡成像

（五）氫原子課程思政設(shè)計(jì)

通過(guò)定態(tài)薛定諤方程對(duì)氫原子進(jìn)行求解，采用定量計(jì)算方法，將所得出的結(jié)論與玻爾的假設(shè)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)玻爾的部分工作予以肯定，同時(shí)指出波爾對(duì)角動(dòng)量的計(jì)算結(jié)果有待完善，引導(dǎo)學(xué)生用批判的眼光看待科學(xué)的發(fā)展。

氫原子的徑向波函數(shù)電子云是薛定諤在德布羅意關(guān)系式的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理后給出的解。解做了數(shù)學(xué)處理之后用三維圖形表示出來(lái)就是電子云。整個(gè)脈絡(luò)告訴學(xué)生任何成績(jī)和成果的取得不是一個(gè)人的貢獻(xiàn)，而是在前人工作的基礎(chǔ)上獲得的，借此培養(yǎng)學(xué)生的感恩之心。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)豐富的課程教學(xué)設(shè)計(jì)打造了高效率、高效益、高效果的課堂，實(shí)現(xiàn)了“大學(xué)物理學(xué)”近代物理學(xué)篇章立德樹(shù)人的時(shí)代使命。