研究生基礎(chǔ)課程“高等原子分子物理學(xué)”教學(xué)改革探索

李小紅 張瑞州

河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471023

“高等原子分子物理學(xué)”是河南科技大學(xué)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的學(xué)位必修課程。該課程主要從原子分子物理的角度研究原子分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,了解激光和同步輻射光譜學(xué)等研究手段,闡明物理學(xué)基本定律。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍反映該課程理論性強(qiáng)、學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象。另外,本課程是以本科階段“原子物理學(xué)”和“初等量子力學(xué)”為基礎(chǔ)而講授的課程,而理工科院校的研究生普遍存在這兩門(mén)課程基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)象。本文根據(jù)多年本科階段“原子物理學(xué)”和研究生階段“高等原子分子物理學(xué)”的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在借鑒其他高校教師教學(xué)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我校實(shí)際情況,在本課程的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了深入的思考和探討,旨在提高物理學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

一、教學(xué)改革的思路

研究生課程教學(xué)是研究生培養(yǎng)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是打牢理論基礎(chǔ)的主要環(huán)節(jié)。然而,國(guó)內(nèi)的課堂教學(xué)都是以“教師為主體”,以課堂講授為主,學(xué)生課堂聽(tīng)課和課后作業(yè)的主要教學(xué)模式。然而這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式使教師只注重于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的灌輸,從而導(dǎo)致學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的時(shí)間較少,只能被動(dòng)地跟隨著教師的腳步被動(dòng)學(xué)習(xí),大大降低了他們獲取知識(shí)的主動(dòng)性,另外研究生課程主要采取以期末閉卷筆試的考核方式,這些都與我國(guó)高等教育的目標(biāo)——培養(yǎng)創(chuàng)新型人才相違背。因此,為了進(jìn)一步提升物理學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量,激發(fā)其創(chuàng)新能力,研究生基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。針對(duì)這種情況,一些國(guó)內(nèi)外高校開(kāi)始探索研究生基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革[1-2]。

原子與分子物理學(xué)科是較為基礎(chǔ)的,并和許多學(xué)科有較多聯(lián)系,量子力學(xué)、量子光學(xué)、激光技術(shù)等學(xué)科均是以原子分子物理作為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的。原子分子物理與化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等密切相關(guān),因此也最容易形成交叉學(xué)科。一些生產(chǎn)技術(shù)部門(mén)和高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在理論上和實(shí)驗(yàn)上很多都立足于原子分子物理。作為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的一門(mén)核心課程,高等原子分子物理是研究原子分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律,及其與周?chē)橘|(zhì)相互作用的一門(mén)科學(xué),可為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)等奠定理論基礎(chǔ)。在“高等原子分子物理學(xué)”教學(xué)過(guò)程中,必須樹(shù)立新的教學(xué)理念,通過(guò)教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容的改革,讓學(xué)生參與到教學(xué)過(guò)程中,激發(fā)學(xué)生的求知欲。“高等原子分子物理學(xué)”課程緊密?chē)@國(guó)家需求和學(xué)科前沿,與凝聚態(tài)物理、等離子體物理、化學(xué)以及生物學(xué)等都有交叉,學(xué)科研究不斷有新的進(jìn)展,因此在教學(xué)過(guò)程中必須以教學(xué)大綱為基礎(chǔ),跟隨學(xué)科的進(jìn)展,與時(shí)俱進(jìn),不斷關(guān)注學(xué)科前沿,搜集新的研究成果,并將其及時(shí)充實(shí)到高等原子分子物理學(xué)教學(xué)中去。另外,先進(jìn)的教學(xué)方法和教學(xué)手段可以大幅提升研究生的課堂教學(xué)效果。在課堂教學(xué)過(guò)程中,根據(jù)高等原子分子物理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo),對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了探究。

二、教學(xué)內(nèi)容改革

(一)增加部分教學(xué)內(nèi)容

原子物理學(xué)作為一門(mén)銜接經(jīng)典物理和近代物理的微觀(guān)物理課程,有其獨(dú)特之處。原子物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科,其研究對(duì)象是微觀(guān)世界,而微觀(guān)世界的規(guī)律往往是與生活在宏觀(guān)時(shí)空中人們的日常經(jīng)驗(yàn)相左的,這就使學(xué)生非常難以理解原子物理學(xué)中的一些知識(shí),從而失去對(duì)原子物理學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。由于原子物理學(xué)注重基礎(chǔ)知識(shí)的掌握,而高等原子分子物理學(xué)則更注重理論的深度,并且課程內(nèi)容包涵了激光光譜學(xué)、電子能譜學(xué)等內(nèi)容,因此很多學(xué)生不適應(yīng)這門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容,從而給課堂授課帶來(lái)了困難。根據(jù)我校物理學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士生的實(shí)際情況,有的學(xué)生以前從沒(méi)學(xué)過(guò)原子物理學(xué),有的學(xué)生學(xué)習(xí)原子物理學(xué)的內(nèi)容非常少。而原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)情況會(huì)直接影響到高等原子分子物理學(xué)的教學(xué)效果,從而進(jìn)一步影響研究生的創(chuàng)新能力。因此,為進(jìn)一步提高研究生的創(chuàng)新能力,在教學(xué)內(nèi)容上使原子物理學(xué)和高等原子分子物理學(xué)之間能夠很好銜接,我們根據(jù)本校學(xué)生的特點(diǎn),在課堂教學(xué)過(guò)程中加入了一部分原子物理學(xué)的內(nèi)容,例如加入了單電子原子能級(jí)和光譜、多電子原子能級(jí)和光譜、和磁場(chǎng)中的原子等內(nèi)容,使學(xué)生能夠從簡(jiǎn)單的知識(shí)體系逐漸過(guò)渡到高等原子分子物理的知識(shí)體系中去。

(二)精心挑選教材和教學(xué)章節(jié)

高等原子分子物理學(xué)作為多種學(xué)科的理論基礎(chǔ),其中大量的推導(dǎo)和復(fù)雜的公式使學(xué)生感覺(jué)非常抽象、難以理解。因此我們選用徐克尊老師的《高等原子分子物理》作為主要教材,以褚圣麟的《原子物理學(xué)》作為輔助教材。對(duì)于有一定英語(yǔ)基礎(chǔ)的研究生而言,可以選擇國(guó)外S.Svanberg編著的AtomicandMolecularSpectroscopy:BasicAspectsandPracticalApplications作為英文參考教材。不同類(lèi)型的教材選擇遵循中英文結(jié)合、循序漸進(jìn)的原則,使學(xué)生逐漸提高學(xué)習(xí)興趣,掌握高等原子分子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),并能運(yùn)用到自己的今后的研究工作中。

本課程總學(xué)時(shí)數(shù)為48學(xué)時(shí),而高等原子分子物理學(xué)教材共7章,涉及原子和分子能級(jí)結(jié)構(gòu)、譜線(xiàn)寬度、激光、電子能譜學(xué)等內(nèi)容?？紤]到高等原子分子物理學(xué)教學(xué)和研究生研究方向之間的矛盾,必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍。本課程的教學(xué)目的是使學(xué)生全面、系統(tǒng)地了解原子物理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容,并與前沿科技相聯(lián)系,為今后的科研工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。因此教學(xué)重點(diǎn)放在基本原理和基本內(nèi)容上,如原子光譜、分子紅外拉曼光譜、分子勢(shì)能曲線(xiàn)等,側(cè)重于講解一些基本概念和建立一些物理模型。比如對(duì)于原子光譜這部分內(nèi)容,教師先講解氫原子光譜的內(nèi)容,然后引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)堿金屬原子光譜的內(nèi)容。這樣可以在課堂上將相關(guān)的最新研究進(jìn)展和成果引入課堂,擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容。有些章節(jié)由于時(shí)間關(guān)系不在課堂上講授,采取學(xué)生課后自學(xué)、教師答疑等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

(三)結(jié)合科技前沿進(jìn)行教學(xué)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類(lèi)的視角以前所未有的速度從窄小的周邊世界向外拓展延伸,因此必須在高等原子分子物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中引入科技前沿知識(shí)。高等原子分子物理學(xué)需要根據(jù)學(xué)科的發(fā)展而增加或者修改相關(guān)內(nèi)容,因此,在教學(xué)過(guò)程中,我們結(jié)合當(dāng)前科學(xué)研究,突破性進(jìn)展進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。比如在2020年,精密測(cè)量院柳曉軍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了在亞光學(xué)周期時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)生的激光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移新現(xiàn)象,該成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Physical Review Letters[3]上。光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移是自然界普遍存在的一種微觀(guān)超快物理過(guò)程,對(duì)光催化和光合反應(yīng)等起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)可以利用少周期飛秒強(qiáng)激光對(duì)簡(jiǎn)單兩原子分子的多光子吸收—解離過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。該團(tuán)隊(duì)還認(rèn)為激光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移會(huì)誘發(fā)不同形式的電子激發(fā)或電離,結(jié)合光場(chǎng)調(diào)控可對(duì)這些激發(fā)或電離過(guò)程進(jìn)行精確控制。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中將一些知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用引入課堂,極大開(kāi)闊了學(xué)生的視野,拓寬了學(xué)生的知識(shí)面,活躍了課堂氣氛,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,使學(xué)生感到所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用息息相關(guān),還存在許多重大科學(xué)問(wèn)題等著他們?nèi)ソ鉀Q,從而增加學(xué)生的使命感和責(zé)任感。

在教學(xué)過(guò)程中,我們還注重介紹相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在前沿科學(xué)中的應(yīng)用,有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生物理理論研究的修養(yǎng),把教師的科研成果穿插到整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,把最新的科學(xué)研究結(jié)果融入研究生的教學(xué)過(guò)程中,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如,我們?cè)谥v授堿金屬原子光譜時(shí),首先給大家講解我國(guó)在原子光譜領(lǐng)域獲得的重要進(jìn)展,比如中國(guó)科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心激光精密測(cè)量與痕量探測(cè)研究組將He原子的2s～2p躍遷能級(jí)中心頻率測(cè)定到了1.4kHz的精度,該結(jié)果可能被用來(lái)檢驗(yàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。然后從講解氫原子光譜出發(fā),逐漸引入堿金屬原子光譜,這樣的課堂教學(xué)可以避免課堂教學(xué)的枯燥,提高學(xué)生的上課興趣。

三、教學(xué)方法改革

(一)課堂教學(xué)模式改革

由于“高等原子分子物理學(xué)”課程是以本科階段的原子物理學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ),因此學(xué)生感覺(jué)這門(mén)課程比較難、內(nèi)容比較枯燥,學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿不強(qiáng)烈,往往課前沒(méi)有預(yù)習(xí),課后沒(méi)有復(fù)習(xí),所以采取新的教學(xué)方法非常重要。傳統(tǒng)的教學(xué)是以教師為主體,使學(xué)生進(jìn)行被動(dòng)的學(xué)習(xí),因此在教學(xué)過(guò)程中我們采取了課堂講授和討論相結(jié)合的教學(xué)方式。每次上課前讓學(xué)生對(duì)上次講授內(nèi)容進(jìn)行回顧,課程結(jié)束前讓學(xué)生對(duì)本次課進(jìn)行總結(jié),同時(shí)在講課過(guò)程中對(duì)課本中的一些知識(shí)點(diǎn)向?qū)W生進(jìn)行提問(wèn)。例如,對(duì)于單電子原子能級(jí)部分,由于該部分和本科階段原子物理學(xué)內(nèi)容很接近,因此我們要求學(xué)生課前進(jìn)行預(yù)習(xí),課上學(xué)生獨(dú)立給教師和其他學(xué)生進(jìn)行講解。隨后其他學(xué)生根據(jù)自己的理解來(lái)對(duì)該學(xué)生的講解內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評(píng),而任課教師最后進(jìn)行總結(jié),指出學(xué)生理解錯(cuò)誤之處或者對(duì)學(xué)生講不清楚的內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。這種教學(xué)方式可以督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。對(duì)于課程中的一些知識(shí)點(diǎn),我們讓學(xué)生自己進(jìn)行探究,給學(xué)生講解文獻(xiàn)檢索的方法,讓學(xué)生利用學(xué)生的圖書(shū)資源和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行資料的收集和整理,再將自己的研究成果做成PPT,給教師和同學(xué)匯報(bào)。這種課堂教學(xué)方式可以大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性,提高學(xué)生的自學(xué)能力和分析解決問(wèn)題的能力,為今后的科研工作提供了基礎(chǔ)。學(xué)生的課堂匯報(bào)還增強(qiáng)了學(xué)生的表達(dá)能力,提高了自信心。

在課堂教學(xué)中,我們還注意穿插一些科學(xué)家的故事,比如海森伯、李遠(yuǎn)哲等,從而使課堂氣氛更加活躍。在課堂教學(xué)過(guò)程中,我們采用多媒體和板書(shū)相結(jié)合的講授方式。用多媒體呈現(xiàn)一些復(fù)雜的公式,如薛定諤方程等,采用不同顏色或者下劃線(xiàn)等突出標(biāo)記對(duì)重要公式或者結(jié)論進(jìn)行顯示,這種方式可以使學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)一目了然,大大提高了學(xué)習(xí)效率。

(二)習(xí)題教學(xué)模式改革

與本科階段的原子物理學(xué)相比,高等原子分子物理學(xué)的基本原理更加晦澀,不容易理解,并且涉及很多數(shù)學(xué)知識(shí),學(xué)生經(jīng)常在課堂上聽(tīng)得一知半解,課后作業(yè)題更是無(wú)從下筆,因此教師和學(xué)生必須重視課后習(xí)題這個(gè)環(huán)節(jié)。如何通過(guò)習(xí)題讓學(xué)生更好地理解所學(xué)內(nèi)容,更好地掌握和理解課堂上抽象的物理原理和概念,是值得任課教師思考的問(wèn)題。在習(xí)題課上,一方面應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生提出多種假設(shè),從不同角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析,通過(guò)一題多解等形式開(kāi)闊學(xué)生的解題思路;另一方面,要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)解題過(guò)程中出現(xiàn)的一些錯(cuò)誤進(jìn)行分析,找到出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因,然后由學(xué)生得到正確的結(jié)果。這樣做可以大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度和大膽質(zhì)疑的精神。

(三)注重教學(xué)反饋

在課堂上,教師通過(guò)觀(guān)察、質(zhì)疑、練習(xí)等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的狀態(tài)進(jìn)行了解,可以有效地發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題,及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法。課后作業(yè)可以反映學(xué)生掌握知識(shí)的真實(shí)情況,它既可以檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,也可以檢查教師的教學(xué)效果。通過(guò)課后作業(yè)、課堂提問(wèn)等途徑來(lái)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度,可以有效避免表象下的真實(shí)信息,暴露學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題。教師和學(xué)生應(yīng)及時(shí)地、有針對(duì)性地調(diào)節(jié)教和學(xué),高效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)“高等原子分子物理學(xué)”這門(mén)課程,來(lái)自學(xué)生的教學(xué)反饋可以讓任課教師發(fā)現(xiàn)授課過(guò)程中的不足之處,從而改進(jìn)自己的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容,逐步提高教學(xué)質(zhì)量。教師可以依托微信、釘釘或者QQ平臺(tái)建立課程微信群或者QQ群等來(lái)進(jìn)行課后的教學(xué)反饋,分享與課程內(nèi)容有關(guān)的前沿領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)

“高等原子分子物理學(xué)”作為物理學(xué)一級(jí)學(xué)科研究生核心課程,旨在對(duì)處理和研究原子結(jié)構(gòu)、能級(jí)和光譜的方法進(jìn)行說(shuō)明和論證。本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革等方面進(jìn)行了積極探索和思考,逐步解決了該課程理論性強(qiáng)、抽象內(nèi)容過(guò)多等問(wèn)題。教師應(yīng)該針對(duì)不同的學(xué)生特點(diǎn)采用不同的方法,從而使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中收獲更多自己需要的知識(shí)。另外,通過(guò)課堂教學(xué)過(guò)程中教師和學(xué)生角色的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的課堂教學(xué),很好地增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力得到全面提升。