基于虛擬仿真技術(shù)的“原子物理學(xué)”教學(xué)改革與創(chuàng)新

郭澤平，魏代會(huì)

（廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

“原子物理學(xué)”是應(yīng)用物理學(xué)與物理學(xué)本科專業(yè)必修的課程之一。原子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)研究的對(duì)象不同，經(jīng)典物理學(xué)研究的是涉及力、熱、光、電磁等的宏觀現(xiàn)象［1］，而原子物理學(xué)則探討物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)并以此來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的宏觀現(xiàn)象，其研究的對(duì)象是原子、原子核及基本粒子，它們的尺度通常小于10-10米（1埃），屬于微觀粒子，人們用肉眼觀察不到它們，甚至借助精密儀器也很難觀察到，只能通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)出它們的形貌及運(yùn)動(dòng)特征?！霸游锢韺W(xué)”作為承接經(jīng)典物理與量子物理的橋梁，該課程的教學(xué)活動(dòng)分別與經(jīng)典物理與量子物理存在一些共性問(wèn)題。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)仍然習(xí)慣用經(jīng)典物理的理論和研究方法，對(duì)物理學(xué)微觀世界的認(rèn)識(shí)和研究方法存在一定程度上的不適應(yīng)。本課程需要學(xué)生理解的物理思維和研究方法等方面的內(nèi)容較多，學(xué)生通常缺乏足夠的有效訓(xùn)練。一方面，隨著實(shí)驗(yàn)研究手段的進(jìn)步，人們研究和認(rèn)識(shí)微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。另一方面，由于一些專業(yè)教師的研究方向不一致以及學(xué)生接受新知識(shí)的能力等方面的原因，“原子物理學(xué)”課程在教與學(xué)的過(guò)程中存在一定的困難。

此外，原子物理學(xué)是研究微觀物質(zhì)量子力學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。利用原子物理中一系列的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)構(gòu)建量子力學(xué)的理論框架，在此框架下運(yùn)用演繹的方法進(jìn)行討論和解釋。原子物理作為當(dāng)今許多高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其中的許多問(wèn)題仍然是目前物理學(xué)領(lǐng)域研究的前沿課題。但由于其研究的是微觀物理領(lǐng)域，與人們?nèi)粘＠斫獾暮暧^世界存在差異，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)原子物理學(xué)存在一定難度，尤其是對(duì)于師范院校物理學(xué)本科生而言，他們覺(jué)得學(xué)習(xí)原子物理學(xué)對(duì)于今后中學(xué)物理教學(xué)的幫助有限，因此往往缺乏學(xué)習(xí)這門課程的興趣。

一、“原子物理學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題

“原子物理學(xué)”是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的綜合性基礎(chǔ)課程，是一個(gè)觀察到新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原有的經(jīng)典物理理論無(wú)法給出完美的解釋，從而產(chǎn)生新的概念和物理理論，而新的物理理論又通過(guò)實(shí)驗(yàn)接受進(jìn)一步的驗(yàn)證的生動(dòng)課堂，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)質(zhì)疑精神和創(chuàng)新思維及科研的訓(xùn)練。截至2022年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)頒發(fā)116次，其中超過(guò)半數(shù)的研究工作與原子物理、原子核物理和粒子物理等方面相關(guān)，這些工作都是著名的物理實(shí)驗(yàn)或與之相關(guān)的理論。講授“原子物理學(xué)”課程要以這些物理學(xué)中著名的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步將實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，講清楚這些著名的物理實(shí)驗(yàn)才能使學(xué)生對(duì)原子物理有深刻的理解，才能體會(huì)到物理實(shí)驗(yàn)的重要性。

在講授原子物理學(xué)的過(guò)程中，應(yīng)沿著近代物理實(shí)驗(yàn)這條主線，將教學(xué)的重點(diǎn)放在講解近代物理實(shí)驗(yàn)的方法和發(fā)展脈絡(luò)上，讓學(xué)生全面掌握近代物理各個(gè)實(shí)驗(yàn)需要解決的問(wèn)題，以及它們的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)論，充分認(rèn)識(shí)到原子物理學(xué)這座大廈并不是憑空建造的。只有弄清楚學(xué)科發(fā)展的因果邏輯，才能將看似零散的知識(shí)構(gòu)建為完整的知識(shí)體系，以期達(dá)到教學(xué)目的，獲得更好的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。但是各高校能開(kāi)出的近代物理實(shí)驗(yàn)數(shù)目非常有限，我校目前能開(kāi)出的與原子物理學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)僅有密立根油滴實(shí)驗(yàn)（測(cè)定電子的荷質(zhì)比）、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)（證實(shí)了原子能量量子態(tài)）、塞曼效應(yīng)（證實(shí)電子自旋存在）、核磁共振實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)由于條件限制無(wú)法開(kāi)設(shè)。

綜上所述，原子物理學(xué)相對(duì)于經(jīng)典物理來(lái)講，在研究對(duì)象、研究方法、研究?jī)?nèi)容及研究思維等方面均有所不同，這些研究差異對(duì)于一直接受經(jīng)典物理訓(xùn)練的學(xué)生而言，在教學(xué)接受度上有一定的困難。這些困難主要體現(xiàn)在：一是研究對(duì)象的不可直接測(cè)量和觀測(cè)使得原子物理學(xué)中的物理模型和圖像高度抽象，難以理解；二是課程內(nèi)容介于經(jīng)典物理和量子物理之間，要求學(xué)習(xí)者的思維跨度大，難以適應(yīng)；三是課程的研究對(duì)象是微觀物質(zhì)世界，這對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件提出了較高要求。

二、“原子物理學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上的改革

面對(duì)這些困難，需要我們有針對(duì)性地在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革和嘗試［2］。

（一）探索虛擬仿真技術(shù)輔助課堂教學(xué)方法，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為控制中心的，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合軟件和硬件的實(shí)驗(yàn)方式，它滿足自我設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)以及遠(yuǎn)程控制和協(xié)作的要求。自1989年提出以來(lái)，由于其靈活性、交互性、開(kāi)放性等特點(diǎn)［3］，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和模擬技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以信息技術(shù)的應(yīng)用為基本特征，適應(yīng)了信息時(shí)代高等教育開(kāi)放和共享資源呼聲日益高漲的要求。它為學(xué)生提供了先進(jìn)的手段、開(kāi)放的平臺(tái)和高質(zhì)量的資源，以進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐［4］。在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時(shí)，促進(jìn)了高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展與改革。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在受到國(guó)內(nèi)外大學(xué)高度重視的同時(shí)，面臨著一些新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)外一些高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面已取得了一些成果和經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)科羅拉多大學(xué)開(kāi)設(shè)的PhET交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)提供實(shí)驗(yàn)條件，并幫助學(xué)生研究、分析和探索物理世界中各種感興趣的問(wèn)題。北京大學(xué)利用沉浸式系統(tǒng)，結(jié)合G－Motion光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)，構(gòu)建了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)展示交互實(shí)驗(yàn)室。清華大學(xué)通過(guò)搭建一面墻虛擬現(xiàn)實(shí)投影系統(tǒng)和多人異地協(xié)同設(shè)計(jì)工具，構(gòu)建了成形制造模擬仿真三維虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于材料的快速成型與虛擬制造。2015年，為進(jìn)一步促進(jìn)教育信息化和學(xué)科與信息技術(shù)的深度融合，教育部提議繼續(xù)建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，并鼓勵(lì)高校之間共享實(shí)驗(yàn)資源。2017年開(kāi)始，教育部相繼開(kāi)展了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作，涉及化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物、機(jī)械、交通等諸多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。2019年，在教育部發(fā)布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》中提出，從2019年到2021年，完成1500門左右國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程認(rèn)定工作。虛擬仿真技術(shù)對(duì)高等學(xué)校各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了廣泛影響，為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了新模式，為高等教育教學(xué)的開(kāi)展提供了先進(jìn)的手段。教育部在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》中明確提出，在教學(xué)模式和方法上要“充分利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體教學(xué)軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)，營(yíng)造多元化的教學(xué)模式”等基本要求。因此將虛擬仿真技術(shù)引入原子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)促進(jìn)“原子物理學(xué)”教學(xué)方法的改革具有現(xiàn)實(shí)意義。

由于原子物理學(xué)將微觀世界作為研究對(duì)象，許多現(xiàn)象和原理在日常生活中沒(méi)相關(guān)的場(chǎng)景和對(duì)應(yīng)物，學(xué)生在第一次接觸時(shí)不可避免地會(huì)感到抽象和難以理解。根據(jù)廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的實(shí)際情況，我們注重利用信息技術(shù)來(lái)改革原子物理學(xué)的教學(xué)方法。根據(jù)課程特點(diǎn)，我們利用具有形象、信息豐富和交互式特點(diǎn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造感官逼真的物理環(huán)境，使學(xué)生可以更好、更直觀地理解相關(guān)物理概念和理論內(nèi)容，激發(fā)對(duì)原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，為量子力學(xué)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本課程采用的教科書(shū)為楊福家院士著的《原子物理學(xué)》（第五版）。通過(guò)一系列重要的近代物理虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生獲得更直觀和生動(dòng)的物理圖像，主要內(nèi)容如下。

第一章中的盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)。通過(guò)虛擬仿真來(lái)演示α粒子散射實(shí)驗(yàn)，可以直觀地了解α粒子散射，使學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)的儀器裝置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更容易理解和掌握盧瑟福散射公式的推導(dǎo)。

第二章中的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其光量子理論的解釋在量子理論的建立和發(fā)展，以及揭示光的波粒二象性方面具有劃時(shí)代意義。利用光電效應(yīng)制造的光電設(shè)備已廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)研究中，且仍在不斷探索新的應(yīng)用環(huán)境。通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可以理解光電效應(yīng)的基本規(guī)律，可以用光電效應(yīng)方法測(cè)量普朗克常量和測(cè)定光電管的光電特性曲線。

第四章的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)，在電爐內(nèi)使銀原子蒸發(fā)，銀原子穿過(guò)狹縫后，形成一束細(xì)光束，穿過(guò)一個(gè)抽真空的不均勻磁場(chǎng)區(qū)域，沿磁場(chǎng)垂直方向，最后擊中相片P。顯影后的圖像中有兩個(gè)黑斑，有力地證明了原子在磁場(chǎng)中的取向是量子化的。

第五章的電子填充殼層的模型演示。根據(jù)泡利不相容原理，每一個(gè)殼層及其支殼層所容納的電子個(gè)數(shù)以及電子填充殼層的次序準(zhǔn)確反映出，如果每一個(gè)周期都從電子填充新殼層開(kāi)始，那么決定元素物理和化學(xué)性質(zhì)的最外殼層的電子數(shù)將出現(xiàn)周期性，形象地解釋了元素周期表的形成原因。

第六章的雙偏振實(shí)驗(yàn)，虛擬無(wú)偏振特性的Х射線經(jīng)過(guò)第一個(gè)散射體和第二個(gè)散射體后所呈現(xiàn)出的偏振特性，可以形象地說(shuō)明Х射線是橫波的特性。解釋標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生機(jī)制的時(shí)候可以用電子和內(nèi)層電子相互作用，生動(dòng)形象地展示不同殼層電子填補(bǔ)某殼層同一空位時(shí)所輻射出的標(biāo)識(shí)譜組成的線系情況，以及展示俄歇電子產(chǎn)生和光電效應(yīng)中光電子產(chǎn)生的機(jī)理區(qū)別情況。

第七章的核裂變的液滴模型中，在裂變之前，原子核處于最低能量基態(tài)，呈球形。原子核中的質(zhì)子和中子在不斷運(yùn)動(dòng)，核子之間有核力，質(zhì)子之間有庫(kù)侖排斥力。中子轟擊重核后，重核吸收中子形成復(fù)合核，能量增加，核子振蕩增強(qiáng)，原子核變成橢球，此時(shí)，原子核子之間的距離增加，核力減小，庫(kù)侖排斥使原子核進(jìn)一步增加，形成啞鈴形狀。當(dāng)啞鈴形狀兩端之間的庫(kù)侖排斥力大于核收縮部分之間的總核力時(shí)，變形無(wú)法恢復(fù)，核分裂成兩塊，釋放中子并釋放能量。另外放射性核素的a、b、g衰變也可以采用虛擬仿真的形式來(lái)演示，對(duì)于學(xué)生理解放射性衰變規(guī)律和放射性機(jī)制有積極作用。

（二）虛擬仿真技術(shù)豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為地方高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新思路

目前，高等教育已進(jìn)入了從規(guī)模擴(kuò)張到內(nèi)涵發(fā)展的新發(fā)展時(shí)期。各地方院校面臨著重新定義其在國(guó)家高等教育中的地位、爭(zhēng)取更多教育資源、贏得更多教育市場(chǎng)以及在國(guó)家高等教育體系中占有一席之地的嚴(yán)峻局面。教學(xué)質(zhì)量是學(xué)校發(fā)展的生命線，關(guān)注和提高教學(xué)質(zhì)量是各地方院校應(yīng)對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的必要措施。作為當(dāng)?shù)馗叩冉逃|(zhì)量保證體系的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量相對(duì)較差，如何促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，更高效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，以便培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)的高質(zhì)量人才，是地方院校的當(dāng)務(wù)之急。由于學(xué)校的資金限制和地理限制，大多數(shù)地方院校的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)踐基地較少，設(shè)備和師資不足，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，實(shí)踐能力較弱。基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以多次重復(fù)，場(chǎng)景逼真，成本低，在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展為地方院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新的方向。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入將要學(xué)習(xí)的物理新概念和新內(nèi)容，將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地融為一體，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建立了在人才培養(yǎng)過(guò)程中具有較強(qiáng)推廣價(jià)值的實(shí)踐教學(xué)新模式，培養(yǎng)了學(xué)生的研究能力、創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)原子物理學(xué)作為基礎(chǔ)支撐，而隨著原子物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，新的微觀領(lǐng)域的知識(shí)被不斷發(fā)現(xiàn)，這進(jìn)一步促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。將這些最新的科技前沿知識(shí)引入原子物理學(xué)教學(xué)中，可以大大豐富教學(xué)內(nèi)容。如：可以通過(guò)介紹激光產(chǎn)生的原理、特性及應(yīng)用來(lái)引出原子能級(jí)概念和能量量子化的內(nèi)容；通過(guò)介紹醫(yī)療中常用的CT技術(shù)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)Х射線吸收和透射的理解；通過(guò)介紹目前國(guó)內(nèi)外同步輻射實(shí)驗(yàn)裝置和最新實(shí)驗(yàn)情況，加深學(xué)生對(duì)同步輻射內(nèi)容的了解；在講原子核內(nèi)容時(shí)，可以講核磁共振的原理以及其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用等。建立理論知識(shí)與實(shí)際生活中事例的聯(lián)系，不僅會(huì)使高深的物理內(nèi)容更生動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)原子物理及微觀物理領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，而且可以讓學(xué)生了解有關(guān)大型科研、醫(yī)療及工程儀器設(shè)備的工作原理，體會(huì)到科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)生活的高度融合，開(kāi)闊視野，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到積極的促進(jìn)作用。虛擬仿真技術(shù)也可以讓實(shí)驗(yàn)不再受場(chǎng)地、設(shè)備等的約束和限制，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入一些對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高的近代物理實(shí)驗(yàn)，如核磁共振、放射性衰變規(guī)律統(tǒng)計(jì)等豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在相當(dāng)程度上彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺憾，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如，α粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，主要是與物質(zhì)的原子的殼層電子相互作用發(fā)生電離損失，使物質(zhì)產(chǎn)生正負(fù)離子對(duì)，對(duì)于一定物質(zhì)，α在其內(nèi)部產(chǎn)生一對(duì)離子所需的平均能量是一定的。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生可以了解α譜儀的工作原理及其特性，掌握各種放射源在真空下的能譜圖。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)論從學(xué)生職業(yè)發(fā)展規(guī)劃角度，還是從師范專業(yè)認(rèn)證背景下對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的角度，基于虛擬仿真技術(shù)的“原子物理學(xué)”教學(xué)改革與探索不僅為高校人才培養(yǎng)目標(biāo)及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了新的教學(xué)模式，而且符合我校物理學(xué)學(xué)科建設(shè)的目標(biāo)和發(fā)展方向。以國(guó)家級(jí)虛擬仿真一流課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，將“原子物理學(xué)”課程內(nèi)容與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，生動(dòng)形象地呈現(xiàn)相關(guān)物理原理、物理圖像、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和物理意義，加深學(xué)生對(duì)原子物理知識(shí)的理解，建立物理學(xué)專業(yè)特色鮮明的原子物理學(xué)知識(shí)教學(xué)新模式。在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的指導(dǎo)思想下，直面科技迅猛發(fā)展形勢(shì)下所產(chǎn)生的人才需求的變革，及時(shí)對(duì)課程內(nèi)容體系進(jìn)行改革創(chuàng)新，豐富課程內(nèi)容，反映前沿性和時(shí)代性，有力促進(jìn)學(xué)生研究能力、創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)的提高。