柴花斗

柴花斗/鄭州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)工程學(xué)院講師，碩士（河南鄭州450044）。

原子物理學(xué)是從原子光譜入手，利用量子力學(xué)的思想和結(jié)論，研究物質(zhì)在原子層次的結(jié)構(gòu)組成、性質(zhì)特點(diǎn)和基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程。它上承力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)，下接量子力學(xué)，屬于近代物理的范疇。

一、原子物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

原子物理學(xué)的研究對象是電子、原子核和基本粒子，是我們?nèi)庋蹮o法觀測的，與普通物理相比，該課程涉及的許多物理規(guī)律和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是在日常生活中不易觀察和感知的，同時(shí)，學(xué)生對物理學(xué)前沿了解甚少，不能充分體會(huì)到原子物理的重要性，覺得該課程可有可無，加之其中應(yīng)用的量子力學(xué)規(guī)律的抽象性，不僅增加了學(xué)習(xí)難度，也更加挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，如何帶領(lǐng)學(xué)生遨游于原子物理給我們展現(xiàn)的奇妙的微觀世界，領(lǐng)略她帶給我們的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究方法，如何讓學(xué)生了解原子物理，喜歡上原子物理，是每一個(gè)原子物理老師都要思考并必須解決的問題。

二、協(xié)調(diào)整合教學(xué)內(nèi)容

在原子物理學(xué)的教學(xué)中，存在兩條主線，一條是教學(xué)內(nèi)容上按照對原子結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜，從原子核外到核內(nèi)的研究順序；第二條主線則是與原子物理、量子理論的誕生和發(fā)展歷史研究進(jìn)程對應(yīng)[1]。認(rèn)真地梳理和挖掘這些主線，充分利用歷史人物對問題研究的逸聞趣事，利用現(xiàn)代科技發(fā)展帶給我們的點(diǎn)滴去充實(shí)這兩條主線，不僅可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)原子物理理論體系的內(nèi)在邏輯，還有助于培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)觀、價(jià)值觀，提高科學(xué)思辨的能力。

1.整體把握教材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照對原子的研究從核外到核內(nèi)，從簡單到復(fù)雜的知識(shí)主線進(jìn)行教學(xué)。第一節(jié)課的課程介紹部分必不可少，老師要對原子物理在整個(gè)物理學(xué)課程結(jié)構(gòu)體系中所處的地位、要研究對象、課程知識(shí)結(jié)構(gòu)和體系進(jìn)行分析、闡述，介紹章與章、與節(jié)的關(guān)系，一定要把教材各個(gè)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)簡單地用一條知識(shí)主線連接起來介紹給學(xué)生，讓學(xué)生對所學(xué)習(xí)的內(nèi)容有一個(gè)大概的了解。比如對原子結(jié)構(gòu)研究先核外電子后核內(nèi)，對核外電子的分析先從簡單的核外只有一個(gè)電子，原子序數(shù)為1的氫原子入手，然后到原子序數(shù)大于1，但核外電子電離后只有一個(gè)電子的類氫離子，再到原子序數(shù)大于1，核外有多個(gè)電子但最外層有一個(gè)電子的堿金屬族元素，然后從最外層有一個(gè)電子到兩個(gè)、三個(gè)等多個(gè)電子情況，最后把研究推向元素周期表中所有元素，環(huán)環(huán)相扣、層層深入、由淺入深、由表及里一層層揭開核外電子運(yùn)動(dòng)和相互作用的神秘面紗。這樣，在每一章節(jié)的學(xué)習(xí)中，在老師給定問題的引導(dǎo)下，學(xué)生一步步尋求解決問題的方法。講解中可以步步設(shè)疑，讓學(xué)生帶著問題、充滿好奇地去學(xué)習(xí)。

2.結(jié)合物理學(xué)史，利用科學(xué)家們對原子研究的歷史主線引導(dǎo)教學(xué)。在講解相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了注重物理問題產(chǎn)生的歷史背景介紹，還要注重物理學(xué)家背后一些鮮為人知的原始想法、做法及物理學(xué)家個(gè)人魅力的發(fā)掘。在原子物理學(xué)的第一堂課，我就告訴學(xué)生“從現(xiàn)在開始，把大腦中之前對于原子的所有知識(shí)全都封存起來，把自己置身于1896年，我們不知道原子是什么，已經(jīng)出現(xiàn)的和它相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及其結(jié)論有…”，隨著科學(xué)家們一起探討原子。每一個(gè)重大的物理實(shí)驗(yàn)給我們展示出來的信息，都會(huì)促生新的理論、模型，繼而進(jìn)行推理，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證……，理論實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證、相互促進(jìn)。利用物理學(xué)家相關(guān)的逸聞趣事激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利用科學(xué)家的探索精神和科學(xué)成就激勵(lì)學(xué)生，不僅可以活躍課堂氣氛，還可以培養(yǎng)學(xué)生良好的人生觀和價(jià)值觀。

3.把握原子物理中各種模型建立的過程展開探索。在原子物理中，出現(xiàn)了很多幫助我們認(rèn)識(shí)微觀世界的模型結(jié)構(gòu)，如湯姆遜原子結(jié)構(gòu)模型、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾的原子軌道模型、“電子云”模型、電子自旋運(yùn)動(dòng)模型、原子核結(jié)構(gòu)模型等[2]?？v觀物理學(xué)的發(fā)展，建立模型本身就是一個(gè)創(chuàng)造的過程。通過原子模型的演化過程，讓學(xué)生親身體會(huì)科學(xué)每前進(jìn)一步都會(huì)經(jīng)歷現(xiàn)象、分析、假說、模型、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、推理、修正這樣一次完整的科學(xué)探索過程，自始至終沉浸在懸念、線索、推理、假設(shè)、求證的引人入勝的激動(dòng)之中，使學(xué)生體驗(yàn)探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅。

三、尋求多樣化的特色課堂教學(xué)模式

1.原子物理課堂走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。在原子物理學(xué)的發(fā)展歷程上，有一些著名的實(shí)驗(yàn)，比如盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)、施特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)、核磁共振、塞曼效應(yīng)等，在學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容時(shí)，如果有同步內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)儀器，完全可以把課堂搬到實(shí)驗(yàn)室中，比如弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)，在老師的介紹和引導(dǎo)下，讓學(xué)生親自操作儀器，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)綜合分析，得出原子內(nèi)部能級(jí)量子化的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，相信學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)及結(jié)論的理解會(huì)更透徹；還有塞曼效應(yīng)，對于譜線在磁場中分裂的條數(shù)，相鄰譜線間隔的關(guān)系，在平行和垂直于磁場等方向上觀測到的譜線條數(shù)和偏振特性是原子物理部分的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，但如果讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室自己操作實(shí)驗(yàn)、觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、總結(jié)結(jié)論，在理論的指導(dǎo)下操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中得出理論，驗(yàn)證理論，不僅能讓抽象、枯燥的原子物理變得有趣，還能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和收集數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、歸納總結(jié)的能力，無形之中提高學(xué)生科學(xué)研究所應(yīng)具備的基本素質(zhì)，也正是我們原子物理要求的科研能力提升目標(biāo)所必需的[3]。

2.和原子物理相關(guān)的科技應(yīng)用走進(jìn)課堂。盡管任何物質(zhì)都是由原子、分子構(gòu)成，但原子大小只有10-10米，是用肉眼無法觀測到的，原子物理課程中介紹的基本理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不像經(jīng)典的力、熱、光、電磁學(xué)等在日常生活中可以看到、感知，這也是造成學(xué)生對原子物理的認(rèn)識(shí)：“沒有多大用處”的主要原因，這主要是由于學(xué)生對科技前沿了解較少。因此，在學(xué)習(xí)過程中，老師要充分挖掘原子物理中和現(xiàn)代科技之間的“窗口”，引入相關(guān)的科技常識(shí)，如在談到原子能級(jí)躍遷時(shí)，談一下激光；談到量子隧道效應(yīng)時(shí)，聊一下電子顯微鏡、掃描和透射電子顯微鏡的異同等等，在談到核磁共振和X射線時(shí)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用結(jié)合起來，在談到同步輻射時(shí)，可以談到當(dāng)前各國在該方面的發(fā)展等等，不僅可以在一定程度上普及科學(xué)前沿知識(shí)，也能夠讓學(xué)生對原子物理相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用有一個(gè)簡單的了解，端正學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。

3.了解學(xué)生的專業(yè)發(fā)展或就業(yè)趨向，讓原子物理走向?qū)W生的“未來”。原子物理學(xué)課程的開設(shè)一般會(huì)放在第四或第五學(xué)期，接下來的一年里，學(xué)生要面臨是參加工作或繼續(xù)研究深造的選擇，如果能在教學(xué)中在適當(dāng)?shù)闹R(shí)點(diǎn)引入國內(nèi)在該領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)的一些介紹、相關(guān)領(lǐng)域某些工作所用到的原子物理知識(shí)、和本課程相關(guān)的研究生考試中的考察重點(diǎn)難點(diǎn)以及相關(guān)的解題技巧，讓學(xué)生更多地了解國內(nèi)乃至當(dāng)今世界原子物理的發(fā)展和應(yīng)用，不僅會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也使他們在考慮學(xué)科發(fā)展和就業(yè)方向上多了一些選擇。

4.考核內(nèi)容和形式的多樣化。對經(jīng)典物理的學(xué)習(xí)，很多情況下為了掌握某一個(gè)物理量和定理、定律，需要設(shè)置復(fù)雜的條件進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，原子物理學(xué)在學(xué)習(xí)目標(biāo)上更多的是強(qiáng)調(diào)理解，掌握分析問題和解決問題的方法，更多的是一種能力的提升，因此，在考核上，也可以適當(dāng)增加該方面的考核。比如，布置科普性的課程論文；在期末試卷中增加開放性題目，并采用“簡答”的形式，鼓勵(lì)學(xué)生自主發(fā)表對某個(gè)問題、某個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法，如：“談?wù)勗游锢韺W(xué)在物理學(xué)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和社會(huì)生活中的地位和意義”，“談?wù)勗游锢碇心愀信d趣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)”等等，而且這種多元性的考核形式，可以提前告知學(xué)生，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，高屋建瓴把握課程，并時(shí)刻關(guān)注原子物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用[4]。

結(jié)語

原子物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，但實(shí)驗(yàn)研究和分析在原子物理學(xué)發(fā)展中的地位和作用，又決定了它不僅僅是一門基礎(chǔ)課程，更是培養(yǎng)學(xué)生科研興趣、提高科研能力的一門關(guān)鍵性學(xué)科[5]，這就要求我們在正確把握、深刻理解教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，不斷改變和創(chuàng)新課堂教學(xué)，使學(xué)生了解原子物理、喜歡原子物理、渴望更多地研究原子物理學(xué)，這是每一個(gè)從事原子物理教學(xué)的教師都希望看到的。

[1]李培芳.《原子物理學(xué)》教學(xué)改革研究[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào),2012,18(2)：135-136.

[2]孫桂花等.談原子物理學(xué)教學(xué)中模型的應(yīng)用[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào),2012,28(2)：121-124.

[3]呂中戰(zhàn).在原子物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的探索[J].教育與職業(yè),2011,12：121-122.

[4]王笑君.基于新概念量子物理的原子物理課程改革研究[J].大學(xué)物理,2010,29(3)：44-49.

[5]靳奉濤,周兆妍.原子物理教學(xué)中的人文教育和科學(xué)觀培養(yǎng)[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2011,34(4)：102-104.