喻 莉 劉 洋 何 艷 鄧 磊 李澤疆 羅志娟

(空軍預警學院基礎部 湖北 武漢 430019)

大學物理是理工科專業(yè)學生通識教育階段的文化基礎課，其中量子物理是近代物理的重要組成部分，包含了很多的新概念、新觀點和新理論.這些新知識大都與經(jīng)典物理背道而馳，與日常經(jīng)驗和所觀察到的現(xiàn)象相差很大，不僅抽象，而且深奧難懂.如果只注重教師的單向知識灌輸，而不對學生啟發(fā)引導，即使學生了解了這些新的概念和理論，但對其中所包含的物理內(nèi)涵也很難深刻理解.基于問題引導的教學方法則能較好地發(fā)揮學生的主體地位，激發(fā)學生主動思考，加強學生對物理知識的理解[1,2].此外，量子物理是大量的物理學家通過不斷的科學創(chuàng)新而建立起來的，其中蘊含了大量的科學精神、科學方法、哲學思想和創(chuàng)新思維，是思政教育的天然沃土[3,4].筆者基于“德布羅意波”課堂教學，以問題為引導，啟發(fā)學生積極思考，主動參與.循著物理學家的足跡，首先通過類比遷移提出假設，然后推導計算進行理論自恰，緊接著巧妙設計實驗驗證假設，最后知識拓展引出應用.在問題引導教學過程中，不僅傳授知識，同時全程融入課程思政，實現(xiàn)教書育人的雙重目的.

1 巧設問題 引入主題

創(chuàng)設問題鏈，引入主題.

問題1：德布羅意何許人也？

通過介紹其顯赫家族和由學歷史轉(zhuǎn)為學物理的傳奇經(jīng)歷，激起學生的好奇心.

問題2：是什么原因促使德布羅意改學物理？又為什么會取得成功？

圍繞兩次索爾維會議展開講解，如圖1所示.

(a)第一次索爾維會議(1911年)主題：輻射與量子論

(b)第五次索爾維會議(19127年)主題：光子與電子圖1 索爾維會議

通過德布羅意的親身經(jīng)歷，使學生體會到樹立目標，以及堅持努力對于學習的重要性.1911年第一屆索爾維會議，德布羅意的兄長擔任會議秘書.德布羅意通過其兄長了解到近代物理發(fā)展的概況以及所遇到的困難，從此改學物理，并立志要解決量子的真正本性.但到了1927年第五屆索爾維會議，德布羅意就能因為自身的成就而躋身物理學大師的行列，正式參加會議.1914-1919年，德布羅意經(jīng)歷了第一次世界戰(zhàn)爭，并應征入伍.但是戰(zhàn)爭結(jié)束后，德布羅意并未忘記最初的夢想，仍然下定決心，繼續(xù)研究物理，跟隨朗之萬攻讀博士學位，并最終取得巨大的成就.

問題3：德布羅意具體取得了什么成就？

講解1924年德布羅意的博士論文，并介紹其核心內(nèi)容德布羅意假設.從而引入本課的主題.

2 類比遷移 提出假設

首先提出問題：德布羅意假設是如何提出來的？這個假設是什么？然后循著物理學家的足跡，講解德布羅意提出假設的思維過程.德布羅意認為:自然界在很多方面是對稱的，只有對稱才是和諧的.此外，因為他是學歷史出身，所以他習慣于從歷史的角度去考慮問題，在對光的發(fā)展史作了深刻研究后，徳布羅意意識到，在不同的時期，人們對光的本性的認識不是過于重視粒子性忽視波動性，就是過于重視波動性而忽視粒子性，但最終卻發(fā)現(xiàn)光既具有波動性也具有粒子性，波動性和粒子性這兩個看似矛盾的對立體最終又統(tǒng)一在了一起.通過將實物粒子與光進行類比，德布羅意提出了一個大膽的設想：對于人們一直認為只具有粒子性的實物粒子，會不會也是人們忽視了它的波動性？它是不是也既具有波動性又具有粒子性呢？經(jīng)過審慎思考，最終德布羅意在博士論文中指出：不僅光具有波粒二象性，而且一切實物粒子也具有波粒二象性，并且粒子性和波動性的關(guān)系，與光的波粒二象性相一致.滿足

在上述環(huán)節(jié)，利用展示蝴蝶、建筑物、雪花和八卦圖等圖片，讓學生感受大自然中的對稱美.通過光的波粒二象性的講解，培養(yǎng)學生矛盾的對立統(tǒng)一思想.同時重點突出將實物粒子與光進行類比的方法，讓學生體會物理學家創(chuàng)新思維的形成過程.此外，還可拓展介紹類比在物理學發(fā)展中的重要性[5]，比如，靜電學中的庫侖定律就是通過與萬有引力定律的類比得來的，近代物理中“磁單極子”的概念就是通過與單極性的電荷類比提出來的，讓學生深刻地感受到如何通過類比的方法來進行科學創(chuàng)新.

3 計算推導 理論自恰

提出問題：德布羅意假設是否合理？啟發(fā)學生思考，同時引導學生從理論和實踐兩個層面來考慮，一是物理學的整體理論體系必須是和諧統(tǒng)一的，各理論之間不能違反自恰性原則，二是只有實踐才是檢驗真理的唯一標準.在這一過程中，讓學生樹立正確的唯物主義世界觀，并培養(yǎng)學生大膽假設，小心論證的科學態(tài)度.

圖2 電子繞核運動駐波模型

4 巧設實驗 驗證假設

介紹德布羅意當時所面臨的困難，創(chuàng)設歷史情境，激發(fā)學生學習興趣.由于徳布羅意是非物理專業(yè)出身，實物粒子具有波動性這一假設又匪夷所思，并且沒有實驗的支持，這一假設遭到了普遍質(zhì)疑，其導師朗之萬也難以接受.在德布羅意博士論文答辯時，導師朗之萬向德布羅意提出疑問：能否設計一個實驗來證明這一假設？當時德布羅意思考后回答，“晶體衍射實驗應該可以證明這一點”.引導學生思考，為什么德布羅意認為晶體衍射可以證明實物粒子的波動性？這個實物粒子是什么粒子，宏觀粒子可以嗎？

緊接著，讓學生利用德布羅意波理論分別計算宏觀粒子(以400 m/s運動的子彈為例)和微觀粒子(以動能為100 eV的電子為例)的波長，使其通過數(shù)據(jù)來直觀感受微觀粒子波長的大小.從而引導學生得出結(jié)論：當電子入射到晶體表面，通過觀察衍射現(xiàn)象，可以證明其波動性.讓學生親身參與這一探索過程，加強對微觀粒子波動性的理解.

通過前4部分內(nèi)容的講解，培養(yǎng)學生“類比已知理論—提出科學假設—驗證科學假設—建立新理論”這一科學的思維方法.

5 知識拓展 科技應用

回顧光學儀器的分辨本領，提出問題：提高儀器分辨本領的方法有哪些？啟發(fā)學生思考.然后在此基礎上介紹物質(zhì)波在電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡上的應用.首先對比可見光的波長和電子的波長，給出光學顯微鏡和電子顯微鏡的分辨率.光學顯微鏡的分辨率為0.2 μm，可觀察到人體內(nèi)的紅細胞，透射電子顯微鏡的分辨率則可達到0.2 nm，放大倍數(shù)是光學顯微鏡的1 000倍，可以直接觀察到晶格中的原子點陣.然后介紹掃描隧道顯微鏡的分辨率，講解它對單個原子的觀察與操控，以及它在納米技術(shù)中的重要地位.讓學生深刻感受到物質(zhì)波給人類生活所帶來的影響，增強學生學習物理知識的責任與使命.

6 結(jié)束語

本文以“德布羅意波”的課堂教學為例，提出了一種問題引導和課程思政相結(jié)合的教學模式.筆者以問題為牽引，層層深入，引導學生對德布羅意假設的提出和驗證過程進行了逐步探索.學生的學習興趣有了明顯的提升，課堂參與度也有了較大的提高，學生普遍反映學習效果較好.此外，我們根據(jù)本次課的知識內(nèi)容特點，通過課程思政教育，增強了學生的科學精神和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學生科學的世界觀和大膽假設、小心論證的科學方法，堅定了學生學習物理的使命與擔當.相信這一教學模式對量子物理的其他教學內(nèi)容也具有較好的借鑒作用.