原子物理學教學中學生能力的培養

呂立君

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

原子物理學教學中學生能力的培養

呂立君

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

原子物理學是由宏觀世界通向微觀世界的橋梁和紐帶，上承經典物理，下接量子力學，是量子物理、量子化學、物質結構理論的基礎.原子物理學的建立與發展過程是微觀體系物理思想和研究方法的形成過程.本文結合原子物理學課程特點和學生實際，對如何在原子物理學教學過程中培養學生分析解決問題能力、自主研究物理問題的興趣、創新意識和創新能力做了論述.

科學思維；創造性；能力培養

1 引言

原子物理學的研究對象是原子、分子、基本粒子等微觀客體，主要討論物質結構在原子、分子、原子核以及基本粒子等層次的性質、特點和規律.原子物理學是由宏觀世界通向微觀世界的橋梁和紐帶，上承經典物理，下接量子力學，是量子物理、量子化學、物質結構理論的基礎.量子力學的發展有力推動了核物理、粒子物理、凝聚態物理等的研究，使原子物理學與其它學科的聯系更加緊密，原子物理學的原理和新的現代科學技術在能源、材料、工農業、醫學諸多領域有著十分廣泛的應用，對工農業生產、工程技術和國防事業產生深遠影響.原子物理學課程極具挑戰性，因其研究對象為微觀客體，其結構和運動規律不能直接進行感知，在生活中沒有相應的模型與之對應，許多經典物理學的規律不再適用于微觀體系，涉及相關知識較多，如數理知識、物理知識、化學知識、量子力學知識等等，同時涉及許多現代物理的測量技術,實驗技術含量高，內容深奧、抽象、不易理解.另外原子物理學的建立與發展過程恰是微觀體系物理思想和研究方法的形成過程，是培養學生創造性思維的良好途徑.根據該課程特點及其在物理學中的重要地位，在教學過程中，我們遵循學生的認識規律，積極推進教學模式和教學方法改革，培養學生研究探索問題的能力和創新能力.

2 滲透研究方法

原子物理學研究對象是原子、分子等微觀客體，許多經典物理學的規律不再適用于微觀體系，微觀客體的結構和運動情況不能直接進行觀察，必須從反映原子內部情況的可觀測量中去推究原子的結構、構成原子的各粒子的運動規律及各粒子間的相互作用規律等，我們充分利用本學科的這一特點，在相關的背景知識環境中，引導學生探索研究，加強物理思想及科學思維方法的滲透.如：原子的核式結構學說的授課過程：介紹電子的發現→湯姆遜栆糕模型→（檢驗模型）盧瑟福的散射實驗→大角散射的實驗結果否定了湯姆遜模型→盧瑟福提出核式結構模型→由盧瑟福核式結構模型推出庫倫散射理論（實驗無法驗證）→進一步推出較深入的盧瑟福散射理論→由這個理論推測出四種關系[1]（1）同一α粒子源和同一散射物的情況下；（2）同一α粒子源和同一材料的散射物，在同一散射角與散射物的厚度t成正比；（3）同一散射物，在同一散射角＝常數；（4）同一α粒子源，在同一散射角，對于同一N t值與Z2成正比→四種關系全部被實驗所證實→盧瑟福核式結構模型正確.這樣一個過程體現了研究微觀體系的基本思想：根據事實（原子所表現出的宏觀現象和特征）提出合理的假設→這個假設能否說明實驗事實或與進一步的實驗事實相符或由此推出較深的理論→由進一步的實驗驗證理論的正確性.通過這一過程的教學，學生不僅學到知識、提高能力，而且得到科學思維方法的訓練，提升科學素質.

在原子物理教學過程中，可以適時滲透物理思想和科學思維方法，如玻爾理論→索莫非理論→量子理論；氫原子→類氫離子→堿金屬原子；單電子原子→雙電子原子→多電子原子.

3 培養創新意識

原子物理學的建立與發展過程是微觀體系物理思想和研究方法的形成過程，是創造性思維的集萃.在教學過程中，適時引入原子物理學的背景知識和科學家們在探索研究過程的創新思維故事，利于學生創造性思維意識的培養.如：在學習能量量子化概念時，介紹普朗克為湊合實驗數據而猜出來的黑體輻射能量密度分布公式[2]，公式公布當天，魯斯本將盧默和普林斯海默當時測到的最精確的實驗結果進行核對，發現兩者精確相符，為了給這個湊出來的公式一個理論解釋，普朗克創新性的提出電磁輻射的能量是量子化的思考過程，即E=nhv，n=1,2,3……，及在此量子化的條件下推導出著名的普朗克公式.再如學習實物粒子波時，介紹剛從歷史學的研究轉向物理學的法國青年路易·德布羅意把波粒二象性推廣到所有物質粒子的思考過程.這些革命性的創新故事，對培養學生不拘一格，破舊立新的創新思維意識將起到積極的促進作用，同時這些創新為量子力學的建立奠定了堅實的基礎.

另外，原子物理學的原理和技術在醫學、生命科學、材料科學、天體物理學、礦物學等各領域應用廣泛.在教學過程中，我們結合教材內容，適當增加了原子物理學的現代研究成果及新技術應用方面的教學內容，開闊學生視野，如結合教學內容適時加入核磁共振層析技術、核能利用、X射線衍射物象分析技術、血管造影技術、激光技術、放射性的應用等教學內容，激發學生的求知欲和創新熱情，培養學生科學嚴謹的科學態度.

4 引導創新思維

物理學是一門實驗科學.實驗是科學研究的基礎，是創造新知識、產生新技術的搖籃，是培養創新精神、分析解決問題能力和造就高素質創新人才的重要環節.在教學安排上，我們強化實驗教學，改變以往理論教學與實驗教學分開的教學模式，將理論課程與實驗課程有機結合，為學生提供研究問題探索問題的良好環境，并運用探索研究式、啟發式、討論式等[3]教學方法充分發揮學生的主觀能動作用，幫助學生順利完成抽象思維過程，建立概念，掌握規律，發展能力.如：在講授玻爾理論時，先由氫原子的光譜→玻爾理論→設計驗證玻爾理論的實驗原理、實驗方案→夫蘭克一赫茲實驗驗證原子內確實存在不連續的定態能級，這樣的教學過程學生不僅掌握知識，對知識的理解會更深入透徹，同時充分發揮其聰明才智，在輕松愉悅的環境中使學生推理能力、分析解決問題的能力得到提高.講授塞曼效應現象等內容時都可以結合實驗進行教學.對于難以理解又不具備實驗條件的教學內容，可以利用多媒體技術[4]將抽象的物理模型、物理過程直觀地展示給學生，為學生創設便于探索研究問題的教學環境.如講授電子自旋運動時，我們由鈉原子光譜的精細結構→電子自旋→利用多媒體技術模擬史特恩-蓋拉赫實驗過程，然后通過教師的引導、啟發、學生間互相討論，培養學生創新思維能力.再如講授原子的核式結構時，同樣可以模擬α粒子散射實驗，引導學生思維.另外為培養學生的創新能力，我們整合了實驗教學資源，全方位開放了近代物理實驗室，學生可帶著問題進入實驗室，通過實驗發現問題，提出問題，并與教師研究討論，培養學生分析問題、解決問題及創新思維能力.

5 拓展學習途徑

改變師生交互方式，使教學在時間和空間得以延伸.如作業有掌握基本概念基本規律掌基礎題、有能夠運用概念、規律解決實際問題的應用題，也有結合教學內容及學生的知識結構設計的課程論文，引導學生突破三尺講臺的束縛，改變以往單一從課堂教學中獲取知識的途徑，充分利用實驗室、網絡資源，主動研究、探索、分析和解決問題.并利用網絡平臺實現教師與學生適時交互，學生的思維活躍，學習效率得到提高，真正做到教學相長.另外結合教學內容和學生實際經常安排專題討論，比如:光電效應與康普頓效應的本質區別、如何利用X射線的吸收限完成血管造影等等，另外我們經常舉辦與課程內容相關的知識講座，如反物質與暗物質、核能利用等培養學生探索研究問題的能力，激發學習興趣和創新意識，培養創新精神.

6 小結

在原子物理學教學過程中,我們不斷探索與學生和學科特點相適應的新思路、新方法，采用理論與實驗教學有機相結合（實驗-理論-實驗）的教學模式，適時滲透物理思想和科學研究方法，用探索、研究、討論式等教學方式，積極促進以學生為主體的主動探究學習方式的形成,另外通過知識講座、專題討論、課程論文、實驗室開放等措施，極大的調動學生的學習積極性，學生思維活躍，探索積極性高，收到了良好的教學效果.

〔1〕褚圣麟．原子物理學 [M].高等教育出版社，2010.8-19.

〔2〕楊福家.原子物理學 [M].高等教育出版社，2007.32-41.

〔3〕許弟余，許友文.四川職業技術學院學報，2006，16（4）：96-97.

〔4〕周恒為，夏莉艷.伊犁師范學院學報（自然科學版），2008（1）：40-42.

G642

A

1673-260 X（2013）10-00234-02