原子物理學教學探究

柴花斗

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

原子物理學是從原子光譜入手，利用量子力學的思想和結論，研究物質在原子層次的結構組成、性質特點和基本的運動規律的一門學科，是物理學專業的一門重要基礎課程。它上承力學、熱學、電磁學和光學，下接量子力學，屬于近代物理的范疇。

一、原子物理學教學現狀

原子物理學的研究對象是電子、原子核和基本粒子，是我們肉眼無法觀測的，與普通物理相比，該課程涉及的許多物理規律和實驗現象是在日常生活中不易觀察和感知的，同時，學生對物理學前沿了解甚少，不能充分體會到原子物理的重要性，覺得該課程可有可無，加之其中應用的量子力學規律的抽象性，不僅增加了學習難度，也更加挫傷學生學習的積極性。因此，如何帶領學生遨游于原子物理給我們展現的奇妙的微觀世界，領略她帶給我們的嚴謹的科學研究方法，如何讓學生了解原子物理，喜歡上原子物理，是每一個原子物理老師都要思考并必須解決的問題。

二、協調整合教學內容

在原子物理學的教學中，存在兩條主線，一條是教學內容上按照對原子結構由簡單到復雜，從原子核外到核內的研究順序；第二條主線則是與原子物理、量子理論的誕生和發展歷史研究進程對應[1]。認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，利用現代科技發展帶給我們的點滴去充實這兩條主線，不僅可以幫助學生認識原子物理理論體系的內在邏輯，還有助于培養學生正確的科學觀、價值觀，提高科學思辨的能力。

1.整體把握教材的結構特點，按照對原子的研究從核外到核內，從簡單到復雜的知識主線進行教學。第一節課的課程介紹部分必不可少，老師要對原子物理在整個物理學課程結構體系中所處的地位、要研究對象、課程知識結構和體系進行分析、闡述，介紹章與章、與節的關系，一定要把教材各個章節知識點簡單地用一條知識主線連接起來介紹給學生，讓學生對所學習的內容有一個大概的了解。比如對原子結構研究先核外電子后核內，對核外電子的分析先從簡單的核外只有一個電子，原子序數為1的氫原子入手，然后到原子序數大于1，但核外電子電離后只有一個電子的類氫離子，再到原子序數大于1，核外有多個電子但最外層有一個電子的堿金屬族元素，然后從最外層有一個電子到兩個、三個等多個電子情況，最后把研究推向元素周期表中所有元素，環環相扣、層層深入、由淺入深、由表及里一層層揭開核外電子運動和相互作用的神秘面紗。這樣，在每一章節的學習中，在老師給定問題的引導下，學生一步步尋求解決問題的方法。講解中可以步步設疑，讓學生帶著問題、充滿好奇地去學習。

2.結合物理學史，利用科學家們對原子研究的歷史主線引導教學。在講解相關實驗時，除了注重物理問題產生的歷史背景介紹，還要注重物理學家背后一些鮮為人知的原始想法、做法及物理學家個人魅力的發掘。在原子物理學的第一堂課，我就告訴學生“從現在開始，把大腦中之前對于原子的所有知識全都封存起來，把自己置身于1896年，我們不知道原子是什么，已經出現的和它相關的實驗及其結論有…”，隨著科學家們一起探討原子。每一個重大的物理實驗給我們展示出來的信息，都會促生新的理論、模型，繼而進行推理，設計新的實驗進行驗證……，理論實驗相互驗證、相互促進。利用物理學家相關的逸聞趣事激發學生的學習興趣，利用科學家的探索精神和科學成就激勵學生，不僅可以活躍課堂氣氛，還可以培養學生良好的人生觀和價值觀。

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，出現了很多幫助我們認識微觀世界的模型結構，如湯姆遜原子結構模型、盧瑟福原子核式結構模型、玻爾的原子軌道模型、“電子云”模型、電子自旋運動模型、原子核結構模型等[2]。縱觀物理學的發展，建立模型本身就是一個創造的過程。通過原子模型的演化過程，讓學生親身體會科學每前進一步都會經歷現象、分析、假說、模型、實驗檢驗、推理、修正這樣一次完整的科學探索過程，自始至終沉浸在懸念、線索、推理、假設、求證的引人入勝的激動之中，使學生體驗探索和發現的喜悅。

三、尋求多樣化的特色課堂教學模式

1.原子物理課堂走進實驗室。在原子物理學的發展歷程上，有一些著名的實驗，比如盧瑟福的α粒子散射實驗、弗蘭克-赫茲實驗、施特恩-蓋拉赫實驗、核磁共振、塞曼效應等，在學習該部分內容時，如果有同步內容的實驗儀器，完全可以把課堂搬到實驗室中，比如弗蘭克-赫茲實驗，在老師的介紹和引導下，讓學生親自操作儀器，調整實驗參數，對采集到的數據綜合分析，得出原子內部能級量子化的實驗事實，相信學生對該實驗及結論的理解會更透徹；還有塞曼效應，對于譜線在磁場中分裂的條數，相鄰譜線間隔的關系，在平行和垂直于磁場等方向上觀測到的譜線條數和偏振特性是原子物理部分的重點，也是難點，但如果讓學生在實驗室自己操作實驗、觀測實驗現象、總結結論，在理論的指導下操作實驗，實驗中得出理論，驗證理論，不僅能讓抽象、枯燥的原子物理變得有趣，還能提高學生實驗操作能力和收集數據、分析處理數據、歸納總結的能力，無形之中提高學生科學研究所應具備的基本素質，也正是我們原子物理要求的科研能力提升目標所必需的[3]。

2.和原子物理相關的科技應用走進課堂。盡管任何物質都是由原子、分子構成，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驗現象也不像經典的力、熱、光、電磁學等在日常生活中可以看到、感知，這也是造成學生對原子物理的認識：“沒有多大用處”的主要原因，這主要是由于學生對科技前沿了解較少。因此，在學習過程中，老師要充分挖掘原子物理中和現代科技之間的“窗口”，引入相關的科技常識，如在談到原子能級躍遷時，談一下激光；談到量子隧道效應時，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射線時和醫學上的應用結合起來，在談到同步輻射時，可以談到當前各國在該方面的發展等等，不僅可以在一定程度上普及科學前沿知識，也能夠讓學生對原子物理相關知識的應用有一個簡單的了解，端正學生的學習態度，提高學生的學習激情。

3.了解學生的專業發展或就業趨向，讓原子物理走向學生的“未來”。原子物理學課程的開設一般會放在第四或第五學期，接下來的一年里，學生要面臨是參加工作或繼續研究深造的選擇，如果能在教學中在適當的知識點引入國內在該領域的權威機構的一些介紹、相關領域某些工作所用到的原子物理知識、和本課程相關的研究生考試中的考察重點難點以及相關的解題技巧，讓學生更多地了解國內乃至當今世界原子物理的發展和應用，不僅會大大提高學生的學習積極性，也使他們在考慮學科發展和就業方向上多了一些選擇。

4.考核內容和形式的多樣化。對經典物理的學習，很多情況下為了掌握某一個物理量和定理、定律，需要設置復雜的條件進行相關的計算，原子物理學在學習目標上更多的是強調理解，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，鼓勵學生自主發表對某個問題、某個實驗的想法，如：“談談原子物理學在物理學專業課程學習和社會生活中的地位和意義”，“談談原子物理中你感興趣的一個實驗”等等，而且這種多元性的考核形式，可以提前告知學生，使得學生在學習過程中，高屋建瓴把握課程，并時刻關注原子物理學的發展和應用[4]。

結語

原子物理學是物理學專業的一門專業基礎課，但實驗研究和分析在原子物理學發展中的地位和作用，又決定了它不僅僅是一門基礎課程，更是培養學生科研興趣、提高科研能力的一門關鍵性學科[5]，這就要求我們在正確把握、深刻理解教學內容的同時，不斷改變和創新課堂教學，使學生了解原子物理、喜歡原子物理、渴望更多地研究原子物理學，這是每一個從事原子物理教學的教師都希望看到的。

[1]李培芳.《原子物理學》教學改革研究[J].內蒙古民族大學學報,2012,18(2)：135-136.

[2]孫桂花等.談原子物理學教學中模型的應用[J].河西學院學報,2012,28(2)：121-124.

[3]呂中戰.在原子物理教學中培養學生創新能力的探索[J].教育與職業,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].大學物理,2010,29(3)：44-49.

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