原子物理學課程現代化對學生創新精神和能力培養的初探

李新　彭順金

摘要：原子物理學在材料物理專業學生的課程教學中占有舉足輕重的地位。它不僅是經典物理和量子物理連接的橋梁與紐帶，更是現代高新尖端技術應用的基礎。教師在傳授知識的同時，應該充分利用原子物理學課程的現代化加強這門課程的教育功能，從而加強對材料物理專業學生創新精神和能力的培養。

關鍵詞：課程改革；創新精神；創新能力；原子物理學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0103-02

原子物理學在材料物理專業學生基礎課程的教學中占有十分重要的地位。它不僅是經典物理和微觀物理（量子力學、粒子物理和核物理）連接的紐帶與橋梁，更是現代高新尖端技術（光譜學、激光、磁共振等）應用的基礎。原子物理學是于20世紀初開始形成的一門分支學科，它主要研究物質結構的其中一個層次，具體介于分子和原子核之間，其主要內容是原子光譜和原子結構。原子物理學是近代物理學的重要組成部分，如何對原子物理學課程教學進行現代化改革，提高該課程的教學質量的同時使之更好地培養學生的創新精神和能力已經成為當前材料物理專業課程教學改革研究中的一個熱點。

一、原子物理學課程現代化改革的背景

目前高等院校的教師講授在原子物理學這門專業課時，選用的教材大多都是褚圣麟或楊福家先生編寫的《原子物理學》，其中有些院校已將原子物理學更名為近代物理學，這樣改革的目的是為了實現該門課程的現代化，使其不局限在傳統意義的原子物理學課程上。面對該課程的教學現狀和其特殊地位，如何結合近代物理學的發展，發揮該課程的教育功能，培養學生的創新精神和能力，對原子物理學課程改革的呼聲越來越高。目前我校也逐步將原有的原子物理學課程進行了現代化改革，做了一些有益的探討和實踐。

二、整合知識體系，實現原子物理學課程教學內容的現代化，培養學生的創新精神

傳統的原子物理學教科書大多按照歷史發展的時間順序，即按照人類認識原子世界的具體過程，從“光譜”這一概念入手組織教學。這種教學的特點是以光譜實驗事實為主線，以玻爾的舊量子論為重點，用半經典半量子論的方法講授課程。但是對于這樣的教學內容和教學安排，學生并不容易掌握，而且讓學生花費大量的時間掌握這些不易理解最終又要被量子論修正的理論，看起來確實是沒有必要的。因此傳統的教學內容有些陳舊并且不易理解，也不能及時反映現代物理理論和科學技術發展的最新水平，因此必須用新觀點和新思想重新組織教學內容，以全新的角度構建這門課程的知識體系。在材料物理專業學生原子物理學的教學中，可直接用量子力學的理論研究原子結構及其運動變化規律。原子中電子的運動都遵循著量子力學的理論，而傳統教學中以學生不好理解的舊量子論為基礎，再用量子力學修正的做法并不符合學生的認知規律。因此可以直接用量子力學的理論來研究原子結構及其規律[1]，而將舊量子論僅僅作為一種鋪墊。實際教學中，可以先簡明扼要地介紹舊量子論的核心內容，而不必過多講授軌道的概念。可以刪除橢圓軌道理論和堿金屬原子的原子實極化和軌道貫穿等內容。這樣就實現了原子物理學課程知識體系現代化的第一步，用最新的量子力學理論成果講述原子中電子的行為。量子力學理論是從特有的波函數、哈密頓算符以及薛定諤方程等形式化的理論，以高度濃縮的數學形式借鑒了各學科的研究成果，從而形成了一套獨特的理論體系。實際講授中可以薛定諤方程為主線，由薛定諤方程引入微觀粒子的波函數，建立二階偏微分方程，從而定量描述微觀粒子客體的運動規律。一方面，根據不同的勢能表達，建立各種原子的薛定諤方程并求解，向學生闡述這些解的物理意義，并與實驗事實相對照，從而加深學生對原子結構的認識，進而把握原子內部結構的變化規律。另一方面，要突出德布羅意物質波的統計解釋。傳統教學內容總是先從經典物理學的角度和觀點看“粒子”和“波”這兩個概念，指出二者之間的相互排斥性，然后再引出微觀粒子的波粒二象性，并強調波粒二象性是微觀粒子客體區別于宏觀客體的一種屬性。這種講法常常會使學生產生困惑，覺得微觀客體很不可思議，超過了他們的認知和理解范圍。因此在講授時可以直接給出對德布羅意波的正確解釋，闡明微觀粒子的波動性并非指粒子和波一樣彌漫到整個空間，它本質上是粒子位置分布的一種概率波。為了更好實現教學內容的現代化，還應當在教學中穿插關于物理學前沿知識的專題，介紹近代物理學中和原子物理相關的最新發展和高新技術。在講授某些概念和原理時，可適當介紹最新應用成果和科技前沿。例如在講授原子的能級和激發時，可以詳細介紹激光產生的原理、特性以及應用等；在講到隧道效應時，可以介紹掃描隧道顯微鏡的原理及其發展；在講授X射線的吸收和透射時，可以介紹在醫學診斷和治療中具有廣泛應用的CT技術。增設這些前沿內容，一方面是為了加強理論知識與實際的聯系，使內容變得生動，提高學生的學習興趣，另一方面可以讓學生體會到當今科學與技術、生活的高度融合，開擴他們的視野，激發他們的創新熱情。原子物理學的發展伴隨了20世紀物理學的發展，并且隨著新的實驗發現、新模型新理論的建立而不斷深入[2]。從歷史上看，原子物理學的每次重大突破，都經歷著非常復雜曲折的過程，同時閃耀著物理學家創新精神的光芒。在課堂教學中，教師可以結合現代化的教學內容，抓住典型的歷史案例進行教學，讓學生了解到科學探究過程的艱辛，體會創新精神的可貴性，并學習科學家們為了探求客觀世界真理不畏艱辛、執著追求的科學品質和創新精神。

三、實現教學方法的現代化，突出學生的主觀能動性，培養學生的創新能力

教師教學的主要任務是傳授知識同時引導學生入門，為了更好地突出學生的主觀能動性和培養學生的創新能力，教師有必要改進原有的教學方法。除了教師講授、學生聽講的傳統教學方式外，還必須引入更加現代化的教學方式進行有益的補充[3，4]。在原子物理學課程的教學中，近代物理實驗應當占有舉足輕重的地位，很多重要的理論和結論都是由實驗直接引出的。因此要特別重視近代物理實驗，課堂教學時可以結合近代物理實驗，如夫蘭克—赫茲實驗、塞曼效應等。在實驗演示中，可以增強學生對微觀世界的認識，為他們提供更好的認識微觀世界的途徑。同時，在現有的實驗條件允許時，可以讓學生先動手做實驗，然后針對實驗結果進行分析，總結規律，從理論上給予解釋，從而加深學生對書本知識的認識和理解。在此過程中，可以給學生創造機會重現當年物理學家們探究的過程，讓學生能夠親身參與科學實驗與探究的過程，從而培養學生的創新思維能力。另外可以指導學生撰寫與課程相關的小論文，幫助培養學生的創新能力。學生撰寫的小論文，作為平時成績的一部分，計入學生的總評成績。論文的題目可以圍繞原子物理學的基本規律和應用，由學生自己選題、搜索資料并獨立撰寫。不僅可以激發學生的主觀能動性，拓寬他們的知識面，還可以培養學生獨立思考、勇于創新的品質。在這種教學過程中，可以充分體現教師引導、學生為主體的教學理念和方法，加強學生在專業課程學習中的主觀能動性，同時有意識地培養他們的創新能力。endprint

四、實現教學手段的現代化，為學生創新精神和能力的培養創造情境條件

原子物理學課程的內容包含的信息量較大，尤其是需要運用深奧的數學公式處理問題，因此計算量大，而且物理圖像也比較抽象，學生往往受此困擾對該課程的學習產生畏難情緒。如果學生有畏難情緒，那么會缺乏學習的主觀能動性，這對學生的學習、創新精神和能力的培養都是非常不利的。為了解決這一問題，可以利用現代化的教學手段，編輯圖文、聲音、視頻并茂的多媒體輔助課件，使抽象的物理過程和物理圖像能夠形象化[5]，并且可以通過交互式的教學方法，增進師生之間的互動與交流。制作電子教案，采用多媒體手段輔助課堂教學，可以在教師講授時創造相關物理情境，讓學生可以暢游在物理學的海洋中，從中汲取有益的信息。例如在講到盧瑟福散射實驗時可以介紹散射技術的背景和儀器設備；介紹隧道掃描顯微鏡，可以用多媒體課件展示最早的排列原子的“IBM”圖片。通過這種直觀的展示，能夠讓學生在課堂隨時感受科學的魅力，增強他們學習的興趣，也增強他們對創新的渴望和動力。另外可以建立課程的教學網站，作為對課堂教學的補充，在課堂之外提供給學生更多和更生動的學習資源[6]，同時可以增設留言板，進一步加強師生之間的互動和交流。在這些現代化的教學輔助手段下，學生有機會接觸更多的知識，更多地思考與課程相關的內容，為學生創新精神和能力的培養創造客觀條件。

原子物理學是20世紀物理學中最重要的組成部分之一，它的發展是眾多物理學家的思想結晶，其中包含著十分豐富的物理文化內涵。任課教師在傳授知識的同時，應充分開發原子物理學作為一門專業基礎課程對學生的教育功能，通過課程教學內容、教學方法、教學手段的現代化更好地培養材料物理專業學生的創新精神和創新能力。

參考文獻：

[1]楊福家.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]申先甲.談談物理學史在素質教育中的作用[J].大學物理，2000，（11）：36-40.

[3]高政詳.原子物理學教學改革的幾點探索[J].大學物理，2001，（4）：34-37.

[4]郭振華.原子物理學課程的教學改革與實踐[J].物理教育，2002，（9）：613-618.

[5]宋桂蓮.原子物理學（或近代物理學）“多媒體計算機輔助教學”（MCAI）課件簡介[J].大學物理，2000，（6）：40-42.

[6]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，（3）：44-49.endprint