原子物理學(xué)課程教學(xué)改革初探

翁銘華 張妹玉 林珠妹

摘要：為了提高原子物理學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，本文就原有的教學(xué)方法和內(nèi)容上存在的一些問題，相應(yīng)地提出一些創(chuàng)新的改革嘗試的方法。

關(guān)鍵詞：原子物理學(xué);實驗;因果邏輯

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0141-02

原子物理學(xué)課程是大學(xué)普通物理中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，一般安排在力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等普通物理課程之后，以及量子力學(xué)、統(tǒng)計物理等理論物理課程之前講授。原子物理學(xué)課程是聯(lián)系經(jīng)典物理與量子物理的紐帶，是學(xué)生第一次接觸與生活相去甚遠的物理學(xué)科。學(xué)習(xí)過程中將不斷遇到全新的視角與全新的觀念，對學(xué)生和授課教師都是一個不小的考驗。本文就原子物理學(xué)課程教學(xué)中遇到的問題與難點，提出一些創(chuàng)新方法的嘗試。

一、以實驗為中心，圍繞實驗展開理論闡述

在原子物理學(xué)的發(fā)展過程中，從原子結(jié)構(gòu)到原子核組成，一直是實驗領(lǐng)先于理論，于是在講授過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從實驗現(xiàn)象中總結(jié)物理模型。

例如在講授原子核式模型時，應(yīng)圍繞α粒子散射實驗進行。在講授過程中，可以將實驗?zāi)康?、實驗裝置、實驗現(xiàn)象制作為動畫模擬或是演示視頻，讓學(xué)生有親身感受。緊接著，引導(dǎo)學(xué)生探究實驗現(xiàn)象所蘊含的物理圖像。將α粒子散射實驗呈現(xiàn)的僅八千分之一的反彈概率與原有的湯姆遜提出的“葡萄干布丁”原子模型比較，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)二者之間的矛盾。根據(jù)湯姆遜的原子模型，根本不可能存在大角度散射的α粒子，更別提180°角的反彈現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而再引出盧瑟福原子核式模型。正因為存在高度致密的原子核，才能符合α粒子散射實驗的結(jié)果。如此環(huán)環(huán)相扣，有理有據(jù)地引出盧瑟福的原子核式模型，有助于學(xué)生深入理解這一理論模型。

再例如在講授電子自旋時，應(yīng)首先圍繞史特恩-蓋拉赫實驗進行。施特恩-蓋拉赫實驗原本的目的僅僅是為了驗證原子的軌道角動量的空間量子化，一個不合理的目的卻得到了出乎意料的結(jié)果。實驗利用原子的磁矩與外磁場的相互作用而受力，使得原子運動軌跡偏轉(zhuǎn)，得到的實驗結(jié)果完全不符合經(jīng)典物理理論。講授時應(yīng)突出原有的經(jīng)典理論對于解釋實驗結(jié)果的困難，從而引出提出電子自旋的必要性與迫切性。電子自旋的另外兩個驗證實驗：堿金屬雙線與塞曼效應(yīng)也應(yīng)作為講授的重點。兩個實驗的實驗條件不同：堿金屬雙線不需要外加磁場，塞曼效應(yīng)的產(chǎn)生需要外加弱的均勻磁場。由不同的實驗條件引出不同的實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生機制：堿金屬雙線是原子內(nèi)部的電子自身的自旋磁矩與軌道運動產(chǎn)生的磁場相互作用形成的，塞曼效應(yīng)是由原子自身的總磁矩與外加的磁場相互作用產(chǎn)生的。同時，可以將這三個實驗放在一起比較，引導(dǎo)學(xué)生加以區(qū)分，從而更好的掌握電子自旋這一抽象的物理概念。

傳統(tǒng)的原子物理學(xué)課程皆為理論教學(xué)，頂多借用多媒體演示實驗。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，多媒體演示實驗因為可以較為直觀地展示實驗裝置過程以及結(jié)果，因此的確好過板書教學(xué)的效果。但是，我們一直強調(diào)，物理是一門實驗科學(xué)，任何理論的提出都必須經(jīng)過實驗的驗證。教師不妨嘗試一些簡單的可以實現(xiàn)的現(xiàn)場演示實驗，或是將課堂搬到近代物理的實驗室里，與近代物理實驗的內(nèi)容相結(jié)合，將會取得更好的效果。例如，可以直接在課堂上給學(xué)生演示簡單的光電效應(yīng)實驗。在實驗過程中，采用固定變量法，讓學(xué)生記錄得到的實驗數(shù)據(jù)，并引導(dǎo)學(xué)生自主分析實驗結(jié)果，從而引出愛因斯坦的光量子假說。而一些需要大型儀器的較為復(fù)雜的原子物理實驗，比如測量原子光譜之類，則可以選擇在實驗室進行演示實驗，甚至可以與近代物理實驗進度相協(xié)調(diào)，在演示實驗之后引導(dǎo)學(xué)生進行結(jié)果分析，最后由學(xué)生自己動手完成實驗。在真實的實驗過程中，將會出現(xiàn)各種各樣的甚至出乎意料的問題，教師可以充分利用解決問題的機會，深入原有內(nèi)容的教學(xué)，并且提高學(xué)生的興趣與動手能力，讓學(xué)生親身體會到原子物理學(xué)中的概念并不是“水中花，鏡中月”，是切切實實地由實驗得到的。

以實驗為中心的探究式教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，使得學(xué)生能夠更好地理解原子物理學(xué)中遇到的與經(jīng)典物理不同的內(nèi)容，而且可以讓學(xué)生真切地理解物理是一門實驗科學(xué)，從而重視對物理實驗的認識。

二、重視理論發(fā)展的因果邏輯

原子物理學(xué)課程中，將接觸到相當(dāng)多的微觀理論模型，這些理論模型并不是憑空想出來的。在講授理論模型時，應(yīng)讓學(xué)生充分了解理論模型提出的實驗基礎(chǔ)以及理論基礎(chǔ)，從而進一步理解學(xué)科發(fā)展的邏輯。

例如在講授玻爾模型時，玻爾模型提出了關(guān)于氫原子的三點假設(shè)：定態(tài)假設(shè)、躍遷假設(shè)以及角動量量子化的假設(shè)。這三點假設(shè)并不是玻爾想象出來的，而后又恰好與氫原子光譜實驗相符，因此必須跟學(xué)生清楚地闡述：在提出玻爾模型之前，已經(jīng)出現(xiàn)了能量量子化的假說、光量子化假說、氫原子的線狀光譜實驗，以及對應(yīng)于可見光區(qū)的氫原子光譜的巴爾末公式。正是由于前人打下的前期理論和實驗基礎(chǔ)，才能夠催生出半經(jīng)典的玻爾模型。同理，在講授波粒二象性時，也應(yīng)指出這一觀點并不是憑空產(chǎn)生的。在此之前，光的波動性和粒子性已經(jīng)為實驗證實并被人們所認識。德布羅意僅僅是大膽將這一觀點推廣至一切物質(zhì)粒子，認為一切物質(zhì)粒子都同時具有粒子性與波動性。而只有在被后續(xù)的電子干涉、衍射實驗以及中子衍射等實驗驗證之后，一切物理粒子都具有波粒二象性才為人們所接受并認同。

原子物理學(xué)這座大廈并不是憑空建造的，只有捋清學(xué)科發(fā)展的因果邏輯，才能夠使得學(xué)生將看似零散的知識構(gòu)建為完整的知識體系。

三、插入物理學(xué)史介紹

在原子物理學(xué)的發(fā)展過程中，共有60多個相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎，這在其他物理學(xué)課程中是不常見的。故而，在講授原子物理學(xué)課程中，應(yīng)充分利用這一優(yōu)勢，讓學(xué)生能夠“以史為鑒，以人為鑒”，在課堂上走近諾貝爾物理學(xué)獎以及獲獎的物理學(xué)大師們，感受攀登科學(xué)高峰的激情以及老一輩物理學(xué)家治學(xué)的態(tài)度。

例如在講授原子核放射性現(xiàn)象時，可以插入對第一個發(fā)現(xiàn)原子核自發(fā)放射性現(xiàn)象的貝克勒爾的介紹。貝克勒爾家族祖孫三代人，在實驗室研究熒光現(xiàn)象60多年，最終在一次偶然的機會觀察到原子核放射性的現(xiàn)象?？此婆既唬鋵嵤嵌嗄陙韺嶒灧e累的必然。這個例子可以引導(dǎo)學(xué)生了解到科學(xué)研究不是一朝一夕可以成就的事業(yè)，需要付諸畢生的精力才可能有所建樹。要敢于且甘于做冷板凳，耐得住寂寞才有機會離真理更進一步。

再如，在講授原子能的應(yīng)用時，我國大批的老一輩科學(xué)家放棄國外優(yōu)越的生活和科研條件，選擇在新中國成立之初回到祖國，創(chuàng)建祖國的原子能事業(yè)。他們所表現(xiàn)出來的不僅僅是對真理的追求，更多的是一個科學(xué)家的愛國之心。

在課堂上，可利用視頻資料，包括珍貴的紀(jì)實影像，向?qū)W生介紹原子物理學(xué)的發(fā)展歷程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵學(xué)生樹立遠大的理想并為之努力。物理學(xué)史的介紹，不僅能夠活躍課堂，更能實現(xiàn)育人的目的。

四、聯(lián)系學(xué)科前沿與實際應(yīng)用

目前的原子物理學(xué)的教材，普遍的缺陷就是史料陳舊，與當(dāng)前的學(xué)科前沿脫節(jié)。因此，在講授過程中應(yīng)該補充相關(guān)的學(xué)科前沿的知識，或是對課程內(nèi)容進一步深化與實際應(yīng)用相聯(lián)系。

例如在講授β衰變時，應(yīng)重點突出中微子的介紹：中微子假設(shè)的提出、中微子捕獲實驗以及中微子研究相關(guān)的3次諾貝爾物理學(xué)獎等?，F(xiàn)在，關(guān)于中微子的理論和實驗研究仍然是科學(xué)研究的前沿問題，仍有許多問題亟待解決。

例如在講授施特恩-蓋拉赫實驗時，僅拘泥于教材的原始實驗裝置效果平平，應(yīng)嘗試進一步深入實驗，介紹改進之后的施特恩-蓋拉赫實驗，即外加兩個甚至在若干個在某方向非均勻的磁場，從而實現(xiàn)檢測及挑選具有特定自旋的原子的目的。這樣的實驗裝置，已經(jīng)是具有實際應(yīng)用價值的挑選原子自旋的器件。深化原有的實驗內(nèi)容，不僅能夠加深學(xué)生對本實驗的理解，而且使得學(xué)生可以更好地掌握自旋這一抽象的概念。

對于一些內(nèi)容較為豐富的學(xué)科前沿與科技產(chǎn)業(yè)化的介紹，可以不拘于講課的形式，專門開設(shè)主題講座，引導(dǎo)學(xué)生加入討論或指導(dǎo)學(xué)生課后撰寫相關(guān)的課程論文。這種做法可以拉近學(xué)科與前沿的距離，讓學(xué)生接觸到前沿的知識，既為學(xué)生打開眼界，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注前沿課題與科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，又為學(xué)生進一步的深造打下了基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

原子物理學(xué)課程通常作為大學(xué)普通物理的最后一門課程，在學(xué)習(xí)中起著承上啟下的作用。本文就原子物理學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，提出了一些創(chuàng)新改革的方法。在原子物理學(xué)的教學(xué)過程中，應(yīng)以實驗為中心，重視理論發(fā)展的因果邏輯，穿插物理學(xué)史的介紹，并且聯(lián)系學(xué)科前沿與實際應(yīng)用。對這門課程的掌握與理解程度直接影響著后續(xù)理論物理課程的學(xué)習(xí)。因此，對原有教學(xué)方法以及教學(xué)內(nèi)容進行改革與創(chuàng)新是非常有必要以及有意義的嘗試。

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