慕課背景下《原子物理學》教學模式的改革與實施

聞軍　吳敏　查申龍　汪燕　朱德權

【摘 要】“原子物理學”是普通高等學校物理學本科專業必修的一門專業基礎課程。本課程的學習者常常會受制于經典的物理理論和方法的影響，并且對微觀世界的認識和處理存在一定程度的不適應。當前慕課課程獲得了廣泛應用、取得了一系列顯著成果，將慕課教學模式引入到“原子物理學”課程的教學中來，將會有利于物理學相關專業本科生對于本課程的有效學習，還有可能吸引文科相關專業學生甚至中學生參與到本課程的自主學習，滿足他們在探求科學知識、就業等各方面的需求。本文主要介紹“原子物理學”慕課課程的主要教學內容和教學設計思路，期望能夠給本課程的慕課開發和實施提供一種新的思路。

【關鍵詞】原子物理學;慕課;教學改革

中圖分類號： G642;O562-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.039

0 引言

“原子物理學”是普通高等學校物理學本科專業必修的一門專業基礎課程。它主要探討原子的結構、能量狀態，以及與其他粒子、電場、磁場等之間的相互作用規律和機理。眾所周知，量子力學是現代物理學的重要基石之一，而“原子物理學”則已被證明是量子力學一個顯著成功的應用。作為承接經典物理與量子物理的橋梁，“原子物理學”課程的教學活動存在著一些共性的問題。例如，學生在學習本課程時仍然習慣于經典的理論和方法，對于微觀世界的認識和處理方法存在一定程度的不適應。本課程需要學生理解的物理思維和方法等方面的內容較多，學生通常缺乏足夠的有效訓練。近幾十年來，人們對于微觀物質結構的研究和認識有了迅猛地發展，常常超越了人們的慣常認知。此外，受制于一些任課教師的專業方向以及學生接受能力等原因，新知識在傳授過程中也存在一定難度。

近年來，慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）即大規模開放在線課程，作為一種新穎的網絡在線課程開發模式，得到了越來越多的授課者和學習者的青睞。它主要通過網絡技術和流媒體支持，利用在線教育平臺，發展以學生為中心的教育教學模式。從空間和時間上改變傳統的高等教育授課形式，實現對高校教學資源的整合，由單純的教學資源轉變為融合課程及其教學內容的多用途的教育發展資源，學生利用多線程在線教育可以實現獲取知識途徑的多元化、主動化以及網絡化[1]。在一流專業建設“雙萬計劃”的背景下，教育部推動實施一流課程建設“雙萬計劃”（即“金課”建設計劃，計劃建設1萬門左右國家級一流課程以及1萬門左右省級一流課程）。其中，國家級一流課程包含約3千門左右線上“金課”（國家精品在線開放課程）。因此，慕課課程建設與發展必將成為當前高等教育領域的重要改革方向和著力點。基于安徽省高等學校省級質量工程項目支持的“原子物理學”慕課課程的建設，將有利于作者所在學校乃至全省高校物理學以及與物理相關理工科專業本科生的有效學習，同時更有助于部分沒有開設這門課程的文科專業學生的自主學習，滿足他們在探求科學知識、就業等各方面的需求。通過本慕課課程授課教師通俗易懂的語言介紹，力爭吸引廣大中學生參與到本課程的學習中來，增強他們對于探索未知領域的興趣，為未來進入大學階段的深入學習打下堅實的基礎。

2 “原子物理學”慕課課程教學內容

國內“原子物理學”課程目前多數采用的教材是褚圣麟教授編寫、高等教育出版社出版的“原子物理學”。它包含了原子、分子、原子核、基本粒子等方面的內容[2]。本門課程的慕課課程不僅需要將傳統的課堂教學內容碎片化，更要將碎片化的教學片段重整構造成為一個有機體系。因此，我們需要篩選出本課程課堂教學內容中的重要知識點，將其分為九章，預計35學時，預計總時長300分鐘。第一章為緒論（1學時），主要介紹原子物理學的發展、地位及作用。第二章為原子的基本狀況（2學時），主要介紹原子的質量、大小及核式結構模型。第三章為原子的能級和輻射（5學時），主要介紹光譜的概念、玻爾的氫原子理論、弗蘭克赫茲實驗、史特恩-蓋拉赫實驗、空間取向量子化。第四章為量子力學初步（2學時），主要介紹物質的二象性和波函數。第五章為堿金屬原子（4學時），主要介紹堿金屬原子光譜、原子實極化和軌道貫穿、電子自旋、光譜精細結構。第六章為多電子原子（6學時），主要介紹具有兩個價電子原子的光譜和能級、原子態、LS耦合、JJ耦合、泡利原理、選擇定則。第七章為在磁場中的原子（3學時），主要介紹原子的磁矩、外磁場對原子的作用、塞曼效應。第八章為原子的殼層結構（3學時），主要介紹原子的電子殼層結構、原子基態的電子組態、原子的基態原子態。除了上述教學內容之外，我們還需要在慕課的教學內容中實施比傳統課堂教學更多的練習活動，這些練習應不同于通常教材的課后習題，而是以選擇、填空以及思考為主，同時也要兼顧趣味性與內容的典型性。通過邊學邊練習，讓學習者了解自身的理解與掌握程度，不斷鞏固所學知識，逐步達到熟練掌握。

3 “原子物理學”慕課教學設計思路

針對“原子物理學”的內容和特點，其慕課教學設計需要考慮：

1）制作大多數實驗的動畫演示視頻，幫助學習者獲得直觀、生動的物理圖像。然后給出詳細的數學推導過程，使得學生一次性掌握本課程的基本內容和量子物理的思想精髓。盡可能采用二維或三維圖像表示物理過程，把復雜公式的推導簡化為具體圖形。教學設計的目標就是如果去除復雜公式的推導，本課程也可以成為直接面向文科生或其他專業工科生甚至中學生的通識課，并結合趣味性和科學性。制作與教材以及慕課相適應的電子課件，并對部分實驗進行計算機模擬。圖1是盧瑟福等人開展的α粒子散射實驗的演示圖。通過授課者的演示，“原子物理學”慕課學習者們較易理解該實驗的儀器裝置、實驗過程、實驗結果。α粒子從鉛塊所包圍的α粒子源中以一條細束射向鉑的薄膜（黃色所示部分）上，然后散射至不同方向。實驗者則通過帶有熒光屏的放大鏡轉到不同方向對散射的粒子進行觀察。由于熒光屏的玻璃上熒光物ZnS，被散射的α粒子打到上面會產生微弱的閃光，因而實驗者可以獲得在某一時間內被金屬鉑散射到某一方向上的α粒子數。

圖1 α粒子散射實驗演示圖

2）整合多種社交網絡（如微博、微信公眾號、網絡論壇、短視頻等）和各種形式的數字資源，幫助師生教學活動的開展。通過實現本課程的慕課教學，突破傳統課堂教學時間和空間限制，讓非本專業、非本學院甚至非本學校的其他學生來參與本課程的學習。筆者所在的原子物理學教學團隊已建有原子物理學（線下教學）完整的教學資源，包括：教學質量標準、教學大綱、電子教案、電子講稿、參考教材、考核標準、電子課件以及試題試卷庫。本教學團隊將進一步建設“原子物理學”慕課課程的教學網站，完善該慕課課程教學資源，包括：課程簡介、教師隊伍、教學大綱、授課教案、作業習題、測驗考試、資料庫、授課視頻、網絡教學資源平臺。將能夠實現網上教學、答疑、作業、測驗、監督、互動等功能。

3）在線教學的重點是學習者和課程資源間的互動。所以，本課程在進行資源設計時候就應著眼于靈活的互動學習的實現，可在課程資源里穿插上各種測試和互動性活動（例如有獎答題等活動），以此來增加學習者在學習中對教學的關注，避免學習者出現分心與孤獨感。

4）課程設計核心性要素是微課程，但不能“為了微而微”，而筆者所學的課程視頻大多為8分鐘左右的時間長度，也有一些視頻因知識點的特色與講授所需時間相對較長，可是普遍不會長于30分鐘。課程設計應真正依據學科與知識等特點及授課的需求對課時進行設置。每一種視頻呈現方式上均有其優勢和側重點，并不必要局限在某一種固定的形式，要據不同的內容與階段特定的需要而交替選用不同的形式呈現的方式，發揮出每種形式最優的作用。

5）盡管課程內容屬于慕課的核心性因素，但是形式和內容一樣重要。這屬于移動互聯網時代對課程所提出的多元化要求。學習者對課程的首要印象主要來源于課程的呈現形式，需依據從課程第一感覺而迅速決定參與與否。慕課課程應首先關注學習者的興趣，努力獲得最大的關注。課程的形式還是學習者能否將學習堅持到底的決定性因素，因此，應真正站在學習者的立場上來思考怎樣提供出更為方便的學習路徑與方式以及適時的溝通與交流。

在設計“原子物理學”慕課課程教學平臺系統過程中需要綜合考慮本課程發展的需求，從整體角度進行分析，還要最大限度地優化系統，提高“原子物理學”教學和在線學習的優勢。通過融化網絡技術和信息流媒體技術，以課程學習為中心，構建起原子物理學教學的多用戶模式及其靈活多樣的教學形式，通過整合現代物理實驗教學的優勢，學習者可以通過慕課平臺掌握在線輔助現代物理實驗教學的操作。

4 結論

在本文中，我們主要介紹了“原子物理學”慕課課程的主要教學內容和教學設計思路。期望為“原子物理學”慕課課程的成功研發以及相關教育教學活動的順利開展提供一種新思路，力爭吸引更多的本科生乃至廣大中學生參與到本課程的學習中來。

【參考文獻】

[1]李斐，黃明東.“慕課”帶給高校的機遇與挑戰，中國高等教育，2014，7，22-26.

[2]褚圣麟，《原子物理學》，高等教育出版社，1979.