基于問題引導與課程思政的課堂教學實踐
——以“德布羅意波”為例

喻 莉 劉 洋 何 艷 鄧 磊 李澤疆 羅志娟

(空軍預警學院基礎部 湖北 武漢 430019)

大學物理是理工科專業學生通識教育階段的文化基礎課，其中量子物理是近代物理的重要組成部分，包含了很多的新概念、新觀點和新理論.這些新知識大都與經典物理背道而馳，與日常經驗和所觀察到的現象相差很大，不僅抽象，而且深奧難懂.如果只注重教師的單向知識灌輸，而不對學生啟發引導，即使學生了解了這些新的概念和理論，但對其中所包含的物理內涵也很難深刻理解.基于問題引導的教學方法則能較好地發揮學生的主體地位，激發學生主動思考，加強學生對物理知識的理解[1,2].此外，量子物理是大量的物理學家通過不斷的科學創新而建立起來的，其中蘊含了大量的科學精神、科學方法、哲學思想和創新思維，是思政教育的天然沃土[3,4].筆者基于“德布羅意波”課堂教學，以問題為引導，啟發學生積極思考，主動參與.循著物理學家的足跡，首先通過類比遷移提出假設，然后推導計算進行理論自恰，緊接著巧妙設計實驗驗證假設，最后知識拓展引出應用.在問題引導教學過程中，不僅傳授知識，同時全程融入課程思政，實現教書育人的雙重目的.

1 巧設問題 引入主題

創設問題鏈，引入主題.

問題1：德布羅意何許人也？

通過介紹其顯赫家族和由學歷史轉為學物理的傳奇經歷，激起學生的好奇心.

問題2：是什么原因促使德布羅意改學物理？又為什么會取得成功？

圍繞兩次索爾維會議展開講解，如圖1所示.

(a)第一次索爾維會議(1911年)主題：輻射與量子論

(b)第五次索爾維會議(19127年)主題：光子與電子圖1 索爾維會議

通過德布羅意的親身經歷，使學生體會到樹立目標，以及堅持努力對于學習的重要性.1911年第一屆索爾維會議，德布羅意的兄長擔任會議秘書.德布羅意通過其兄長了解到近代物理發展的概況以及所遇到的困難，從此改學物理，并立志要解決量子的真正本性.但到了1927年第五屆索爾維會議，德布羅意就能因為自身的成就而躋身物理學大師的行列，正式參加會議.1914-1919年，德布羅意經歷了第一次世界戰爭，并應征入伍.但是戰爭結束后，德布羅意并未忘記最初的夢想，仍然下定決心，繼續研究物理，跟隨朗之萬攻讀博士學位，并最終取得巨大的成就.

問題3：德布羅意具體取得了什么成就？

講解1924年德布羅意的博士論文，并介紹其核心內容德布羅意假設.從而引入本課的主題.

2 類比遷移 提出假設

首先提出問題：德布羅意假設是如何提出來的？這個假設是什么？然后循著物理學家的足跡，講解德布羅意提出假設的思維過程.德布羅意認為:自然界在很多方面是對稱的，只有對稱才是和諧的.此外，因為他是學歷史出身，所以他習慣于從歷史的角度去考慮問題，在對光的發展史作了深刻研究后，徳布羅意意識到，在不同的時期，人們對光的本性的認識不是過于重視粒子性忽視波動性，就是過于重視波動性而忽視粒子性，但最終卻發現光既具有波動性也具有粒子性，波動性和粒子性這兩個看似矛盾的對立體最終又統一在了一起.通過將實物粒子與光進行類比，德布羅意提出了一個大膽的設想：對于人們一直認為只具有粒子性的實物粒子，會不會也是人們忽視了它的波動性？它是不是也既具有波動性又具有粒子性呢？經過審慎思考，最終德布羅意在博士論文中指出：不僅光具有波粒二象性，而且一切實物粒子也具有波粒二象性，并且粒子性和波動性的關系，與光的波粒二象性相一致.滿足

在上述環節，利用展示蝴蝶、建筑物、雪花和八卦圖等圖片，讓學生感受大自然中的對稱美.通過光的波粒二象性的講解，培養學生矛盾的對立統一思想.同時重點突出將實物粒子與光進行類比的方法，讓學生體會物理學家創新思維的形成過程.此外，還可拓展介紹類比在物理學發展中的重要性[5]，比如，靜電學中的庫侖定律就是通過與萬有引力定律的類比得來的，近代物理中“磁單極子”的概念就是通過與單極性的電荷類比提出來的，讓學生深刻地感受到如何通過類比的方法來進行科學創新.

3 計算推導 理論自恰

提出問題：德布羅意假設是否合理？啟發學生思考，同時引導學生從理論和實踐兩個層面來考慮，一是物理學的整體理論體系必須是和諧統一的，各理論之間不能違反自恰性原則，二是只有實踐才是檢驗真理的唯一標準.在這一過程中，讓學生樹立正確的唯物主義世界觀，并培養學生大膽假設，小心論證的科學態度.

圖2 電子繞核運動駐波模型

4 巧設實驗 驗證假設

介紹德布羅意當時所面臨的困難，創設歷史情境，激發學生學習興趣.由于徳布羅意是非物理專業出身，實物粒子具有波動性這一假設又匪夷所思，并且沒有實驗的支持，這一假設遭到了普遍質疑，其導師朗之萬也難以接受.在德布羅意博士論文答辯時，導師朗之萬向德布羅意提出疑問：能否設計一個實驗來證明這一假設？當時德布羅意思考后回答，“晶體衍射實驗應該可以證明這一點”.引導學生思考，為什么德布羅意認為晶體衍射可以證明實物粒子的波動性？這個實物粒子是什么粒子，宏觀粒子可以嗎？

緊接著，讓學生利用德布羅意波理論分別計算宏觀粒子(以400 m/s運動的子彈為例)和微觀粒子(以動能為100 eV的電子為例)的波長，使其通過數據來直觀感受微觀粒子波長的大小.從而引導學生得出結論：當電子入射到晶體表面，通過觀察衍射現象，可以證明其波動性.讓學生親身參與這一探索過程，加強對微觀粒子波動性的理解.

通過前4部分內容的講解，培養學生“類比已知理論—提出科學假設—驗證科學假設—建立新理論”這一科學的思維方法.

5 知識拓展 科技應用

回顧光學儀器的分辨本領，提出問題：提高儀器分辨本領的方法有哪些？啟發學生思考.然后在此基礎上介紹物質波在電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡上的應用.首先對比可見光的波長和電子的波長，給出光學顯微鏡和電子顯微鏡的分辨率.光學顯微鏡的分辨率為0.2 μm，可觀察到人體內的紅細胞，透射電子顯微鏡的分辨率則可達到0.2 nm，放大倍數是光學顯微鏡的1 000倍，可以直接觀察到晶格中的原子點陣.然后介紹掃描隧道顯微鏡的分辨率，講解它對單個原子的觀察與操控，以及它在納米技術中的重要地位.讓學生深刻感受到物質波給人類生活所帶來的影響，增強學生學習物理知識的責任與使命.

6 結束語

本文以“德布羅意波”的課堂教學為例，提出了一種問題引導和課程思政相結合的教學模式.筆者以問題為牽引，層層深入，引導學生對德布羅意假設的提出和驗證過程進行了逐步探索.學生的學習興趣有了明顯的提升，課堂參與度也有了較大的提高，學生普遍反映學習效果較好.此外，我們根據本次課的知識內容特點，通過課程思政教育，增強了學生的科學精神和創新意識，培養了學生科學的世界觀和大膽假設、小心論證的科學方法，堅定了學生學習物理的使命與擔當.相信這一教學模式對量子物理的其他教學內容也具有較好的借鑒作用.