淺談原子物理學中的課程思政*

丁漢芹

（新疆大學物理科學與技術學院 新疆烏魯木齊 830017）

高等學校思想政治工作在我國當前的高等教育中發揮著非常重要的作用，因為這直接關系到我國教育該把當代學生培養成什么樣的人以及我們該為誰來培養人的根本問題，我們的教育要時刻牢記“立德樹人”這一中心環節，全過程與全方位的貫穿思想政治工作。中共中央教育部在2017年的《綱要》中提出，“提升課程育人的質量體系，推動以‘課程思政’為目標的課堂教學改革，梳理所有專業課程蘊含的思政元素和承載的思政教育功能”。教育的首要問題是培養什么人，要在愛國情懷、品德修養、理想信念以及綜合素質等方面的教育中狠下功夫，各門課程都要應該認真地守好身邊的一段渠，努力種好自家的責任田，使各類課程與思想政治理論課向著同一個目標、同一個方向前進，全程全方位的構造育人大格局。做好課程思政工作是在新形勢下高等教育面臨的一項重要課題[1]。

原子物理學是我國普通高校物理學專業的一門必修課程，在開展思政教育方面具有很大的自身優勢。課本中有很多思政元素可以挖掘，能自然而然地融合思政教育，努力提升當代學生的政治思想覺悟和道德文化品質。“課程思政”以學科發展為立足點，從育人視角來消化課程食量，將學科資源、學術資源轉化為育人資源，實現“知識傳授”和“價值引領”有機統一。由于原子物理學課程具有內容豐富、學科內涵拓展性廣等特點，因此挖掘專業課程中的思政元素，將思政教育融入課程教學和改革的各環節、各方面，讓專業課程肩負起立德樹人的功能。我們從以下三個方面闡述原子物理學中課程思政教育[2]。

一、培養學生的求真品質

原子物理學是我國普通高校物理學專業的一門必修課程，一般開設在力、熱、電磁等普通物理之后，在熱力學統物理和量子力學等理論物理之前，同時與光學與理論力學等課程同時開課，是連接經典物理與量子物理的橋梁與紐帶。其研究涉及微觀世界，很多內容與學生的日常生活相距甚遠，一些現象會顛覆已有的認知，這對學生的思維和老師的授課都是很大考驗與挑戰。學生通過對原子物理學的學習，能夠微觀世界的物理圖像，理解微觀粒子不同于宏觀課題的運動規律，掌握用量子理論處理微觀世界的方法[3]。

在講述第一章“原子的位形”時，我們可沿著以下原子結構研究歷史進程為主線展開思政教學。結合1811年的阿伏伽德羅定律和1883年法拉第的電解定律得出自然界中電荷存在最小單元→原子的帶電量是最小單元的整數倍→1881年斯通尼在理論上用“電子”命名最小單元→陰極射線的研究→1897年湯姆遜在實驗中發現電子→電子帶負電→電子的荷質比→1910年的密立根油滴實驗→電子質量的計算→原子中存在電子，而且電子質量只是原子質量的非常小的一部分。事實上，原子是不帶電的，既然原子內存在帶負電的部分，那么內部一定存在帶等量正電荷的成分，為了解決正、負電荷如何發布的問題，湯姆遜提出原子的“西瓜模型”，即正電荷均勻地分布于原子球體內，但帶負電的電子嵌在其中。但1911年的盧瑟福的α粒子散射實驗徹底否定了湯氏模型，這來源于二個方面。一方面根據湯姆遜模型給出的α粒子最大散射角θ小于0.1度。另一方面α粒子散射的實驗結果是：絕大多數α粒子通過箔片后完全直線穿過（θ=0）或近似直穿而過（θ很小，約在2～3度之間），少數α粒子穿過金屬箔時，運動軌跡發生了較大角度的偏轉，個別α粒子（大約八千分之一），其散射角大于90度，有的竟沿原路完全反彈回來，θ?180。盧瑟福不迷信權威，敢于質疑，尊重實驗事實，更沒有忽視“八千分之一”的反射α粒子，從而建立了名垂青史的原子核式模型。盧瑟福這種嚴謹、求真的科學精神是何等的重要！

在講述第二章“原子的量子態”，我們可以進行以下思政教學。盧瑟福“行星”模型不能很好地解釋原子的同一性和再生性，尤其是穩定性的問題，氫原子的分立光譜和原子核式模型與經典物理都是存在著矛盾。電磁理論認為，繞核運轉的電子由于不斷發射電磁波，其能量會連續減少，轉動頻率也隨之連續改變，原子光譜應該是連續的。另外，電荷相反的粒子會相互吸引，電子會很快就陷入原子核中。然而，人們看到原子是穩定的，原子的光譜也是線狀的。實際情況與經典理論的矛盾又一次困擾著人們。玻爾把經典物理無法解釋氫原子光譜的規律性和原子的穩定性等一系列的困難聯系在一起加以考慮。他不僅不顧人們對能量子、光量子和核式模型持懷疑和否定態度，而且還進一步發展了量子思想，把量子觀念應用到原子體系，大膽提出了繞核運轉的電子是不輻射的。玻爾理論的核心是原子內部存在穩定的量子態，他認為電子只是在二個不同的量子態躍遷時，原子才會發射或吸收能量。玻爾理論成功說明了氫原子可見光譜的分立性規律和原子結構的穩定性，所提出原子內部的量子態被弗蘭克-赫茲實驗證實。籍此能夠引導和感染同學們樹立高遠志向，鼓勵他們養成積極向上、永不退縮的人生態度，激勵他們在學習中要不懈奮斗、不畏艱險。

二、培養學生的創新精神

在學習第三章“量子力學導論”時，學生感到非常的陌生。觸發量子理論的導火索是來自十九世紀人們對熱輻射的研究。熱力學和電磁理論都不能對物體輻射的模式和光譜的形狀進行解釋，這表明了經典物理在某些方面存在著困難。德國物理學家普朗克深受維恩和瑞利-金斯工作的啟發，通過多方面的嘗試，他最終得到一個與實驗情況十分吻合的公式。為了從物理上給公式賦予理論解釋，普朗克對諧振子能量提出了能量子假設：諧振子的輻射能量不是連續取值，而只能取某一最小能量的整數倍。根據能量子假設，在光的發射和吸收過程中，能量變化只能取hν的整數倍，而不能是其他任意數值。最小能量單元被稱為“能量子”，量子的概念由此誕生。普朗克的能量子假設第一次揭示了微觀世界的不連續的本性，從此標志著量子論的產生。

愛因斯坦發揚就普朗克科學精神，對光電效應做了理論解釋。光電效應現象是赫茲研究電磁波特性過程中觀察到的，他用紫外光照射某些金屬表面時，金屬就立即逸出電子，但如果照射光的頻率低于某一數值，無論的關多強都不能使得電子逸出。這一現象在當時無法用經典物理理論做出解釋。這是因為，根據經典電磁理論，任意頻率的照射光，只要光強足夠的大，就能夠讓電子獲取足夠多的能量離開金屬表面；另外，光照的能量密度是連續的，在原子尺度的狹小范圍內，達到電子逸出所需能量必須有一定的時間積累才能完成。愛因斯坦是最早領悟到量子力學奧妙的人之一。為了解決光電效應的實驗現象與經典物理之間的矛盾，愛因斯坦在普朗克能量子概念的啟發下，拋開經典電磁理論的約束，選擇利用量子視角來看待光：光并不像一個連續的波，而是像一束粒子流，這些粒子有著離散的能量，無論是光的發射或光的吸收，還是光本身都是由一個個不連續且不可分割的能量子組成的，在空間傳播時具有粒子性。愛因斯坦利用光量子概念，完美地解釋了光電效應現象。愛因斯坦的勇氣、智慧和科學精神為后人所敬仰。愛因斯坦敢于否定普朗克的“輻射本身是連續的”觀點，提出了“光量子假說”。在此過程中，盡管受到多方面的攻擊和嘲笑，但愛因斯坦繼續向著科學陣地前進。只到后來被密立根的實驗和康普頓效應實驗所證實，光量子概念才被廣泛接受。玻爾勇敢與麥克斯韋的經典電磁理論挑戰，提出了原子的量子態。通過科學家的真實事跡，在教育教學過程中培養學生創新的科學精神[4]。

三、培養學生的實踐能力

盡管原子這個概念已有了2000多年的歷史，但是原子物理學作為一門獨立學科也只是在20世紀初才開始形成。1895年德國物理學家威廉·倫琴教授發現的X射線、1896年法國科學家安東尼·貝克勒爾發現的放射性、1897年英國物理學家約瑟夫·湯姆遜發現的電子正式拉開了人類近代物理學研究的序幕。伴隨著近代物理學的向前發展，以及1911年盧瑟福提出的原子核式模型和1913年玻爾提出原子的量子態，揭開了人們對原子物理學研究新的篇章。物理學需要理論作為支柱，同時也離不開科學實驗的驗證，作為一門自然學科，原子物理學同樣也不例外。諾貝爾物理學獎獲得者羅伯特·安德魯·密立根在1923年的領獎大會上就說過，“科學須靠理論和實驗兩條腿來走路，一前一后而相互依賴的向前邁進。理論在實驗中上升，在實驗中檢驗。[2]”

我們首先以原子的量子理論建立為例來說明原子物理學中實驗與理論的關系。盧瑟福在α粒子大角度散射實驗基礎上提出了核式模型，但不能解釋原子的穩定性。眾所周知，經典電動力學告訴我們，電子在繞原子核運轉過程中會向外產生電磁輻射，自己能量不斷降低，將做向心運動，瞬間（大約1納秒數量級）跌入原子核中發生電中和，導致原子結構不復存在。但事實上，原子是非常穩定的，無論是在地球上，還是宇宙其他處都一樣。另外一個就是人們發現，氫原子的發射光譜是線狀。根據經典理論，由于能量是連續分布的，光譜也應該是連續的才對，這讓人很是困惑不解。為解決這些實驗中觀察到是結果，玻爾深受普朗克能量子和愛因斯坦光量子假設，第一次把量子概念引入到原子，創造性提出了定態、躍遷條件等假設，否定了原子的經典理論，建立起原子的量子模型。在玻爾理論發表之后一年，二位德國物理學家詹姆斯·弗蘭克和海因里希·魯道夫·赫茲進一步通過電子束碰撞金屬汞蒸氣。實驗發現汞原子只是吸收外來的4.9eV的能量，其他數值不吸收。這充分證明了玻爾理論中關于原子只能處于某些分立的量子態，也驗證了“從實驗到理論，再從理論到實驗”的真理[5]。

盡管玻爾理論成功解釋了光譜的分立性，但是隨后人們發現光譜線不是單線而存在精細結構，如堿金屬的光譜是雙線。另外，1921年德國物理學家奧特斯·史特恩和瓦爾特·格拉赫實驗發現基態銀原子在非均勻磁場中偏轉是有二個取向，但是玻爾理論不能解釋這一實驗現象。1925年，荷蘭兩位年輕的大學生烏倫貝克和古德史密特分析一系列實驗結果，大膽提出了電子自旋假設，并科學的解釋了玻爾理論不能解決的難題。人們在根據自旋理論，成功解釋了實驗中觀察到的反常塞曼效應現象。這些思政元素培養了學生的實踐能力。

四、培養學生的審美品質

教學過程中要滲透審美教育，要將物理教學和思政教育融合在一起，讓學生得到全面健康發展，引導學生對未來作出清晰的思考，幫助學生形成積極向上的人生態度和高雅的審美標準。物理課程是傳播物理文化的陣地，不是表面上的道德教育和形式上的政治教育，而是與物理科學知識緊密聯系的思想理念教育。愛因斯坦曾說過，“學校的目標始終應當是，青年在離開學校時，是作為一個和諧的人，而不是作為一個專家”。從古到今，所有科學家都是精神的富有者，心懷高尚審美觀，他們為崇高理想、為科學的發展、為人類的進步而努力奮斗。我們在“原子核的衰變”時，居里夫人就是很好的一個例證。她和丈夫一起對鈾的各種礦石進行了深入的研究，發現了兩種放射性很強的新元素。居里夫人本來可以獲取巨大財富，但她不顧個人得失和個人安危，一心只想如何為人類發展作出更大的服務。但是非常痛心的是，由于長期直接接觸放射性，深受核輻射，最終惡性貧血逝世。居里夫人在科學上的貢獻值得敬佩，她的高尚人格美更值得我們景仰與學習。

在原子物理學教學過程中融入課程思政，既能引導學生將個人志向與國家重大需求相結合，從物理學科的角度堅定個人的責任擔當，又能會春風化雨和潤物無聲，實現課程目標與德育目標的融合統一。同時也讓專業課教師承擔起“立德樹人”的重大責任，實現“三全育人”目標所蘊含的內涵[6]。