研究生基礎課程“高等原子分子物理學”教學改革探索

李小紅 張瑞州

河南科技大學 河南洛陽 471023

“高等原子分子物理學”是河南科技大學物理學專業研究生的學位必修課程。該課程主要從原子分子物理的角度研究原子分子結構、性質、相互作用和運動規律,了解激光和同步輻射光譜學等研究手段,闡明物理學基本定律。學生在學習過程中普遍反映該課程理論性強、學習內容抽象。另外,本課程是以本科階段“原子物理學”和“初等量子力學”為基礎而講授的課程,而理工科院校的研究生普遍存在這兩門課程基礎薄弱的現象。本文根據多年本科階段“原子物理學”和研究生階段“高等原子分子物理學”的教學經驗,在借鑒其他高校教師教學的基礎上,結合我校實際情況,在本課程的教學過程中進行了深入的思考和探討,旨在提高物理學專業研究生的專業知識水平,培養學生的獨立創新能力和解決實際問題的能力。

一、教學改革的思路

研究生課程教學是研究生培養過程中的一個重要環節,是打牢理論基礎的主要環節。然而,國內的課堂教學都是以“教師為主體”,以課堂講授為主,學生課堂聽課和課后作業的主要教學模式。然而這種傳統的教學方式使教師只注重于專業知識的灌輸,從而導致學生獨立思考和自主學習的時間較少,只能被動地跟隨著教師的腳步被動學習,大大降低了他們獲取知識的主動性,另外研究生課程主要采取以期末閉卷筆試的考核方式,這些都與我國高等教育的目標——培養創新型人才相違背。因此,為了進一步提升物理學專業研究生的培養質量,激發其創新能力,研究生基礎課程的教學改革勢在必行。針對這種情況,一些國內外高校開始探索研究生基礎課程的教學改革[1-2]。

原子與分子物理學科是較為基礎的,并和許多學科有較多聯系,量子力學、量子光學、激光技術等學科均是以原子分子物理作為基礎而發展起來的。原子分子物理與化學、材料學、生物學等密切相關,因此也最容易形成交叉學科。一些生產技術部門和高科技產業的發展,在理論上和實驗上很多都立足于原子分子物理。作為物理學專業研究生的一門核心課程,高等原子分子物理是研究原子分子結構、性質、運動規律,及其與周圍介質相互作用的一門科學,可為凝聚態物理和材料科學等奠定理論基礎。在“高等原子分子物理學”教學過程中,必須樹立新的教學理念,通過教學方式和教學內容的改革,讓學生參與到教學過程中,激發學生的求知欲。“高等原子分子物理學”課程緊密圍繞國家需求和學科前沿,與凝聚態物理、等離子體物理、化學以及生物學等都有交叉,學科研究不斷有新的進展,因此在教學過程中必須以教學大綱為基礎,跟隨學科的進展,與時俱進,不斷關注學科前沿,搜集新的研究成果,并將其及時充實到高等原子分子物理學教學中去。另外,先進的教學方法和教學手段可以大幅提升研究生的課堂教學效果。在課堂教學過程中,根據高等原子分子物理課程的教學內容和教學目標,對教學方法進行了探究。

二、教學內容改革

(一)增加部分教學內容

原子物理學作為一門銜接經典物理和近代物理的微觀物理課程,有其獨特之處。原子物理學是一門實驗學科,其研究對象是微觀世界,而微觀世界的規律往往是與生活在宏觀時空中人們的日常經驗相左的,這就使學生非常難以理解原子物理學中的一些知識,從而失去對原子物理學學習的興趣。由于原子物理學注重基礎知識的掌握,而高等原子分子物理學則更注重理論的深度,并且課程內容包涵了激光光譜學、電子能譜學等內容,因此很多學生不適應這門課程的教學內容,從而給課堂授課帶來了困難。根據我校物理學專業碩士生的實際情況,有的學生以前從沒學過原子物理學,有的學生學習原子物理學的內容非常少。而原子物理學的學習情況會直接影響到高等原子分子物理學的教學效果,從而進一步影響研究生的創新能力。因此,為進一步提高研究生的創新能力,在教學內容上使原子物理學和高等原子分子物理學之間能夠很好銜接,我們根據本校學生的特點,在課堂教學過程中加入了一部分原子物理學的內容,例如加入了單電子原子能級和光譜、多電子原子能級和光譜、和磁場中的原子等內容,使學生能夠從簡單的知識體系逐漸過渡到高等原子分子物理的知識體系中去。

(二)精心挑選教材和教學章節

高等原子分子物理學作為多種學科的理論基礎,其中大量的推導和復雜的公式使學生感覺非常抽象、難以理解。因此我們選用徐克尊老師的《高等原子分子物理》作為主要教材,以褚圣麟的《原子物理學》作為輔助教材。對于有一定英語基礎的研究生而言,可以選擇國外S.Svanberg編著的AtomicandMolecularSpectroscopy:BasicAspectsandPracticalApplications作為英文參考教材。不同類型的教材選擇遵循中英文結合、循序漸進的原則,使學生逐漸提高學習興趣,掌握高等原子分子物理學的基礎知識,并能運用到自己的今后的研究工作中。

本課程總學時數為48學時,而高等原子分子物理學教材共7章,涉及原子和分子能級結構、譜線寬度、激光、電子能譜學等內容。考慮到高等原子分子物理學教學和研究生研究方向之間的矛盾,必須對教學內容進行取舍。本課程的教學目的是使學生全面、系統地了解原子物理學的相關內容,并與前沿科技相聯系,為今后的科研工作打下堅實的理論基礎。因此教學重點放在基本原理和基本內容上,如原子光譜、分子紅外拉曼光譜、分子勢能曲線等,側重于講解一些基本概念和建立一些物理模型。比如對于原子光譜這部分內容,教師先講解氫原子光譜的內容,然后引導學生自學堿金屬原子光譜的內容。這樣可以在課堂上將相關的最新研究進展和成果引入課堂,擴充教學內容。有些章節由于時間關系不在課堂上講授,采取學生課后自學、教師答疑等方式進行學習。

(三)結合科技前沿進行教學

現代科學技術的發展使人類的視角以前所未有的速度從窄小的周邊世界向外拓展延伸,因此必須在高等原子分子物理學教學過程中引入科技前沿知識。高等原子分子物理學需要根據學科的發展而增加或者修改相關內容,因此,在教學過程中,我們結合當前科學研究,突破性進展進行教學活動。比如在2020年,精密測量院柳曉軍團隊發現了在亞光學周期時間尺度內發生的激光誘導電子轉移新現象,該成果發表在國際權威期刊Physical Review Letters[3]上。光誘導電荷轉移是自然界普遍存在的一種微觀超快物理過程,對光催化和光合反應等起著至關重要的作用。近年來,人們發現可以利用少周期飛秒強激光對簡單兩原子分子的多光子吸收—解離過程進行調控。該團隊還認為激光誘導電子轉移會誘發不同形式的電子激發或電離,結合光場調控可對這些激發或電離過程進行精確控制。我們在教學過程中將一些知識的實際應用引入課堂,極大開闊了學生的視野,拓寬了學生的知識面,活躍了課堂氣氛,激發了學生的學習積極性,使學生感到所學內容與實際應用息息相關,還存在許多重大科學問題等著他們去解決,從而增加學生的使命感和責任感。

在教學過程中,我們還注重介紹相關知識點在前沿科學中的應用,有意識地培養學生物理理論研究的修養,把教師的科研成果穿插到整個教學過程中,把最新的科學研究結果融入研究生的教學過程中,提高學生的學習興趣。比如,我們在講授堿金屬原子光譜時,首先給大家講解我國在原子光譜領域獲得的重要進展,比如中國科技大學合肥微尺度物質科學國家研究中心激光精密測量與痕量探測研究組將He原子的2s～2p躍遷能級中心頻率測定到了1.4kHz的精度,該結果可能被用來檢驗超越標準模型的新物理。然后從講解氫原子光譜出發,逐漸引入堿金屬原子光譜,這樣的課堂教學可以避免課堂教學的枯燥,提高學生的上課興趣。

三、教學方法改革

(一)課堂教學模式改革

由于“高等原子分子物理學”課程是以本科階段的原子物理學和量子力學為基礎,因此學生感覺這門課程比較難、內容比較枯燥,學生主動學習的意愿不強烈,往往課前沒有預習,課后沒有復習,所以采取新的教學方法非常重要。傳統的教學是以教師為主體,使學生進行被動的學習,因此在教學過程中我們采取了課堂講授和討論相結合的教學方式。每次上課前讓學生對上次講授內容進行回顧,課程結束前讓學生對本次課進行總結,同時在講課過程中對課本中的一些知識點向學生進行提問。例如,對于單電子原子能級部分,由于該部分和本科階段原子物理學內容很接近,因此我們要求學生課前進行預習,課上學生獨立給教師和其他學生進行講解。隨后其他學生根據自己的理解來對該學生的講解內容進行點評,而任課教師最后進行總結,指出學生理解錯誤之處或者對學生講不清楚的內容進行說明。這種教學方式可以督促學生進行課前預習和課后復習,提高學生的學習積極性。對于課程中的一些知識點,我們讓學生自己進行探究,給學生講解文獻檢索的方法,讓學生利用學生的圖書資源和網絡資源進行資料的收集和整理,再將自己的研究成果做成PPT,給教師和同學匯報。這種課堂教學方式可以大大調動學生的主觀能動性,提高學生的自學能力和分析解決問題的能力,為今后的科研工作提供了基礎。學生的課堂匯報還增強了學生的表達能力,提高了自信心。

在課堂教學中,我們還注意穿插一些科學家的故事,比如海森伯、李遠哲等,從而使課堂氣氛更加活躍。在課堂教學過程中,我們采用多媒體和板書相結合的講授方式。用多媒體呈現一些復雜的公式,如薛定諤方程等,采用不同顏色或者下劃線等突出標記對重要公式或者結論進行顯示,這種方式可以使學生對課程學習的重點一目了然,大大提高了學習效率。

(二)習題教學模式改革

與本科階段的原子物理學相比,高等原子分子物理學的基本原理更加晦澀,不容易理解,并且涉及很多數學知識,學生經常在課堂上聽得一知半解,課后作業題更是無從下筆,因此教師和學生必須重視課后習題這個環節。如何通過習題讓學生更好地理解所學內容,更好地掌握和理解課堂上抽象的物理原理和概念,是值得任課教師思考的問題。在習題課上,一方面應該鼓勵學生提出多種假設,從不同角度對問題進行分析,通過一題多解等形式開闊學生的解題思路;另一方面,要引導學生對解題過程中出現的一些錯誤進行分析,找到出現錯誤的原因,然后由學生得到正確的結果。這樣做可以大大調動學生的學習積極性,培養了學生認真細致的工作態度和大膽質疑的精神。

(三)注重教學反饋

在課堂上,教師通過觀察、質疑、練習等環節對學生的狀態進行了解,可以有效地發現教學中存在的問題,及時調整教學方法。課后作業可以反映學生掌握知識的真實情況,它既可以檢查學生的學習情況,也可以檢查教師的教學效果。通過課后作業、課堂提問等途徑來了解學生對知識點的掌握程度,可以有效避免表象下的真實信息,暴露學生在學習過程中存在的問題。教師和學生應及時地、有針對性地調節教和學,高效地實現教學目標。針對“高等原子分子物理學”這門課程,來自學生的教學反饋可以讓任課教師發現授課過程中的不足之處,從而改進自己的教學方法和教學內容,逐步提高教學質量。教師可以依托微信、釘釘或者QQ平臺建立課程微信群或者QQ群等來進行課后的教學反饋,分享與課程內容有關的前沿領域。

結語

“高等原子分子物理學”作為物理學一級學科研究生核心課程,旨在對處理和研究原子結構、能級和光譜的方法進行說明和論證。本文從教學內容和教學方法改革等方面進行了積極探索和思考,逐步解決了該課程理論性強、抽象內容過多等問題。教師應該針對不同的學生特點采用不同的方法,從而使學生在課程學習中收獲更多自己需要的知識。另外,通過課堂教學過程中教師和學生角色的轉變,實現了以學生為主體、教師為主導的課堂教學,很好地增強了學生學習的積極性和主動性,學生的創新精神和創新能力得到全面提升。