基于虛擬仿真技術的“原子物理學”教學改革與創新

郭澤平，魏代會

（廣西師范大學 物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

“原子物理學”是應用物理學與物理學本科專業必修的課程之一。原子物理學與經典物理學研究的對象不同，經典物理學研究的是涉及力、熱、光、電磁等的宏觀現象［1］，而原子物理學則探討物質的微觀結構并以此來解釋實驗中觀察到的宏觀現象，其研究的對象是原子、原子核及基本粒子，它們的尺度通常小于10-10米（1埃），屬于微觀粒子，人們用肉眼觀察不到它們，甚至借助精密儀器也很難觀察到，只能通過一些實驗現象推測出它們的形貌及運動特征。“原子物理學”作為承接經典物理與量子物理的橋梁，該課程的教學活動分別與經典物理與量子物理存在一些共性問題。例如，學生在學習本課程時仍然習慣用經典物理的理論和研究方法，對物理學微觀世界的認識和研究方法存在一定程度上的不適應。本課程需要學生理解的物理思維和研究方法等方面的內容較多，學生通常缺乏足夠的有效訓練。一方面，隨著實驗研究手段的進步，人們研究和認識微觀物質結構有了長足的進步。另一方面，由于一些專業教師的研究方向不一致以及學生接受新知識的能力等方面的原因，“原子物理學”課程在教與學的過程中存在一定的困難。

此外，原子物理學是研究微觀物質量子力學理論的實驗基礎。利用原子物理中一系列的實驗現象來構建量子力學的理論框架，在此框架下運用演繹的方法進行討論和解釋。原子物理作為當今許多高新技術發展的基礎，其中的許多問題仍然是目前物理學領域研究的前沿課題。但由于其研究的是微觀物理領域，與人們日常理解的宏觀世界存在差異，導致學生學習原子物理學存在一定難度，尤其是對于師范院校物理學本科生而言，他們覺得學習原子物理學對于今后中學物理教學的幫助有限，因此往往缺乏學習這門課程的興趣。

一、“原子物理學”課程教學現狀及問題

“原子物理學”是一門理論和實驗高度結合的綜合性基礎課程，是一個觀察到新現象，發現原有的經典物理理論無法給出完美的解釋，從而產生新的概念和物理理論，而新的物理理論又通過實驗接受進一步的驗證的生動課堂，有助于培養學生的科學質疑精神和創新思維及科研的訓練。截至2022年，諾貝爾物理學獎已經頒發116次，其中超過半數的研究工作與原子物理、原子核物理和粒子物理等方面相關，這些工作都是著名的物理實驗或與之相關的理論。講授“原子物理學”課程要以這些物理學中著名的實驗為基礎，進一步將實驗觀測到的感性認識上升到理性認識，講清楚這些著名的物理實驗才能使學生對原子物理有深刻的理解，才能體會到物理實驗的重要性。

在講授原子物理學的過程中，應沿著近代物理實驗這條主線，將教學的重點放在講解近代物理實驗的方法和發展脈絡上，讓學生全面掌握近代物理各個實驗需要解決的問題，以及它們的實驗原理、實驗方法和結論，充分認識到原子物理學這座大廈并不是憑空建造的。只有弄清楚學科發展的因果邏輯，才能將看似零散的知識構建為完整的知識體系，以期達到教學目的，獲得更好的教學和學習效果。但是各高校能開出的近代物理實驗數目非常有限，我校目前能開出的與原子物理學內容相關的實驗僅有密立根油滴實驗（測定電子的荷質比）、弗蘭克-赫茲實驗（證實了原子能量量子態）、塞曼效應（證實電子自旋存在）、核磁共振實驗，其他實驗由于條件限制無法開設。

綜上所述，原子物理學相對于經典物理來講，在研究對象、研究方法、研究內容及研究思維等方面均有所不同，這些研究差異對于一直接受經典物理訓練的學生而言，在教學接受度上有一定的困難。這些困難主要體現在：一是研究對象的不可直接測量和觀測使得原子物理學中的物理模型和圖像高度抽象，難以理解；二是課程內容介于經典物理和量子物理之間，要求學習者的思維跨度大，難以適應；三是課程的研究對象是微觀物質世界，這對實驗設備和實驗條件提出了較高要求。

二、“原子物理學”課程在教學內容和教學方法上的改革

面對這些困難，需要我們有針對性地在教學實踐中對教學內容和教學方法進行改革和嘗試［2］。

（一）探索虛擬仿真技術輔助課堂教學方法，訓練學生的創新思維和科研能力

虛擬仿真實驗是一個網絡虛擬實驗系統，是以計算機為控制中心的，利用網絡技術結合軟件和硬件的實驗方式，它滿足自我設計和開發以及遠程控制和協作的要求。自1989年提出以來，由于其靈活性、交互性、開放性等特點［3］，虛擬仿真實驗隨著計算機網絡技術、人機交互技術和模擬技術的發展而迅速發展。虛擬仿真實驗教學以信息技術的應用為基本特征，適應了信息時代高等教育開放和共享資源呼聲日益高漲的要求。它為學生提供了先進的手段、開放的平臺和高質量的資源，以進行探索性學習、獨立實驗和創新實踐［4］。在提高人才培養質量的同時，促進了高校本科實驗教學和實驗室建設的發展與改革。目前，虛擬仿真實驗室的建設在受到國內外大學高度重視的同時，面臨著一些新的問題和挑戰。目前，國內外一些高校在虛擬仿真實驗室建設方面已取得了一些成果和經驗。美國科羅拉多大學開設的PhET交互式虛擬仿真實驗，通過構建一個結構化的虛擬實驗室，為學生開展探究性學習提供實驗條件，并幫助學生研究、分析和探索物理世界中各種感興趣的問題。北京大學利用沉浸式系統，結合G－Motion光學位置追蹤系統，構建了沉浸式虛擬現實展示交互實驗室。清華大學通過搭建一面墻虛擬現實投影系統和多人異地協同設計工具，構建了成形制造模擬仿真三維虛擬現實實驗室，應用于材料的快速成型與虛擬制造。2015年，為進一步促進教育信息化和學科與信息技術的深度融合，教育部提議繼續建設國家級虛擬仿真實驗教學中心，并鼓勵高校之間共享實驗資源。2017年開始，教育部相繼開展了示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作，涉及化學、醫學、生物、機械、交通等諸多專業的實驗教學，成為推進現代信息技術融入實驗教學項目、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。2019年，在教育部發布的《關于一流本科課程建設的實施意見》中提出，從2019年到2021年，完成1500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程認定工作。虛擬仿真技術對高等學校各學科實驗教學的發展帶來了廣泛影響，為傳統的實驗教學帶來了新模式，為高等教育教學的開展提供了先進的手段。教育部在《大學物理實驗課程教學基本要求》中明確提出，在教學模式和方法上要“充分利用包括網絡技術、多媒體教學軟件等在內的現代教育技術，營造多元化的教學模式”等基本要求。因此將虛擬仿真技術引入原子物理實驗教學中，對促進“原子物理學”教學方法的改革具有現實意義。

由于原子物理學將微觀世界作為研究對象，許多現象和原理在日常生活中沒相關的場景和對應物，學生在第一次接觸時不可避免地會感到抽象和難以理解。根據廣西師范大學物理科學與技術學院的實際情況，我們注重利用信息技術來改革原子物理學的教學方法。根據課程特點，我們利用具有形象、信息豐富和交互式特點的虛擬仿真實驗優勢，創造感官逼真的物理環境，使學生可以更好、更直觀地理解相關物理概念和理論內容，激發對原子物理學的學習興趣，增強對微觀世界的認識，為量子力學的學習打下堅實的基礎。

本課程采用的教科書為楊福家院士著的《原子物理學》（第五版）。通過一系列重要的近代物理虛擬仿真物理實驗，幫助學生獲得更直觀和生動的物理圖像，主要內容如下。

第一章中的盧瑟福α粒子散射實驗。通過虛擬仿真來演示α粒子散射實驗，可以直觀地了解α粒子散射，使學生更容易理解實驗的儀器裝置、實驗過程、實驗結果，更容易理解和掌握盧瑟福散射公式的推導。

第二章中的光電效應實驗及其光量子理論的解釋在量子理論的建立和發展，以及揭示光的波粒二象性方面具有劃時代意義。利用光電效應制造的光電設備已廣泛應用于科學技術研究中，且仍在不斷探索新的應用環境。通過光電效應實驗可以理解光電效應的基本規律，可以用光電效應方法測量普朗克常量和測定光電管的光電特性曲線。

第四章的斯特恩-蓋拉赫實驗，在電爐內使銀原子蒸發，銀原子穿過狹縫后，形成一束細光束，穿過一個抽真空的不均勻磁場區域，沿磁場垂直方向，最后擊中相片P。顯影后的圖像中有兩個黑斑，有力地證明了原子在磁場中的取向是量子化的。

第五章的電子填充殼層的模型演示。根據泡利不相容原理，每一個殼層及其支殼層所容納的電子個數以及電子填充殼層的次序準確反映出，如果每一個周期都從電子填充新殼層開始，那么決定元素物理和化學性質的最外殼層的電子數將出現周期性，形象地解釋了元素周期表的形成原因。

第六章的雙偏振實驗，虛擬無偏振特性的Х射線經過第一個散射體和第二個散射體后所呈現出的偏振特性，可以形象地說明Х射線是橫波的特性。解釋標識譜的產生機制的時候可以用電子和內層電子相互作用，生動形象地展示不同殼層電子填補某殼層同一空位時所輻射出的標識譜組成的線系情況，以及展示俄歇電子產生和光電效應中光電子產生的機理區別情況。

第七章的核裂變的液滴模型中，在裂變之前，原子核處于最低能量基態，呈球形。原子核中的質子和中子在不斷運動，核子之間有核力，質子之間有庫侖排斥力。中子轟擊重核后，重核吸收中子形成復合核，能量增加，核子振蕩增強，原子核變成橢球，此時，原子核子之間的距離增加，核力減小，庫侖排斥使原子核進一步增加，形成啞鈴形狀。當啞鈴形狀兩端之間的庫侖排斥力大于核收縮部分之間的總核力時，變形無法恢復，核分裂成兩塊，釋放中子并釋放能量。另外放射性核素的a、b、g衰變也可以采用虛擬仿真的形式來演示，對于學生理解放射性衰變規律和放射性機制有積極作用。

（二）虛擬仿真技術豐富實驗教學內容，為地方高校實驗教學改革提供了新思路

目前，高等教育已進入了從規模擴張到內涵發展的新發展時期。各地方院校面臨著重新定義其在國家高等教育中的地位、爭取更多教育資源、贏得更多教育市場以及在國家高等教育體系中占有一席之地的嚴峻局面。教學質量是學校發展的生命線，關注和提高教學質量是各地方院校應對激烈競爭的必要措施。作為當地高等教育質量保證體系的重要組成部分，實驗教學質量相對較差，如何促進實驗教學改革，更高效地提高實驗教學質量，以便培養具有科學素養和創新意識的高質量人才，是地方院校的當務之急。由于學校的資金限制和地理限制，大多數地方院校的實驗室和實踐基地較少，設備和師資不足，學生的實驗時間較短，實踐能力較弱。基于虛擬仿真技術的實驗教學可以多次重復，場景逼真，成本低，在發達國家廣泛應用。虛擬仿真實驗教學的發展為地方院校的實驗教學改革提供了新的方向。通過虛擬仿真實驗引入將要學習的物理新概念和新內容，將理論教學與實驗教學有機地融為一體，改變了傳統的實驗教學模式，建立了在人才培養過程中具有較強推廣價值的實踐教學新模式，培養了學生的研究能力、創新意識和科學素養。

現代科學技術的發展離不開原子物理學作為基礎支撐，而隨著原子物理學的進一步發展，新的微觀領域的知識被不斷發現，這進一步促進了現代科學技術的進步。將這些最新的科技前沿知識引入原子物理學教學中，可以大大豐富教學內容。如：可以通過介紹激光產生的原理、特性及應用來引出原子能級概念和能量量子化的內容；通過介紹醫療中常用的CT技術增強學生對Х射線吸收和透射的理解；通過介紹目前國內外同步輻射實驗裝置和最新實驗情況，加深學生對同步輻射內容的了解；在講原子核內容時，可以講核磁共振的原理以及其在醫學上的應用等。建立理論知識與實際生活中事例的聯系，不僅會使高深的物理內容更生動，培養學生對原子物理及微觀物理領域的學習興趣，而且可以讓學生了解有關大型科研、醫療及工程儀器設備的工作原理，體會到科學技術與生產生活的高度融合，開闊視野，對學生創新能力的培養起到積極的促進作用。虛擬仿真技術也可以讓實驗不再受場地、設備等的約束和限制，通過虛擬仿真實驗引入一些對實驗條件要求較高的近代物理實驗，如核磁共振、放射性衰變規律統計等豐富的實驗項目，在相當程度上彌補了真實實驗教學的缺憾，提高了實驗教學效果。例如，α粒子通過物質時，主要是與物質的原子的殼層電子相互作用發生電離損失，使物質產生正負離子對，對于一定物質，α在其內部產生一對離子所需的平均能量是一定的。通過本實驗，希望學生可以了解α譜儀的工作原理及其特性，掌握各種放射源在真空下的能譜圖。

結語

無論從學生職業發展規劃角度，還是從師范專業認證背景下對學生實踐能力培養的角度，基于虛擬仿真技術的“原子物理學”教學改革與探索不僅為高校人才培養目標及創新型人才的培養提供了新的教學模式，而且符合我校物理學學科建設的目標和發展方向。以國家級虛擬仿真一流課程標準為指導，推動信息技術與教育教學深度融合，將“原子物理學”課程內容與虛擬仿真技術相結合，生動形象地呈現相關物理原理、物理圖像、實驗過程和物理意義，加深學生對原子物理知識的理解，建立物理學專業特色鮮明的原子物理學知識教學新模式。在培養學生創新能力的指導思想下，直面科技迅猛發展形勢下所產生的人才需求的變革，及時對課程內容體系進行改革創新，豐富課程內容，反映前沿性和時代性，有力促進學生研究能力、創新意識和綜合素質的提高。