原子物理學教學方法

　　原子物理學教學方法【1】

　　摘 要：原子物理學是物理學專業的一門重要必修課，也是核科學與技術專業重要的專業基礎課。

　　針對教學中實際問題及學生意見的反饋，結合原子物理學教學實踐，進行教學方法上的探討和嘗試，初步提出了原子物理學的教學方法。

　　關鍵詞：原子物理學 教學方法 量子理論

　　原子物理學是研究原子結構、運動規律及相互作用的學科，是物理學專業的基礎課程，也是核類專業重要的專業基礎課程，上承經典物理學，下接量子力學和原子核物理等重要課程。

　　相比經典物理學課程原子物理學有很大差別，首先，原子物理學課程不像普通物理學課程從基本物理概念和物理規律出發進行嚴密的理論運算推導得到更普遍的基礎理論，而是遵循從實踐出發―理論模型建立―實踐檢驗的認識過程，應用更多的是總結、歸納的方法;其次，研究對象是微觀體系，而學生對微觀現象缺乏直觀的感性認識。

　　正是由于這些差異，大部分學生在學習中感覺原子物理學知識點凌亂，理不清頭緒，導致不能鞏固和深化所學知識。

　　因此，在教學中如何激發學生的學習興趣，引導學生把握課程主線，認識原子運動規律，形成新概念，進而培養學生自學能力、思維能力、研究能力等成為原子物理學教學中需要探討的問題。

　　本文針對褚圣麟先生教材《原子物理學》的教學淺談個人教學過程中的認識。

　　1 學習興趣的培養

　　學習興趣指一個人對學習的一種積極的認識傾向與情緒狀態。

　　學生對某一學科有興趣，就會持續地專心致志地鉆研它，從而提高學習效果。

　　學習興趣既是學習的原因，又是學習的結果。

　　由此，培養學生最初的學習興趣，促進學生在學習中找到樂趣，由被動的學習轉變為主動學習、好學、樂學，在培養學生的自學能力過程中具有重要的意義。

　　如何培養學生對原子物理學學習的興趣，筆者從教學實踐中總結如下幾個方面。

　　1.1 結合物理學史增強學習內容的趣味性

　　原子物理發展史料豐富，若將史料運用于原子物理教學中，將起到事半功倍的效果。

　　在授課中將原子物理學發展史融入知識的傳授可增強學習的趣味性。

　　如電子發現最早進行試驗的并不是湯姆遜，試驗結果最精確的也不是湯姆遜，但湯姆遜是第一個敢于突破常規認識而提出新粒子是電子的人，這一簡介讓學生明白科學研究中要尊重科學事實，敢于突破傳統認識;講述量子化概念提出時介紹普朗克為解釋黑體輻射提出量子化概念的歷程，由于這一嶄新理論與經典理論的沖突，普朗克本人也不是特別堅決，此后他曾試圖放棄量子論，用經典物理學方法重新解決黑體輻射問題，但均未成功，讓學生認識科學發展中開創性革新的不易。

　　可以說原子物理的發展中，充滿對已有思想觀念的顛覆和新思想的建立，這些都需要科學懷疑和批判精神，充分說明科學無絕對權威，科學懷疑精神和獨立思考是科學進步的動力。

　　通過物理學史的介紹，能在課堂上吸引學生的注意，使課堂氣氛活躍，激發學生對原子物理學的興趣，在輕松快樂的氛圍中學習，同時學習科學的批判精神，培養學生創新能力。

　　1.2 結合課程內容介紹原子物理學中的難題激發學生鉆研興趣

　　好奇心和探索欲望是科學研究的原動力，在教學中通過介紹課本中出現而尚未完全認識明白的物理概念、物理問題，能極大激發學生的認識和探索欲望，教師可引導學生對相關問題的研究現狀進行調研并匯報，在這一過程中既能促進學生了解學科的研究前沿，也能使學生加深對基本物理概念、原理的認識，同時有助于培養學生的實踐能力和初步的科研能力。

　　在原子物理學教材中有不少世界性的難題，如，在索末菲橢圓軌道理論和相對論效應中提出的精細結構常數所包含的物理含義、數值為什么剛好約為1/137;為解釋光譜精細結構產生而引人的電子自旋的概念人們是否已經完全認識清楚等，這些問題在教學中可充分利用，調動學生的探索欲望，激發學生的鉆研興趣。

　　1.3 結合物理學發展前沿介紹激發學生研究興趣

　　原子是從宏觀到微觀的第一個層次，物質世界各個層次的結構和運動變化相互聯系、相互影響，很多其他重要學科和技術的發展以原子物理為基礎，在課程教學中結合課程內容穿插原子物理學與相關學科的交叉及原子物理學發展的前沿介紹，可激發學生學習興趣和鉆研熱情。

　　如講述α粒子散射實驗時，介紹原子碰撞研究方法已經發展成為一個重要的研究方向，涉及各種基本粒子與原子和分子碰撞的物理過程等;講述激光原理時，介紹激光技術的發展及其對原子物理學發展的促進，介紹我國激光領域研究的國際地位等。

　　學科前沿的介紹能幫助學生認識學習本學科的社會意義及其與個人的關系，有助于激發學生學習的社會責任感。

　　2 把握課程主線

　　原子物理學的內容不像經典物理學具有嚴密的邏輯體系，因此在教學中拎�課程的主線有助于學生系統的掌握課程的知識內容。

　　對原子結構的認識發展，課程以光譜分析法為主線：從原子光譜規律出發，原子光譜規律的變化可以反映出原子內部能級的特點，進而探究原子內部的作用及其規律。

　　對原子內部作用的認識，課程以量子力學中的角動量概念為主線：從玻爾氫原子理論的角動量量子化假設的提出，到單電子的軌道角動量與自旋角動量的耦合解釋精細結構的產生，及兩個電子體系的LS耦合和JJ耦合等，并進一步明確角動量與磁矩概念的對應，角動量耦合的本質是粒子間電磁相互作用，自旋和軌道運動的相互作用引起原子能級的分裂和塞曼效應能級分裂在本質上是相同的。

　　3 講清基本概念

　　楊福家先生提出了原子物理學教學要注重“培養智能”，課程講述做到“言猶未盡”，“既講清楚又不講清楚”。

　　這也就要求老師要把握課程教學中哪些要講清楚，哪些可不講清楚。

　　對基本概念和基本物理模型我們要力圖闡述清楚，如，原子結構模型的提出，從背景到實驗過程、理論推導和實驗驗證給出了詳細的講解，而其中盧瑟福散射理論公式(散射角與瞄準距離關系式)的推導可以引導學生自己在課余推導。

　　又如，原子空間取向量子化概念，學生剛接觸量子理論，很容易將角動量量子化與取向量子化混淆，講解中要讓學生理解取向的概念即矢量方向的描述，講清了這個概念有助于對史特恩-蓋拉赫實驗的理解，而實驗中偏轉位移公式的推導可以留給學生自己完成等等。

　　根據原子物理學的特點，在教學中要努力貫徹啟發式教學原則，倡導學生加強課外閱讀，進行讀書報告、討論等多種教學模式有機結合，對提高原子物理學教學是非常必要的。

　　參考文獻

　　[1] 丁肇中.論科學研究的原動力―好奇心是科學研究的原動力[J].上海交通大學學報：哲學社會科學版，2002，10(4)：3-5.

　　[2] 楊福家.原子物理學[M].北京：高等教育出版社.

　　[3] 褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社.

　　原子物理學教學研究與實踐【2】

　　【摘 要】本文分析了原子物理學教學現狀，在教學內容、教學方法上對原子物理學教學進行了研究和實踐。

　　【關鍵詞】原子物理學教學;教學內容;教學方法

　　0 引言

　　原子物理學是物理學專業的一門重要的專業基礎必修課，是繼力學、熱學、光學和電磁學之后的最后一門普通物理課程。

　　原子物理學是普通物理的重要組成部分，它屬于近代物理[1]。

　　原子物理學包括原子物理、原子核物理和粒子物理[2]。

　　原子物理學是20世紀隨著量子力學的發展而發展起來的，至今，原子物理學的許多問題仍然是科學研究的前沿問題。

　　原子物理學是現代科學技術的基礎，是連接經典物理與現代物理的橋梁。

　　學好原子物理學能為后繼的量子力學、固體物理等課程打下堅實的理論基礎。

　　因此，學好原子物理學具有十分重要的意義。

　　本文根據近幾年原子物理學教學實踐，分析了教學現狀，在教學內容、教學方法上對原子物理學教學進行了研究和實踐。

　　1 原子物理學教學現狀

　　首先，原子物理學知識抽象、難懂，沒有清晰的物理圖像。

　　原子物理學是研究原子的結構、運動規律及相互作用的一門科學。

　　其研究的物質結構介于分子和原子核之間，線度約為10-10米，用肉眼是根本無法直接觀察的，只能在頭腦中想象。

　　學生在學習的過程中普遍反映知識很抽象，摸不著頭腦，不像學習力學知識那樣，對物體運動有清晰的物理圖像。

　　其次，教材內容過于老化。

　　20世紀30年代M.Born寫了一本《原子物理學》，H.E.White寫了一本《原子光譜導論》，這兩本書是原子物理學方面的經典之作。

　　現在的原子物理學教材體系一般遵循Born和White模式，大部分的教材內容都是反映20世紀30年代前后的知識，現代科技知識涉及太少。

　　講授理論知識若缺乏實際應用的介紹，將會使知識僵化，知識面狹窄，難以激起學生的學習興趣。

　　2 原子物理學教學內容的研究與實踐

　　2.1 恰當處理好玻爾理論與量子力學的關系

　　大部分的教材內容一般都是按照原子物理學的發展歷史進行編寫的。

　　從原子的光譜實驗到玻爾提出的量子化假設理論(基于經典物理基礎上的量子化，半經典半量子，稱為舊量子理論)，再由玻爾理論講授原子的能級、精細結構、超精細結構等。

　　對于微觀領域，正確描述電子運動的是量子力學理論，玻爾理論是有其局限性的。

　　最突出的問題是電子的軌道運動，根據玻爾理論，電子在庫侖力的作用下沿著一些特定的軌道繞原子核運動。

　　在量子力學中，電子運動是由波函數來描述的，滿足薛定諤方程，電子的運動具有不確定性，只能用概率來表示，沒有軌道運動的概念，量子力學中是用“電子云”來形象說明電子的運動。

　　教學中若處理不好玻爾理論與量子力學的關系，會讓學生覺得知識有點混亂，莫衷一是。

　　筆者認為在原子物理學教學過程中，能用玻爾理論解決的問題就盡量不要用量子力學，如玻爾理論不能解決，則可定性地用量子力學知識來解釋，避免復雜的量子力學推導過程。

　　原子物理學雖屬近代物理，但仍是普通物理學的重要組成部分，應該具有普通物理學的特點，要注重基本的物理實驗、物理圖像、物理思想和物理模型[3]。

　　若用量子力學進行詳細的解釋，則要涉及波函數、算符、力學量、薛定諤方程、微擾理論等復雜的量子力學知識，會淡化和掩蓋了原子物理學的基本的物理實驗、物理圖像、物理思想和物理模型。

　　恰當處理好玻爾理論與量子力學的關系，既能使學生易于接受原子物理學知識，又能為后繼的量子力學等課程打下基礎，使原子物理學成為連接經典物理和現代物理的橋梁。

　　2.2 緊密結合現代科學技術知識

　　原子物理學是現代科學技術的基礎，隨著原子物理學的發展，新思想，新知識不斷被發現，在此基礎上產生了大量的現代科學技術。

　　如與原子受激輻射有關的激光技術;與原子的內層電子激發有關系的X射線的熒光分析技術、計算層析技術;與物質波有關的電子顯微鏡;與原子能級分裂有關的電子順磁共振和核磁共振等等，其中X射線影像、核磁共振成像已應用到醫學領域[4]。

　　將這些科學技術知識引入到原子物理學教學中，不僅可以加深學生對所學知識的印象，還可以開闊他們的視野，激發學習興趣，培養創新意識，取得良好的學習效果。

　　2.3 適當引入物理學史

　　原子物理學的發展產生了許多重要的創造成果，包括1999年在內共有96項諾貝爾物理學獎，其中就有66項是與原子物理學有關的，占到總獲獎數的2/3。

　　這些諾貝爾物理學獎的成果不僅是原子物理學發展的重要里程碑，而且是前輩物理學家創造性研究的典范[5]。

　　在教學過程中，適當地講解一些有代表性物理學家的工作背景、研究思路、研究方法以及他們在面對困難時的科學創新精神、非凡的膽識，都會對學生留下深刻的印象，引起長久的思考。

　　例如，電子自旋假說是20世紀初最重要的假設之一，電子自旋的提出在原子物理學發展歷史中具有里程碑的意義。

　　1925年，荷蘭的兩位在讀大學生烏倫貝克和古德斯密特，在地球運動規律的啟發下，經過深入研究，大膽提出了電子自旋假設。

　　但誰能想到這樣重要的理論是由兩個還沒畢業的大學生提出的。

　　對于兩個年輕人來說，提出這樣的理論不僅需要創造精神，更需要非凡的勇氣和膽識。

　　我們在課堂教學中引入這樣的事例，在學生中激起了強烈的反響，引發了熱烈的討論，極大地提高了他們的學習熱情和學習興趣，同時也培養了學生的創新意識和創新能力。

　　3 教學方法的研究與實踐

　　3.1 明確重難點，有的放矢

　　原子物理學的知識面較廣，知識點松散，各知識點間的邏輯性、系統性不強，再加上學時少，一般只有54學時左右，教學任務重。

　　因此，教學方法就顯得尤為重要。

　　按照原子物理學教學大綱，明確教學中的重難點。

　　每堂課都要向學生明確哪些知識需要重點掌握，哪些需要理解，哪些需要了解。

　　重難點知識要精講、細講，從物理實驗、物理圖像、物理思想、物理模型到具體的推導過程都要講清楚，不惜面面俱到。

　　理解性的內容可講清楚物理思想和物理圖像，不必過多涉及細節性內容。

　　了解性的內容可讓學生課下自行學習，給出一些參考資料，讓學生以讀書報告的形式提交作業。

　　明確教學中的重難點，學生明確了學習目標，提高了學習的積極性，促進了學生的自主學習。

　　3.2 傳統板書與多媒體教學的有機結合

　　傳統板書具有講課思路清晰，留給學生較多的思考時間，易于跟上講課思路等優點。

　　對重要公式理論的推導，系統知識的梳理具有良好的教學效果。

　　多媒體教學可演示圖片、動畫、影像資料，具有形象直觀的特點，而且幻燈片記載的信息量大，放映時間少。

　　在原子物理學教學中，將傳統板書與多媒體教學的有機結合起來，能收到良好的教學效果。

　　例如講電子的自旋―軌道相互作用時，先用多媒體演示電子自旋運動和軌道運動的動畫，學生頭腦中有了清晰的物理圖像，然后再采用板書的形式詳細推導其作用規律，就比較容易理解。

　　一些著名的物理實驗現象，現代科學技術應用，著名物理學家生平簡介等都可以通過多媒體展示給學生。

　　既能拓寬學生的知識面，還能活躍課程氣氛，激發學習興趣，提高學習積極性。

　　4 小結

　　原子物理學雖已有一百多年的歷史，但仍是具有生命力的，不斷向前發展的科學，原子物理學教學也應不斷地向前發展進步。

　　本文根據近幾年原子物理學教學實踐，在教學內容、教學方法上對原子物理學教學進行了研究和實踐。

　　以期能與同行進行討論，共同提高原子物理學教學水平。

　　【參考文獻】

　　[1]喀興林.關于原子物理學課程現代化問題[J].大學物理，1992，11(11)：6-8.

　　[2]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2012.

　　[3]高政祥.原子物理學教學改革的幾點探索[J].大學物理，2001(4)：34.

　　[4]張澤寶.醫學影像物理學[M].北京：人民衛生出版社，2004.

　　[5]崔金玉.關于物理學史恰當地引入到原子物理學教學中的思考[J].長春師范學院學報：自然科學版，2009，28(1)：99.

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