馮瑞姝,徐 栩

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

原子物理學(xué)屬于普通物理范疇，它不僅是物理(師范)類專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)理論課，也是與力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)聯(lián)的重要課程，并且后續(xù)與量子力學(xué)、近代物理實(shí)驗(yàn)、固體物理學(xué)等重要理論物理課程相銜接。原子物理學(xué)著重從物理規(guī)律出發(fā)，探討原子、原子核的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并解釋它們的表觀性質(zhì)。因此，原子物理學(xué)是連接經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)的重要橋梁。正是基于原子物理學(xué)在課程設(shè)置中的位置，以及原子物理學(xué)課程自身的知識(shí)特點(diǎn)，課程的教學(xué)對(duì)學(xué)生的理論應(yīng)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)有著重要的作用，尤其對(duì)應(yīng)用型本科院校的物理教育專業(yè)，更要注重實(shí)踐和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此，原子物理學(xué)課程以應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案為核心的課程優(yōu)化勢(shì)在必行。

1 原子物理學(xué)課程優(yōu)化基本要求

應(yīng)用型本科院校物理教育專業(yè)原子物理學(xué)的課程優(yōu)化的基本要求是：首先，通過(guò)課程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)教師教育的培養(yǎng)目標(biāo)，為中學(xué)輸送高質(zhì)量的物理教師人才；其次，符合物理專業(yè)的內(nèi)在邏輯序列，按照知識(shí)理論與應(yīng)用實(shí)踐相統(tǒng)一的原則安排課程先后，注重課程的聯(lián)系與協(xié)調(diào)，形成一個(gè)完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R(shí)學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練課程體系；再次，要符合大學(xué)生身心成長(zhǎng)的內(nèi)在規(guī)律，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體的積極性，讓學(xué)生在愉悅的心境和優(yōu)美的環(huán)境中主動(dòng)地完成學(xué)習(xí)任務(wù)；最后，優(yōu)化的課程既要適應(yīng)當(dāng)下社會(huì)的需要，又能反映當(dāng)下社會(huì)需要的變化。

2 原子物理學(xué)課程優(yōu)化方案

原子物理學(xué)課程強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)的分析，以及物理概念、物理圖像的建立。它是用半經(jīng)典半量子的、近似的、不完整的量子物理學(xué)理論和方法探究原子結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的課程。它的知識(shí)特點(diǎn)就是完全以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)事實(shí)為依據(jù)而建立相應(yīng)的原子理論體系，并對(duì)原子問(wèn)題給出合理的解釋。由于原子物理學(xué)的研究對(duì)象抽象，理論又介于經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)之間，屬于半經(jīng)典半量子的理論，因此初學(xué)階段，幫助學(xué)生如何從經(jīng)典思想向量子思想轉(zhuǎn)變，是原子物理學(xué)課程教學(xué)的重要任務(wù)。通過(guò)原子物理課程的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行理論創(chuàng)新，提高實(shí)踐與理論相結(jié)合解決問(wèn)題的意識(shí)和能力。

2.1 課程目標(biāo)

課程的主要目標(biāo)和任務(wù)是以原子結(jié)構(gòu)為中心，以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為線索，了解原子和原子核層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律，揭示微觀現(xiàn)象與規(guī)律的本質(zhì)。介紹有關(guān)問(wèn)題所需要的量子力學(xué)基本概念，闡述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)三個(gè)層次的物理過(guò)程、研究方法，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維。使學(xué)生對(duì)物質(zhì)世界有更深入的認(rèn)識(shí)，獲得在本課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些最基本問(wèn)題，以及具有講授初、高中物理中原子物理學(xué)部分的初步能力。并為以后繼續(xù)學(xué)習(xí)量子力學(xué)及其相關(guān)理論物理課程奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)人才培養(yǎng)的要求，確立在傳統(tǒng)教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、扎實(shí)的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)物理教學(xué)的長(zhǎng)處,以現(xiàn)代教育技術(shù)為切入點(diǎn)，開展創(chuàng)新性教學(xué)研究，引入現(xiàn)代科技成果，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。

2.2 課程功能

原子物理學(xué)的發(fā)展對(duì)激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，作出過(guò)很大的貢獻(xiàn)。激光出現(xiàn)以后，用激光技術(shù)來(lái)研究原子物理學(xué)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)精度有了很大提高，從而又發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象和新問(wèn)題，推動(dòng)了對(duì)原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，力圖使學(xué)生初步建立描述微觀世界的物理圖像，理解適應(yīng)微觀世界的新概念，掌握處理微觀世界物理問(wèn)題的新方法，為后續(xù)量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。課程教學(xué)中，要結(jié)合有關(guān)內(nèi)容，適當(dāng)將一些背景材料和物理學(xué)史引入教學(xué)，以利于加深對(duì)新知識(shí)的理解和把握。同時(shí)，通過(guò)介紹二十世紀(jì)初物理學(xué)家，在解決經(jīng)典物理學(xué)應(yīng)用于微觀粒子體系遇到困難時(shí)的大膽探索、勇于創(chuàng)新的思想脈絡(luò)，使學(xué)生受到創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神方面的熏陶和教育，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。使學(xué)生了解物理學(xué)家對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐——理論——再實(shí)踐的認(rèn)識(shí)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、活躍、創(chuàng)新的思維方式和學(xué)習(xí)方法。

2.3 課程結(jié)構(gòu)

原子是從宏觀到微觀的第一個(gè)層次，是一個(gè)重要的中間環(huán)節(jié)。物質(zhì)世界這些層次的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化，是相互聯(lián)系、相互影響的，對(duì)它們的研究缺一不可，很多重要的基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)科學(xué)的發(fā)展也都要以原子物理為基礎(chǔ)。由于原子物理學(xué)課程是學(xué)生第一次系統(tǒng)接觸到的近代物理學(xué)的理論體系，它的許多概念、觀點(diǎn)與學(xué)生長(zhǎng)期形成的經(jīng)典物理觀念不相符合。因此在教學(xué)過(guò)程中，一定要千方百計(jì)做好這個(gè)觀念上的轉(zhuǎn)化工作，讓學(xué)生逐步形成適應(yīng)微觀世界的思維方式，循序漸進(jìn)的從經(jīng)典物理世界走進(jìn)量子世界。原子物理學(xué)以半經(jīng)典半量子的近似的量子物理方法為手段，以原子光譜實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及德布羅意物質(zhì)波為核心，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜漸進(jìn)地研究氫原子、堿金屬原子、多電子原子、磁場(chǎng)中的原子、電子的殼層、原子核等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖1課程結(jié)構(gòu)體系框圖

2.4 課程內(nèi)容

以課程結(jié)構(gòu)為原則安排的原子物理學(xué)，理論課程講授課40學(xué)時(shí)，習(xí)題課7學(xué)時(shí)，討論課7學(xué)時(shí)，共計(jì)54學(xué)時(shí)。課程首先介紹近、現(xiàn)代物理發(fā)展史，近、現(xiàn)代物理的發(fā)展概況與科學(xué)技術(shù)的關(guān)聯(lián)，以及原子物理學(xué)的研究對(duì)象和研究方法。使學(xué)生整體的了解原子物理學(xué)在物理學(xué)史中的地位極其重要性；其次經(jīng)由經(jīng)典理論過(guò)渡到量子理論研究，從光的波粒二象性到德布羅意實(shí)物粒子的波粒二象性過(guò)程的認(rèn)識(shí)。由盧瑟福α粒子散射理論確立原子的有核模式結(jié)構(gòu)，以及由氫原子、類氫原子和堿金屬原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律創(chuàng)立的創(chuàng)新理論——玻爾理論；然后學(xué)習(xí)利用量子力學(xué)初步知識(shí)處理氫原子問(wèn)題的方法，以及量子數(shù)和角動(dòng)量空間量子化等實(shí)際的量子問(wèn)題。根據(jù)證實(shí)電子存在自旋的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及原子有效磁矩的計(jì)算方法，來(lái)討論原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼效應(yīng)等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)X射線產(chǎn)生的機(jī)制及譜線的特點(diǎn)、X射線的性質(zhì)開拓學(xué)生對(duì)原子物理的認(rèn)識(shí)；最后討論原子核的基本性質(zhì)、放射性衰變的基本規(guī)律、核裂變及核聚變的反應(yīng)機(jī)制以及核技術(shù)的應(yīng)用。

教學(xué)中，原子的基本結(jié)構(gòu)部分，要求學(xué)生掌握原子的核式結(jié)構(gòu)，了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、意義以及在科學(xué)研究、材料分析中的實(shí)踐應(yīng)用；氫原子部分，則要求掌握氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律以及原子的激發(fā)和輻射的基本原理，能夠應(yīng)用激發(fā)和輻射解釋激光原理。強(qiáng)調(diào)光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)、理論的建立與創(chuàng)新在科學(xué)研究、實(shí)踐技術(shù)中的應(yīng)用；對(duì)于量子力學(xué)初步知識(shí)，根據(jù)量子力學(xué)基本原子，體會(huì)量子理論、創(chuàng)新理論的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思想、創(chuàng)新意識(shí)；其次學(xué)習(xí)更復(fù)雜原子結(jié)構(gòu)即堿金屬原子和電子的自旋，以光譜實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及玻爾創(chuàng)新理論為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探究堿金屬原子結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律；然后學(xué)習(xí)對(duì)堿金屬原子與氫原子光譜事實(shí)的差別進(jìn)行理論修正的方法，從而展示光譜分析方法在材料檢測(cè)、分析和科研創(chuàng)新等方面的廣泛應(yīng)用。探討多電子原子情況時(shí)，總結(jié)氫原子、堿金屬原子的研究方法，進(jìn)而推廣到更復(fù)雜原子的研究，激發(fā)學(xué)生對(duì)更復(fù)雜原子的好奇心，啟發(fā)學(xué)生利用已學(xué)理論探索多電子原子，通過(guò)利用原子的激發(fā)和輻射躍遷討論氦氖激光器的基本原理，來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)量子規(guī)律、光譜分析的廣泛應(yīng)用。在磁場(chǎng)中的原子則以磁場(chǎng)和原子磁矩相互作用為基礎(chǔ)充分討論塞曼效應(yīng)，詳細(xì)分析正常與反常塞曼效應(yīng)，討論磁性材料、磁共振等前沿技術(shù)的應(yīng)用，充分展示磁效應(yīng)在材料磁性和磁共振技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。

2.5 課程實(shí)施

優(yōu)化的原子物理學(xué)課程，課堂以教師的講授和學(xué)生的討論為主，課后輔以一定數(shù)量的練習(xí)，同時(shí)開展針對(duì)一些與原子物理相關(guān)實(shí)際問(wèn)題的討論，并形成提交課程論文。

教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)重視實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。原子物理學(xué)的很多重大發(fā)現(xiàn)都來(lái)源于實(shí)驗(yàn)，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要地位，樹立以學(xué)生為本，知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，徹底改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)觀念，形成理論與實(shí)驗(yàn)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的理念和氛圍。建立以能力培養(yǎng)為核心，層次分明、模塊多樣、相互銜接，理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合的教學(xué)體系。聯(lián)系科研、工程、中學(xué)物理需要和社會(huì)實(shí)際，融入科技創(chuàng)新和實(shí)踐體會(huì)，推進(jìn)學(xué)生自主、合作、研究的學(xué)習(xí)。

2.6 課程評(píng)價(jià)

對(duì)于原子物理學(xué)的考查，除閉卷考試考查方式外，還要增設(shè)初中物理教案比賽、參加全國(guó)大學(xué)物理競(jìng)賽、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽、科技論文、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等多種考試方法，考察學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，更加科學(xué)和全面地考查學(xué)生對(duì)本課程的掌握與實(shí)踐應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

為適應(yīng)應(yīng)用型院校物理教育專業(yè)人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力，勝任高等和中等學(xué)校物理學(xué)教育的教師、教育科研人員和其他教育工作者，以及能在科研機(jī)構(gòu)、高等院校和企事業(yè)單位從事科學(xué)研究和管理工作的高級(jí)專門人才，原子物理學(xué)課程還有待進(jìn)一步的優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題、建立物理模型、定性分析與定量計(jì)算的能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力和獨(dú)立獲取知識(shí)的能力，開闊學(xué)生的思路，激發(fā)學(xué)生的探索和創(chuàng)新精神，提升其科學(xué)技術(shù)的整體素養(yǎng)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來(lái)的研究、應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

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