李新　彭順金

摘要：原子物理學(xué)在材料物理專業(yè)學(xué)生的課程教學(xué)中占有舉足輕重的地位。它不僅是經(jīng)典物理和量子物理連接的橋梁與紐帶，更是現(xiàn)代高新尖端技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。教師在傳授知識的同時，應(yīng)該充分利用原子物理學(xué)課程的現(xiàn)代化加強這門課程的教育功能，從而加強對材料物理專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：課程改革；創(chuàng)新精神；創(chuàng)新能力；原子物理學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0103-02

原子物理學(xué)在材料物理專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)課程的教學(xué)中占有十分重要的地位。它不僅是經(jīng)典物理和微觀物理（量子力學(xué)、粒子物理和核物理）連接的紐帶與橋梁，更是現(xiàn)代高新尖端技術(shù)（光譜學(xué)、激光、磁共振等）應(yīng)用的基礎(chǔ)。原子物理學(xué)是于20世紀(jì)初開始形成的一門分支學(xué)科，它主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的其中一個層次，具體介于分子和原子核之間，其主要內(nèi)容是原子光譜和原子結(jié)構(gòu)。原子物理學(xué)是近代物理學(xué)的重要組成部分，如何對原子物理學(xué)課程教學(xué)進行現(xiàn)代化改革，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量的同時使之更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力已經(jīng)成為當(dāng)前材料物理專業(yè)課程教學(xué)改革研究中的一個熱點。

一、原子物理學(xué)課程現(xiàn)代化改革的背景

目前高等院校的教師講授在原子物理學(xué)這門專業(yè)課時，選用的教材大多都是褚圣麟或楊福家先生編寫的《原子物理學(xué)》，其中有些院校已將原子物理學(xué)更名為近代物理學(xué)，這樣改革的目的是為了實現(xiàn)該門課程的現(xiàn)代化，使其不局限在傳統(tǒng)意義的原子物理學(xué)課程上。面對該課程的教學(xué)現(xiàn)狀和其特殊地位，如何結(jié)合近代物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)揮該課程的教育功能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力，對原子物理學(xué)課程改革的呼聲越來越高。目前我校也逐步將原有的原子物理學(xué)課程進行了現(xiàn)代化改革，做了一些有益的探討和實踐。

二、整合知識體系，實現(xiàn)原子物理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

傳統(tǒng)的原子物理學(xué)教科書大多按照歷史發(fā)展的時間順序，即按照人類認(rèn)識原子世界的具體過程，從“光譜”這一概念入手組織教學(xué)。這種教學(xué)的特點是以光譜實驗事實為主線，以玻爾的舊量子論為重點，用半經(jīng)典半量子論的方法講授課程。但是對于這樣的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排，學(xué)生并不容易掌握，而且讓學(xué)生花費大量的時間掌握這些不易理解最終又要被量子論修正的理論，看起來確實是沒有必要的。因此傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容有些陳舊并且不易理解，也不能及時反映現(xiàn)代物理理論和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新水平，因此必須用新觀點和新思想重新組織教學(xué)內(nèi)容，以全新的角度構(gòu)建這門課程的知識體系。在材料物理專業(yè)學(xué)生原子物理學(xué)的教學(xué)中，可直接用量子力學(xué)的理論研究原子結(jié)構(gòu)及其運動變化規(guī)律。原子中電子的運動都遵循著量子力學(xué)的理論，而傳統(tǒng)教學(xué)中以學(xué)生不好理解的舊量子論為基礎(chǔ)，再用量子力學(xué)修正的做法并不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。因此可以直接用量子力學(xué)的理論來研究原子結(jié)構(gòu)及其規(guī)律[1]，而將舊量子論僅僅作為一種鋪墊。實際教學(xué)中，可以先簡明扼要地介紹舊量子論的核心內(nèi)容，而不必過多講授軌道的概念?？梢詣h除橢圓軌道理論和堿金屬原子的原子實極化和軌道貫穿等內(nèi)容。這樣就實現(xiàn)了原子物理學(xué)課程知識體系現(xiàn)代化的第一步，用最新的量子力學(xué)理論成果講述原子中電子的行為。量子力學(xué)理論是從特有的波函數(shù)、哈密頓算符以及薛定諤方程等形式化的理論，以高度濃縮的數(shù)學(xué)形式借鑒了各學(xué)科的研究成果，從而形成了一套獨特的理論體系。實際講授中可以薛定諤方程為主線，由薛定諤方程引入微觀粒子的波函數(shù)，建立二階偏微分方程，從而定量描述微觀粒子客體的運動規(guī)律。一方面，根據(jù)不同的勢能表達，建立各種原子的薛定諤方程并求解，向?qū)W生闡述這些解的物理意義，并與實驗事實相對照，從而加深學(xué)生對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，進而把握原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。另一方面，要突出德布羅意物質(zhì)波的統(tǒng)計解釋。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容總是先從經(jīng)典物理學(xué)的角度和觀點看“粒子”和“波”這兩個概念，指出二者之間的相互排斥性，然后再引出微觀粒子的波粒二象性，并強調(diào)波粒二象性是微觀粒子客體區(qū)別于宏觀客體的一種屬性。這種講法常常會使學(xué)生產(chǎn)生困惑，覺得微觀客體很不可思議，超過了他們的認(rèn)知和理解范圍。因此在講授時可以直接給出對德布羅意波的正確解釋，闡明微觀粒子的波動性并非指粒子和波一樣彌漫到整個空間，它本質(zhì)上是粒子位置分布的一種概率波。為了更好實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化，還應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中穿插關(guān)于物理學(xué)前沿知識的專題，介紹近代物理學(xué)中和原子物理相關(guān)的最新發(fā)展和高新技術(shù)。在講授某些概念和原理時，可適當(dāng)介紹最新應(yīng)用成果和科技前沿。例如在講授原子的能級和激發(fā)時，可以詳細介紹激光產(chǎn)生的原理、特性以及應(yīng)用等；在講到隧道效應(yīng)時，可以介紹掃描隧道顯微鏡的原理及其發(fā)展；在講授X射線的吸收和透射時，可以介紹在醫(yī)學(xué)診斷和治療中具有廣泛應(yīng)用的CT技術(shù)。增設(shè)這些前沿內(nèi)容，一方面是為了加強理論知識與實際的聯(lián)系，使內(nèi)容變得生動，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面可以讓學(xué)生體會到當(dāng)今科學(xué)與技術(shù)、生活的高度融合，開擴他們的視野，激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情。原子物理學(xué)的發(fā)展伴隨了20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，并且隨著新的實驗發(fā)現(xiàn)、新模型新理論的建立而不斷深入[2]。從歷史上看，原子物理學(xué)的每次重大突破，都經(jīng)歷著非常復(fù)雜曲折的過程，同時閃耀著物理學(xué)家創(chuàng)新精神的光芒。在課堂教學(xué)中，教師可以結(jié)合現(xiàn)代化的教學(xué)內(nèi)容，抓住典型的歷史案例進行教學(xué)，讓學(xué)生了解到科學(xué)探究過程的艱辛，體會創(chuàng)新精神的可貴性，并學(xué)習(xí)科學(xué)家們?yōu)榱颂角罂陀^世界真理不畏艱辛、執(zhí)著追求的科學(xué)品質(zhì)和創(chuàng)新精神。

三、實現(xiàn)教學(xué)方法的現(xiàn)代化，突出學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

教師教學(xué)的主要任務(wù)是傳授知識同時引導(dǎo)學(xué)生入門，為了更好地突出學(xué)生的主觀能動性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，教師有必要改進原有的教學(xué)方法。除了教師講授、學(xué)生聽講的傳統(tǒng)教學(xué)方式外，還必須引入更加現(xiàn)代化的教學(xué)方式進行有益的補充[3，4]。在原子物理學(xué)課程的教學(xué)中，近代物理實驗應(yīng)當(dāng)占有舉足輕重的地位，很多重要的理論和結(jié)論都是由實驗直接引出的。因此要特別重視近代物理實驗，課堂教學(xué)時可以結(jié)合近代物理實驗，如夫蘭克—赫茲實驗、塞曼效應(yīng)等。在實驗演示中，可以增強學(xué)生對微觀世界的認(rèn)識，為他們提供更好的認(rèn)識微觀世界的途徑。同時，在現(xiàn)有的實驗條件允許時，可以讓學(xué)生先動手做實驗，然后針對實驗結(jié)果進行分析，總結(jié)規(guī)律，從理論上給予解釋，從而加深學(xué)生對書本知識的認(rèn)識和理解。在此過程中，可以給學(xué)生創(chuàng)造機會重現(xiàn)當(dāng)年物理學(xué)家們探究的過程，讓學(xué)生能夠親身參與科學(xué)實驗與探究的過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。另外可以指導(dǎo)學(xué)生撰寫與課程相關(guān)的小論文，幫助培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生撰寫的小論文，作為平時成績的一部分，計入學(xué)生的總評成績。論文的題目可以圍繞原子物理學(xué)的基本規(guī)律和應(yīng)用，由學(xué)生自己選題、搜索資料并獨立撰寫。不僅可以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，拓寬他們的知識面，還可以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、勇于創(chuàng)新的品質(zhì)。在這種教學(xué)過程中，可以充分體現(xiàn)教師引導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)理念和方法，加強學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的主觀能動性，同時有意識地培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。endprint

四、實現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化，為學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)創(chuàng)造情境條件

原子物理學(xué)課程的內(nèi)容包含的信息量較大，尤其是需要運用深奧的數(shù)學(xué)公式處理問題，因此計算量大，而且物理圖像也比較抽象，學(xué)生往往受此困擾對該課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒。如果學(xué)生有畏難情緒，那么會缺乏學(xué)習(xí)的主觀能動性，這對學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)都是非常不利的。為了解決這一問題，可以利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，編輯圖文、聲音、視頻并茂的多媒體輔助課件，使抽象的物理過程和物理圖像能夠形象化[5]，并且可以通過交互式的教學(xué)方法，增進師生之間的互動與交流。制作電子教案，采用多媒體手段輔助課堂教學(xué)，可以在教師講授時創(chuàng)造相關(guān)物理情境，讓學(xué)生可以暢游在物理學(xué)的海洋中，從中汲取有益的信息。例如在講到盧瑟福散射實驗時可以介紹散射技術(shù)的背景和儀器設(shè)備；介紹隧道掃描顯微鏡，可以用多媒體課件展示最早的排列原子的“IBM”圖片。通過這種直觀的展示，能夠讓學(xué)生在課堂隨時感受科學(xué)的魅力，增強他們學(xué)習(xí)的興趣，也增強他們對創(chuàng)新的渴望和動力。另外可以建立課程的教學(xué)網(wǎng)站，作為對課堂教學(xué)的補充，在課堂之外提供給學(xué)生更多和更生動的學(xué)習(xí)資源[6]，同時可以增設(shè)留言板，進一步加強師生之間的互動和交流。在這些現(xiàn)代化的教學(xué)輔助手段下，學(xué)生有機會接觸更多的知識，更多地思考與課程相關(guān)的內(nèi)容，為學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)創(chuàng)造客觀條件。

原子物理學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)中最重要的組成部分之一，它的發(fā)展是眾多物理學(xué)家的思想結(jié)晶，其中包含著十分豐富的物理文化內(nèi)涵。任課教師在傳授知識的同時，應(yīng)充分開發(fā)原子物理學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程對學(xué)生的教育功能，通過課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段的現(xiàn)代化更好地培養(yǎng)材料物理專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]楊福家.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]申先甲.談?wù)勎锢韺W(xué)史在素質(zhì)教育中的作用[J].大學(xué)物理，2000，（11）：36-40.

[3]高政詳.原子物理學(xué)教學(xué)改革的幾點探索[J].大學(xué)物理，2001，（4）：34-37.

[4]郭振華.原子物理學(xué)課程的教學(xué)改革與實踐[J].物理教育，2002，（9）：613-618.

[5]宋桂蓮.原子物理學(xué)（或近代物理學(xué)）“多媒體計算機輔助教學(xué)”（MCAI）課件簡介[J].大學(xué)物理，2000，（6）：40-42.

[6]王笑君.基于新概念量子物理的原子物理課程改革研究[J].大學(xué)物理，2010，（3）：44-49.endprint