聞軍　吳敏　查申龍　汪燕　朱德權(quán)

【摘 要】“原子物理學(xué)”是普通高等學(xué)校物理學(xué)本科專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程的學(xué)習(xí)者常常會(huì)受制于經(jīng)典的物理理論和方法的影響，并且對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)和處理存在一定程度的不適應(yīng)。當(dāng)前慕課課程獲得了廣泛應(yīng)用、取得了一系列顯著成果，將慕課教學(xué)模式引入到“原子物理學(xué)”課程的教學(xué)中來(lái)，將會(huì)有利于物理學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生對(duì)于本課程的有效學(xué)習(xí)，還有可能吸引文科相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生甚至中學(xué)生參與到本課程的自主學(xué)習(xí)，滿(mǎn)足他們?cè)谔角罂茖W(xué)知識(shí)、就業(yè)等各方面的需求。本文主要介紹“原子物理學(xué)”慕課課程的主要教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)思路，期望能夠給本課程的慕課開(kāi)發(fā)和實(shí)施提供一種新的思路。

【關(guān)鍵詞】原子物理學(xué);慕課;教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)： G642;O562-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.039

0 引言

“原子物理學(xué)”是普通高等學(xué)校物理學(xué)本科專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。它主要探討原子的結(jié)構(gòu)、能量狀態(tài)，以及與其他粒子、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等之間的相互作用規(guī)律和機(jī)理。眾所周知，量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石之一，而“原子物理學(xué)”則已被證明是量子力學(xué)一個(gè)顯著成功的應(yīng)用。作為承接經(jīng)典物理與量子物理的橋梁，“原子物理學(xué)”課程的教學(xué)活動(dòng)存在著一些共性的問(wèn)題。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)仍然習(xí)慣于經(jīng)典的理論和方法，對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)和處理方法存在一定程度的不適應(yīng)。本課程需要學(xué)生理解的物理思維和方法等方面的內(nèi)容較多，學(xué)生通常缺乏足夠的有效訓(xùn)練。近幾十年來(lái)，人們對(duì)于微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和認(rèn)識(shí)有了迅猛地發(fā)展，常常超越了人們的慣常認(rèn)知。此外，受制于一些任課教師的專(zhuān)業(yè)方向以及學(xué)生接受能力等原因，新知識(shí)在傳授過(guò)程中也存在一定難度。

近年來(lái)，慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）即大規(guī)模開(kāi)放在線課程，作為一種新穎的網(wǎng)絡(luò)在線課程開(kāi)發(fā)模式，得到了越來(lái)越多的授課者和學(xué)習(xí)者的青睞。它主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和流媒體支持，利用在線教育平臺(tái)，發(fā)展以學(xué)生為中心的教育教學(xué)模式。從空間和時(shí)間上改變傳統(tǒng)的高等教育授課形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)高校教學(xué)資源的整合，由單純的教學(xué)資源轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤险n程及其教學(xué)內(nèi)容的多用途的教育發(fā)展資源，學(xué)生利用多線程在線教育可以實(shí)現(xiàn)獲取知識(shí)途徑的多元化、主動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)化[1]。在一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃”的背景下，教育部推動(dòng)實(shí)施一流課程建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃”（即“金課”建設(shè)計(jì)劃，計(jì)劃建設(shè)1萬(wàn)門(mén)左右國(guó)家級(jí)一流課程以及1萬(wàn)門(mén)左右省級(jí)一流課程）。其中，國(guó)家級(jí)一流課程包含約3千門(mén)左右線上“金課”（國(guó)家精品在線開(kāi)放課程）。因此，慕課課程建設(shè)與發(fā)展必將成為當(dāng)前高等教育領(lǐng)域的重要改革方向和著力點(diǎn)。基于安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目支持的“原子物理學(xué)”慕課課程的建設(shè)，將有利于作者所在學(xué)校乃至全省高校物理學(xué)以及與物理相關(guān)理工科專(zhuān)業(yè)本科生的有效學(xué)習(xí)，同時(shí)更有助于部分沒(méi)有開(kāi)設(shè)這門(mén)課程的文科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，滿(mǎn)足他們?cè)谔角罂茖W(xué)知識(shí)、就業(yè)等各方面的需求。通過(guò)本慕課課程授課教師通俗易懂的語(yǔ)言介紹，力爭(zhēng)吸引廣大中學(xué)生參與到本課程的學(xué)習(xí)中來(lái)，增強(qiáng)他們對(duì)于探索未知領(lǐng)域的興趣，為未來(lái)進(jìn)入大學(xué)階段的深入學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 “原子物理學(xué)”慕課課程教學(xué)內(nèi)容

國(guó)內(nèi)“原子物理學(xué)”課程目前多數(shù)采用的教材是褚圣麟教授編寫(xiě)、高等教育出版社出版的“原子物理學(xué)”。它包含了原子、分子、原子核、基本粒子等方面的內(nèi)容[2]。本門(mén)課程的慕課課程不僅需要將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)內(nèi)容碎片化，更要將碎片化的教學(xué)片段重整構(gòu)造成為一個(gè)有機(jī)體系。因此，我們需要篩選出本課程課堂教學(xué)內(nèi)容中的重要知識(shí)點(diǎn)，將其分為九章，預(yù)計(jì)35學(xué)時(shí)，預(yù)計(jì)總時(shí)長(zhǎng)300分鐘。第一章為緒論（1學(xué)時(shí)），主要介紹原子物理學(xué)的發(fā)展、地位及作用。第二章為原子的基本狀況（2學(xué)時(shí)），主要介紹原子的質(zhì)量、大小及核式結(jié)構(gòu)模型。第三章為原子的能級(jí)和輻射（5學(xué)時(shí)），主要介紹光譜的概念、玻爾的氫原子理論、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)、史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)、空間取向量子化。第四章為量子力學(xué)初步（2學(xué)時(shí)），主要介紹物質(zhì)的二象性和波函數(shù)。第五章為堿金屬原子（4學(xué)時(shí)），主要介紹堿金屬原子光譜、原子實(shí)極化和軌道貫穿、電子自旋、光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)。第六章為多電子原子（6學(xué)時(shí)），主要介紹具有兩個(gè)價(jià)電子原子的光譜和能級(jí)、原子態(tài)、LS耦合、JJ耦合、泡利原理、選擇定則。第七章為在磁場(chǎng)中的原子（3學(xué)時(shí)），主要介紹原子的磁矩、外磁場(chǎng)對(duì)原子的作用、塞曼效應(yīng)。第八章為原子的殼層結(jié)構(gòu)（3學(xué)時(shí)），主要介紹原子的電子殼層結(jié)構(gòu)、原子基態(tài)的電子組態(tài)、原子的基態(tài)原子態(tài)。除了上述教學(xué)內(nèi)容之外，我們還需要在慕課的教學(xué)內(nèi)容中實(shí)施比傳統(tǒng)課堂教學(xué)更多的練習(xí)活動(dòng)，這些練習(xí)應(yīng)不同于通常教材的課后習(xí)題，而是以選擇、填空以及思考為主，同時(shí)也要兼顧趣味性與內(nèi)容的典型性。通過(guò)邊學(xué)邊練習(xí)，讓學(xué)習(xí)者了解自身的理解與掌握程度，不斷鞏固所學(xué)知識(shí)，逐步達(dá)到熟練掌握。

3 “原子物理學(xué)”慕課教學(xué)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)“原子物理學(xué)”的內(nèi)容和特點(diǎn)，其慕課教學(xué)設(shè)計(jì)需要考慮：

1）制作大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)演示視頻，幫助學(xué)習(xí)者獲得直觀、生動(dòng)的物理圖像。然后給出詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，使得學(xué)生一次性掌握本課程的基本內(nèi)容和量子物理的思想精髓。盡可能采用二維或三維圖像表示物理過(guò)程，把復(fù)雜公式的推導(dǎo)簡(jiǎn)化為具體圖形。教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是如果去除復(fù)雜公式的推導(dǎo)，本課程也可以成為直接面向文科生或其他專(zhuān)業(yè)工科生甚至中學(xué)生的通識(shí)課，并結(jié)合趣味性和科學(xué)性。制作與教材以及慕課相適應(yīng)的電子課件，并對(duì)部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。圖1是盧瑟福等人開(kāi)展的α粒子散射實(shí)驗(yàn)的演示圖。通過(guò)授課者的演示，“原子物理學(xué)”慕課學(xué)習(xí)者們較易理解該實(shí)驗(yàn)的儀器裝置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果。α粒子從鉛塊所包圍的α粒子源中以一條細(xì)束射向鉑的薄膜（黃色所示部分）上，然后散射至不同方向。實(shí)驗(yàn)者則通過(guò)帶有熒光屏的放大鏡轉(zhuǎn)到不同方向?qū)ι⑸涞牧Ｗ舆M(jìn)行觀察。由于熒光屏的玻璃上熒光物ZnS，被散射的α粒子打到上面會(huì)產(chǎn)生微弱的閃光，因而實(shí)驗(yàn)者可以獲得在某一時(shí)間內(nèi)被金屬鉑散射到某一方向上的α粒子數(shù)。

圖1 α粒子散射實(shí)驗(yàn)演示圖

2）整合多種社交網(wǎng)絡(luò)（如微博、微信公眾號(hào)、網(wǎng)絡(luò)論壇、短視頻等）和各種形式的數(shù)字資源，幫助師生教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展。通過(guò)實(shí)現(xiàn)本課程的慕課教學(xué)，突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)時(shí)間和空間限制，讓非本專(zhuān)業(yè)、非本學(xué)院甚至非本學(xué)校的其他學(xué)生來(lái)參與本課程的學(xué)習(xí)。筆者所在的原子物理學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)已建有原子物理學(xué)（線下教學(xué)）完整的教學(xué)資源，包括：教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)大綱、電子教案、電子講稿、參考教材、考核標(biāo)準(zhǔn)、電子課件以及試題試卷庫(kù)。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步建設(shè)“原子物理學(xué)”慕課課程的教學(xué)網(wǎng)站，完善該慕課課程教學(xué)資源，包括：課程簡(jiǎn)介、教師隊(duì)伍、教學(xué)大綱、授課教案、作業(yè)習(xí)題、測(cè)驗(yàn)考試、資料庫(kù)、授課視頻、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)。將能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上教學(xué)、答疑、作業(yè)、測(cè)驗(yàn)、監(jiān)督、互動(dòng)等功能。

3）在線教學(xué)的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)者和課程資源間的互動(dòng)。所以，本課程在進(jìn)行資源設(shè)計(jì)時(shí)候就應(yīng)著眼于靈活的互動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)，可在課程資源里穿插上各種測(cè)試和互動(dòng)性活動(dòng)（例如有獎(jiǎng)答題等活動(dòng)），以此來(lái)增加學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中對(duì)教學(xué)的關(guān)注，避免學(xué)習(xí)者出現(xiàn)分心與孤獨(dú)感。

4）課程設(shè)計(jì)核心性要素是微課程，但不能“為了微而微”，而筆者所學(xué)的課程視頻大多為8分鐘左右的時(shí)間長(zhǎng)度，也有一些視頻因知識(shí)點(diǎn)的特色與講授所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可是普遍不會(huì)長(zhǎng)于30分鐘。課程設(shè)計(jì)應(yīng)真正依據(jù)學(xué)科與知識(shí)等特點(diǎn)及授課的需求對(duì)課時(shí)進(jìn)行設(shè)置。每一種視頻呈現(xiàn)方式上均有其優(yōu)勢(shì)和側(cè)重點(diǎn)，并不必要局限在某一種固定的形式，要據(jù)不同的內(nèi)容與階段特定的需要而交替選用不同的形式呈現(xiàn)的方式，發(fā)揮出每種形式最優(yōu)的作用。

5）盡管課程內(nèi)容屬于慕課的核心性因素，但是形式和內(nèi)容一樣重要。這屬于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)課程所提出的多元化要求。學(xué)習(xí)者對(duì)課程的首要印象主要來(lái)源于課程的呈現(xiàn)形式，需依據(jù)從課程第一感覺(jué)而迅速?zèng)Q定參與與否。慕課課程應(yīng)首先關(guān)注學(xué)習(xí)者的興趣，努力獲得最大的關(guān)注。課程的形式還是學(xué)習(xí)者能否將學(xué)習(xí)堅(jiān)持到底的決定性因素，因此，應(yīng)真正站在學(xué)習(xí)者的立場(chǎng)上來(lái)思考怎樣提供出更為方便的學(xué)習(xí)路徑與方式以及適時(shí)的溝通與交流。

在設(shè)計(jì)“原子物理學(xué)”慕課課程教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)過(guò)程中需要綜合考慮本課程發(fā)展的需求，從整體角度進(jìn)行分析，還要最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)，提高“原子物理學(xué)”教學(xué)和在線學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)融化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息流媒體技術(shù)，以課程學(xué)習(xí)為中心，構(gòu)建起原子物理學(xué)教學(xué)的多用戶(hù)模式及其靈活多樣的教學(xué)形式，通過(guò)整合現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)慕課平臺(tái)掌握在線輔助現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的操作。

4 結(jié)論

在本文中，我們主要介紹了“原子物理學(xué)”慕課課程的主要教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)思路。期望為“原子物理學(xué)”慕課課程的成功研發(fā)以及相關(guān)教育教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展提供一種新思路，力爭(zhēng)吸引更多的本科生乃至廣大中學(xué)生參與到本課程的學(xué)習(xí)中來(lái)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李斐，黃明東.“慕課”帶給高校的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，中國(guó)高等教育，2014，7，22-26.

[2]褚圣麟，《原子物理學(xué)》，高等教育出版社，1979.