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原子物理學(xué)教學(xué)論文
原子物理學(xué)教學(xué)論文
【摘 要】本文分析了原子物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實踐。
【關(guān)鍵詞】原子物理學(xué)教學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法
0 引言
原子物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是繼力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)之后的最后一門普通物理課程。
原子物理學(xué)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(xué)包括原子物理、原子核物理和粒子物理[2]。
原子物理學(xué)是20世紀(jì)隨著量子力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的，至今，原子物理學(xué)的許多問題仍然是科學(xué)研究的前沿問題。
原子物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，是連接經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理的橋梁。
學(xué)好原子物理學(xué)能為后繼的量子力學(xué)、固體物理等課程打下堅實的理論基礎(chǔ)。
因此，學(xué)好原子物理學(xué)具有十分重要的意義。
本文根據(jù)近幾年原子物理學(xué)教學(xué)實踐，分析了教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實踐。
1 原子物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
首先，原子物理學(xué)知識抽象、難懂，沒有清晰的物理圖像。
原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律及相互作用的一門科學(xué)。
其研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中普遍反映知識很抽象，摸不著頭腦，不像學(xué)習(xí)力學(xué)知識那樣，對物體運(yùn)動有清晰的物理圖像。
其次，教材內(nèi)容過于老化。
20世紀(jì)30年代M.Born寫了一本《原子物理學(xué)》，H.E.White寫了一本《原子光譜導(dǎo)論》，這兩本書是原子物理學(xué)方面的經(jīng)典之作。
現(xiàn)在的原子物理學(xué)教材體系一般遵循Born和White模式，大部分的教材內(nèi)容都是反映20世紀(jì)30年代前后的知識，現(xiàn)代科技知識涉及太少。
講授理論知識若缺乏實際應(yīng)用的介紹，將會使知識僵化，知識面狹窄，難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2 原子物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的研究與實踐
2.1 恰當(dāng)處理好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系
大部分的教材內(nèi)容一般都是按照原子物理學(xué)的發(fā)展歷史進(jìn)行編寫的。
從原子的光譜實驗到玻爾提出的量子化假設(shè)理論(基于經(jīng)典物理基礎(chǔ)上的量子化，半經(jīng)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(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)等。
對于微觀領(lǐng)域，正確描述電子運(yùn)動的是量子力學(xué)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(yùn)動，根據(jù)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(yùn)動。
在量子力學(xué)中，電子運(yùn)動是由波函數(shù)來描述的，滿足薛定諤方程，電子的運(yùn)動具有不確定性，只能用概率來表示，沒有軌道運(yùn)動的概念，量子力學(xué)中是用“電子云”來形象說明電子的運(yùn)動。
教學(xué)中若處理不好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系，會讓學(xué)生覺得知識有點(diǎn)混亂，莫衷一是。
筆者認(rèn)為在原子物理學(xué)教學(xué)過程中，能用玻爾理論解決的問題就盡量不要用量子力學(xué)，如玻爾理論不能解決，則可定性地用量子力學(xué)知識來解釋，避免復(fù)雜的量子力學(xué)推導(dǎo)過程。
原子物理學(xué)雖屬近代物理，但仍是普通物理學(xué)的重要組成部分，應(yīng)該具有普通物理學(xué)的特點(diǎn)，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(xué)進(jìn)行詳細(xì)的解釋，則要涉及波函數(shù)、算符、力學(xué)量、薛定諤方程、微擾理論等復(fù)雜的量子力學(xué)知識，會淡化和掩蓋了原子物理學(xué)的基本的物理實驗、物理圖像、物理思想和物理模型。
恰當(dāng)處理好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系，既能使學(xué)生易于接受原子物理學(xué)知識，又能為后繼的量子力學(xué)等課程打下基礎(chǔ)，使原子物理學(xué)成為連接經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理的橋梁。
2.2 緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識
原子物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著原子物理學(xué)的發(fā)展，新思想，新知識不斷被發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了大量的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。
如與原子受激輻射有關(guān)的激光技術(shù);與原子的內(nèi)層電子激發(fā)有關(guān)系的X射線的熒光分析技術(shù)、計算層析技術(shù);與物質(zhì)波有關(guān)的電子顯微鏡;與原子能級分裂有關(guān)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(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4]。
將這些科學(xué)技術(shù)知識引入到原子物理學(xué)教學(xué)中，不僅可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的印象，還可以開闊他們的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，取得良好的學(xué)習(xí)效果。
2.3 適當(dāng)引入物理學(xué)史
原子物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了許多重要的創(chuàng)造成果，包括1999年在內(nèi)共有96項諾貝爾物理學(xué)獎，其中就有66項是與原子物理學(xué)有關(guān)的，占到總獲獎數(shù)的2/3。
這些諾貝爾物理學(xué)獎的成果不僅是原子物理學(xué)發(fā)展的重要里程碑，而且是前輩物理學(xué)家創(chuàng)造性研究的典范[5]。
在教學(xué)過程中，適當(dāng)?shù)刂v解一些有代表性物理學(xué)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(xué)創(chuàng)新精神、非凡的膽識，都會對學(xué)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(jì)初最重要的假設(shè)之一，電子自旋的提出在原子物理學(xué)發(fā)展歷史中具有里程碑的意義。
1925年，荷蘭的兩位在讀大學(xué)生烏倫貝克和古德斯密特，在地球運(yùn)動規(guī)律的啟發(fā)下，經(jīng)過深入研究，大膽提出了電子自旋假設(shè)。
但誰能想到這樣重要的理論是由兩個還沒畢業(yè)的大學(xué)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(chuàng)造精神，更需要非凡的勇氣和膽識。
我們在課堂教學(xué)中引入這樣的事例，在學(xué)生中激起了強(qiáng)烈的反響，引發(fā)了熱烈的討論，極大地提高了他們的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。
3 教學(xué)方法的研究與實踐
3.1 明確重難點(diǎn)，有的放矢
原子物理學(xué)的知識面較廣，知識點(diǎn)松散，各知識點(diǎn)間的邏輯性、系統(tǒng)性不強(qiáng)，再加上學(xué)時少，一般只有54學(xué)時左右，教學(xué)任務(wù)重。
因此，教學(xué)方法就顯得尤為重要。
按照原子物理學(xué)教學(xué)大綱，明確教學(xué)中的重難點(diǎn)。
每堂課都要向?qū)W生明確哪些知識需要重點(diǎn)掌握，哪些需要理解，哪些需要了解。
重難點(diǎn)知識要精講、細(xì)講，從物理實驗、物理圖像、物理思想、物理模型到具體的推導(dǎo)過程都要講清楚，不惜面面俱到。
理解性的內(nèi)容可講清楚物理思想和物理圖像，不必過多涉及細(xì)節(jié)性內(nèi)容。
了解性的內(nèi)容可讓學(xué)生課下自行學(xué)習(xí)，給出一些參考資料，讓學(xué)生以讀書報告的形式提交作業(yè)。
明確教學(xué)中的重難點(diǎn)，學(xué)生明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高了學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。
3.2 傳統(tǒng)板書與多媒體教學(xué)的有機(jī)結(jié)合
傳統(tǒng)板書具有講課思路清晰，留給學(xué)生較多的思考時間，易于跟上講課思路等優(yōu)點(diǎn)。
對重要公式理論的推導(dǎo)，系統(tǒng)知識的梳理具有良好的教學(xué)效果。
多媒體教學(xué)可演示圖片、動畫、影像資料，具有形象直觀的特點(diǎn)，而且幻燈片記載的信息量大，放映時間少。
在原子物理學(xué)教學(xué)中，將傳統(tǒng)板書與多媒體教學(xué)的有機(jī)結(jié)合起來，能收到良好的教學(xué)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(yùn)動和軌道運(yùn)動的動畫，學(xué)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(xì)推導(dǎo)其作用規(guī)律，就比較容易理解。
一些著名的物理實驗現(xiàn)象，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用，著名物理學(xué)家生平簡介等都可以通過多媒體展示給學(xué)生。
既能拓寬學(xué)生的知識面，還能活躍課程氣氛，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性。
4 小結(jié)
原子物理學(xué)雖已有一百多年的歷史，但仍是具有生命力的，不斷向前發(fā)展的科學(xué)，原子物理學(xué)教學(xué)也應(yīng)不斷地向前發(fā)展進(jìn)步。
本文根據(jù)近幾年原子物理學(xué)教學(xué)實踐，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實踐。
以期能與同行進(jìn)行討論，共同提高原子物理學(xué)教學(xué)水平。
【參考文獻(xiàn)】
[1]喀興林.關(guān)于原子物理學(xué)課程現(xiàn)代化問題[J].大學(xué)物理，1992，11(11)：6-8.
[2]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012.
[3]高政祥.原子物理學(xué)教學(xué)改革的幾點(diǎn)探索[J].大學(xué)物理，2001(4)：34.
[4]張澤寶.醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2004.
[5]崔金玉.關(guān)于物理學(xué)史恰當(dāng)?shù)匾氲皆游锢韺W(xué)教學(xué)中的思考[J].長春師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，28(1)：99.
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