原子物理學(xué)教學(xué)方法

　　原子物理學(xué)教學(xué)方法【1】

　　摘 要：原子物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門重要必修課，也是核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

　　針對教學(xué)中實際問題及學(xué)生意見的反饋，結(jié)合原子物理學(xué)教學(xué)實踐，進行教學(xué)方法上的探討和嘗試，初步提出了原子物理學(xué)的教學(xué)方法。

　　關(guān)鍵詞：原子物理學(xué) 教學(xué)方法 量子理論

　　原子物理學(xué)是研究原子結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律及相互作用的學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是核類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，上承經(jīng)典物理學(xué)，下接量子力學(xué)和原子核物理等重要課程。

　　相比經(jīng)典物理學(xué)課程原子物理學(xué)有很大差別，首先，原子物理學(xué)課程不像普通物理學(xué)課程從基本物理概念和物理規(guī)律出發(fā)進行嚴(yán)密的理論運算推導(dǎo)得到更普遍的基礎(chǔ)理論，而是遵循從實踐出發(fā)―理論模型建立―實踐檢驗的認(rèn)識過程，應(yīng)用更多的是總結(jié)、歸納的方法;其次，研究對象是微觀體系，而學(xué)生對微觀現(xiàn)象缺乏直觀的感性認(rèn)識。

　　正是由于這些差異，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中感覺原子物理學(xué)知識點凌亂，理不清頭緒，導(dǎo)致不能鞏固和深化所學(xué)知識。

　　因此，在教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生把握課程主線，認(rèn)識原子運動規(guī)律，形成新概念，進而培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、思維能力、研究能力等成為原子物理學(xué)教學(xué)中需要探討的問題。

　　本文針對褚圣麟先生教材《原子物理學(xué)》的教學(xué)淺談個人教學(xué)過程中的認(rèn)識。

　　1 學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)

　　學(xué)習(xí)興趣指一個人對學(xué)習(xí)的一種積極的認(rèn)識傾向與情緒狀態(tài)。

　　學(xué)生對某一學(xué)科有興趣，就會持續(xù)地專心致志地鉆研它，從而提高學(xué)習(xí)效果。

　　學(xué)習(xí)興趣既是學(xué)習(xí)的原因，又是學(xué)習(xí)的結(jié)果。

　　由此，培養(yǎng)學(xué)生最初的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生在學(xué)習(xí)中找到樂趣，由被動的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)、好學(xué)、樂學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力過程中具有重要的意義。

　　如何培養(yǎng)學(xué)生對原子物理學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，筆者從教學(xué)實踐中總結(jié)如下幾個方面。

　　1.1 結(jié)合物理學(xué)史增強學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性

　　原子物理發(fā)展史料豐富，若將史料運用于原子物理教學(xué)中，將起到事半功倍的效果。

　　在授課中將原子物理學(xué)發(fā)展史融入知識的傳授可增強學(xué)習(xí)的趣味性。

　　如電子發(fā)現(xiàn)最早進行試驗的并不是湯姆遜，試驗結(jié)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(guī)認(rèn)識而提出新粒子是電子的人，這一簡介讓學(xué)生明白科學(xué)研究中要尊重科學(xué)事實，敢于突破傳統(tǒng)認(rèn)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(jīng)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(jīng)典物理學(xué)方法重新解決黑體輻射問題，但均未成功，讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)發(fā)展中開創(chuàng)性革新的不易。

　　可以說原子物理的發(fā)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(xué)懷疑和批判精神，充分說明科學(xué)無絕對權(quán)威，科學(xué)懷疑精神和獨立思考是科學(xué)進步的動力。

　　通過物理學(xué)史的介紹，能在課堂上吸引學(xué)生的注意，使課堂氣氛活躍，激發(fā)學(xué)生對原子物理學(xué)的興趣，在輕松快樂的氛圍中學(xué)習(xí)，同時學(xué)習(xí)科學(xué)的批判精神，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

　　1.2 結(jié)合課程內(nèi)容介紹原子物理學(xué)中的難題激發(fā)學(xué)生鉆研興趣

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

　　在原子物理學(xué)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(yīng)中提出的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)所包含的物理含義、數(shù)值為什么剛好約為1/137;為解釋光譜精細結(jié)構(gòu)產(chǎn)生而引人的電子自旋的概念人們是否已經(jīng)完全認(rèn)識清楚等，這些問題在教學(xué)中可充分利用，調(diào)動學(xué)生的探索欲望，激發(fā)學(xué)生的鉆研興趣。

　　1.3 結(jié)合物理學(xué)發(fā)展前沿介紹激發(fā)學(xué)生研究興趣

　　原子是從宏觀到微觀的第一個層次，物質(zhì)世界各個層次的結(jié)構(gòu)和運動變化相互聯(lián)系、相互影響，很多其他重要學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展以原子物理為基礎(chǔ)，在課程教學(xué)中結(jié)合課程內(nèi)容穿插原子物理學(xué)與相關(guān)學(xué)科的交叉及原子物理學(xué)發(fā)展的前沿介紹，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(jīng)發(fā)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(shù)的發(fā)展及其對原子物理學(xué)發(fā)展的促進，介紹我國激光領(lǐng)域研究的國際地位等。

　　學(xué)科前沿的介紹能幫助學(xué)生認(rèn)識學(xué)習(xí)本學(xué)科的社會意義及其與個人的關(guān)系，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的社會責(zé)任感。

　　2 把握課程主線

　　原子物理學(xué)的內(nèi)容不像經(jīng)典物理學(xué)具有嚴(yán)密的邏輯體系，因此在教學(xué)中拎�課程的主線有助于學(xué)生系統(tǒng)的掌握課程的知識內(nèi)容。

　　對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識發(fā)展，課程以光譜分析法為主線：從原子光譜規(guī)律出發(fā)，原子光譜規(guī)律的變化可以反映出原子內(nèi)部能級的特點，進而探究原子內(nèi)部的作用及其規(guī)律。

　　對原子內(nèi)部作用的認(rèn)識，課程以量子力學(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)的產(chǎn)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(yīng)，角動量耦合的本質(zhì)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(yīng)能級分裂在本質(zhì)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(xué)教學(xué)要注重“培養(yǎng)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(xué)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(jié)構(gòu)模型的提出，從背景到實驗過程、理論推導(dǎo)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(zhǔn)距離關(guān)系式)的推導(dǎo)可以引導(dǎo)學(xué)生自己在課余推導(dǎo)。

　　又如，原子空間取向量子化概念，學(xué)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(xué)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(zhuǎn)位移公式的推導(dǎo)可以留給學(xué)生自己完成等等。

　　根據(jù)原子物理學(xué)的特點，在教學(xué)中要努力貫徹啟發(fā)式教學(xué)原則，倡導(dǎo)學(xué)生加強課外閱讀，進行讀書報告、討論等多種教學(xué)模式有機結(jié)合，對提高原子物理學(xué)教學(xué)是非常必要的。

　　參考文獻

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

　　[2] 楊福家.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社.

　　[3] 褚圣麟.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社.

　　原子物理學(xué)教學(xué)研究與實踐【2】

　　【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、精細結(jié)構(gòu)、超精細結(jié)構(gòu)等。

　　對于微觀領(lǐng)域，正確描述電子運動的是量子力學(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動。

　　在量子力學(xué)中，電子運動是由波函數(shù)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(xué)中是用“電子云”來形象說明電子的運動。

　　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，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)進行詳細的解釋，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，有的放矢

　　原子物理學(xué)的知識面較廣，知識點松散，各知識點間的邏輯性、系統(tǒng)性不強，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。

　　每堂課都要向?qū)W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(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，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。

　　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，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動和軌道運動的動畫，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(xué)教學(xué)水平。

　　【參考文獻】

　　[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.

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　　[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�入到原子物理學(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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