原子物理中盧瑟福模型教學方法的思考

施申蕾

（中國計量學院 理學院物理系，浙江 杭州 310018）

【教師觀點】

原子物理中盧瑟福模型教學方法的思考

施申蕾

（中國計量學院 理學院物理系，浙江 杭州 310018）

原子物理學是大學物理專業的一門重要專業必修課。其課程的特點是從微觀結構的考慮入手揭示與之相關的宏觀現象與規律的本質。一般通過實驗現象的分析，應用若干量子力學的結論，揭示原子結構、運動規律和相互作用。本文分析了原子物理學的教學現狀，重點對第一章盧瑟福模型的教學方法，進行了思考和探索。并針對我校的實際情況，給出了一些教學建議。

盧瑟福散射；庫侖散射；原子物理；散射截面

[1]馮景華.談談原子物理教學中思維能力的培養[J].遵義師范學院學報，2004，（3）：65-67.

[2]董麗榮，鄭曉光.原子物理學課程改革的探究[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2004，（4）：77-78.

[3]胡昆明，鄭世旺，王寶玉，谷勤忠.在原子物理教學中把握課程主線的若干探索[J].教學研究，2003，（4）：367-369.

[4]彭雙艷，原子物理中的方法論[J].畢節師范高等專科學校學報（綜合版），2002，（2）：65-67.

[5]楊福家.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，1979.

[7]靳奉濤，周兆妍.原子物理教學中的人文教育和科學觀培養[J].高等教育研究學報，2011，（4）：102-104.

G642.41

A

1674-9324（2014）28-0113-02

原子物理課程為大學物理專業學生必修的一門專業基礎課程。本課程通過實驗現象的分析，應用若干量子力學的結論，揭示原子結構、運動規律和相互作用的特點，與物理學的全部領域和其他學科有著密切的關系。教學的關鍵是傳授知識的過程中盡最大可能讓學生掌握接受知識點的同時，能夠最大程度地激發學生的學習積極性。如何能深入淺出地傳授較為枯燥的理論知識點，也成為對教師的一種挑戰。在教學的過程中，教學方法的選擇具有顯著的效果。在原子物理這個課程上，人們也做了大量的教學改革思考。[1-4]現在在各個大學中廣為采用的原子物理教材，如楊福家，褚圣麟版的原子物理教材[5，6]，均采用在第一章介紹原子的位形。該章節作為整個課程的第一部分。在原子物理教學中，具有重要的地位。這一章教學效果的好壞，嚴重影響后續知識的展開。那么這一章的教學的難點在哪里呢？筆者發現主要還是集中在對盧瑟福散射公式的推導，即盧瑟福散射截面的理解及應用。在歷年的教學經驗中發現，該知識點的教學問題主要在于：部分學生在該章的學習中普遍遇到的問題是，上課聽講解，對定性的知識點理解還比較順利。但一旦要進行定量計算，面對具體問題，就遇到了困難。那么從教學方法上如何改善這一現狀呢？

原子物理課程的特點是從微觀結構的考慮入手揭示與之相關的宏觀現象與規律的本質。而微觀體系遵從它特有的規律，不能直接觀測，所以不像宏觀物體的運動一樣，具有直觀性。因此微觀結構的認識，必須借助實驗手段。密立根在1923年在Nobel領獎臺上講到：科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗。有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。但只有使用兩條腿，才能前進。在實驗過程中尋找新的關系，上升為理論，然后再在實踐中加以檢驗。物理學是一門實驗性科學，原子物理學更是如此。一切理論的建立都必須以實驗為基礎，并遵從“實驗—理論—實驗”的發展原則。因此在原子物理的教學上，一直以來側重于通過實驗現象的分析，揭示其微觀結構，及本質運動規律。[7]第一章的教學內容也是如此。通過介紹盧瑟福α粒子大角度散射實驗與當時普遍認同的湯姆遜“葡萄干面包”的原子模型有沖突，引出新的盧瑟福核式模型，并應用盧瑟福散射公式再次通過實驗驗證其核式模型的正確性。從課程講解的邏輯線索來說，應該是非常明確的“實驗—理論—實驗”過程。即對α粒子大角度散射實驗的實驗現象進行描述后，定性否定原來的“湯姆遜”模型，并逐步推導盧瑟福散射公式，應用盧瑟福散射截面和實驗數據比較，以驗證核式模型的正確性。但是在我校實際講課的效果來看，這樣的授課方式下，學生對核式模型的定性的認識，是容易接受的。但事實上對盧瑟福散射公式的推導過程，尤其是最后盧瑟福散射截面的物理意義的理解是缺乏深度的。以至于一旦面對具體的問題，部分學生完全不知從何處下手。而這一章的教學難點也在于此處。對這個問題一定要具體問題具體分析。以往的教學的方法，一般采取在知識點講授完成后，學生完成習題。根據習題完成情況，在習題的講解過程中，做知識點的再次展開，以期達到知識點的鞏固與理解。對部分理解力較強，并且主動學習的積極性較高的同學而言，這樣的教學方法可以達到較好的效果。而事實是，由于部分相對學習較為被動的學生，課堂教學內容理解還有困難。面對習題根本無從下手，產生畏難情緒，容易出現抄襲現象。作業不能反映其實際學習效果。而后的課堂習題講解，對這部分同學而言，效果也形同虛設。如何能夠降低學習理解的難度，提高這部分學生學習的積極性，成為課堂教學中一個不可回避的問題。另外，由于課時有限，也很難在課后進行大量的習題講解。針對這一現狀，可以采取的方法可以是。在盧瑟福散射公式的教學中，放棄或掠去整個推導過程，直接給出定性結論。以避免在較為繁復的推導過程，使得學生分散了學習注意力。其優點是學習過程中，思路清晰、結論突出，易于接受。但缺點也顯而易見。知識點的理解是不深入的。物理從古至今，講究格物致知。知其然，且要知其所以然。對物理專業的學生，省略推導，而直接給出結論的方式，顯然是不夠的。既然盧瑟福散射公式的推導是不可避免的。如何才能讓學生容易理解，是解決問題的關鍵。

結合課堂教學的經驗，筆者認為以下方法還是切實可行的。第一步，理清思路，貫徹“實驗—理論—實驗”的基本邏輯線索。在介紹瞄準距離，庫侖散射公式，盧瑟福散射公式等難點內容前，首先定性給出為什么要學習介紹這些內容。如庫侖散射公式是描述核式散射的基本公式，但瞄準距離，實驗上不可測。而盧瑟福散射公式則是基于庫侖散射的基礎上，推出了可以實驗測量的散射截面這個物理量。而且盧瑟福散射截面其物理意義為散射粒子在不同散射角的散射幾率。在此基礎上給出庫侖散射公式，盧瑟福散射公式的詳細推導。這一步，在學習的過程中，起到一個明確學習目的，理清學習思路的作用。第二步，在公式推導后，布置作業前，先直接挑選典型課后習題，即具體物理題型，進行解題思路的提示。既深化知識點的理解，又能夠幫助學生降低解題的難度，減少學習中的畏難情緒。促使學生可以自主地思考完成習題。從而在之后課后習題的講解階段，又可以大大縮短時間，提高效率，做到事半功倍。相對來說，學習能力較強的學生，可以對知識點掌握較為深入；而部分學習較為被動的學生，也可以較容易接受和掌握基本知識點的應用，從而能夠兼顧不同程度的學生。