原子物理學課程教學改革初探

翁銘華 張妹玉 林珠妹

摘要：為了提高原子物理學課程的教學質量，本文就原有的教學方法和內容上存在的一些問題，相應地提出一些創新的改革嘗試的方法。

關鍵詞：原子物理學;實驗;因果邏輯

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0141-02

原子物理學課程是大學普通物理中一門重要的專業基礎課程，一般安排在力學、光學、電磁學等普通物理課程之后，以及量子力學、統計物理等理論物理課程之前講授。原子物理學課程是聯系經典物理與量子物理的紐帶，是學生第一次接觸與生活相去甚遠的物理學科。學習過程中將不斷遇到全新的視角與全新的觀念，對學生和授課教師都是一個不小的考驗。本文就原子物理學課程教學中遇到的問題與難點，提出一些創新方法的嘗試。

一、以實驗為中心，圍繞實驗展開理論闡述

在原子物理學的發展過程中，從原子結構到原子核組成，一直是實驗領先于理論，于是在講授過程中，應引導學生從實驗現象中總結物理模型。

例如在講授原子核式模型時，應圍繞α粒子散射實驗進行。在講授過程中，可以將實驗目的、實驗裝置、實驗現象制作為動畫模擬或是演示視頻，讓學生有親身感受。緊接著，引導學生探究實驗現象所蘊含的物理圖像。將α粒子散射實驗呈現的僅八千分之一的反彈概率與原有的湯姆遜提出的“葡萄干布丁”原子模型比較，引導學生發現二者之間的矛盾。根據湯姆遜的原子模型，根本不可能存在大角度散射的α粒子，更別提180°角的反彈現象的出現，從而再引出盧瑟福原子核式模型。正因為存在高度致密的原子核，才能符合α粒子散射實驗的結果。如此環環相扣，有理有據地引出盧瑟福的原子核式模型，有助于學生深入理解這一理論模型。

再例如在講授電子自旋時，應首先圍繞史特恩-蓋拉赫實驗進行。施特恩-蓋拉赫實驗原本的目的僅僅是為了驗證原子的軌道角動量的空間量子化，一個不合理的目的卻得到了出乎意料的結果。實驗利用原子的磁矩與外磁場的相互作用而受力，使得原子運動軌跡偏轉，得到的實驗結果完全不符合經典物理理論。講授時應突出原有的經典理論對于解釋實驗結果的困難，從而引出提出電子自旋的必要性與迫切性。電子自旋的另外兩個驗證實驗：堿金屬雙線與塞曼效應也應作為講授的重點。兩個實驗的實驗條件不同：堿金屬雙線不需要外加磁場，塞曼效應的產生需要外加弱的均勻磁場。由不同的實驗條件引出不同的實驗現象的產生機制：堿金屬雙線是原子內部的電子自身的自旋磁矩與軌道運動產生的磁場相互作用形成的，塞曼效應是由原子自身的總磁矩與外加的磁場相互作用產生的。同時，可以將這三個實驗放在一起比較，引導學生加以區分，從而更好的掌握電子自旋這一抽象的物理概念。

傳統的原子物理學課程皆為理論教學，頂多借用多媒體演示實驗。在教學過程中發現，多媒體演示實驗因為可以較為直觀地展示實驗裝置過程以及結果，因此的確好過板書教學的效果。但是，我們一直強調，物理是一門實驗科學，任何理論的提出都必須經過實驗的驗證。教師不妨嘗試一些簡單的可以實現的現場演示實驗，或是將課堂搬到近代物理的實驗室里，與近代物理實驗的內容相結合，將會取得更好的效果。例如，可以直接在課堂上給學生演示簡單的光電效應實驗。在實驗過程中，采用固定變量法，讓學生記錄得到的實驗數據，并引導學生自主分析實驗結果，從而引出愛因斯坦的光量子假說。而一些需要大型儀器的較為復雜的原子物理實驗，比如測量原子光譜之類，則可以選擇在實驗室進行演示實驗，甚至可以與近代物理實驗進度相協調，在演示實驗之后引導學生進行結果分析，最后由學生自己動手完成實驗。在真實的實驗過程中，將會出現各種各樣的甚至出乎意料的問題，教師可以充分利用解決問題的機會，深入原有內容的教學，并且提高學生的興趣與動手能力，讓學生親身體會到原子物理學中的概念并不是“水中花，鏡中月”，是切切實實地由實驗得到的。

以實驗為中心的探究式教學，可以激發學生的創造性思維，使得學生能夠更好地理解原子物理學中遇到的與經典物理不同的內容，而且可以讓學生真切地理解物理是一門實驗科學，從而重視對物理實驗的認識。

二、重視理論發展的因果邏輯

原子物理學課程中，將接觸到相當多的微觀理論模型，這些理論模型并不是憑空想出來的。在講授理論模型時，應讓學生充分了解理論模型提出的實驗基礎以及理論基礎，從而進一步理解學科發展的邏輯。

例如在講授玻爾模型時，玻爾模型提出了關于氫原子的三點假設：定態假設、躍遷假設以及角動量量子化的假設。這三點假設并不是玻爾想象出來的，而后又恰好與氫原子光譜實驗相符，因此必須跟學生清楚地闡述：在提出玻爾模型之前，已經出現了能量量子化的假說、光量子化假說、氫原子的線狀光譜實驗，以及對應于可見光區的氫原子光譜的巴爾末公式。正是由于前人打下的前期理論和實驗基礎，才能夠催生出半經典的玻爾模型。同理，在講授波粒二象性時，也應指出這一觀點并不是憑空產生的。在此之前，光的波動性和粒子性已經為實驗證實并被人們所認識。德布羅意僅僅是大膽將這一觀點推廣至一切物質粒子，認為一切物質粒子都同時具有粒子性與波動性。而只有在被后續的電子干涉、衍射實驗以及中子衍射等實驗驗證之后，一切物理粒子都具有波粒二象性才為人們所接受并認同。

原子物理學這座大廈并不是憑空建造的，只有捋清學科發展的因果邏輯，才能夠使得學生將看似零散的知識構建為完整的知識體系。

三、插入物理學史介紹

在原子物理學的發展過程中，共有60多個相關的諾貝爾物理學獎，這在其他物理學課程中是不常見的。故而，在講授原子物理學課程中，應充分利用這一優勢，讓學生能夠“以史為鑒，以人為鑒”，在課堂上走近諾貝爾物理學獎以及獲獎的物理學大師們，感受攀登科學高峰的激情以及老一輩物理學家治學的態度。

例如在講授原子核放射性現象時，可以插入對第一個發現原子核自發放射性現象的貝克勒爾的介紹。貝克勒爾家族祖孫三代人，在實驗室研究熒光現象60多年，最終在一次偶然的機會觀察到原子核放射性的現象?？此婆既?，其實是多年來實驗積累的必然。這個例子可以引導學生了解到科學研究不是一朝一夕可以成就的事業，需要付諸畢生的精力才可能有所建樹。要敢于且甘于做冷板凳，耐得住寂寞才有機會離真理更進一步。

再如，在講授原子能的應用時，我國大批的老一輩科學家放棄國外優越的生活和科研條件，選擇在新中國成立之初回到祖國，創建祖國的原子能事業。他們所表現出來的不僅僅是對真理的追求，更多的是一個科學家的愛國之心。

在課堂上，可利用視頻資料，包括珍貴的紀實影像，向學生介紹原子物理學的發展歷程，激發學生的學習興趣，鼓勵學生樹立遠大的理想并為之努力。物理學史的介紹，不僅能夠活躍課堂，更能實現育人的目的。

四、聯系學科前沿與實際應用

目前的原子物理學的教材，普遍的缺陷就是史料陳舊，與當前的學科前沿脫節。因此，在講授過程中應該補充相關的學科前沿的知識，或是對課程內容進一步深化與實際應用相聯系。

例如在講授β衰變時，應重點突出中微子的介紹：中微子假設的提出、中微子捕獲實驗以及中微子研究相關的3次諾貝爾物理學獎等?，F在，關于中微子的理論和實驗研究仍然是科學研究的前沿問題，仍有許多問題亟待解決。

例如在講授施特恩-蓋拉赫實驗時，僅拘泥于教材的原始實驗裝置效果平平，應嘗試進一步深入實驗，介紹改進之后的施特恩-蓋拉赫實驗，即外加兩個甚至在若干個在某方向非均勻的磁場，從而實現檢測及挑選具有特定自旋的原子的目的。這樣的實驗裝置，已經是具有實際應用價值的挑選原子自旋的器件。深化原有的實驗內容，不僅能夠加深學生對本實驗的理解，而且使得學生可以更好地掌握自旋這一抽象的概念。

對于一些內容較為豐富的學科前沿與科技產業化的介紹，可以不拘于講課的形式，專門開設主題講座，引導學生加入討論或指導學生課后撰寫相關的課程論文。這種做法可以拉近學科與前沿的距離，讓學生接觸到前沿的知識，既為學生打開眼界，引導學生關注前沿課題與科學技術的產業化，又為學生進一步的深造打下了基礎。

五、結語

原子物理學課程通常作為大學普通物理的最后一門課程，在學習中起著承上啟下的作用。本文就原子物理學課程教學中存在的問題，提出了一些創新改革的方法。在原子物理學的教學過程中，應以實驗為中心，重視理論發展的因果邏輯，穿插物理學史的介紹，并且聯系學科前沿與實際應用。對這門課程的掌握與理解程度直接影響著后續理論物理課程的學習。因此，對原有教學方法以及教學內容進行改革與創新是非常有必要以及有意義的嘗試。

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