《原子物理學》教學過程中的問題及應對措施探究

張佳　安松松

【摘 要】《原子物理學》是大學物理學專業學生必修的一門課程，也是銜接經典物理與近代物理的重要學習內容。本文結合課程設置內容，針對該課程在授課及學生學習方面的特點和問題，提出了若干應對措施，有目的地嘗試解決相應問題。這些探究對其它相關課程的教學也是一個很有價值的參考。

【關鍵詞】原子物理學；教學；興趣引導

中圖分類號： G642；O562-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0185-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.085

【Abstract】 is a required course to the students of physics major in university， which is also the important learning content for the combination of classical physics and modern physics. According to the curriculum content and the characteristics and problems in teaching and learning， several methods were proposed to solve these questions in this paper. These investigations can provide a valuable reference for the teaching of some other relevant courses.

【Key words】Atomic physics； Teaching； Interest guidance

0 引言

《原子物理學》是大學階段物理學專業學生必修的一門基礎課程，屬于近代物理的范疇，也是經典物理和近代物理的連接紐帶[1]。一方面，它沿襲了普通物理的經典描述風格，介紹量子物理的基本性質和物理圖像，并探究支配物質運動和變化的基本相互作用；另一方面，它采用量子力學的思想，尋找物質結構在原子及原子核結構層次的性質、特點和運動規律，是關于物質微觀結構的一門科學。從研究方法來看，這門學科主要從光譜及實驗資料入手，首先提出假設，隨后建立模型，然后再進行實驗科學驗證，最后形成相關理論，這有別于普通物理學發展思路，即不是從基本概念和規律出發進行嚴密的理論運算推導得到更普遍的基礎規律。所以，總體上來看，《原子物理學》教學內容具有抽象、枯燥、難以形成直觀感等系列特點，而縱觀其教材（以《原子物理學》楊福家版[2]為例），有些章節知識點前后交叉并且較為分散，如第四章“原子態的符號表示”，其詳細講解在第五章中涉及，而此概念在第四章的突然出現會讓學生感到茫然，總的效果是導致部分學生由于沒有及時預習功課等原因造成學習上的困難或脫節，甚至會導致他們后期對該課程的學習失去興趣和信心。而從課堂整體上看，對于一些經驗不足的教師，可能會出現課堂教學氣氛沉悶，學生聽講不知所云等現象，對這門課的實施出現教與學的思路脫節。

從另一個角度來說，不同層次學校的學生在個人智力、前期物理基礎、對知識的渴求程度、自主學習的習慣等有著較大的差異。如對于一些985/211院校的學生而言，對于知識的自主學習可能比教師的講授更有學習興趣和效果，于是哪怕課本不同章節知識點有所交叉，也會通過自身的主動學習予以克服；然而對于一些二本院校學生則不然，教師的課堂講授占據了他們獲取知識的絕大部分渠道，有些知識若上課當場未能解決則可能會成為永久的疑問，這也是這類院校學生對知識總體結構框架把握不清、學習興趣淡薄的重要原因。針對以上客觀現象，本論文以《原子物理學》這門課程作為載體，結合該課程的特點，介紹了一些相應的應對措施和方法，對其它學科的教學也有一定的借鑒作用。

1 應對措施

1.1 優化授課脈絡和思路

縱觀《原子物理學》全書內容可知，其理論知識的發展具有一個主線，簡單地說，一個實驗現象的出現，會有后續一個假設的提出，為了完善或發展這個假設，隨后會有新的關鍵內容被提出，最終實現較為完善的知識網絡框架。關于這種思路，《原子物理學》中有一典型的教學內容可以在此進行分析：當蓋革-馬斯頓實驗中采用α粒子轟擊原子時，發現α粒子在此過程中大約有八千分之一的概率被反射回來，對于此實驗現象，湯姆孫提出的“葡萄干面包模型”假設顯然不適用，經過分析，盧瑟福提出了“核式結構”模型，成功地解釋了這一現象，并推導出著名的盧瑟福散射公式。既然“核式結構”模型已經被認可，那么模型中電子如何繞原子核運動，是否有其相應軌道等問題必然會被思考。隨后科學家玻爾基于盧瑟福原子模型，并結合相關的原子光譜實驗規律和普朗克的量子化概念，提出了新的原子模型即玻爾模型，并成功建立了氫原子理論。盡管如此，人們發現，當用波爾理論應用于一些較復雜的原子時，就與實驗結果產生了較大的出入，這表明，該模型還比較粗略，還需要新的理論或假設進行完善。而在另一方面，當用更高分辨率的儀器仔細觀察光譜線時，發現還存在精細結構，于是玻爾理論中只考慮原子核和電子的靜電作用就已經不足以解釋此現象了，磁相互作用的引入以及電子自旋假設的提出很好的解釋了這一結果。若根據上述這一理論發展主線進行講解，基本可涵蓋教材一半的內容，而且還可形成清晰的脈絡和思路，讓學生學習起來游刃有余。

1.2 穿插故事作為興趣引導

針對《原子物理學》涉及知識的抽象化，在每講一個章節內容時，可穿插幾個背景故事作為課程的開始，在此期間也可適當講一下故事主角的生平，逐漸將學生的情緒和思路帶入到后續具體的理論知識中來。例如，在講湯姆孫“葡萄干面包模型”到盧瑟福“核式結構”模型的理論發展時，首先介紹一下湯姆孫如何通過陰極射線管中電子核質比的測量預言了電子的存在，隨后湯姆孫提出原子中帶正電部分均勻分布在原子體內，電子鑲嵌在其中，即所謂的“葡萄干面包模型”。然而，為了檢驗該模型是否正確，盧瑟福設計了α粒子散射實驗，實驗中觀察到大多數粒子穿過金箔后發生約1度的偏轉，但有少數α粒子的偏轉角度很大，超過90度以上，甚至高達180度，對于此實驗事實，湯姆孫說“就像一枚15英寸的炮彈打在一張紙上又被反彈回來一樣”，所以無法用湯姆孫模型加以解釋，除非原子中正電荷集中在很小的體積內時，排斥力才會大到使α粒子發生大角度散射。正是在此基礎上，盧瑟福提出了原子的核式結構模型。故事講完了，問題也來了，到底在α粒子轟擊金箔時遵循什么樣的力學規律？能夠在某一角度散射的α粒子數目或幾率到底多大？帶著一個一個的疑問，就可開始后續的理論推導課程講解，學生的思路和注意力也會順理成章地被帶入到教師的講課中來。

1.3 定期考核，溫故知新

針對《原子物理學》知識點散亂不夠系統，并且不同章節存在知識點交叉的問題，可嘗試在整個學期的授課過程中，定期對前面講過的內容進行小的考核。一方面可以加深學生對學過知識的印象，另一方面可以思考以前對該知識點的理解是否正確，現在是否有新的想法，做到溫故而知新。重要的是，復習并考核以往的知識內容，有助于理解和學習正在授課章節的知識，幫助學生完成新舊知識的銜接。例如，在講楊福家第四版《原子物理學》第五章中“原子態”內容時，溫習并考核第四章中“電子自旋的假設”及“堿金屬雙線”的相關內容，不僅可以幫助學生理解原子態的形成過程，還可以對電子自旋導致的堿金屬雙線結構以及相關聯的朗德因子的計算形成更為深刻的理解和認識。

1.4 聯系相關科研，做到理論和實踐相結合

《原子物理學》所設內容全部都是通過課堂理論講解來完成，尤其對于一些抽象的概念，單純地從頭腦中形成理論理解還顯得不夠，更重要的是，能否將學到的理論在實踐中有所體現，做到理論和實踐相結合，并且互相印證，進而牢固所學知識。本論文針對此問題，嘗試提出將課堂部分概念或理論，有效地和教師科研內容聯系起來，甚至可以帶動學生親自操作相關科研實驗，這不僅可以輔助學生理解課本內容，還可以以此為契機培養學生的科研素養和基礎，對以后的發展大為有力。

2 結論

綜上所述，本文針對目前《原子物理學》教學過程中遇到的常見問題，結合大學生尤其是二本院校學生的學習習慣和特點，一方面，分析了所見問題的形成原因及特征，另一方面，提出可以通過優化授課脈絡和思路、穿插故事作為興趣引導、定期考核及聯系相關科研等措施，有針對性地解決上述問題。這些探討可以對教師在此課程或其它具有類似特點的課程講解中引發一些思考或提供一些指導，具有一定的參考價值。

【參考文獻】

[1]張玉廣，王庭太，劉生滿，葛向紅，張明，李林.原子物理學教學改革的初步思考[J].科技世界，2012（12）：75-76.

[2]楊福家.原子物理學[M].北京：高等教育出版社.

[3]楊流賽，謝愛理，楊勤桃，彭思艷.材料科學學報，2016（30）：156-160.