“大學物理學”近代物理學篇章的總體教學和課程思政設計

何春鳳，段 彬，白炳蓮

（吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012）

引言

本文以張鐵強主編的《大學物理學》（高等教育出版社）中的近代物理學篇章為研究對象，進行了整體教學和課程思政設計。該篇章包含《相對論》《波粒二象性》和《量子力學》三章，教學大綱的課時（含習題課）為20個學時，大綱要求掌握12個A級知識點，14個B級知識點。本篇章的整體教學設計注重章節之間的邏輯關系，在分章講解內容之前給出了每個章節的基本核心內容及相互關系。課程思政設計以厘清為什么學、學什么、如何學、效果怎么樣為目的開展，在教學目的、目標與方法、方法與策略等方面做了專項設計，旨在引起學生情感上的共鳴，有效激發學生產生學習內動力，達到“潤物細無聲”的課程思政教學效果［1-2］。

一、整體教學設計

教學設計的根本原則以提升學生邏輯思維能力的培養為目的。邏輯思維能力是學習能力的核心，選用科學的課堂設計策略能夠優化教學效果，提高教學效益，進而打造高效率、高效益、高效果的課堂教學。

（一）近代物理學和經典物理學

物理學分為經典物理學和近代物理學兩部分。從時間上來說，近代物理學的范疇以1895年X射線、1896年放射線和1897年電子這三大發現（均獲得了諾貝爾物理學獎）為開端，由“萬里晴空中出現的兩朵烏云”（以太漂移和紫外災難）誘發了經典物理學的傳統觀念危機，由此引發了物理學上的一場革命。量子理論和相對論是近代物理學的兩大支柱。量子理論解決了物質運動的基本形態和物質的結構。相對論主要解決了時空的概念。波粒二象性在某種意義上是量子理論的進步，是量子物理學的前期定量的過程，是中間的過渡期。

（二）相對論

相對論是愛因斯坦總結前人的經驗并做了一定創新的集成。他認為相對論分成兩部分：一部分是1905年提出來的狹義相對論，主要解決了慣性系的問題，即物體相對運動的慣性系有沒有優劣，也就是物理學的一個規律相對于不同的慣性參照系來講會不會出現差異。愛因斯坦強調不同的慣性參照系沒有優劣之分，而不是像牛頓所描述的需要有一個絕對靜止的慣性參照系。但是狹義相對論并沒有徹底解決問題，愛因斯坦得出狹義相對論之后，馬上發現在現實世界中找不到這樣的慣性參照系，因為我們生存的空間都有引力的作用，有引力就存在加速度，因此一定不是慣性系，所以愛因斯坦覺得自己沒有徹底解決全部問題。1916年，愛因斯坦對非慣性參照系的問題做出了解釋，建立了一個新的時空說法，即廣義相對論。廣義相對論較好地解決了非慣性系和引力之間的關系，建立了普適的時空觀。

在講解相對論的具體知識點時，要明確告訴學生應該從以把握相對論的基本觀點為核心出發，通過熟練運用相對論的基本公式解決實際問題。相對論中的洛倫茲變換內容以事件為例進行推導，教師在講授時，將事件以貼近學生生活的鮮活實例為例，學生接受起來更為容易。比如地面參考系發生的兩件事，不再簡單地敘述為事件1和事件2，而具體描述事件1為學生現在在教室上課，事件2為沒來上課的學生此時在寢室睡覺。進而提出問題：宇宙飛船中的人（運動的參考系）是否認為學生正在上課和學生在寢室睡覺這兩件事是同時發生的？宇宙飛船中的人認為我們在教室上完一節課的時間是多少？是45分鐘（我們地球參考系認為的時間長度）嗎？這樣就自然引出了同時的相對性問題和動鐘變緩的問題。在講解相對論的時空觀遵循洛倫茲變換時，可以通過實際化和日常化的實例，提高學生的興趣，更易于被學生所接受。

（三）波粒二象性和量子力學

《波粒二象性》一章的核心是量子概念。1900年普朗克提出量子論，5年后愛因斯坦做了進一步的補充，提出光也是一種粒子，即光子的假說；之后康普頓通過實驗證實了愛因斯坦的假說——傳統的波具有粒子屬性。但是，該粒子學說和牛頓的彈性小球假設在本質上是有差別的。傳統的粒子，比如粉筆頭、運動的小汽車，確切到微觀上，比如電子、原子、分子等，我們都把它看作一個粒子、一個質點，但是借助普朗克和愛因斯坦提出的假設，通過反向思維，德布羅意提出傳統意義上的粒子是否可以看作是一種波。任何一種物質都應該具有粒子和波動兩種屬性。如何讓學生理解粒子和波動的兩種屬性是本章教學的根本問題。

課程導入和講解完全按照歷史的發展脈絡，即按照時間的順序（1900—1929年）講述。通過特殊物理事件發生的時間，引領學生回顧歷史長河中物理學的發展遇到的問題，以及這些問題是如何被發現和提出的，最后是如何解決的。這樣的教學設計不僅使學生清晰地了解了教學內容，還對學生的思維能力訓練非常有益。

闡述波粒二象性和量子力學兩部分內容的邏輯關系。量子物理學是建立在波粒二象性的基礎之上，研究微觀粒子的運動規律。微觀粒子的規律即波粒二象性。微觀粒子不是單純的一個粒子，更重要的是具有波動性，即對微觀粒子的研究要采用波動的理論進行描述，這就是量子力學的核心思想。量子物理學往往在微觀、原子、分子的結構內運用得比較充分，但是并不是說量子力學只適合微觀世界，其在宏觀世界同樣適用，只不過在宏觀世界里所表現出來的規律，采用傳統的經典物理學就可以很好地表達，能夠滿足社會的需求。

二、課程思政設計

課程思政設計注重學生的自我體驗和感悟，注重與教學元素相融合，由一個思政點到多個思政點，再到一條思政線和一個思政面，打造全方位多維度的課程思政體系［3］。思政元素的設計應避免“生切和嫁接”，以對課程內容的重構再造為基礎，將挖掘的思政元素有機融合到課程設計中。課程設計尤其注重給學生帶來的變化和與學生情感上的共鳴，讓學生能夠自然地接受，進而有效激發學生的學習主動性，達到“潤物細無聲”的課程思政效果，實現思想政治教育和知識教育的有機統一，育人和育才統一。

（一）相對論課程思政設計

在講完《相對論》一章的內容后，布置了一項作業。作業的內容設置如下：相對論的基本假設之一是所有慣性系在物理學領域都是等價的。針對上述教學內容，你有什么關于生活和人生的思考呢？談談你的想法。胡同學說：“在學習了相對論的原理方法之后，我對人生和時間的概念有了更深刻的感悟。看上去變慢的時鐘，只是因為觀察的角度不同，而在相對的時空里，它仍然在以不可抗拒的速率轉動。今夕復何夕，共此燈燭光。我從時光的縫隙中窺見一絲人生的真實質地，它清澈又冰冷，滿懷溫情卻又遵循規律，這是讓我們要更加惜時！”徐同學說：“現在的我相對于大一的我，本身并未改變，但知識的儲備量及對人生方向有了不同的見解。從另一種意義上來說，我并不是之前的我，我比之前變得優秀了，我也會在以后的日子里不斷豐富自己的知識，早日對社會做出貢獻。”楊同學說：“相對論的同時的相對性，讓我想到，人生中不一定所有事情都是按照因果律，按照你的想法去發生的，可能會有意想不到的結果，我們對此要做好充分的心理準備。另外，物理世界的奧妙值得我們繼續探討，感覺好玄乎，又好吸引我們。”高同學說：“一個物體的長度、時間變化，在不同的參考系下都會不同，就如同不同人眼睛中的自己一樣，亦會是不一樣的存在，我們無法在不同的參考系或時空中取得完全相同的人身，所以活出自我，活在當下，努力過好自己認為不留遺憾的人生。”從學生的反饋來看，《相對論》章節的課程思政達到了潤物無聲的效果。

（二）波函數和概率密度課程思政設計

課程思政設計首先從講述波函數的概率解釋的歷史地位入手，結合概率解釋的假設成立的內在理論邏輯、歷史邏輯和實踐邏輯，培養學生科學認知世界的精神、科學思維方法和邏輯思維能力。概率解釋是量子力學的五大基本假設之一。在物理學中，定律、公理、假設的正確性是由實驗或日常經驗證明的，這些結論不是經過數學運算推導得出的。在使用時，可以先假設它們是正確的，再以此為基礎經過數理邏輯推理后建立起相應的理論體系。如果這套體系能夠解釋實驗現象，預測實驗結果，就認為在一定范圍內這些假設具備了正確性。雖然現在我們查閱史料，找不到波恩當初到底是根據什么思維邏輯提出的概率解釋，但是他所推導出來的理論，經過后人的實驗證明了其可用性，是正確的。

（三）薛定諤方程課程思政設計

1.從薛定諤方程的地位說起。薛定諤方程在物理史上具有偉大的意義，被譽為十大經典公式之一，是世界原子物理學文獻中應用最廣泛、影響最大的公式，是量子力學最基本的方程之一，描述了量子態的動力學規律。薛定諤方程常常被比作量子力學中的牛頓第二定律。薛定諤作為愛因斯坦的忠實支持者，建立此方程的本意是為了反擊哥本哈根學派的海森堡的觀點，然而薛定諤沒有想到自己的方程和“薛定諤的貓”的思想實驗促進了量子力學的發展。薛定諤為全人類、全世界的發展貢獻了自己的智慧和力量。這是以學科的模范典型人物的開拓創新精神來開展課程思政設計的。

2.講解薛定諤方程的出現是歷史的必然。討論薛定諤為什么會得出一個不同于牛頓力學的方程。直接原因是微觀粒子的運動規律無法用牛頓力學來描述。通過實驗發現，電子和光子在不受力時，既不靜止，也不勻速直線運動。這是一個很尷尬的事實，這說明牛頓力學是不完備的，是有缺陷的，即牛頓力學的適用是有局限性的。人們想要利用微觀世界，就必須理解微觀世界，掌握微觀世界的規律，同時提出一個全新的理論來解釋微觀世界的實驗事實，因此薛定諤方程應運而生。但是薛定諤方程也有其局限性，它沒有考慮速度，而很多微觀粒子都是在接近光速運動的，因此，相對論效應絕對是不可忽視的。這些物理學史本身就是課程思政點，告訴學生要堅持用與時俱進和科學的批判眼光看待世界萬物，同時，課程思政設計意在告訴學生要在思想的傳承中開展科學研究。

接著討論以下兩個問題：一是求解薛定諤方程能得到哪些有用信息；二是薛定諤方程本身的含義是什么。通過回答這兩個問題，自然會追溯到一個根本問題：進入量子力學的正確思想準備是什么。在量子力學中，我們熟悉的經典力學量信息在何處。畢竟宏觀世界與微觀世界不是割裂的，所以在經典力學中能得到的信息，在量子力學中也必然包含，即經典力學量的信息都以概率形式被包含在波函數當中。換言之，波函數不是一個具體的物理量，其包含了所有經典力學量的概率信息，也就是波函數概率解釋的內在本質邏輯關系。同時，講清楚抽象的概念和深奧的理論也是課程思政的內容。

（四）隧道效應課程思政設計

本部分的課程思政設計圍繞內容本身富含的中華民族的文化要素開展。隧道效應的直接應用是掃描隧道顯微鏡（STM）。掃描隧道顯微鏡是在1982年由IBM蘇黎世實驗室研制成功的，STM的問世實現了人類直接觀察原子與分子的夢想，發明者也憑此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。通過掃描隧道顯微鏡可以實現對原子的操控，通過展示圖片，學生看到了真正的微觀世界，激發他們從事科學研究工作的信心。通過圖1所示的“中國”字樣掃描隧道顯微鏡照片，進行潛移默化的愛國主義教育，激發學生的愛國情懷，增強課堂的育人效果。

圖1 掃描隧道顯微鏡成像

（五）氫原子課程思政設計

通過定態薛定諤方程對氫原子進行求解，采用定量計算方法，將所得出的結論與玻爾的假設進行對比，對玻爾的部分工作予以肯定，同時指出波爾對角動量的計算結果有待完善，引導學生用批判的眼光看待科學的發展。

氫原子的徑向波函數電子云是薛定諤在德布羅意關系式的基礎上做了適當的數學處理后給出的解。解做了數學處理之后用三維圖形表示出來就是電子云。整個脈絡告訴學生任何成績和成果的取得不是一個人的貢獻，而是在前人工作的基礎上獲得的，借此培養學生的感恩之心。

結語

本文通過豐富的課程教學設計打造了高效率、高效益、高效果的課堂，實現了“大學物理學”近代物理學篇章立德樹人的時代使命。