原子物理学课程教学改革初探

翁铭华 张妹玉 林珠妹

摘要：为了提高原子物理学课程的教学质量，本文就原有的教学方法和内容上存在的一些问题，相应地提出一些创新的改革尝试的方法。

关键词：原子物理学;实验;因果逻辑

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0141-02

原子物理学课程是大学普通物理中一门重要的专业基础课程，一般安排在力学、光学、电磁学等普通物理课程之后，以及量子力学、统计物理等理论物理课程之前讲授。原子物理学课程是联系经典物理与量子物理的纽带，是学生第一次接触与生活相去甚远的物理学科。学习过程中将不断遇到全新的视角与全新的观念，对学生和授课教师都是一个不小的考验。本文就原子物理学课程教学中遇到的问题与难点，提出一些创新方法的尝试。

一、以实验为中心，围绕实验展开理论阐述

在原子物理学的发展过程中，从原子结构到原子核组成，一直是实验领先于理论，于是在讲授过程中，应引导学生从实验现象中总结物理模型。

例如在讲授原子核式模型时，应围绕α粒子散射实验进行。在讲授过程中，可以将实验目的、实验装置、实验现象制作为动画模拟或是演示视频，让学生有亲身感受。紧接着，引导学生探究实验现象所蕴含的物理图像。将α粒子散射实验呈现的仅八千分之一的反弹概率与原有的汤姆逊提出的“葡萄干布丁”原子模型比较，引导学生发现二者之间的矛盾。根据汤姆逊的原子模型，根本不可能存在大角度散射的α粒子，更别提180°角的反弹现象的出现，从而再引出卢瑟福原子核式模型。正因为存在高度致密的原子核，才能符合α粒子散射实验的结果。如此环环相扣，有理有据地引出卢瑟福的原子核式模型，有助于学生深入理解这一理论模型。

再例如在讲授电子自旋时，应首先围绕史特恩-盖拉赫实验进行。施特恩-盖拉赫实验原本的目的仅仅是为了验证原子的轨道角动量的空间量子化，一个不合理的目的却得到了出乎意料的结果。实验利用原子的磁矩与外磁场的相互作用而受力，使得原子运动轨迹偏转，得到的实验结果完全不符合经典物理理论。讲授时应突出原有的经典理论对于解释实验结果的困难，从而引出提出电子自旋的必要性与迫切性。电子自旋的另外两个验证实验：碱金属双线与塞曼效应也应作为讲授的重点。两个实验的实验条件不同：碱金属双线不需要外加磁场，塞曼效应的产生需要外加弱的均匀磁场。由不同的实验条件引出不同的实验现象的产生机制：碱金属双线是原子内部的电子自身的自旋磁矩与轨道运动产生的磁场相互作用形成的，塞曼效应是由原子自身的总磁矩与外加的磁场相互作用产生的。同时，可以将这三个实验放在一起比较，引导学生加以区分，从而更好的掌握电子自旋这一抽象的物理概念。

传统的原子物理学课程皆为理论教学，顶多借用多媒体演示实验。在教学过程中发现，多媒体演示实验因为可以较为直观地展示实验装置过程以及结果，因此的确好过板书教学的效果。但是，我们一直强调，物理是一门实验科学，任何理论的提出都必须经过实验的验证。教师不妨尝试一些简单的可以实现的现场演示实验，或是将课堂搬到近代物理的实验室里，与近代物理实验的内容相结合，将会取得更好的效果。例如，可以直接在课堂上给学生演示简单的光电效应实验。在实验过程中，采用固定变量法，让学生记录得到的实验数据，并引导学生自主分析实验结果，从而引出爱因斯坦的光量子假说。而一些需要大型仪器的较为复杂的原子物理实验，比如测量原子光谱之类，则可以选择在实验室进行演示实验，甚至可以与近代物理实验进度相协调，在演示实验之后引导学生进行结果分析，最后由学生自己动手完成实验。在真实的实验过程中，将会出现各种各样的甚至出乎意料的问题，教师可以充分利用解决问题的机会，深入原有内容的教学，并且提高学生的兴趣与动手能力，让学生亲身体会到原子物理学中的概念并不是“水中花，镜中月”，是切切实实地由实验得到的。

以实验为中心的探究式教学，可以激发学生的创造性思维，使得学生能够更好地理解原子物理学中遇到的与经典物理不同的内容，而且可以让学生真切地理解物理是一门实验科学，从而重视对物理实验的认识。

二、重视理论发展的因果逻辑

原子物理学课程中，将接触到相当多的微观理论模型，这些理论模型并不是凭空想出来的。在讲授理论模型时，应让学生充分了解理论模型提出的实验基础以及理论基础，从而进一步理解学科发展的逻辑。

例如在讲授玻尔模型时，玻尔模型提出了关于氢原子的三点假设：定态假设、跃迁假设以及角动量量子化的假设。这三点假设并不是玻尔想象出来的，而后又恰好与氢原子光谱实验相符，因此必须跟学生清楚地阐述：在提出玻尔模型之前，已经出现了能量量子化的假说、光量子化假说、氢原子的线状光谱实验，以及对应于可见光区的氢原子光谱的巴尔末公式。正是由于前人打下的前期理论和实验基础，才能够催生出半经典的玻尔模型。同理，在讲授波粒二象性时，也应指出这一观点并不是凭空产生的。在此之前，光的波动性和粒子性已经为实验证实并被人们所认识。德布罗意仅仅是大胆将这一观点推广至一切物质粒子，认为一切物质粒子都同时具有粒子性与波动性。而只有在被后续的电子干涉、衍射实验以及中子衍射等实验验证之后，一切物理粒子都具有波粒二象性才为人们所接受并认同。

原子物理学这座大厦并不是凭空建造的，只有捋清学科发展的因果逻辑，才能够使得学生将看似零散的知识构建为完整的知识体系。

三、插入物理学史介绍

在原子物理学的发展过程中，共有60多个相关的诺贝尔物理学奖，这在其他物理学课程中是不常见的。故而，在讲授原子物理学课程中，应充分利用这一优势，让学生能够“以史为鉴，以人为鉴”，在课堂上走近诺贝尔物理学奖以及获奖的物理学大师们，感受攀登科学高峰的激情以及老一辈物理学家治学的态度。

例如在讲授原子核放射性现象时，可以插入对第一个发现原子核自发放射性现象的贝克勒尔的介绍。贝克勒尔家族祖孙三代人，在实验室研究荧光现象60多年，最终在一次偶然的机会观察到原子核放射性的现象。看似偶然，其实是多年来实验积累的必然。这个例子可以引导学生了解到科学研究不是一朝一夕可以成就的事业，需要付诸毕生的精力才可能有所建树。要敢于且甘于做冷板凳，耐得住寂寞才有机会离真理更进一步。

再如，在讲授原子能的应用时，我国大批的老一辈科学家放弃国外优越的生活和科研条件，选择在新中国成立之初回到祖国，创建祖国的原子能事业。他们所表现出来的不仅仅是对真理的追求，更多的是一个科学家的爱国之心。

在课堂上，可利用视频资料，包括珍贵的纪实影像，向学生介绍原子物理学的发展历程，激发学生的学习兴趣，鼓励学生树立远大的理想并为之努力。物理学史的介绍，不仅能够活跃课堂，更能实现育人的目的。

四、联系学科前沿与实际应用

目前的原子物理学的教材，普遍的缺陷就是史料陈旧，与当前的学科前沿脱节。因此，在讲授过程中应该补充相关的学科前沿的知识，或是对课程内容进一步深化与实际应用相联系。

例如在讲授β衰变时，应重点突出中微子的介绍：中微子假设的提出、中微子捕获实验以及中微子研究相关的3次诺贝尔物理学奖等。现在，关于中微子的理论和实验研究仍然是科学研究的前沿问题，仍有许多问题亟待解决。

例如在讲授施特恩-盖拉赫实验时，仅拘泥于教材的原始实验装置效果平平，应尝试进一步深入实验，介绍改进之后的施特恩-盖拉赫实验，即外加两个甚至在若干个在某方向非均匀的磁场，从而实现检测及挑选具有特定自旋的原子的目的。这样的实验装置，已经是具有实际应用价值的挑选原子自旋的器件。深化原有的实验内容，不仅能够加深学生对本实验的理解，而且使得学生可以更好地掌握自旋这一抽象的概念。

对于一些内容较为丰富的学科前沿与科技产业化的介绍，可以不拘于讲课的形式，专门开设主题讲座，引导学生加入讨论或指导学生课后撰写相关的课程论文。这种做法可以拉近学科与前沿的距离，让学生接触到前沿的知识，既为学生打开眼界，引导学生关注前沿课题与科学技术的产业化，又为学生进一步的深造打下了基础。

五、结语

原子物理学课程通常作为大学普通物理的最后一门课程，在学习中起着承上启下的作用。本文就原子物理学课程教学中存在的问题，提出了一些创新改革的方法。在原子物理学的教学过程中，应以实验为中心，重视理论发展的因果逻辑，穿插物理学史的介绍，并且联系学科前沿与实际应用。对这门课程的掌握与理解程度直接影响着后续理论物理课程的学习。因此，对原有教学方法以及教学内容进行改革与创新是非常有必要以及有意义的尝试。

参考文献：

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