《原子物理学》教学过程中的问题及应对措施探究

【摘 要】《原子物理学》是大学物理学专业学生必修的一门课程，也是衔接经典物理与近代物理的重要学习内容。本文结合课程设置内容，针对该课程在授课及学生学习方面的特点和问题，提出了若干应对措施，有目的地尝试解决相应问题。这些探究对其它相关课程的教学也是一个很有价值的参考。

【关键词】原子物理学；教学；兴趣引导

中图分类号： G642；O562-4 文献标识码： A 文章编号： 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

《原子物理学》是大学阶段物理学专业学生必修的一门基础课程，属于近代物理的范畴，也是经典物理和近代物理的连接纽带[1]。一方面，它沿袭了普通物理的经典描述风格，介绍量子物理的基本性质和物理图像，并探究支配物质运动和变化的基本相互作用；另一方面，它采用量子力学的思想，寻找物质结构在原子及原子核结构层次的性质、特点和运动规律，是关于物质微观结构的一门科学。从研究方法来看，这门学科主要从光谱及实验资料入手，首先提出假设，随后建立模型，然后再进行实验科学验证，最后形成相关理论，这有别于普通物理学发展思路，即不是从基本概念和规律出发进行严密的理论运算推导得到更普遍的基础规律。所以，总体上来看，《原子物理学》教学内容具有抽象、枯燥、难以形成直观感等系列特点，而纵观其教材（以《原子物理学》杨福家版[2]为例），有些章节知识点前后交叉并且较为分散，如第四章“原子态的符号表示”，其详细讲解在第五章中涉及，而此概念在第四章的突然出现会让学生感到茫然，总的效果是导致部分学生由于没有及时预习功课等原因造成学习上的困难或脱节，甚至会导致他们后期对该课程的学习失去兴趣和信心。而从课堂整体上看，对于一些经验不足的教师，可能会出现课堂教学气氛沉闷，学生听讲不知所云等现象，对这门课的实施出现教与学的思路脱节。

从另一个角度来说，不同层次学校的学生在个人智力、前期物理基础、对知识的渴求程度、自主学习的习惯等有着较大的差异。如对于一些985/211院校的学生而言，对于知识的自主学习可能比教师的讲授更有学习兴趣和效果，于是哪怕课本不同章节知识点有所交叉，也会通过自身的主动学习予以克服；然而对于一些二本院校学生则不然，教师的课堂讲授占据了他们获取知识的绝大部分渠道，有些知识若上课当场未能解决则可能会成为永久的疑问，这也是这类院校学生对知识总体结构框架把握不清、学习兴趣淡薄的重要原因。针对以上客观现象，本论文以《原子物理学》这门课程作为载体，结合该课程的特点，介绍了一些相应的应对措施和方法，对其它学科的教学也有一定的借鉴作用。

1 应对措施

1.1 优化授课脉络和思路

纵观《原子物理学》全书内容可知，其理论知识的发展具有一个主线，简单地说，一个实验现象的出现，会有后续一个假设的提出，为了完善或发展这个假设，随后会有新的关键内容被提出，最终实现较为完善的知识网络框架。关于这种思路，《原子物理学》中有一典型的教学内容可以在此进行分析：当盖革-马斯顿实验中采用α粒子轰击原子时，发现α粒子在此过程中大约有八千分之一的概率被反射回来，对于此实验现象，汤姆孙提出的“葡萄干面包模型”假设显然不适用，经过分析，卢瑟福提出了“核式结构”模型，成功地解释了这一现象，并推导出著名的卢瑟福散射公式。既然“核式结构”模型已经被认可，那么模型中电子如何绕原子核运动，是否有其相应轨道等问题必然会被思考。随后科学家玻尔基于卢瑟福原子模型，并结合相关的原子光谱实验规律和普朗克的量子化概念，提出了新的原子模型即玻尔模型，并成功建立了氢原子理论。尽管如此，人们发现，当用波尔理论应用于一些较复杂的原子时，就与实验结果产生了较大的出入，这表明，该模型还比较粗略，还需要新的理论或假设进行完善。而在另一方面，当用更高分辨率的仪器仔细观察光谱线时，发现还存在精细结构，于是玻尔理论中只考虑原子核和电子的静电作用就已经不足以解释此现象了，磁相互作用的引入以及電子自旋假设的提出很好的解释了这一结果。若根据上述这一理论发展主线进行讲解，基本可涵盖教材一半的内容，而且还可形成清晰的脉络和思路，让学生学习起来游刃有余。

1.2 穿插故事作为兴趣引导

针对《原子物理学》涉及知识的抽象化，在每讲一个章节内容时，可穿插几个背景故事作为课程的开始，在此期间也可适当讲一下故事主角的生平，逐渐将学生的情绪和思路带入到后续具体的理论知识中来。例如，在讲汤姆孙“葡萄干面包模型”到卢瑟福“核式结构”模型的理论发展时，首先介绍一下汤姆孙如何通过阴极射线管中电子核质比的测量预言了电子的存在，随后汤姆孙提出原子中带正电部分均匀分布在原子体内，电子镶嵌在其中，即所谓的“葡萄干面包模型”。然而，为了检验该模型是否正确，卢瑟福设计了α粒子散射实验，实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约1度的偏转，但有少数α粒子的偏转角度很大，超过90度以上，甚至高达180度，对于此实验事实，汤姆孙说“就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反弹回来一样”，所以无法用汤姆孙模型加以解释，除非原子中正电荷集中在很小的体积内时，排斥力才会大到使α粒子发生大角度散射。正是在此基础上，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。故事讲完了，问题也来了，到底在α粒子轰击金箔时遵循什么样的力学规律？能够在某一角度散射的α粒子数目或几率到底多大？带着一个一个的疑问，就可开始后续的理论推导课程讲解，学生的思路和注意力也会顺理成章地被带入到教师的讲课中来。

1.3 定期考核，温故知新

针对《原子物理学》知识点散乱不够系统，并且不同章节存在知识点交叉的问题，可尝试在整个学期的授课过程中，定期对前面讲过的内容进行小的考核。一方面可以加深学生对学过知识的印象，另一方面可以思考以前对该知识点的理解是否正确，现在是否有新的想法，做到温故而知新。重要的是，复习并考核以往的知识内容，有助于理解和学习正在授课章节的知识，帮助学生完成新旧知识的衔接。例如，在讲杨福家第四版《原子物理学》第五章中“原子态”内容时，温习并考核第四章中“电子自旋的假设”及“碱金属双线”的相关内容，不仅可以帮助学生理解原子态的形成过程，还可以对电子自旋导致的碱金属双线结构以及相关联的朗德因子的计算形成更为深刻的理解和认识。

1.4 联系相关科研，做到理论和实践相结合

《原子物理学》所设内容全部都是通过课堂理论讲解来完成，尤其对于一些抽象的概念，单纯地从头脑中形成理论理解还显得不够，更重要的是，能否将学到的理论在实践中有所体现，做到理论和实践相结合，并且互相印证，进而牢固所学知识。本论文针对此问题，尝试提出将课堂部分概念或理论，有效地和教师科研内容联系起来，甚至可以带动学生亲自操作相关科研实验，这不仅可以辅助学生理解课本内容，还可以以此为契机培养学生的科研素养和基础，对以后的发展大为有力。

2 结论

综上所述，本文针对目前《原子物理学》教学过程中遇到的常见问题，结合大学生尤其是二本院校学生的学习习惯和特点，一方面，分析了所见问题的形成原因及特征，另一方面，提出可以通过优化授课脉络和思路、穿插故事作为兴趣引导、定期考核及联系相关科研等措施，有针对性地解决上述问题。这些探讨可以对教师在此课程或其它具有类似特点的课程讲解中引发一些思考或提供一些指导，具有一定的参考价值。

【参考文献】

[1]张玉广，王庭太，刘生满，葛向红，张明，李林.原子物理学教学改革的初步思考[J].科技世界，2012（12）：75-76.

[2]杨福家.原子物理学[M].北京：高等教育出版社.

[3]杨流赛，谢爱理，杨勤桃，彭思艳.材料科学学报，2016（30）：156-160.