原子物理学教学探究

柴花斗

柴花斗/郑州师范学院物理与电子科学工程学院讲师，硕士（河南郑州450044）。

原子物理学是从原子光谱入手，利用量子力学的思想和结论，研究物质在原子层次的结构组成、性质特点和基本的运动规律的一门学科，是物理学专业的一门重要基础课程。它上承力学、热学、电磁学和光学，下接量子力学，属于近代物理的范畴。

一、原子物理学教学现状

原子物理学的研究对象是电子、原子核和基本粒子，是我们肉眼无法观测的，与普通物理相比，该课程涉及的许多物理规律和实验现象是在日常生活中不易观察和感知的，同时，学生对物理学前沿了解甚少，不能充分体会到原子物理的重要性，觉得该课程可有可无，加之其中应用的量子力学规律的抽象性，不仅增加了学习难度，也更加挫伤学生学习的积极性。因此，如何带领学生遨游于原子物理给我们展现的奇妙的微观世界，领略她带给我们的严谨的科学研究方法，如何让学生了解原子物理，喜欢上原子物理，是每一个原子物理老师都要思考并必须解决的问题。

二、协调整合教学内容

在原子物理学的教学中，存在两条主线，一条是教学内容上按照对原子结构由简单到复杂，从原子核外到核内的研究顺序；第二条主线则是与原子物理、量子理论的诞生和发展历史研究进程对应[1]。认真地梳理和挖掘这些主线，充分利用历史人物对问题研究的逸闻趣事，利用现代科技发展带给我们的点滴去充实这两条主线，不仅可以帮助学生认识原子物理理论体系的内在逻辑，还有助于培养学生正确的科学观、价值观，提高科学思辨的能力。

1.整体把握教材的结构特点，按照对原子的研究从核外到核内，从简单到复杂的知识主线进行教学。第一节课的课程介绍部分必不可少，老师要对原子物理在整个物理学课程结构体系中所处的地位、要研究对象、课程知识结构和体系进行分析、阐述，介绍章与章、与节的关系，一定要把教材各个章节知识点简单地用一条知识主线连接起来介绍给学生，让学生对所学习的内容有一个大概的了解。比如对原子结构研究先核外电子后核内，对核外电子的分析先从简单的核外只有一个电子，原子序数为1的氢原子入手，然后到原子序数大于1，但核外电子电离后只有一个电子的类氢离子，再到原子序数大于1，核外有多个电子但最外层有一个电子的碱金属族元素，然后从最外层有一个电子到两个、三个等多个电子情况，最后把研究推向元素周期表中所有元素，环环相扣、层层深入、由浅入深、由表及里一层层揭开核外电子运动和相互作用的神秘面纱。这样，在每一章节的学习中，在老师给定问题的引导下，学生一步步寻求解决问题的方法。讲解中可以步步设疑，让学生带着问题、充满好奇地去学习。

2.结合物理学史，利用科学家们对原子研究的历史主线引导教学。在讲解相关实验时，除了注重物理问题产生的历史背景介绍，还要注重物理学家背后一些鲜为人知的原始想法、做法及物理学家个人魅力的发掘。在原子物理学的第一堂课，我就告诉学生“从现在开始，把大脑中之前对于原子的所有知识全都封存起来，把自己置身于1896年，我们不知道原子是什么，已经出现的和它相关的实验及其结论有…”，随着科学家们一起探讨原子。每一个重大的物理实验给我们展示出来的信息，都会促生新的理论、模型，继而进行推理，设计新的实验进行验证……，理论实验相互验证、相互促进。利用物理学家相关的逸闻趣事激发学生的学习兴趣，利用科学家的探索精神和科学成就激励学生，不仅可以活跃课堂气氛，还可以培养学生良好的人生观和价值观。

3.把握原子物理中各种模型建立的过程展开探索。在原子物理中，出现了很多帮助我们认识微观世界的模型结构，如汤姆逊原子结构模型、卢瑟福原子核式结构模型、玻尔的原子轨道模型、“电子云”模型、电子自旋运动模型、原子核结构模型等[2]。纵观物理学的发展，建立模型本身就是一个创造的过程。通过原子模型的演化过程，让学生亲身体会科学每前进一步都会经历现象、分析、假说、模型、实验检验、推理、修正这样一次完整的科学探索过程，自始至终沉浸在悬念、线索、推理、假设、求证的引人入胜的激动之中，使学生体验探索和发现的喜悦。

三、寻求多样化的特色课堂教学模式

1.原子物理课堂走进实验室。在原子物理学的发展历程上，有一些著名的实验，比如卢瑟福的α粒子散射实验、弗兰克-赫兹实验、施特恩-盖拉赫实验、核磁共振、塞曼效应等，在学习该部分内容时，如果有同步内容的实验仪器，完全可以把课堂搬到实验室中，比如弗兰克-赫兹实验，在老师的介绍和引导下，让学生亲自操作仪器，调整实验参数，对采集到的数据综合分析，得出原子内部能级量子化的实验事实，相信学生对该实验及结论的理解会更透彻；还有塞曼效应，对于谱线在磁场中分裂的条数，相邻谱线间隔的关系，在平行和垂直于磁场等方向上观测到的谱线条数和偏振特性是原子物理部分的重点，也是难点，但如果让学生在实验室自己操作实验、观测实验现象、总结结论，在理论的指导下操作实验，实验中得出理论，验证理论，不仅能让抽象、枯燥的原子物理变得有趣，还能提高学生实验操作能力和收集数据、分析处理数据、归纳总结的能力，无形之中提高学生科学研究所应具备的基本素质，也正是我们原子物理要求的科研能力提升目标所必需的[3]。

2.和原子物理相关的科技应用走进课堂。尽管任何物质都是由原子、分子构成，但原子大小只有10-10米，是用肉眼无法观测到的，原子物理课程中介绍的基本理论和实验现象也不像经典的力、热、光、电磁学等在日常生活中可以看到、感知，这也是造成学生对原子物理的认识：“没有多大用处”的主要原因，这主要是由于学生对科技前沿了解较少。因此，在学习过程中，老师要充分挖掘原子物理中和现代科技之间的“窗口”，引入相关的科技常识，如在谈到原子能级跃迁时，谈一下激光；谈到量子隧道效应时，聊一下电子显微镜、扫描和透射电子显微镜的异同等等，在谈到核磁共振和X射线时和医学上的应用结合起来，在谈到同步辐射时，可以谈到当前各国在该方面的发展等等，不仅可以在一定程度上普及科学前沿知识，也能够让学生对原子物理相关知识的应用有一个简单的了解，端正学生的学习态度，提高学生的学习激情。

3.了解学生的专业发展或就业趋向，让原子物理走向学生的“未来”。原子物理学课程的开设一般会放在第四或第五学期，接下来的一年里，学生要面临是参加工作或继续研究深造的选择，如果能在教学中在适当的知识点引入国内在该领域的权威机构的一些介绍、相关领域某些工作所用到的原子物理知识、和本课程相关的研究生考试中的考察重点难点以及相关的解题技巧，让学生更多地了解国内乃至当今世界原子物理的发展和应用，不仅会大大提高学生的学习积极性，也使他们在考虑学科发展和就业方向上多了一些选择。

4.考核内容和形式的多样化。对经典物理的学习，很多情况下为了掌握某一个物理量和定理、定律，需要设置复杂的条件进行相关的计算，原子物理学在学习目标上更多的是强调理解，掌握分析问题和解决问题的方法，更多的是一种能力的提升，因此，在考核上，也可以适当增加该方面的考核。比如，布置科普性的课程论文；在期末试卷中增加开放性题目，并采用“简答”的形式，鼓励学生自主发表对某个问题、某个实验的想法，如：“谈谈原子物理学在物理学专业课程学习和社会生活中的地位和意义”，“谈谈原子物理中你感兴趣的一个实验”等等，而且这种多元性的考核形式，可以提前告知学生，使得学生在学习过程中，高屋建瓴把握课程，并时刻关注原子物理学的发展和应用[4]。

结语

原子物理学是物理学专业的一门专业基础课，但实验研究和分析在原子物理学发展中的地位和作用，又决定了它不仅仅是一门基础课程，更是培养学生科研兴趣、提高科研能力的一门关键性学科[5]，这就要求我们在正确把握、深刻理解教学内容的同时，不断改变和创新课堂教学，使学生了解原子物理、喜欢原子物理、渴望更多地研究原子物理学，这是每一个从事原子物理教学的教师都希望看到的。

[1]李培芳.《原子物理学》教学改革研究[J].内蒙古民族大学学报,2012,18(2)：135-136.

[2]孙桂花等.谈原子物理学教学中模型的应用[J].河西学院学报,2012,28(2)：121-124.

[3]吕中战.在原子物理教学中培养学生创新能力的探索[J].教育与职业,2011,12：121-122.

[4]王笑君.基于新概念量子物理的原子物理课程改革研究[J].大学物理,2010,29(3)：44-49.

[5]靳奉涛,周兆妍.原子物理教学中的人文教育和科学观培养[J].高等教育研究学报,2011,34(4)：102-104.