近代物理实验教学

吕立君，于晓东

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

1 引言

众所周知，在近代物理学的发展过程中，两个重要的物理实验与经典的物理学理论尖锐矛盾，一个是黑体辐射中的紫外灾难（ultra-violet catastrophe），另一个是迈克尔逊A.A.Michelson-莫雷E.W.Morley实验.它们导致量子理论和相对论的建立，开创了近代物理的新纪元.Einstein提出的狭义相对论，改变了Newton力学的绝对时空观，而量子理论则涉及物质运动形式和规律的根本改变[1-3].量子理论不仅能够揭示极为广泛的自然现象，同时还引发了极为广泛的新技术上的应用.近代物理理论和技术的应用推动了原子物理、核物理、粒子物理、凝聚态物理和天体物理等的研究，产生了半导体、核工程、激光等新的现代科学技术.这些新技术在能源、材料、工程技术、工农业、国防、生物科学、医学等诸多领域有着十分广泛的应用.纵观物理学的发展过程，实验始终是科学研究的基础，能够创造新知识、产生新技术，是培养创新思维品质、分析解决问题能力、实践能力和实验技能的重要环节.但学生不重视实验课程，动手能力和主动性较差，个性和潜能不能充分发挥，因此我们尝试推进近代物理实验教学改革.

2 合理设置教学内容 突出思想方法和现代实验技术

近代物理学的两大支柱-量子论和相对论，前者研究微观粒子的统计行为，后者则研究高速（接近光速）运动物体的行为，许多经典物理学的规律已不再适用，两者在生活中又没有相应的模型与之对应，因此研究过程离不开新的物理思想、方法和现代测量技术.近代物理实验课程，目的是使学生掌握先进的研究问题的思想、方法、技术和手段，跟踪最新科学研究动态，培养学生创新思维品质，造就高素质人才.我们在近代物理实验项目建设过程中，经充分论证，设置了黑体辐射、弗兰克-赫兹实验、X射线物象分析、原子力显微镜、扫描隧道显微镜、微波测量技术、激光拉曼、塞曼效应、钠原子光谱、核磁共振等12个必修项目，另外我们正在积极建设原子核物理技术实验-快速电子的动量与动能的相对论关系实验项目.这些实验包括了近代物理学发展过程中具有经典性、物理思想影响深远的物理实验，体现实验技能和现代测试技术的实验及现代理论、现代新技术在各领域应用的实验，使学生掌握基本理论、研究问题的思想方法和高级实验技能，培养学生创新思维意识、创新能力、分析解决问题能力和自主研究问题的兴趣与能力.

3 合理选择教学方法 培养创新思维品质

近代物理实验课程是物理学专业和应用物理学专业高年级学生的必修课程，重在培养学生的创新思维品质和科学素质，提高学生科学认知的水平和能力.12个近代物理实验项目中涉及到原子物理实验、X光技术、微波技术、磁共振技术等[4-5].针对教学内容和学生实际适时调整教学方式方法，对于实验原理、仪器构造、操作注意事项等内容，用现代多媒体技术手段呈现并认真分析讲解.对于具体的操作方法、技能，教师要充分发挥主导和示范作用，学生须严格按操作规程序完成操作.如塞曼效应实验中，法布里-珀罗标准具的调节；激光拉曼实验中外光路的调节及应用程序的使用；扫描隧道显微镜实验中针尖、样品的安装，STM工作软件的使用等以提高学生的基本实验技能.对于综合研究性、设计性的实验内容，教师要创设实验教学环境，提出需要研究解决的问题，采用探索研究式、启发式、讨论式等教学方法并根据实验进展适时引导、启发、答疑、解惑，改变学生机械、被动的重复教材实验过程的状态，引导学生思维活动，培养学生的创新思维品质，同时鼓励学生大胆质疑，相互讨论，使学生不迷信、不盲从于教材和教师,充分发挥学生的积极性、主动性，将实验过程变成积极思维、勇于探索的创造性过程,培养学生创造性思维品质和创新能力.

4 采取开放式教学模式 促使知识向能力转化

12个近代物理实验项目计划课时仅为48学时,这就需要打破传统的教与学、理论与实验、时间与空间的界限，采用开放式的教学模式，实现教与学的互动.开放式教学指设备、场地、内容、时间、兴趣、思维、教学方法、教学手段等全面开放,以促进学生将知识转化为能力.就原子物理部分实验而言，教师可以根据理论课的教学进程、教学内容灵活安排实验内容和时间，课堂上提出要探讨研究的课题，引导学生进行分析讨论并综合运用所学知识、技能，提出研究解决问题的思路方法，设计实验方案.如：在玻尔理论的教学过程中，课堂上可引导学生分析讨论，提出实验验证原子内部能量量子化的思想方法并设计实验方案，然后与弗兰克-赫兹实验进行比较修改完善设计方案.在这个基础上并在这个时间点安排学生完成弗兰克-赫兹实验实验，证明原子内部量子化的量子化.弗兰克-赫兹实验是验证性实验，但教师在授课过程中提出能够引发学生思维的问题，创设思维环境，调动学生积极思考问题，并综合运用所学知识解决问题，理论与实验的有机结合使这个验证性实验变成了设计性实验，促进学生将所学知识向能力进行转化.对于原子的核式结构模型、原子的空间量子化、实物粒子的波粒二象性等教学内容虽然没安排相应的实验或没有实验条件，同样可以采用这种方式进行教学，如验证卢瑟福散射公式、原子的空间量子化等，教师创设思维环境，提出有待解决的问题，引导学生分析讨论，调动学生思维,探求解决方案,然后让学生查阅相关资料，完善改进自己的设计方案，培养获取信息的能力、运用所学知识分析解决问题的能力及创造性思维能力.原子物理学课程中[6-7]，巧妙的构思与设计贯穿于教学过程始终，在教学过程中，教师要善于创设问题情境，解放学生的思维空间，学生大胆想象、设计、争论、探究，教师及时引导、修正、解惑、答疑，理论课与实验课有机结合统筹安排的教学效果明显优于传统的二者分开教学的教学效果.

由于设备、场地、内容、时间、兴趣、思维等全面开放，教师可以精选实验仪器设备开发新的实验项目进行科学研究或作为学生的选修项目.对于选修实验项目，教师要明确提出任务要求，学生根据实验任务要求综合运用所学知识技能进行构思,并正确选择实验仪器,设计实验方案,独立进行实验操作，培养学生综合运用知识解决物理问题的能力和创造能力.学生也可以参与教师的科研工作，培养学生实验设计能力、组织实施能力和知识应用能力.除此之外，学生也可根据自己的专业特点、兴趣爱好，有目的有计划的进行自主实验，即学生根据自己要研究解决问题的，查阅资料并认真研究,提出分析、解决问题的构想，自主选择仪器、设计研究方案，然后在教师的指导下独立进行实验研究，对于实验过程中出现的一些新的问题及时与教师研究讨论，不断修改完善实验方案，寻求解决问题的最佳途径.自主实验在时间、空间、实验内容、实验方案的设计等方面给学生充分的自主权,充分的学习思维空间,丰富的想象空间，充分发挥学生的积极性,培养学生观察、思维、设计、操作、创新能力.

近代物理的理论和技术在诸多领域有广泛应用，在教学过程中，将理论课、实验课的教学内容适当拓宽，实现理论、实验、应用同步教学.如将理论课与实验资源、网络资源有机结合，引导学生探究描隧道显微技术、核磁共振层析技术、核能利用、X射线衍射物象分析技术、血管造影技术、激光技术等内容，激发学生的创造热情和潜能，培养学生科学严谨的科学态度.

5 结语

近代物理实验是一门综合性较强的实验课程，在教学过程中恰当的选择教学方法、适当拓展教学内容，采用以学生为主体、教师为主导的开放式实验教学模式，使学生进入创新思维能力、分析解决问题能力、实验技术和实验能力不断提高的良性循环中.开放性教学的实施,给学生充分的学习、思维和想象空间，使学生运用知识、技能独立分析和解决实际问题的能力、动手实践能力、思维能力和创新能力得到提高.但实施过程中也会遇到各种意想不到的问题，教师面临前所未有的挑战，这就要求教师不断充实和完善自己，确保教学质量稳步提升.

〔1〕曾谨言.量子力学教程[M].科学出版社，2003.

〔2〕曾谨言，龙贵鲁，裴寿镛.量子力学新进展（第三辑）[M].清华大学出版社，2003.

〔3〕曾谨言，裴寿镛，龙贵鲁.量子力学新进展（第二辑）[M].清华大学出版社，2001.

〔4〕张天喆，董有尔.近代物理实验[M].科学出版社，2004.

〔5〕吴思诚，王祖铨.近代物理实验[M].北京大学出版社，1995.

〔6〕杨福家.原子物理学[M].高等教育出版社，2000.

〔7〕褚圣麟.原子物理学[M].人民教育出版社，1979.