原子物理学教学改革和学生创新能力培养的研究

仝世红

【摘 要】为了提高原子物理学的教学效果、提高学生的学习主动性和培养学生的创新能力，本文分析了原子物理学课程的教学现状，结合笔者多年的教学经验，探讨了原子物理学课程的教学内容、教学方法和考核方式，提出了笔者的一些看法和实践经验。

【关键词】原子物理学；教学改革；考核方式；创新能力

原子物理学是各高校物理专业的一门必修的专业核心基础课，同时也是其他理工科专业必修的基础课程之一，因为它不仅是学习量子力学和固体物理课程的基础，也是学习激光原理、粒子物理、核物理、材料物理等课程和现代测试分析技术的基础，而且随着现代科技的飞速发展，它的基础地位和重要作用在光谱学、纳米科学、材料科学、激光技术、能源科学、磁共振技术等相关学科和高新技术中也日益显现。另外，原子物理学是以大量实验为基础发展起来的由经典物理向量子物理过渡的一门课程，它的建立和发展体现了求真唯实的科学精髓，表现在每一阶段的发展或理论的建立都源于实验事实，又要接受新的实验事实的检验，促使理论的确立、完善或新理论的提出，再不断接受新的客观事实的考验……。所以原子物理学的讲授过程中，必定渗透了一些物理学家们的物理思想和科学思维方法，能使学生受到启发，使他们的科学思维和创新思维得到训练。因此，原子物理学的教学不仅是使学生获得知识，为学习后续课程和从事相关工作或科研打基础的过程，也是培养学生创新精神、创新能力和科学素养的良好途径。然而，实际教学情况如何呢？下面笔者对原子物理学课程的教学现状、改革与实践进行了分析与探讨。

1 教学现状

原子物理学的教学多半没有发挥出这门课程的特点和优势。经分析，主要存在以下几个问题：首先，教材内容陈旧，跟不上现代科技的发展。目前大部分的教材内容都是反映20世纪30年代前后的知识，现代科技知识和科学前沿涉及太少或几乎没有。讲授理论知识若缺乏实际应用的介绍，将会使知识僵化、知识面狭窄、难以激起学生的学习兴趣。其次，原子物理学教学学时不断减少（目前笔者所在院系原子物理学只有40学时），这将束缚教师的教学方法的施展。学时少了而内容不减，要讲完基本理论内容已很紧张，根本没时间进行内容引申和相关应用介绍，要么也只能泛泛而谈，多半不能起到引人入胜的目的。当然更谈不上课堂上进行探究式和小组讨论式教学了，这些方式是需要给予学生和教师足够的时间的。为了赶进度，只能采取一贯的“教师讲授，学生听”的“满堂灌”的注入式教学模式，这种模式在授课量上最高效，但是这种一成不变的教学方法很容易使学生在学习中产生倦怠。并且，这种模式会抑制学生动脑，使学生接受知识上变得机械，从而压抑学生的创新思维，阻滞学生创新能力的培养。第三，目前普遍采取的“平时成绩（考勤和作业）+期末考试”的考核方式太单一，不能调动学生的学习动力和热情。不少学生潜意识里觉得学习就是为了考试，而这种考核方式，正好迎合了他们“平时不用学，考前好好奋斗几天即可”的心理。并且容易滋养抄袭作业的不良风气，因为对于平时不努力学习的学生来说，自己根本不会做或也不想做，显然自己写的作业没有抄的等级高。第四，学生普遍存在厌学情绪（不仅原子物理课程教学中存在）。这归结于大多数学生的中学阶段都是在学校和家长的双重高压下完成的，一旦进入高校这种相对自由的环境，便犹如脱缰之马，再加上电脑、手机、游戏等的诱惑，自制力差一点的学生很容易失去自我，更不说中学时就有老师和家长为了激励学生好好学习，给学生灌输“现在抓紧时间好好学习，等上大学了就可以好好玩一玩”这样及其不正确的观念了。厌学情绪的另一原因是专业所学与最终工作所需出现的差异，甚至完全不相关，导致部分学生产生了“学习无用论”，“考及格即好，多一分浪费，学习的时间还不如拿来多参加一些社团活动、做做兼职等来增强自己的社会实践能力和表达能力，从而找个好工作”。

面对如此多的教和学的问题，实际上这些问题也并不是独立的，它们之间有些是相互造就的，因此，要培养出高水平、具有创新意识和科学素养的、适应社会发展和所需的高素质人才，原子物理学的教学改革势在必行。

2 优化和调整教学内容

1）把握原子物理学的知识点主线；去除繁杂的、晦涩难懂的理论推导，突出基本实验、基本物理图像、物理思想和物理模型；补充相关物理学家简介和轶闻趣事，激励学生努力学习、活跃课堂。

首先，授课中要把握知识点主线。目前各大高校使用主要是褚圣麟和杨家福的教材，这两个教材的编排都按照人们对原子的认识过程进行编写的，先核外电子后原子核的顺序进行的。我们以杨家福的教材为例，第一章从电子的发现和散射实验引出原子的结构---卢瑟福核式模型；然后第二章、第四章、第五章介绍核外电子的运动，遵循由简单到复杂的介绍方式，其中第二章先介绍核外只有一个电子的氢原子和类氢原子，接下来第四章介绍只有一个价电子的碱金属原子，最后第五章介绍核外两个电子的氦原子和两个价电子的原子，最后推广到多电子原子，总结出整个元素周期表的情况；之后第六章介绍内层电子跃迁导致的X射线；接下来第七章介绍原子核物理概论；最后第八章介绍原子核能级分裂导致的超精细结构。这一主线符合人们对原子的认识过程。并且对每一章的介绍，都是以先介绍相关实验、再提出理论、后又实验验证理论的顺序进行的，这充分体现了求真唯实的科学精髓，易于培养学生的创新思维和科学素养。

其次，还要注意知识点之间的联系和过渡，而授课中主线知识点之间的细枝末叶过于繁杂的话，对初次学习的学生来说，很容易淡化或转移对知识点主线和知识点之间的联系与过渡的理解和把握，而切实感受到就是知识点难、杂、乱，从而理不清头绪，丧失学习兴趣。比如在介绍第一章时，对库伦公式和卢瑟福散射公式的推导可略讲或不讲，因为这部分推导涉及数学知识多且复杂，尤其是在第一章一开始就遇到如此复杂的理论推导，很容易让学生产生厌学情绪。对于这一部分，授课中重点介绍清楚散射实验的装置、过程和结果即可，当然为了突出散射实验的重要性和引起学生的重视和兴趣，可补充卢瑟福散射在材料表征等方面的作用。再比如第二章的重点是玻尔模型，围绕玻尔模型的提出和验证所涉及到的光电效应实验、光谱实验和弗兰克-赫兹实验应当被重点介绍，而被量子力学所否定的且对后续知识体系的理解无影响的索末菲的椭圆轨道理论等内容可不讲或提一提即可。等等。

再者，量子力学本身抽象、晦涩难懂、推导计算复杂，若用量子力学进行详细的解释问题，则要涉及波函数、算符、力学量、薛定谔方程、微扰理论等复杂的量子力学知识，这会淡化和掩盖了原子物理学的基本物理实验、物理图像、物理思想和物理模型，并且会打乱学生对原子物理学的知识体系和结构的掌握，以至于会使学生觉得这门课程抽象、难懂、摸不着头脑，从而丧失学习兴趣和动力。因此，在教学中一定要处理好二者的关系。笔者在教学中的做法是只讲清楚量子力学的基本的概念、量子力学处理问题的基本思路和结论，能为后续学习量子力学埋下伏笔即可，因为更具体的知识后续课程量子力学会详细讲解，这样做的目的是既不让学生重复学习，提高学习效率，又能使学生对量子力学有个基本的感性了解，增强后续学习量子力学的动力，并且使学生易于接受原子物理学知识，在用到相关结论时不会觉得突兀。

为了激励学生努力学习，同时也为了活跃课堂，很有必要补充一些物理学家简介及其轶闻趣事。原子物理学是一门以大量实验为基础的课程，涉及大量的知名的、有影响力的物理学家，且他们大多是诺贝尔物理学奖获得者，显然他们的事迹是很有说服力的，能给学生以启发和激励，而且课堂上对他们做介绍又顺利成章，一点不会显得为了活跃课堂而活跃课堂。比如在介绍光电效应实验时，显然会讲到爱因斯坦，不可避免地提到他的著名的相对论，此时可引入他对“什么是相对论？”的俏皮解释：“你坐在一个漂亮的姑娘旁边，坐了两个小时，觉得只过了一分钟。如果你紧挨着一个火炉，只坐了一分钟，就觉得过了两小时。这就是‘相对论！”。这样的素材很多，也很容易收集到，在此不在赘述。

2）紧密结合科技前沿及应用，吸引学生对该课程的重视，增强学生的学习兴趣和动力，培养学生的创新能力和科学素养。

随着科学技术的高速发展，许多新的高新技术和科学前沿都用到了原子物理学的基本理论，而目前现有的原子物理学教材内容大都比较陈旧，对科技前沿介绍的很少或者基本没有，这就使理论和实践脱节，学生不能切实体会到原子物理学在今后学习和工作中的重要性，结果便是学习就是为了考试。若把一些相关的高新科技和科学前沿引入到教学中，不仅使教学内容变得鲜活，而且使学生懂得学能致用，学习兴趣自然而来，学习主动性自然提高，创新能力也能得以培养和锻炼。那如何在教学中引入科学前沿和高新技术呢？笔者在教学中讲到原子物理学的某个知识点时，便把与此密切相关的应用引入课堂。比如第一章讲卢瑟福散射时，引入卢瑟福散射在材料表征上应用；讲光谱的激发与发射时，引入光谱分析在目前一些热门研究课题（如荧光粉材料、上转换、下转换材料等各种发光材料）中的应用，介绍进行光谱分析的一种重要测试技术—荧光光谱分析技术，具体给出某些荧光粉的荧光光谱图，并讲解如何分析谱图，还可给出多种稀土离子的激发谱和发射谱图，让学生试图分析若在同一基质中掺杂两种稀土离子，用何种光激发，哪两种离子配对时会在这两种离子间产生能量传递？如何传递？如此讲授，不仅加强了学生对激发谱和发射谱的理解，而且使学生切实体会到了学习光谱的重要性，还培养了学生的科研素养和创新能力，为以后做该方面的毕业设计打下了基础。

3）整合原子物理学课程和近代物理实验为一门课程，增强学生对理论的感性认识，提高教学效率。

原子物理学是以大量实验为基础的一门课程，很多与原子物理学密切相关的实验（光电效应、弗兰克-赫兹实验、塞曼效应实验等）在讲授原子物理学都会作为重点进行介绍，然而在学习原子物理学时学生不能亲自动手感受一下，只能听老师课堂上用文字对试验装置、原理、过程和结果进行描述，因为包含这些实验的近代物理实验课程往往在学完原子物理学后一学期或后面第二学期才开设。这两门课程不同时段讲授的结果必然是：原子物理学课堂上学生不能感同身受，理解上必定存在一定困难，而等到做近代物理实验时，课堂上学的那点理论知识也遗忘的差不多了，实验时又需重新温故，实验效果也不佳。如果把两门课程整合为一门课程的话，则原子物理学知识点教授可与近代物理实验同步进行，不仅使理论知识和实验紧密结合，增强学生对理论部分的感性认识，而且还节约学时，提高授课效率。比如在引入玻尔理论时往往要在课堂上先介绍三个背景实验：黑体辐射实验、光电效应实验和光谱实验，若实验课和原子物理学整合的话，原子物理学讲到这一部分时，可恰当的安排相关的近代物理实验课，则原子物理学课堂上就不需重复介绍了。再比如在讲授原子物理学中塞曼效应部分内容时，可在塞曼效应实验中同时完成理论和实验的学习。这样显然不仅使学生易于接受知识，而且还节约了学时，可留有足够的时间课堂上开展讨论课和小组讲述课。在原子物理学课程学时越来越少的情况下，为了提高教学质量和效率，目前笔者已向所在院系申请极力促成这一建议。

3 改革教学方法和手段

在教学方法上，需打破老师动嘴学生听的“满堂灌”的教学方式，课堂上要适时开展启发式、探究式、汇报式、讨论式等多种互动方式；在内容讲授方式上，要注意分层次教学，杜绝所有内容“千篇一律”的讲课方式，授课中要明确重难点、有的放矢，重点掌握内容要精讲细讲；理解性的内容可讲清楚物理思想和物理图像；了解性的内容以学生自主学习为主，老师可不讲或只介绍知识点前后的关联和授课的大概思路，为了督促学生养成自学和独立思考的习惯，老师可设置几个相关的问题，课下让学生以分小组的形式查找、阅读相关资料和讨论，然后以作业的形式提交老师；在教学手段上，采用传统板书和多媒体教学的有机结合，充分发挥二者各自的优势。另外，结合教师研究项目，鼓励学生参加到具体科研中来，提高学生的学习兴趣和创新能力，加深对原子物理学课程的理解。

4 考核方式改

为了调动学生的学习积极性，督促学生“学习贵在平时”，要改变“一考定成败”的学习评价模式，制定合理有效的考核评价方式是十分必要的。笔者建议提高平时成绩比重到60%，当然不仅仅是提高分数，也要增加平时成绩考核的项目。平时对出勤（5%）、作业（10%）和听课状态（5%）（有无玩手机、睡觉等）的考核总分值占总成绩的20%（传统的平时成绩一般为对这几项的考核），其中考核出勤的必要性在于督促学生回到课堂，但有些学生是“人在曹营，心在汉”，所以对听课状态进行考核也十分必要。有必要的话还需强制要求，毕竟有古训“严师出高徒”，所以笔者所在院校严格规定：无故缺课三次及以上、作业拖欠课程要求作业次数三分之一及以上者不允许参加课程结业考试，在此规定下，在加上出勤及做作业上的分数鼓励，大部分学生在该方面的考核极佳。笔者引进了对小组作业讲解的考核（10%），即对于作业的评讲，老师当听众，让学生分小组进行作业讲述。为了杜绝有个别小组的成员偷懒、不积极准备，可采取老师随机从该次讲述作业的小组中随机抽点讲解人的方式，然后该次讲解成绩作为整个小组每人的作业讲解考核成绩，这样每个人都会有一定的压力。该方面的考核在笔者近两年的实践中取得了良好的效果，学生的积极性也非常高，不仅成功地“强迫”学生进行了有效学习，也使学生的表达能力和登台发言的胆量得到了锻炼。另外，平时考核增加对小论文写作（15%）及分小组对某些与原子物理学密切相关的前沿问题的进展、应用及理解的课堂讲述（15%）的考核，该方面的考核不仅加强了学生对课本知识及应用的理解，也培养了他们初步进行科学研究的能力，提高了创新能力，个别同学在小论文写作及课堂讲述前沿问题中就表现出了极其活跃的思维和相当有见地的表达，也有个别同学以极大的兴趣参与笔者的科研课题（发光材料的制备及发光性能研究等），并发表了高水平的科研论文。最后对该门课程所学知识点进行一个总结性的结业考核即考试，主要考察学生对该课程的基本概念，基本思想、基本物理图像及应用的理解和掌握情况。

总的来讲，这种考核体系贯穿了到了整个教学过程，不仅考察了学生的学习状态和对知识体系的理解与掌握情况，也起到了有效督促学生在教学过程中自主进行学习的作用，培养了学生的创新能力和科学素养。

5 结论

以上简单介绍了笔者讲授原子物理学课程的几点探索和实践，通过原子物理学的教学和实践改革，能调动学生的学习积极性，培养学生的实践能力、创新能力和科学研究的能力。然而，原子物理学的教学改革是个不断深化和改进的过程，更深刻更有效的教学改革需要我们在教学实践中进一步探讨。

【参考文献】

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]杨福家.原子物理学[M].3版.北京：高等教育出版社，2000.

[责任编辑：田吉捷]