“原子核物理”课程教学的改革与实践

张国博 王伟权 杨晓虎

[摘 要] “原子核物理”是為核物理和应用物理等方向的本科生所开设的一门专业基础课，是从事核物理理论与实验、核科学设计与组织、核技术创新与开发等工作的基础。原子核物理课程存在知识量大、理论与实验结合性强和物理图像抽象难懂等特点，通过从课程内容设置、教学方法改革和课程评价优化三个方面出发，总结原子核物理课程的教学改革和实践中的一点经验，提出通过优化教学内容、改进教学模式和课程评价体系来提高教学效果的方案，以期为其他高等院校原子核物理教学改革提供参考。

[关键词] 原子核物理;教学改革;教学评估

[基金项目] 2021年度国家自然科学基金委“少周期超强激光驱动的可调谐近单周期中红外脉冲研究”（12005297）;2020年度国防科技大学研究生课程思政第二批重点建设项目“高等电动力学”

[作者简介] 张国博（1988—），男（满族），辽宁开原人，博士，国防科技大学文理学院讲师，主要从事激光与聚变等离子体研究;王伟权（1989—），男，吉林白山人，博士，国防科技大学文理学院讲师，主要从事激光与聚变等离子体研究;杨晓虎（1983—），男（白族），云南大理人，博士，国防科技大学文理学院副研究员，主要从事惯性约束聚变的理论和模拟研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）18-0072-04    [收稿日期] 2021-01-20

原子核物理学形成于20世纪初，是物理学中研究物质微观结构的一门重要的分支学科[1] （P1），同时也是一门正在蓬勃发展的学科。对于核现象、核反应的研究目前仍是物理学研究的前沿领域之一，既有深刻理论意义，又有重大应用价值。原子核物理学不仅和其他学科一起产生了不少边缘学科，如穆斯堡尔谱学，而且基于原子核物理的核技术已深入到国防、工业、农业、医学、能源、环境等国民经济领域，大到核能的开发和利用，小到医疗诊断和检查，影响着人们生活的诸多方面。

一、课程内容与教学设置

原子核物理是核技术应用的理论基础，通过课程学习，需要建立科学的核物理模型图像，培养科学探究的能力。同时，原子核物理的核心知识、研究方法和思维方式将为丰富和深化学生的知识结构、启迪学生的创新性思维和提升学生的科学素养做出一定贡献。

（一）课程内容

原子核物理是研究微观粒子结构的一门学科，目前，大多高校的参考教材均为两本经典教材中的一本，即杨福家等编著的《原子核物理》和卢希庭等编著的《原子核物理》，如哈尔滨工程大学和南华大学均是使用卢希庭版教材。我校目前使用的教材同样为卢希庭版教材，结合教学内容和专业技术背景，我校原子核物理课程内容主要分为六个模块：（1）原子核的基本性质，是指核整体具有的静态性质[1]，包括最基本电荷、质量和半径，核的角动量描述—自旋和统计特性、核的磁性描述—磁矩，核形状的描述—电四极矩，核的对称性描述—宇称等性质，这些静态性质是学生必须牢牢掌握的基础知识;（2）原子核的结构，包括原子核的稳定性、核力和原子核的结构模型。具有正电荷的质子和不带电的中子既然能够组合成原子核，仅有库仑力和万有引力是不够的，必然存在一种很强的作用力，就是核力。核力的存在使得原子核本身具有一定的结构，通过建立原子核的结构模型，可以形象的构建原子核的结构，有利于学生更为深刻的理解原子核的基本性质;（3）原子核的衰变，是一种自发进行的自然现象。自1986年贝克勒尔发现然放射性现象以来，α衰变、β衰变和γ衰变就是人们最早观测的基本放射现象，也是整个原子核衰变部分研究的重点;（4）原子核反应，是稳定的原子核转变为不稳定原子核的重要方式，并且是人们研究原子核性质和结构的有效方法，通过核反应规律的学习，不仅能够进一步理解原子核的性质和结构，又可以为核能、核医学等核技术的应用奠定良好的理论基础;（5）原子核的裂变和聚变，裂变和聚变是原子核重要的运动形式，对裂变和聚变现象及其运动规律的研究是原子核物理学的一个重要研究领域。（6）原子核的亚核子物理，是比核子层次更深的粒子的概括[1]，是非常重要的学术前沿，能够从更深的层次理解原子核的结构和性质。

（二）教学设置

我校原子核物理课程的教学目标是掌握原子核物理的基本内容，更重要的是让学生厘清前人提出问题、考虑问题和解决问题的研究思路，进而培养学生进行科学研究和解决实际问题能力。对于这样的教学目标，课程内容的改革就是原子核物理课程教学改革的核心工作，在课程内容重点方面需要进行针对性的设置，在课程内容的设置方面必须进行取舍和整合，结合学科背景，调整原有的教学章节，优化教学内容，使其更加符合我校的学科特点，如将教材第二章原子核的结合能、第四章核力和第八章核结构模型整合为原子核的结构，受教学课时影响，舍去射线的物质效应、中子物理和核天体物理等章节的教学内容。

在课程内容设置上，原子核物理学不仅是核物理方向的基础，也是非常重要的前沿学科。在教学中引入相关的学术前沿和应用进展，能够培养学生开阔的学术视野。在绪论部分我们以诺贝尔物理学奖中近一半是与核物理相关的内容出发，简要介绍近些年与核物理相关的诺贝物理学奖的研究内容，激发学生对原子核物理的学习兴趣，明确课程教学内容与多个诺贝尔物理学奖研究内容相关。特别是一些诺贝尔物理学奖的研究方向，如核力介子场论、中微子震荡、杨振宁和李政道先生提出的弱相互作用中宇称不守恒的问题更是课程的直接内容。在α衰变部分，关于重离子的介绍，可以拓展相关的技术应用。重离子治疗癌症是当前核技术应用的前沿，其作用机理是重离子在人体内沉积能量时存在一个布拉格峰，这个峰值的存在能够很好地将能量沉积在病灶部位，从而极大地降低了传统射线治疗对人体表皮、组织和细胞的损伤[2]。特别是2015年，上海市建立了国内第一个质子重离子医院，目前已治疗出院患者3000余例，充分发挥了国际尖端放疗技术—重离子放射性治疗的技术的优势。同时，重离子加速器是十分重要的大科学装置，如何降低造价成本，获得小型化廉价加速器，即新加速机制的探索也是当前国际的研究热点，比较有潜力的小型化重离子加速是基于超强激光的重离子加速技术，当前加速碳离子最高能量已经达到80MeV/u[3]。另外，在原子核聚变部分，介绍国内外在可控热核聚变领域取得的进展，例如国内中科院等离子体研究所研究设计的“全超导非圆截面托卡马克”装置和中物院激光聚变研究中心协同设计并搭建的神光三主机激光装置。

二、课堂教学模式与设计

近年来，各种先进教学手段层出不穷，原子核物理作为核物理专业本科生基础课程，应该不断优化教学模式，改进教学方法，提高教学效果。特别是互联网数字化的迅猛发展，以及疫情期间网络教学模式广泛推广，促进了一系列先进的网络教学手段的发展，如在线课堂、微课、慕课等。当前，大学课程正处于教学模式和方法的变更期，新的教学思想层出不穷，以翻转课堂以及雨课堂为主的新型教学模式给传统教学方式带了巨大的冲击。在这样的时代背景下，经典的原子核物理课程也必须紧跟时代的步伐，利用先进的教学手段优化课堂的教学模式[4，5]，结合学科特点完善教学方法，把获得知识与培养能力相结合，培养能力与塑造人格相结合，塑造人格与学科应用相结合，为进行科学研究及毕业工作奠定基础。

（一）多媒体教学

科技进步总是推进着各个行业的发展，教学方面也是如此。多媒体的快速普及，使其成为当代最主要的教学工具，教学模式也发生了根本的改变。原子核物理作为核物理专业的基础课程，其课程内容包含大量的专业名词和数学公式推导。针对课程内容的特点，我校原子核物理课程采用多媒体和板书相结合的模式，主要利用多媒体展示相关的物理概念和复杂的数学公式，对相关概念中的重点文字、主要结论和重点数学公式进行特殊标记，比如改变文字颜色、改变字体、加粗或自定义动画等。这样的多媒体课件不仅可以丰富教学内容，还可以提高教师教学和学生学习的效率。针对课程重点知识，列出结构框架，针对内容难点，补充相关内容，有效的加深学生对课程内容的理解和掌握，明确教学重点和细节。

在多媒体教学资源中，视频和动画在课程当中是不可或缺的。课程中的微视频通常分为两个方面内容：一方面是对课程内容原理的介绍，可以将抽象的物理原理以更加直观形象的方式展示出来，加深学生对相关问题的理解，构建清晰的物理图像，还可以调动学生课堂参与的积极性。比如在介绍核力中的强相互作用时，内容十分抽象，并不像电荷之间的库仑力那样易于理解。因此，在讲授之前可以播放秒懂百科或自行设计相关视频，让学生在一分钟之内对其定义有一个简单的认识后再引出课程内容，提高教学效果。介绍激光驱动的惯性约束聚变时，可以播放美国国家点火装置（National Ignition Facility Project，NIF）的宣傳视频，演绎激光聚变的基本过程，明确具体的实验装置，吸引学生的兴趣。另一方面是对课程内容应用的介绍，可以突出理论研究的重要性，让学生明白理论指导实践的重要意义。比如在介绍人工放射性核素时，可以联系放射性中子源和医用放射性核素的制备视频突出相关理论的应用背景。当然，这些视频要求教师具有丰富的知识积累，可以根据课程内容合理地进行选择，准确把握视频内容的正确性和加入视频的合理性。

（二）雨课堂教学

雨课堂是由学堂在线和清华大学在线教育部共同研发推出的一款智慧型教学工具，具有便捷易用、实时互动、个性化教学等特点，其作用是为师生搭建了线上线下课堂教学互动沟通的平台[6]。利

用传统多媒体课件和微信相结合，雨课堂将课外学习和课上教学联系起来，一经推广就迅速吸引了全国高校广大教学人员的使用，有效地改进了教学模式。基于雨课堂的混合教学模式快速发展[7]，逐渐成了主流教学模式。混合教学模式能够覆盖课程的每一个教学环节，如课前预习与讨论、课中互动与考核和课后总结与安排，对课程进行全方位教学跟踪。混合教学模式的提出不仅使得教师能够实时了解学生整体和个体的学习情况，并可依据不同学生对知识点掌握情况有针对性的调整教学进度和内容，实现精准教学。

在雨课堂教学方面，我校原子核物理课程主要分为三个方面：（1）课前预习与反馈。上课前一天，将预习课件推送至授课班级预习，学生自主完成课前预习任务，通过查看和分析预习数据，收集学生的预习情况及在预习中的问题，调整教学进度，提高课堂教学效果。（2）课堂教学与互动。首先，雨课堂开启后，可以通过微信随机点名，考察出勤情况，大大避免了时间浪费;其次，针对课前预习的问题，对教学内容进行侧重性的讲授，提高课堂教学效果;再次，针对教学内容，学生可以直接在相应的幻灯片上进行互动，提出问题，教师可以及时进行回复和解答;最后，对于雨课堂的投票功能，可以设计主观或客观问题或进行课堂测验，加深学生对课程内容的掌握，调动学生参与课堂的积极性，并且可以将测验结果作为平时成绩的一项考核指标。比如，在介绍绪论时，可以在雨课堂中增加中国原子弹之父和氢弹之父的客观选择题，提高学生对老一辈科学家的认知程度。（3）课后总结与拓展。根据课上的问题和测验情况可以清楚地了解各个学生的学习状况以及对课程内容的掌握情况，有针对性地在下次课进行讲解，同时，可以合理地布置课后作业的内容和题型，巩固教学内容。因此，多媒体教学和雨课堂的混合教学模式，可以在一定程度上提高学生的课程参与程度，有利于学生个体的发挥所长，便于教师因材施教，是目前非常适合小班授课的教学模式。

（三）翻转课堂教学

传统教学模式中，课堂教学以教师为主，教学的重点是学生在有限的时间内掌握课程的教学内容，可以说教师是课堂教学的“主角”。然而这样的教学模式带来的困扰就是学生的课堂参与程度较低，在这样的情况下，新的教学模式翻转课堂走进了高校教师的视野。翻转课堂[8]颠倒了知识传授和内化过程，运用互联网技术进行课程互动，提高学生的课程参与程度，最大限度地突出学生的主体地位，给了学生展现自己能力的机会。

对于原子核物理，翻转课堂同样可以适时地进行，但是对于完全进行翻转课堂教学与课程难度之间存在一定矛盾，学员完全的自学很难把握重点内容和关键问题，因此，需要针对教学内容合理的设计翻转课堂章节。例如原子核的基本性质和原子核衰变部分的放射性基本规律，课程内容较为简单，是比较适合进行翻转教学的课程内容。针对教学内容，采用分组调研模式，学生课下共同查阅书籍和文献，总结相关内容，然后在课堂上分组展示成果和进行讨论，教师适时的进行指导和说明。通过这样的分组—调研—总结—分享—讨论一体化方式，不仅能够促进学生积极思考，相互学习，参与讨论，而且对于培养学生创造性思维和学科综合能力具有重要的意义。另外，在考核评估体系中，关于课堂汇报的内容，实际上也是适用学生兴趣相关内容的“部分翻转”课堂，并且更能激发学生参与的积极性。

三、优化考核体系与设想

当前国内各高校本科生基础课程的考核方式仍然是以传统的“期末考试成绩+平时成绩”考核评估体系为主，课程期末考试不仅能够检验学生对课程内容的掌握情况，帮助教师不断总结经验，改进教学方法，而且能够对学生的学习效果做出客观合理的评价。平时成绩也是考核评估中不可或缺的部分，并且需要合理的设置平时成绩的构成，从而充分、全面地反映学生对课程内容的掌握情况。我校原子核物理课程的考核评估体系仍然是以这种评价模式为主，平时成绩采用多元化的组成，对课堂出勤、课堂表现、平时作业和教学实践等因素进行量化，全面考核学生的平时成绩。

课程教学实践目前主要是以课程相关内容的调研报告或课堂汇报为主，题目均为学生自选，既能充分调动学生课堂参与的积极性，又能培养学生进行科学研究能力。但是目前这样的成绩分配也存在一定的问题，当前的期末考试成绩与其他课程相比较，仍然占据较大的比例，在一定程度上，仍然存在考核不完善的问题。因此对于两部分的成绩权重，需进一步调整，以期既能更加公正的考查学生对课程的掌握程度，又能科学全面的反应学生的知识运用能力以及批判性思维能力。

四、结语

原子核物理是核物理等专业非常重要的专业基础课，是学习专业课的理论基础。根据我校原子核物理课程教学的经验，文章总结了我校该课程的教学内容、教学方法和考核评价标准三个方面的探索和思考。通过合理设置教学内容，改革教学方法，丰富和完善课程评价标准，达到提升课程学习效果、培养科研能力和塑造人格的目的，以期为其他高等院校原子核物理教学改革提供参考。

参考文献

[1]卢希庭.原子核物理[M].北京.原子能出版社，2010.

[2]叶飞，李强.重离子治癌相关研究[J].原子核物理评论，2010（27）：209-316.

[3]Dayu Jung， Lilan Yin， Donald C Gautier， et al.Laser-driven 1 GeV Carbon Ions from Preheated Diamond Targets in the Break-out Afterburner Regime[J].Phys.Plasmas，2013（20）：83-103.

[4]夏冬梅.原子核物理課程的教改研究[J].西南师范大学学报，2018，43（11）：162-265.

[5]胡永红，毛翔，毛彩霞.“原子核物理”教学中创新意识和能力培养的研究[J].咸宁学院学报，2011，31（12）：54-56.

[6]杨震，周美霞，刘星.智慧教学平台雨课堂支撑下的混合教学模式讨论[J].教育教学论坛，2020（9）：336-337.

[7]张燕红，李瑛，温明明，等.基于雨课堂的大学计算机基础课程智慧教学模式研究[J].计算机教育，2020（3）：77-79.

[8]杨昱昺.翻转课堂教学模式探讨[J].教育现代化，2020（81）：101-104.

On the Reform and Practice of Nuclear Physics Teaching

ZHANG Guo-bo， WANG Wei-quan， YANG Xiao-hu

（College of Liberal Arts and Sciences， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： Nuclear Physics is a basic professional course for undergraduates majored in nuclear physics and applied physics. It is the basis of nuclear physics theory and experiment， nuclear science design and organization， nuclear technology innovation and development. The course of Nuclear Physics has the characteristics of large amount of knowledge， close combination of theory and experiment， and a lot of abstract physical images which are difficult to understand. In this paper， the experience of the reform and practice of Nuclear Physics are summarized from the aspects of the course content setting， the teaching method reform and the course evaluation optimization. The scheme to improve the teaching effect is proposed by optimizing the teaching content and improving the teaching model and the evaluation system of the course， which provides a reference for the reform of Nuclear Physics teaching in other colleges and universities.

Key words： Nuclear Physics; teaching reform; teaching evaluation