原子物理学教学研究与实践

孙兆楼 窦立璇

(安阳工学院 数理学院，河南 安阳 455000）

0 引言

原子物理学是物理学专业的一门重要的专业基础必修课，是继力学、热学、光学和电磁学之后的最后一门普通物理课程。原子物理学是普通物理的重要组成部分，它属于近代物理[1]。原子物理学包括原子物理、原子核物理和粒子物理[2]。原子物理学是20世纪随着量子力学的发展而发展起来的，至今，原子物理学的许多问题仍然是科学研究的前沿问题。原子物理学是现代科学技术的基础，是连接经典物理与现代物理的桥梁。学好原子物理学能为后继的量子力学、固体物理等课程打下坚实的理论基础。因此，学好原子物理学具有十分重要的意义。本文根据近几年原子物理学教学实践，分析了教学现状，在教学内容、教学方法上对原子物理学教学进行了研究和实践。

1 原子物理学教学现状

首先，原子物理学知识抽象、难懂，没有清晰的物理图像。原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的一门科学。其研究的物质结构介于分子和原子核之间，线度约为10-10米，用肉眼是根本无法直接观察的，只能在头脑中想象。学生在学习的过程中普遍反映知识很抽象，摸不着头脑，不像学习力学知识那样，对物体运动有清晰的物理图像。其次，教材内容过于老化。20世纪30年代M.Born写了一本《原子物理学》，H.E.White写了一本《原子光谱导论》，这两本书是原子物理学方面的经典之作。现在的原子物理学教材体系一般遵循Born和White模式，大部分的教材内容都是反映20世纪30年代前后的知识，现代科技知识涉及太少。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。

2 原子物理学教学内容的研究与实践

2.1 恰当处理好玻尔理论与量子力学的关系

大部分的教材内容一般都是按照原子物理学的发展历史进行编写的。从原子的光谱实验到玻尔提出的量子化假设理论（基于经典物理基础上的量子化，半经典半量子，称为旧量子理论），再由玻尔理论讲授原子的能级、精细结构、超精细结构等。对于微观领域，正确描述电子运动的是量子力学理论，玻尔理论是有其局限性的。最突出的问题是电子的轨道运动，根据玻尔理论，电子在库仑力的作用下沿着一些特定的轨道绕原子核运动。在量子力学中，电子运动是由波函数来描述的，满足薛定谔方程，电子的运动具有不确定性，只能用概率来表示，没有轨道运动的概念，量子力学中是用“电子云”来形象说明电子的运动。教学中若处理不好玻尔理论与量子力学的关系，会让学生觉得知识有点混乱，莫衷一是。笔者认为在原子物理学教学过程中，能用玻尔理论解决的问题就尽量不要用量子力学，如玻尔理论不能解决，则可定性地用量子力学知识来解释，避免复杂的量子力学推导过程。原子物理学虽属近代物理，但仍是普通物理学的重要组成部分，应该具有普通物理学的特点，要注重基本的物理实验、物理图像、物理思想和物理模型[3]。若用量子力学进行详细的解释，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，会淡化和掩盖了原子物理学的基本的物理实验、物理图像、物理思想和物理模型。恰当处理好玻尔理论与量子力学的关系，既能使学生易于接受原子物理学知识，又能为后继的量子力学等课程打下基础，使原子物理学成为连接经典物理和现代物理的桥梁。

2.2 紧密结合现代科学技术知识

原子物理学是现代科学技术的基础，随着原子物理学的发展，新思想，新知识不断被发现，在此基础上产生了大量的现代科学技术。如与原子受激辐射有关的激光技术；与原子的内层电子激发有关系的X射线的荧光分析技术、计算层析技术；与物质波有关的电子显微镜；与原子能级分裂有关的电子顺磁共振和核磁共振等等，其中X射线影像、核磁共振成像已应用到医学领域[4]。将这些科学技术知识引入到原子物理学教学中，不仅可以加深学生对所学知识的印象，还可以开阔他们的视野，激发学习兴趣，培养创新意识，取得良好的学习效果。

2.3 适当引入物理学史

原子物理学的发展产生了许多重要的创造成果，包括1999年在内共有96项诺贝尔物理学奖，其中就有66项是与原子物理学有关的，占到总获奖数的2/3。这些诺贝尔物理学奖的成果不仅是原子物理学发展的重要里程碑，而且是前辈物理学家创造性研究的典范[5]。在教学过程中，适当地讲解一些有代表性物理学家的工作背景、研究思路、研究方法以及他们在面对困难时的科学创新精神、非凡的胆识，都会对学生留下深刻的印象，引起长久的思考。例如，电子自旋假说是20世纪初最重要的假设之一，电子自旋的提出在原子物理学发展历史中具有里程碑的意义。1925年，荷兰的两位在读大学生乌伦贝克和古德斯密特，在地球运动规律的启发下，经过深入研究，大胆提出了电子自旋假设。但谁能想到这样重要的理论是由两个还没毕业的大学生提出的。对于两个年轻人来说，提出这样的理论不仅需要创造精神，更需要非凡的勇气和胆识。我们在课堂教学中引入这样的事例，在学生中激起了强烈的反响，引发了热烈的讨论，极大地提高了他们的学习热情和学习兴趣，同时也培养了学生的创新意识和创新能力。

3 教学方法的研究与实践

3.1 明确重难点，有的放矢

原子物理学的知识面较广，知识点松散，各知识点间的逻辑性、系统性不强，再加上学时少，一般只有54学时左右，教学任务重。因此，教学方法就显得尤为重要。按照原子物理学教学大纲，明确教学中的重难点。每堂课都要向学生明确哪些知识需要重点掌握，哪些需要理解，哪些需要了解。重难点知识要精讲、细讲，从物理实验、物理图像、物理思想、物理模型到具体的推导过程都要讲清楚，不惜面面俱到。理解性的内容可讲清楚物理思想和物理图像，不必过多涉及细节性内容。了解性的内容可让学生课下自行学习，给出一些参考资料，让学生以读书报告的形式提交作业。明确教学中的重难点，学生明确了学习目标，提高了学习的积极性，促进了学生的自主学习。

3.2 传统板书与多媒体教学的有机结合

传统板书具有讲课思路清晰，留给学生较多的思考时间，易于跟上讲课思路等优点。对重要公式理论的推导，系统知识的梳理具有良好的教学效果。多媒体教学可演示图片、动画、影像资料，具有形象直观的特点，而且幻灯片记载的信息量大，放映时间少。在原子物理学教学中，将传统板书与多媒体教学的有机结合起来，能收到良好的教学效果。例如讲电子的自旋—轨道相互作用时，先用多媒体演示电子自旋运动和轨道运动的动画，学生头脑中有了清晰的物理图像，然后再采用板书的形式详细推导其作用规律，就比较容易理解。一些著名的物理实验现象，现代科学技术应用，著名物理学家生平简介等都可以通过多媒体展示给学生。既能拓宽学生的知识面，还能活跃课程气氛，激发学习兴趣，提高学习积极性。

4 小结

原子物理学虽已有一百多年的历史，但仍是具有生命力的，不断向前发展的科学，原子物理学教学也应不断地向前发展进步。本文根据近几年原子物理学教学实践，在教学内容、教学方法上对原子物理学教学进行了研究和实践。以期能与同行进行讨论，共同提高原子物理学教学水平。

[1]喀兴林.关于原子物理学课程现代化问题[J].大学物理，1992，11（11）：6-8.

[2]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]高政祥.原子物理学教学改革的几点探索[J].大学物理，2001（4）：34.

[4]张泽宝.医学影像物理学[M].北京：人民卫生出版社，2004.

[5]崔金玉.关于物理学史恰当地引入到原子物理学教学中的思考[J].长春师范学院学报：自然科学版，2009，28（1）：99.