基于创新素质培养的原子物理学课程改革研究*

陈 琳，李 勇，黄 帅，肖政国

(铜仁学院大数数据学院，贵州 铜仁 554300)

1 引言

原子物理学是物理学、应用物理学专业的核心课程，如何提高教学质量、培养学生创新素质一直是广大高校物理教育工作者关注的热点问题。上世纪90年代初，喀兴林教授就提出原子物理学课程的现代化问题，指出该课程一些经典教材普遍存在“过分理论化倾向，内容显得比较陈旧”等现象[1]，此后不断有人从课程教学内容、教学模式和创新素质培养等方面进行改革探索[2,3,4,5,6]，例如张玉青等人在教学实践中增加了如原子冷却和囚禁、冷原子技术应用等教学内容[2]，李新等人专门讨论了原子物理学课程对学生创新精神和能力的培养[4]，所有这些课程改革研究无疑为提高我国高校的原子物理学课程教学质量提供了有益的思路。然而根据清华大学朱邦芬院士针对物理学专业核心课程教材多样性的一项研究，我国原子物理学课程的优质教材依然稀缺[7]，教学内容与原子物理学近60年的研究成果相差甚远，不利于学生创新思维和能力培养。在长期从事该课程的教学实践中，我们也尝试进行了原子物理学课程教学内容、教学模式、考核方式的改革探索，取得一定效果。

2 优化教学内容，培养创新意识

原子物理学自上世纪初建立以来，取得辉煌成就，作为一门课程，主要介绍人们在研究物质在原子层次的微观结构方面建立的一些基本理论、实验和应用，在物理学、应用物理学专业培养中具有重要作用。据统计，我国开设原子物理学课程的物理学、应用物理学专业的高校主要使用两本教材，其中43%的使用褚圣麟编写《原子物理学》，45%的使用杨福家的《原子物理学》。这两本经典教材基本反映上世纪70年代以前原子物理的研究成果，80年代以后的物理学研究成果在教材中没有充分体现出来，相比之下，国外一些同类教材则与原子物理的研究前沿结合得非常紧密[8,9,10]。基于上述原因，我们在教学实践中做了一些改革试验，将原子物理学和量子力学作为一个整体，重新优化整合教学内容，删减部分交叉充分和过于繁复的理论推导，增加部分过去教材中没有的新的重要研究成果，主要变化表现在：

（1）整合原子物理学和量子力学两门课程的教学内容，减少不必要的交叉重复，让学生了解更多前沿知识。在使用率比较高的《原子物理学》（褚圣麟）和《量子力学》（周世勋）两本教材中有很多重复内容，如黑体辐射、光电效应、解薛定谔方程、塞曼效应等，大约占《量子力学》的20%，重复内容占用太多课时，在学校大量压缩专业课程学时的大环境下，很多老师反映讲授原子物理学时只能讲解书上的一些基本内容，无法适当拓展让学生了解课程前沿发展动态。我们重新划分原子物理学和量子力学的教学内容，在原子物理学讲过的在量子力学中不再简单重复，需要在量子力学中讲的在原子物理学中不过多强调，比如我们在原子物理学中介绍波粒二像性不讲测不准原理，分别讲解电子波动性和电子显微镜、中子波动性和中子谱、原子束的波动性和原子干涉仪，在量子力学中则集中分析测不准原理；再比如薛定谔方程，原子物理学中介绍解氢原子的三维薛定谔方程，在量子力学中重点讲解无限深势阱和粒子囚禁、量子隧穿和扫描隧道显微镜、谐振子；再比如讲自旋，原子物理学中重点在塞曼效应、电子順磁共振，量子力学则讲解核磁共振、巨磁电阻效应。

（2）克服过分理论化倾向，注重理论的实际应用和前沿研究。正如喀心林教授所说，传统物理学教材注重数学推导的严密性和理论系统性，不利于发散思维培养，造成学习兴趣不足、知识应用能力差。教学中我们略去部分复杂的公式推导，而侧重于物理思想分析和理论应用。例如在讲解波粒二象性时，略去了用双缝干涉分析测不准原理部分，介绍德布罗意波公式后依次分析电子波、中子波、原子波的检验和应用；光电效应一节增加了光电倍增管，斯特恩-格拉赫实验一节增加原子分束技术、原子的选态分离技术，增加X射线在医学上的应用等，引导学生如何将基础理论应用于实际问题，了解原子物理研究前沿现状，培养学生创新意识和能力。

（3）教学内容不再以科学研究的历史为线索，而是按照原子结构层次，由简单到复杂的逻辑顺序，分析他们的相互作用、原子构成、能级结构、能级跃迁和光谱。在原子光谱部分，增加了多普勒频率展宽和自然跃迁展宽，克服只讲静止原子的中心频率的缺点，避免学生形成原子光谱就是一种单一频率的错误认识。

（4）增加科学史教育，培养学生批判性思维。在原子物理学发展过程中，没有任何一种理论是一蹴而就的，而是多种思想反复碰撞，经历一次又一次的肯定-否定-再否定-再肯定的认识过程才确立起来的。比如电子发现，发现阴极射线之后赫兹、勒纳等物理学家认为是电磁波，克鲁克斯、汤姆生等认为是带电粒子，无数次实验和论争，最终才由J.J.汤姆生确认是新的粒子；再如原子结构确立，发现电子后汤姆生提出蛋糕模型，长生伴太郎提出行星模型，卢瑟福等人通过多次粒子散射实验建立起原子核式结构模型。引导学生关注科学发现中的各种思想碰撞，培养批判性思维，激发学生进行科学研究的火花和创新灵感。

3 创新教学模式，培养科学研究方法

（1）探索项目驱动和小组讨论的教学模式，培养创新能力

传统的理论课教学信息流向是单向的，教学过程中学生参与度低，学习主动性不高。在优化教学内容之后，增加了很多应用性的内容，于是针对这些应用性的教学内容设置微型研究项目，例如弗兰克-赫兹实验的创新研究、斯特恩-革拉赫实验创新研究，激发学生对这些经典实验进行深入研究，并进行拓展性设计。通过实施课程项目，促使学生主动查阅资料，增强学生了信息收集能力、阅读能力、实验操作能力等。

小组讨论教学模式也可以在教学疑难环节设置讨论话题，让学生自己进行公式推导，或者是介绍某个问题的一种解决方法后启发学生发散思维，寻找其他解决办法。

（2）以问题为驱动激发学生求知欲。每个章节首先提出一个科学问题，引起学生兴趣，然后围绕分析问题、建立模型、形成理论、应用与推广开展教学活动，使每个章节的教学形成提出问题、分析问题、解决问题这样一个逻辑闭环。

（3）注重归纳法、演绎法和类比法等思维方法的培养。归纳法和逻辑演绎法是建立整个物理学宏伟大厦的核心思维方法，在原子物理学研究中体现特别明显。首先原子物理学实验都是从某种元素原子开始，然后换用其他元素原子，通过大量实验总结普遍规律，然后又将获得的普遍规律用于研究未知的原子，对已知理论进行检验和改进。这样一步一步地从个别到普遍、从简单到复杂、由此及彼推进对原子世界的认识。例如在原子结构认知过程中，先是从只有一个电子的氢原子入手，建立玻尔氢原子理论，然后建立量子力学普遍规律，再将量子力学推广到其他复杂原子。

4 实施多元化课程考核，推动学习方式转变

美国著名教育家布鲁姆将学习分成记忆、理解、应用、分析、评价和创新6 个层次，单一的笔试方式难以对分析、评价和创新能力进行评价。2018 年以来，我们针对本校学生学习兴趣不浓，学习能力差、创新意识淡薄等实际情况，制定了原子物理学过程考核办法，强化过程考核，推动学生学习方式转变。过程考核包括课堂讨论、课堂笔记、课后作业、阶段测试、课程项目5 个环节，其中课程项目又包括文献阅读、实验（计算）、撰写报告、汇报交流4 项内容。通过两年实践表明，学生学习效果已初见成效，基本杜绝上课玩手机、睡觉、逃课等现象，上课能够积极参与到教学活动中，考试成绩也逐年提高，今后主要是提高学生创新能力，通过课程项目实施科技创新。

5 总结与展望

原子物理学属于半经典、半量子的物理理论，衔接经典物理和量子力学及量子场论等。自19 世纪末电子发现以来，原子物理学研究极大地促进了人类文明进步，其中20 多项重要成果获诺贝尔物理学奖，人们在此基础上发现了小到夸克层次的物质结构，建立了量子力学、量子电动力学、量子色动力学等物理理论，并在精密计量、核能、激光、材料、医疗卫生等方面得到广泛应用，是物理学、应用物理学专业中最能体现科学创新的一门课程，在科学技术日新月异的今天，大学的原子物理学课程应适时更新教学内容，使其与学科发展紧密接轨，让学生充分了解其前沿理论和技术应用，加强教学过程中创新意识培养，提高人才质量。在长期教学实践中，我们参考其他学者的原子物理学教学经验，不断优化教学内容，积极探索小组讨论和课程项目驱动的教学模式，实施多元化过程考核，学习风气发生巨大变化，但仍处于改革起始阶段，课程项目的内容和形式还比较简单，多元化考核方法不够精细，还缺少学生创新成果作为有力支撑，这是我们需要继续努力的新方向。

一成不变的教学内容，枯燥乏味教学模式、传统单一的闭卷考试方法，难以激发学生的学习热情，不利于对学生能力进行科学的综合评价，因此改革教学内容、改进教学模式、探索非标准化、多元化的过程考核，并以此推动学生由被动学习向主动学习转变、由知识记忆型学习向知识创新型学习转变，是高等教育进行创新能力培养的关键环节，在新一轮旨在提高全国高等教育创新能力的改革中，一定会形成更多关于原子物理学教学改革的优秀成果。