“大学物理学”近代物理学篇章的总体教学和课程思政设计

何春凤，段 彬，白炳莲

（吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012）

引言

本文以张铁强主编的《大学物理学》（高等教育出版社）中的近代物理学篇章为研究对象，进行了整体教学和课程思政设计。该篇章包含《相对论》《波粒二象性》和《量子力学》三章，教学大纲的课时（含习题课）为20个学时，大纲要求掌握12个A级知识点，14个B级知识点。本篇章的整体教学设计注重章节之间的逻辑关系，在分章讲解内容之前给出了每个章节的基本核心内容及相互关系。课程思政设计以厘清为什么学、学什么、如何学、效果怎么样为目的开展，在教学目的、目标与方法、方法与策略等方面做了专项设计，旨在引起学生情感上的共鸣，有效激发学生产生学习内动力，达到“润物细无声”的课程思政教学效果［1-2］。

一、整体教学设计

教学设计的根本原则以提升学生逻辑思维能力的培养为目的。逻辑思维能力是学习能力的核心，选用科学的课堂设计策略能够优化教学效果，提高教学效益，进而打造高效率、高效益、高效果的课堂教学。

（一）近代物理学和经典物理学

物理学分为经典物理学和近代物理学两部分。从时间上来说，近代物理学的范畴以1895年X射线、1896年放射线和1897年电子这三大发现（均获得了诺贝尔物理学奖）为开端，由“万里晴空中出现的两朵乌云”（以太漂移和紫外灾难）诱发了经典物理学的传统观念危机，由此引发了物理学上的一场革命。量子理论和相对论是近代物理学的两大支柱。量子理论解决了物质运动的基本形态和物质的结构。相对论主要解决了时空的概念。波粒二象性在某种意义上是量子理论的进步，是量子物理学的前期定量的过程，是中间的过渡期。

（二）相对论

相对论是爱因斯坦总结前人的经验并做了一定创新的集成。他认为相对论分成两部分：一部分是1905年提出来的狭义相对论，主要解决了惯性系的问题，即物体相对运动的惯性系有没有优劣，也就是物理学的一个规律相对于不同的惯性参照系来讲会不会出现差异。爱因斯坦强调不同的惯性参照系没有优劣之分，而不是像牛顿所描述的需要有一个绝对静止的惯性参照系。但是狭义相对论并没有彻底解决问题，爱因斯坦得出狭义相对论之后，马上发现在现实世界中找不到这样的惯性参照系，因为我们生存的空间都有引力的作用，有引力就存在加速度，因此一定不是惯性系，所以爱因斯坦觉得自己没有彻底解决全部问题。1916年，爱因斯坦对非惯性参照系的问题做出了解释，建立了一个新的时空说法，即广义相对论。广义相对论较好地解决了非惯性系和引力之间的关系，建立了普适的时空观。

在讲解相对论的具体知识点时，要明确告诉学生应该从以把握相对论的基本观点为核心出发，通过熟练运用相对论的基本公式解决实际问题。相对论中的洛伦兹变换内容以事件为例进行推导，教师在讲授时，将事件以贴近学生生活的鲜活实例为例，学生接受起来更为容易。比如地面参考系发生的两件事，不再简单地叙述为事件1和事件2，而具体描述事件1为学生现在在教室上课，事件2为没来上课的学生此时在寝室睡觉。进而提出问题：宇宙飞船中的人（运动的参考系）是否认为学生正在上课和学生在寝室睡觉这两件事是同时发生的？宇宙飞船中的人认为我们在教室上完一节课的时间是多少？是45分钟（我们地球参考系认为的时间长度）吗？这样就自然引出了同时的相对性问题和动钟变缓的问题。在讲解相对论的时空观遵循洛伦兹变换时，可以通过实际化和日常化的实例，提高学生的兴趣，更易于被学生所接受。

（三）波粒二象性和量子力学

《波粒二象性》一章的核心是量子概念。1900年普朗克提出量子论，5年后爱因斯坦做了进一步的补充，提出光也是一种粒子，即光子的假说；之后康普顿通过实验证实了爱因斯坦的假说——传统的波具有粒子属性。但是，该粒子学说和牛顿的弹性小球假设在本质上是有差别的。传统的粒子，比如粉笔头、运动的小汽车，确切到微观上，比如电子、原子、分子等，我们都把它看作一个粒子、一个质点，但是借助普朗克和爱因斯坦提出的假设，通过反向思维，德布罗意提出传统意义上的粒子是否可以看作是一种波。任何一种物质都应该具有粒子和波动两种属性。如何让学生理解粒子和波动的两种属性是本章教学的根本问题。

课程导入和讲解完全按照历史的发展脉络，即按照时间的顺序（1900—1929年）讲述。通过特殊物理事件发生的时间，引领学生回顾历史长河中物理学的发展遇到的问题，以及这些问题是如何被发现和提出的，最后是如何解决的。这样的教学设计不仅使学生清晰地了解了教学内容，还对学生的思维能力训练非常有益。

阐述波粒二象性和量子力学两部分内容的逻辑关系。量子物理学是建立在波粒二象性的基础之上，研究微观粒子的运动规律。微观粒子的规律即波粒二象性。微观粒子不是单纯的一个粒子，更重要的是具有波动性，即对微观粒子的研究要采用波动的理论进行描述，这就是量子力学的核心思想。量子物理学往往在微观、原子、分子的结构内运用得比较充分，但是并不是说量子力学只适合微观世界，其在宏观世界同样适用，只不过在宏观世界里所表现出来的规律，采用传统的经典物理学就可以很好地表达，能够满足社会的需求。

二、课程思政设计

课程思政设计注重学生的自我体验和感悟，注重与教学元素相融合，由一个思政点到多个思政点，再到一条思政线和一个思政面，打造全方位多维度的课程思政体系［3］。思政元素的设计应避免“生切和嫁接”，以对课程内容的重构再造为基础，将挖掘的思政元素有机融合到课程设计中。课程设计尤其注重给学生带来的变化和与学生情感上的共鸣，让学生能够自然地接受，进而有效激发学生的学习主动性，达到“润物细无声”的课程思政效果，实现思想政治教育和知识教育的有机统一，育人和育才统一。

（一）相对论课程思政设计

在讲完《相对论》一章的内容后，布置了一项作业。作业的内容设置如下：相对论的基本假设之一是所有惯性系在物理学领域都是等价的。针对上述教学内容，你有什么关于生活和人生的思考呢？谈谈你的想法。胡同学说：“在学习了相对论的原理方法之后，我对人生和时间的概念有了更深刻的感悟。看上去变慢的时钟，只是因为观察的角度不同，而在相对的时空里，它仍然在以不可抗拒的速率转动。今夕复何夕，共此灯烛光。我从时光的缝隙中窥见一丝人生的真实质地，它清澈又冰冷，满怀温情却又遵循规律，这是让我们要更加惜时！”徐同学说：“现在的我相对于大一的我，本身并未改变，但知识的储备量及对人生方向有了不同的见解。从另一种意义上来说，我并不是之前的我，我比之前变得优秀了，我也会在以后的日子里不断丰富自己的知识，早日对社会做出贡献。”杨同学说：“相对论的同时的相对性，让我想到，人生中不一定所有事情都是按照因果律，按照你的想法去发生的，可能会有意想不到的结果，我们对此要做好充分的心理准备。另外，物理世界的奥妙值得我们继续探讨，感觉好玄乎，又好吸引我们。”高同学说：“一个物体的长度、时间变化，在不同的参考系下都会不同，就如同不同人眼睛中的自己一样，亦会是不一样的存在，我们无法在不同的参考系或时空中取得完全相同的人身，所以活出自我，活在当下，努力过好自己认为不留遗憾的人生。”从学生的反馈来看，《相对论》章节的课程思政达到了润物无声的效果。

（二）波函数和概率密度课程思政设计

课程思政设计首先从讲述波函数的概率解释的历史地位入手，结合概率解释的假设成立的内在理论逻辑、历史逻辑和实践逻辑，培养学生科学认知世界的精神、科学思维方法和逻辑思维能力。概率解释是量子力学的五大基本假设之一。在物理学中，定律、公理、假设的正确性是由实验或日常经验证明的，这些结论不是经过数学运算推导得出的。在使用时，可以先假设它们是正确的，再以此为基础经过数理逻辑推理后建立起相应的理论体系。如果这套体系能够解释实验现象，预测实验结果，就认为在一定范围内这些假设具备了正确性。虽然现在我们查阅史料，找不到波恩当初到底是根据什么思维逻辑提出的概率解释，但是他所推导出来的理论，经过后人的实验证明了其可用性，是正确的。

（三）薛定谔方程课程思政设计

1.从薛定谔方程的地位说起。薛定谔方程在物理史上具有伟大的意义，被誉为十大经典公式之一，是世界原子物理学文献中应用最广泛、影响最大的公式，是量子力学最基本的方程之一，描述了量子态的动力学规律。薛定谔方程常常被比作量子力学中的牛顿第二定律。薛定谔作为爱因斯坦的忠实支持者，建立此方程的本意是为了反击哥本哈根学派的海森堡的观点，然而薛定谔没有想到自己的方程和“薛定谔的猫”的思想实验促进了量子力学的发展。薛定谔为全人类、全世界的发展贡献了自己的智慧和力量。这是以学科的模范典型人物的开拓创新精神来开展课程思政设计的。

2.讲解薛定谔方程的出现是历史的必然。讨论薛定谔为什么会得出一个不同于牛顿力学的方程。直接原因是微观粒子的运动规律无法用牛顿力学来描述。通过实验发现，电子和光子在不受力时，既不静止，也不匀速直线运动。这是一个很尴尬的事实，这说明牛顿力学是不完备的，是有缺陷的，即牛顿力学的适用是有局限性的。人们想要利用微观世界，就必须理解微观世界，掌握微观世界的规律，同时提出一个全新的理论来解释微观世界的实验事实，因此薛定谔方程应运而生。但是薛定谔方程也有其局限性，它没有考虑速度，而很多微观粒子都是在接近光速运动的，因此，相对论效应绝对是不可忽视的。这些物理学史本身就是课程思政点，告诉学生要坚持用与时俱进和科学的批判眼光看待世界万物，同时，课程思政设计意在告诉学生要在思想的传承中开展科学研究。

接着讨论以下两个问题：一是求解薛定谔方程能得到哪些有用信息；二是薛定谔方程本身的含义是什么。通过回答这两个问题，自然会追溯到一个根本问题：进入量子力学的正确思想准备是什么。在量子力学中，我们熟悉的经典力学量信息在何处。毕竟宏观世界与微观世界不是割裂的，所以在经典力学中能得到的信息，在量子力学中也必然包含，即经典力学量的信息都以概率形式被包含在波函数当中。换言之，波函数不是一个具体的物理量，其包含了所有经典力学量的概率信息，也就是波函数概率解释的内在本质逻辑关系。同时，讲清楚抽象的概念和深奥的理论也是课程思政的内容。

（四）隧道效应课程思政设计

本部分的课程思政设计围绕内容本身富含的中华民族的文化要素开展。隧道效应的直接应用是扫描隧道显微镜（STM）。扫描隧道显微镜是在1982年由IBM苏黎世实验室研制成功的，STM的问世实现了人类直接观察原子与分子的梦想，发明者也凭此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。通过扫描隧道显微镜可以实现对原子的操控，通过展示图片，学生看到了真正的微观世界，激发他们从事科学研究工作的信心。通过图1所示的“中国”字样扫描隧道显微镜照片，进行潜移默化的爱国主义教育，激发学生的爱国情怀，增强课堂的育人效果。

图1 扫描隧道显微镜成像

（五）氢原子课程思政设计

通过定态薛定谔方程对氢原子进行求解，采用定量计算方法，将所得出的结论与玻尔的假设进行对比，对玻尔的部分工作予以肯定，同时指出波尔对角动量的计算结果有待完善，引导学生用批判的眼光看待科学的发展。

氢原子的径向波函数电子云是薛定谔在德布罗意关系式的基础上做了适当的数学处理后给出的解。解做了数学处理之后用三维图形表示出来就是电子云。整个脉络告诉学生任何成绩和成果的取得不是一个人的贡献，而是在前人工作的基础上获得的，借此培养学生的感恩之心。

结语

本文通过丰富的课程教学设计打造了高效率、高效益、高效果的课堂，实现了“大学物理学”近代物理学篇章立德树人的时代使命。