基于虚拟仿真技术的“原子物理学”教学改革与创新

郭泽平，魏代会

（广西师范大学 物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

“原子物理学”是应用物理学与物理学本科专业必修的课程之一。原子物理学与经典物理学研究的对象不同，经典物理学研究的是涉及力、热、光、电磁等的宏观现象［1］，而原子物理学则探讨物质的微观结构并以此来解释实验中观察到的宏观现象，其研究的对象是原子、原子核及基本粒子，它们的尺度通常小于10-10米（1埃），属于微观粒子，人们用肉眼观察不到它们，甚至借助精密仪器也很难观察到，只能通过一些实验现象推测出它们的形貌及运动特征。“原子物理学”作为承接经典物理与量子物理的桥梁，该课程的教学活动分别与经典物理与量子物理存在一些共性问题。例如，学生在学习本课程时仍然习惯用经典物理的理论和研究方法，对物理学微观世界的认识和研究方法存在一定程度上的不适应。本课程需要学生理解的物理思维和研究方法等方面的内容较多，学生通常缺乏足够的有效训练。一方面，随着实验研究手段的进步，人们研究和认识微观物质结构有了长足的进步。另一方面，由于一些专业教师的研究方向不一致以及学生接受新知识的能力等方面的原因，“原子物理学”课程在教与学的过程中存在一定的困难。

此外，原子物理学是研究微观物质量子力学理论的实验基础。利用原子物理中一系列的实验现象来构建量子力学的理论框架，在此框架下运用演绎的方法进行讨论和解释。原子物理作为当今许多高新技术发展的基础，其中的许多问题仍然是目前物理学领域研究的前沿课题。但由于其研究的是微观物理领域，与人们日常理解的宏观世界存在差异，导致学生学习原子物理学存在一定难度，尤其是对于师范院校物理学本科生而言，他们觉得学习原子物理学对于今后中学物理教学的帮助有限，因此往往缺乏学习这门课程的兴趣。

一、“原子物理学”课程教学现状及问题

“原子物理学”是一门理论和实验高度结合的综合性基础课程，是一个观察到新现象，发现原有的经典物理理论无法给出完美的解释，从而产生新的概念和物理理论，而新的物理理论又通过实验接受进一步的验证的生动课堂，有助于培养学生的科学质疑精神和创新思维及科研的训练。截至2022年，诺贝尔物理学奖已经颁发116次，其中超过半数的研究工作与原子物理、原子核物理和粒子物理等方面相关，这些工作都是著名的物理实验或与之相关的理论。讲授“原子物理学”课程要以这些物理学中著名的实验为基础，进一步将实验观测到的感性认识上升到理性认识，讲清楚这些著名的物理实验才能使学生对原子物理有深刻的理解，才能体会到物理实验的重要性。

在讲授原子物理学的过程中，应沿着近代物理实验这条主线，将教学的重点放在讲解近代物理实验的方法和发展脉络上，让学生全面掌握近代物理各个实验需要解决的问题，以及它们的实验原理、实验方法和结论，充分认识到原子物理学这座大厦并不是凭空建造的。只有弄清楚学科发展的因果逻辑，才能将看似零散的知识构建为完整的知识体系，以期达到教学目的，获得更好的教学和学习效果。但是各高校能开出的近代物理实验数目非常有限，我校目前能开出的与原子物理学内容相关的实验仅有密立根油滴实验（测定电子的荷质比）、弗兰克-赫兹实验（证实了原子能量量子态）、塞曼效应（证实电子自旋存在）、核磁共振实验，其他实验由于条件限制无法开设。

综上所述，原子物理学相对于经典物理来讲，在研究对象、研究方法、研究内容及研究思维等方面均有所不同，这些研究差异对于一直接受经典物理训练的学生而言，在教学接受度上有一定的困难。这些困难主要体现在：一是研究对象的不可直接测量和观测使得原子物理学中的物理模型和图像高度抽象，难以理解；二是课程内容介于经典物理和量子物理之间，要求学习者的思维跨度大，难以适应；三是课程的研究对象是微观物质世界，这对实验设备和实验条件提出了较高要求。

二、“原子物理学”课程在教学内容和教学方法上的改革

面对这些困难，需要我们有针对性地在教学实践中对教学内容和教学方法进行改革和尝试［2］。

（一）探索虚拟仿真技术辅助课堂教学方法，训练学生的创新思维和科研能力

虚拟仿真实验是一个网络虚拟实验系统，是以计算机为控制中心的，利用网络技术结合软件和硬件的实验方式，它满足自我设计和开发以及远程控制和协作的要求。自1989年提出以来，由于其灵活性、交互性、开放性等特点［3］，虚拟仿真实验随着计算机网络技术、人机交互技术和模拟技术的发展而迅速发展。虚拟仿真实验教学以信息技术的应用为基本特征，适应了信息时代高等教育开放和共享资源呼声日益高涨的要求。它为学生提供了先进的手段、开放的平台和高质量的资源，以进行探索性学习、独立实验和创新实践［4］。在提高人才培养质量的同时，促进了高校本科实验教学和实验室建设的发展与改革。目前，虚拟仿真实验室的建设在受到国内外大学高度重视的同时，面临着一些新的问题和挑战。目前，国内外一些高校在虚拟仿真实验室建设方面已取得了一些成果和经验。美国科罗拉多大学开设的PhET交互式虚拟仿真实验，通过构建一个结构化的虚拟实验室，为学生开展探究性学习提供实验条件，并帮助学生研究、分析和探索物理世界中各种感兴趣的问题。北京大学利用沉浸式系统，结合G－Motion光学位置追踪系统，构建了沉浸式虚拟现实展示交互实验室。清华大学通过搭建一面墙虚拟现实投影系统和多人异地协同设计工具，构建了成形制造模拟仿真三维虚拟现实实验室，应用于材料的快速成型与虚拟制造。2015年，为进一步促进教育信息化和学科与信息技术的深度融合，教育部提议继续建设国家级虚拟仿真实验教学中心，并鼓励高校之间共享实验资源。2017年开始，教育部相继开展了示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作，涉及化学、医学、生物、机械、交通等诸多专业的实验教学，成为推进现代信息技术融入实验教学项目、提升实验教学质量和水平的重要举措。2019年，在教育部发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》中提出，从2019年到2021年，完成1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程认定工作。虚拟仿真技术对高等学校各学科实验教学的发展带来了广泛影响，为传统的实验教学带来了新模式，为高等教育教学的开展提供了先进的手段。教育部在《大学物理实验课程教学基本要求》中明确提出，在教学模式和方法上要“充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术，营造多元化的教学模式”等基本要求。因此将虚拟仿真技术引入原子物理实验教学中，对促进“原子物理学”教学方法的改革具有现实意义。

由于原子物理学将微观世界作为研究对象，许多现象和原理在日常生活中没相关的场景和对应物，学生在第一次接触时不可避免地会感到抽象和难以理解。根据广西师范大学物理科学与技术学院的实际情况，我们注重利用信息技术来改革原子物理学的教学方法。根据课程特点，我们利用具有形象、信息丰富和交互式特点的虚拟仿真实验优势，创造感官逼真的物理环境，使学生可以更好、更直观地理解相关物理概念和理论内容，激发对原子物理学的学习兴趣，增强对微观世界的认识，为量子力学的学习打下坚实的基础。

本课程采用的教科书为杨福家院士著的《原子物理学》（第五版）。通过一系列重要的近代物理虚拟仿真物理实验，帮助学生获得更直观和生动的物理图像，主要内容如下。

第一章中的卢瑟福α粒子散射实验。通过虚拟仿真来演示α粒子散射实验，可以直观地了解α粒子散射，使学生更容易理解实验的仪器装置、实验过程、实验结果，更容易理解和掌握卢瑟福散射公式的推导。

第二章中的光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的建立和发展，以及揭示光的波粒二象性方面具有划时代意义。利用光电效应制造的光电设备已广泛应用于科学技术研究中，且仍在不断探索新的应用环境。通过光电效应实验可以理解光电效应的基本规律，可以用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。

第四章的斯特恩-盖拉赫实验，在电炉内使银原子蒸发，银原子穿过狭缝后，形成一束细光束，穿过一个抽真空的不均匀磁场区域，沿磁场垂直方向，最后击中相片P。显影后的图像中有两个黑斑，有力地证明了原子在磁场中的取向是量子化的。

第五章的电子填充壳层的模型演示。根据泡利不相容原理，每一个壳层及其支壳层所容纳的电子个数以及电子填充壳层的次序准确反映出，如果每一个周期都从电子填充新壳层开始，那么决定元素物理和化学性质的最外壳层的电子数将出现周期性，形象地解释了元素周期表的形成原因。

第六章的双偏振实验，虚拟无偏振特性的Х射线经过第一个散射体和第二个散射体后所呈现出的偏振特性，可以形象地说明Х射线是横波的特性。解释标识谱的产生机制的时候可以用电子和内层电子相互作用，生动形象地展示不同壳层电子填补某壳层同一空位时所辐射出的标识谱组成的线系情况，以及展示俄歇电子产生和光电效应中光电子产生的机理区别情况。

第七章的核裂变的液滴模型中，在裂变之前，原子核处于最低能量基态，呈球形。原子核中的质子和中子在不断运动，核子之间有核力，质子之间有库仑排斥力。中子轰击重核后，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡增强，原子核变成椭球，此时，原子核子之间的距离增加，核力减小，库仑排斥使原子核进一步增加，形成哑铃形状。当哑铃形状两端之间的库仑排斥力大于核收缩部分之间的总核力时，变形无法恢复，核分裂成两块，释放中子并释放能量。另外放射性核素的a、b、g衰变也可以采用虚拟仿真的形式来演示，对于学生理解放射性衰变规律和放射性机制有积极作用。

（二）虚拟仿真技术丰富实验教学内容，为地方高校实验教学改革提供了新思路

目前，高等教育已进入了从规模扩张到内涵发展的新发展时期。各地方院校面临着重新定义其在国家高等教育中的地位、争取更多教育资源、赢得更多教育市场以及在国家高等教育体系中占有一席之地的严峻局面。教学质量是学校发展的生命线，关注和提高教学质量是各地方院校应对激烈竞争的必要措施。作为当地高等教育质量保证体系的重要组成部分，实验教学质量相对较差，如何促进实验教学改革，更高效地提高实验教学质量，以便培养具有科学素养和创新意识的高质量人才，是地方院校的当务之急。由于学校的资金限制和地理限制，大多数地方院校的实验室和实践基地较少，设备和师资不足，学生的实验时间较短，实践能力较弱。基于虚拟仿真技术的实验教学可以多次重复，场景逼真，成本低，在发达国家广泛应用。虚拟仿真实验教学的发展为地方院校的实验教学改革提供了新的方向。通过虚拟仿真实验引入将要学习的物理新概念和新内容，将理论教学与实验教学有机地融为一体，改变了传统的实验教学模式，建立了在人才培养过程中具有较强推广价值的实践教学新模式，培养了学生的研究能力、创新意识和科学素养。

现代科学技术的发展离不开原子物理学作为基础支撑，而随着原子物理学的进一步发展，新的微观领域的知识被不断发现，这进一步促进了现代科学技术的进步。将这些最新的科技前沿知识引入原子物理学教学中，可以大大丰富教学内容。如：可以通过介绍激光产生的原理、特性及应用来引出原子能级概念和能量量子化的内容；通过介绍医疗中常用的CT技术增强学生对Х射线吸收和透射的理解；通过介绍目前国内外同步辐射实验装置和最新实验情况，加深学生对同步辐射内容的了解；在讲原子核内容时，可以讲核磁共振的原理以及其在医学上的应用等。建立理论知识与实际生活中事例的联系，不仅会使高深的物理内容更生动，培养学生对原子物理及微观物理领域的学习兴趣，而且可以让学生了解有关大型科研、医疗及工程仪器设备的工作原理，体会到科学技术与生产生活的高度融合，开阔视野，对学生创新能力的培养起到积极的促进作用。虚拟仿真技术也可以让实验不再受场地、设备等的约束和限制，通过虚拟仿真实验引入一些对实验条件要求较高的近代物理实验，如核磁共振、放射性衰变规律统计等丰富的实验项目，在相当程度上弥补了真实实验教学的缺憾，提高了实验教学效果。例如，α粒子通过物质时，主要是与物质的原子的壳层电子相互作用发生电离损失，使物质产生正负离子对，对于一定物质，α在其内部产生一对离子所需的平均能量是一定的。通过本实验，希望学生可以了解α谱仪的工作原理及其特性，掌握各种放射源在真空下的能谱图。

结语

无论从学生职业发展规划角度，还是从师范专业认证背景下对学生实践能力培养的角度，基于虚拟仿真技术的“原子物理学”教学改革与探索不仅为高校人才培养目标及创新型人才的培养提供了新的教学模式，而且符合我校物理学学科建设的目标和发展方向。以国家级虚拟仿真一流课程标准为指导，推动信息技术与教育教学深度融合，将“原子物理学”课程内容与虚拟仿真技术相结合，生动形象地呈现相关物理原理、物理图像、实验过程和物理意义，加深学生对原子物理知识的理解，建立物理学专业特色鲜明的原子物理学知识教学新模式。在培养学生创新能力的指导思想下，直面科技迅猛发展形势下所产生的人才需求的变革，及时对课程内容体系进行改革创新，丰富课程内容，反映前沿性和时代性，有力促进学生研究能力、创新意识和综合素质的提高。