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原子物理学教学方法

时间:2022-10-07 18:34:18 物理学毕业论文 我要投稿
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原子物理学教学方法

  原子物理学教学方法【1】

原子物理学教学方法

  摘 要:原子物理学是物理学专业的一门重要必修课,也是核科学与技术专业重要的专业基础课。

  针对教学中实际问题及学生意见的反馈,结合原子物理学教学实践,进行教学方法上的探讨和尝试,初步提出了原子物理学的教学方法。

  关键词:原子物理学 教学方法 量子理论

  原子物理学是研究原子结构、运动规律及相互作用的学科,是物理学专业的基础课程,也是核类专业重要的专业基础课程,上承经典物理学,下接量子力学和原子核物理等重要课程。

  相比经典物理学课程原子物理学有很大差别,首先,原子物理学课程不像普通物理学课程从基本物理概念和物理规律出发进行严密的理论运算推导得到更普遍的基础理论,而是遵循从实践出发―理论模型建立―实践检验的认识过程,应用更多的是总结、归纳的方法;其次,研究对象是微观体系,而学生对微观现象缺乏直观的感性认识。

  正是由于这些差异,大部分学生在学习中感觉原子物理学知识点凌乱,理不清头绪,导致不能巩固和深化所学知识。

  因此,在教学中如何激发学生的学习兴趣,引导学生把握课程主线,认识原子运动规律,形成新概念,进而培养学生自学能力、思维能力、研究能力等成为原子物理学教学中需要探讨的问题。

  本文针对褚圣麟先生教材《原子物理学》的教学浅谈个人教学过程中的认识。

  1 学习兴趣的培养

  学习兴趣指一个人对学习的一种积极的认识倾向与情绪状态。

  学生对某一学科有兴趣,就会持续地专心致志地钻研它,从而提高学习效果。

  学习兴趣既是学习的原因,又是学习的结果。

  由此,培养学生最初的学习兴趣,促进学生在学习中找到乐趣,由被动的学习转变为主动学习、好学、乐学,在培养学生的自学能力过程中具有重要的意义。

  如何培养学生对原子物理学学习的兴趣,笔者从教学实践中总结如下几个方面。

  1.1 结合物理学史增强学习内容的趣味性

  原子物理发展史料丰富,若将史料运用于原子物理教学中,将起到事半功倍的效果。

  在授课中将原子物理学发展史融入知识的传授可增强学习的趣味性。

  如电子发现最早进行试验的并不是汤姆逊,试验结果最精确的也不是汤姆逊,但汤姆逊是第一个敢于突破常规认识而提出新粒子是电子的人,这一简介让学生明白科学研究中要尊重科学事实,敢于突破传统认识;讲述量子化概念提出时介绍普朗克为解释黑体辐射提出量子化概念的历程,由于这一崭新理论与经典理论的冲突,普朗克本人也不是特别坚决,此后他曾试图放弃量子论,用经典物理学方法重新解决黑体辐射问题,但均未成功,让学生认识科学发展中开创性革新的不易。

  可以说原子物理的发展中,充满对已有思想观念的颠覆和新思想的建立,这些都需要科学怀疑和批判精神,充分说明科学无绝对权威,科学怀疑精神和独立思考是科学进步的动力。

  通过物理学史的介绍,能在课堂上吸引学生的注意,使课堂气氛活跃,激发学生对原子物理学的兴趣,在轻松快乐的氛围中学习,同时学习科学的批判精神,培养学生创新能力。

  1.2 结合课程内容介绍原子物理学中的难题激发学生钻研兴趣

  好奇心和探索欲望是科学研究的原动力,在教学中通过介绍课本中出现而尚未完全认识明白的物理概念、物理问题,能极大激发学生的认识和探索欲望,教师可引导学生对相关问题的研究现状进行调研并汇报,在这一过程中既能促进学生了解学科的研究前沿,也能使学生加深对基本物理概念、原理的认识,同时有助于培养学生的实践能力和初步的科研能力。

  在原子物理学教材中有不少世界性的难题,如,在索末菲椭圆轨道理论和相对论效应中提出的精细结构常数所包含的物理含义、数值为什么刚好约为1/137;为解释光谱精细结构产生而引人的电子自旋的概念人们是否已经完全认识清楚等,这些问题在教学中可充分利用,调动学生的探索欲望,激发学生的钻研兴趣。

  1.3 结合物理学发展前沿介绍激发学生研究兴趣

  原子是从宏观到微观的第一个层次,物质世界各个层次的结构和运动变化相互联系、相互影响,很多其他重要学科和技术的发展以原子物理为基础,在课程教学中结合课程内容穿插原子物理学与相关学科的交叉及原子物理学发展的前沿介绍,可激发学生学习兴趣和钻研热情。

  如讲述α粒子散射实验时,介绍原子碰撞研究方法已经发展成为一个重要的研究方向,涉及各种基本粒子与原子和分子碰撞的物理过程等;讲述激光原理时,介绍激光技术的发展及其对原子物理学发展的促进,介绍我国激光领域研究的国际地位等。

  学科前沿的介绍能帮助学生认识学习本学科的社会意义及其与个人的关系,有助于激发学生学习的社会责任感。

  2 把握课程主线

  原子物理学的内容不像经典物理学具有严密的逻辑体系,因此在教学中拎�课程的主线有助于学生系统的掌握课程的知识内容。

  对原子结构的认识发展,课程以光谱分析法为主线:从原子光谱规律出发,原子光谱规律的变化可以反映出原子内部能级的特点,进而探究原子内部的作用及其规律。

  对原子内部作用的认识,课程以量子力学中的角动量概念为主线:从玻尔氢原子理论的角动量量子化假设的提出,到单电子的轨道角动量与自旋角动量的耦合解释精细结构的产生,及两个电子体系的LS耦合和JJ耦合等,并进一步明确角动量与磁矩概念的对应,角动量耦合的本质是粒子间电磁相互作用,自旋和轨道运动的相互作用引起原子能级的分裂和塞曼效应能级分裂在本质上是相同的。

  3 讲清基本概念

  杨福家先生提出了原子物理学教学要注重“培养智能”,课程讲述做到“言犹未尽”,“既讲清楚又不讲清楚”。

  这也就要求老师要把握课程教学中哪些要讲清楚,哪些可不讲清楚。

  对基本概念和基本物理模型我们要力图阐述清楚,如,原子结构模型的提出,从背景到实验过程、理论推导和实验验证给出了详细的讲解,而其中卢瑟福散射理论公式(散射角与瞄准距离关系式)的推导可以引导学生自己在课余推导。

  又如,原子空间取向量子化概念,学生刚接触量子理论,很容易将角动量量子化与取向量子化混淆,讲解中要让学生理解取向的概念即矢量方向的描述,讲清了这个概念有助于对史特恩-盖拉赫实验的理解,而实验中偏转位移公式的推导可以留给学生自己完成等等。

  根据原子物理学的特点,在教学中要努力贯彻启发式教学原则,倡导学生加强课外阅读,进行读书报告、讨论等多种教学模式有机结合,对提高原子物理学教学是非常必要的。

  参考文献

  [1] 丁肇中.论科学研究的原动力―好奇心是科学研究的原动力[J].上海交通大学学报:哲学社会科学版,2002,10(4):3-5.

  [2] 杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.

  [3] 褚圣麟.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.

  原子物理学教学研究与实践【2】

  【摘 要】本文分析了原子物理学教学现状,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。

  【关键词】原子物理学教学;教学内容;教学方法

  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。

  【参考文献】

  [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.

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