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        原子物理學教學改革和學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究

        2016-11-04 23:07:13仝世紅
        科技視界 2016年23期
        關鍵詞:創(chuàng)新能力教學改革

        仝世紅

        【摘 要】為了提高原子物理學的教學效果、提高學生的學習主動性和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,本文分析了原子物理學課程的教學現(xiàn)狀,結合筆者多年的教學經(jīng)驗,探討了原子物理學課程的教學內(nèi)容、教學方法和考核方式,提出了筆者的一些看法和實踐經(jīng)驗。

        【關鍵詞】原子物理學;教學改革;考核方式;創(chuàng)新能力

        原子物理學是各高校物理專業(yè)的一門必修的專業(yè)核心基礎課,同時也是其他理工科專業(yè)必修的基礎課程之一,因為它不僅是學習量子力學和固體物理課程的基礎,也是學習激光原理、粒子物理、核物理、材料物理等課程和現(xiàn)代測試分析技術的基礎,而且隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,它的基礎地位和重要作用在光譜學、納米科學、材料科學、激光技術、能源科學、磁共振技術等相關學科和高新技術中也日益顯現(xiàn)。另外,原子物理學是以大量實驗為基礎發(fā)展起來的由經(jīng)典物理向量子物理過渡的一門課程,它的建立和發(fā)展體現(xiàn)了求真唯實的科學精髓,表現(xiàn)在每一階段的發(fā)展或理論的建立都源于實驗事實,又要接受新的實驗事實的檢驗,促使理論的確立、完善或新理論的提出,再不斷接受新的客觀事實的考驗……。所以原子物理學的講授過程中,必定滲透了一些物理學家們的物理思想和科學思維方法,能使學生受到啟發(fā),使他們的科學思維和創(chuàng)新思維得到訓練。因此,原子物理學的教學不僅是使學生獲得知識,為學習后續(xù)課程和從事相關工作或科研打基礎的過程,也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)的良好途徑。然而,實際教學情況如何呢?下面筆者對原子物理學課程的教學現(xiàn)狀、改革與實踐進行了分析與探討。

        1 教學現(xiàn)狀

        原子物理學的教學多半沒有發(fā)揮出這門課程的特點和優(yōu)勢。經(jīng)分析,主要存在以下幾個問題:首先,教材內(nèi)容陳舊,跟不上現(xiàn)代科技的發(fā)展。目前大部分的教材內(nèi)容都是反映20世紀30年代前后的知識,現(xiàn)代科技知識和科學前沿涉及太少或幾乎沒有。講授理論知識若缺乏實際應用的介紹,將會使知識僵化、知識面狹窄、難以激起學生的學習興趣。其次,原子物理學教學學時不斷減少(目前筆者所在院系原子物理學只有40學時),這將束縛教師的教學方法的施展。學時少了而內(nèi)容不減,要講完基本理論內(nèi)容已很緊張,根本沒時間進行內(nèi)容引申和相關應用介紹,要么也只能泛泛而談,多半不能起到引人入勝的目的。當然更談不上課堂上進行探究式和小組討論式教學了,這些方式是需要給予學生和教師足夠的時間的。為了趕進度,只能采取一貫的“教師講授,學生聽”的“滿堂灌”的注入式教學模式,這種模式在授課量上最高效,但是這種一成不變的教學方法很容易使學生在學習中產(chǎn)生倦怠。并且,這種模式會抑制學生動腦,使學生接受知識上變得機械,從而壓抑學生的創(chuàng)新思維,阻滯學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。第三,目前普遍采取的“平時成績(考勤和作業(yè))+期末考試”的考核方式太單一,不能調(diào)動學生的學習動力和熱情。不少學生潛意識里覺得學習就是為了考試,而這種考核方式,正好迎合了他們“平時不用學,考前好好奮斗幾天即可”的心理。并且容易滋養(yǎng)抄襲作業(yè)的不良風氣,因為對于平時不努力學習的學生來說,自己根本不會做或也不想做,顯然自己寫的作業(yè)沒有抄的等級高。第四,學生普遍存在厭學情緒(不僅原子物理課程教學中存在)。這歸結于大多數(shù)學生的中學階段都是在學校和家長的雙重高壓下完成的,一旦進入高校這種相對自由的環(huán)境,便猶如脫韁之馬,再加上電腦、手機、游戲等的誘惑,自制力差一點的學生很容易失去自我,更不說中學時就有老師和家長為了激勵學生好好學習,給學生灌輸“現(xiàn)在抓緊時間好好學習,等上大學了就可以好好玩一玩”這樣及其不正確的觀念了。厭學情緒的另一原因是專業(yè)所學與最終工作所需出現(xiàn)的差異,甚至完全不相關,導致部分學生產(chǎn)生了“學習無用論”,“考及格即好,多一分浪費,學習的時間還不如拿來多參加一些社團活動、做做兼職等來增強自己的社會實踐能力和表達能力,從而找個好工作”。

        面對如此多的教和學的問題,實際上這些問題也并不是獨立的,它們之間有些是相互造就的,因此,要培養(yǎng)出高水平、具有創(chuàng)新意識和科學素養(yǎng)的、適應社會發(fā)展和所需的高素質(zhì)人才,原子物理學的教學改革勢在必行。

        2 優(yōu)化和調(diào)整教學內(nèi)容

        1)把握原子物理學的知識點主線;去除繁雜的、晦澀難懂的理論推導,突出基本實驗、基本物理圖像、物理思想和物理模型;補充相關物理學家簡介和軼聞趣事,激勵學生努力學習、活躍課堂。

        首先,授課中要把握知識點主線。目前各大高校使用主要是褚圣麟和楊家福的教材,這兩個教材的編排都按照人們對原子的認識過程進行編寫的,先核外電子后原子核的順序進行的。我們以楊家福的教材為例,第一章從電子的發(fā)現(xiàn)和散射實驗引出原子的結構---盧瑟福核式模型;然后第二章、第四章、第五章介紹核外電子的運動,遵循由簡單到復雜的介紹方式,其中第二章先介紹核外只有一個電子的氫原子和類氫原子,接下來第四章介紹只有一個價電子的堿金屬原子,最后第五章介紹核外兩個電子的氦原子和兩個價電子的原子,最后推廣到多電子原子,總結出整個元素周期表的情況;之后第六章介紹內(nèi)層電子躍遷導致的X射線;接下來第七章介紹原子核物理概論;最后第八章介紹原子核能級分裂導致的超精細結構。這一主線符合人們對原子的認識過程。并且對每一章的介紹,都是以先介紹相關實驗、再提出理論、后又實驗驗證理論的順序進行的,這充分體現(xiàn)了求真唯實的科學精髓,易于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)。

        其次,還要注意知識點之間的聯(lián)系和過渡,而授課中主線知識點之間的細枝末葉過于繁雜的話,對初次學習的學生來說,很容易淡化或轉移對知識點主線和知識點之間的聯(lián)系與過渡的理解和把握,而切實感受到就是知識點難、雜、亂,從而理不清頭緒,喪失學習興趣。比如在介紹第一章時,對庫倫公式和盧瑟福散射公式的推導可略講或不講,因為這部分推導涉及數(shù)學知識多且復雜,尤其是在第一章一開始就遇到如此復雜的理論推導,很容易讓學生產(chǎn)生厭學情緒。對于這一部分,授課中重點介紹清楚散射實驗的裝置、過程和結果即可,當然為了突出散射實驗的重要性和引起學生的重視和興趣,可補充盧瑟福散射在材料表征等方面的作用。再比如第二章的重點是玻爾模型,圍繞玻爾模型的提出和驗證所涉及到的光電效應實驗、光譜實驗和弗蘭克-赫茲實驗應當被重點介紹,而被量子力學所否定的且對后續(xù)知識體系的理解無影響的索末菲的橢圓軌道理論等內(nèi)容可不講或提一提即可。等等。

        再者,量子力學本身抽象、晦澀難懂、推導計算復雜,若用量子力學進行詳細的解釋問題,則要涉及波函數(shù)、算符、力學量、薛定諤方程、微擾理論等復雜的量子力學知識,這會淡化和掩蓋了原子物理學的基本物理實驗、物理圖像、物理思想和物理模型,并且會打亂學生對原子物理學的知識體系和結構的掌握,以至于會使學生覺得這門課程抽象、難懂、摸不著頭腦,從而喪失學習興趣和動力。因此,在教學中一定要處理好二者的關系。筆者在教學中的做法是只講清楚量子力學的基本的概念、量子力學處理問題的基本思路和結論,能為后續(xù)學習量子力學埋下伏筆即可,因為更具體的知識后續(xù)課程量子力學會詳細講解,這樣做的目的是既不讓學生重復學習,提高學習效率,又能使學生對量子力學有個基本的感性了解,增強后續(xù)學習量子力學的動力,并且使學生易于接受原子物理學知識,在用到相關結論時不會覺得突兀。

        為了激勵學生努力學習,同時也為了活躍課堂,很有必要補充一些物理學家簡介及其軼聞趣事。原子物理學是一門以大量實驗為基礎的課程,涉及大量的知名的、有影響力的物理學家,且他們大多是諾貝爾物理學獎獲得者,顯然他們的事跡是很有說服力的,能給學生以啟發(fā)和激勵,而且課堂上對他們做介紹又順利成章,一點不會顯得為了活躍課堂而活躍課堂。比如在介紹光電效應實驗時,顯然會講到愛因斯坦,不可避免地提到他的著名的相對論,此時可引入他對“什么是相對論?”的俏皮解釋:“你坐在一個漂亮的姑娘旁邊,坐了兩個小時,覺得只過了一分鐘。如果你緊挨著一個火爐,只坐了一分鐘,就覺得過了兩小時。這就是‘相對論!”。這樣的素材很多,也很容易收集到,在此不在贅述。

        2)緊密結合科技前沿及應用,吸引學生對該課程的重視,增強學生的學習興趣和動力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)。

        隨著科學技術的高速發(fā)展,許多新的高新技術和科學前沿都用到了原子物理學的基本理論,而目前現(xiàn)有的原子物理學教材內(nèi)容大都比較陳舊,對科技前沿介紹的很少或者基本沒有,這就使理論和實踐脫節(jié),學生不能切實體會到原子物理學在今后學習和工作中的重要性,結果便是學習就是為了考試。若把一些相關的高新科技和科學前沿引入到教學中,不僅使教學內(nèi)容變得鮮活,而且使學生懂得學能致用,學習興趣自然而來,學習主動性自然提高,創(chuàng)新能力也能得以培養(yǎng)和鍛煉。那如何在教學中引入科學前沿和高新技術呢?筆者在教學中講到原子物理學的某個知識點時,便把與此密切相關的應用引入課堂。比如第一章講盧瑟福散射時,引入盧瑟福散射在材料表征上應用;講光譜的激發(fā)與發(fā)射時,引入光譜分析在目前一些熱門研究課題(如熒光粉材料、上轉換、下轉換材料等各種發(fā)光材料)中的應用,介紹進行光譜分析的一種重要測試技術—熒光光譜分析技術,具體給出某些熒光粉的熒光光譜圖,并講解如何分析譜圖,還可給出多種稀土離子的激發(fā)譜和發(fā)射譜圖,讓學生試圖分析若在同一基質(zhì)中摻雜兩種稀土離子,用何種光激發(fā),哪兩種離子配對時會在這兩種離子間產(chǎn)生能量傳遞?如何傳遞?如此講授,不僅加強了學生對激發(fā)譜和發(fā)射譜的理解,而且使學生切實體會到了學習光譜的重要性,還培養(yǎng)了學生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力,為以后做該方面的畢業(yè)設計打下了基礎。

        3)整合原子物理學課程和近代物理實驗為一門課程,增強學生對理論的感性認識,提高教學效率。

        原子物理學是以大量實驗為基礎的一門課程,很多與原子物理學密切相關的實驗(光電效應、弗蘭克-赫茲實驗、塞曼效應實驗等)在講授原子物理學都會作為重點進行介紹,然而在學習原子物理學時學生不能親自動手感受一下,只能聽老師課堂上用文字對試驗裝置、原理、過程和結果進行描述,因為包含這些實驗的近代物理實驗課程往往在學完原子物理學后一學期或后面第二學期才開設。這兩門課程不同時段講授的結果必然是:原子物理學課堂上學生不能感同身受,理解上必定存在一定困難,而等到做近代物理實驗時,課堂上學的那點理論知識也遺忘的差不多了,實驗時又需重新溫故,實驗效果也不佳。如果把兩門課程整合為一門課程的話,則原子物理學知識點教授可與近代物理實驗同步進行,不僅使理論知識和實驗緊密結合,增強學生對理論部分的感性認識,而且還節(jié)約學時,提高授課效率。比如在引入玻爾理論時往往要在課堂上先介紹三個背景實驗:黑體輻射實驗、光電效應實驗和光譜實驗,若實驗課和原子物理學整合的話,原子物理學講到這一部分時,可恰當?shù)陌才畔嚓P的近代物理實驗課,則原子物理學課堂上就不需重復介紹了。再比如在講授原子物理學中塞曼效應部分內(nèi)容時,可在塞曼效應實驗中同時完成理論和實驗的學習。這樣顯然不僅使學生易于接受知識,而且還節(jié)約了學時,可留有足夠的時間課堂上開展討論課和小組講述課。在原子物理學課程學時越來越少的情況下,為了提高教學質(zhì)量和效率,目前筆者已向所在院系申請極力促成這一建議。

        3 改革教學方法和手段

        在教學方法上,需打破老師動嘴學生聽的“滿堂灌”的教學方式,課堂上要適時開展啟發(fā)式、探究式、匯報式、討論式等多種互動方式;在內(nèi)容講授方式上,要注意分層次教學,杜絕所有內(nèi)容“千篇一律”的講課方式,授課中要明確重難點、有的放矢,重點掌握內(nèi)容要精講細講;理解性的內(nèi)容可講清楚物理思想和物理圖像;了解性的內(nèi)容以學生自主學習為主,老師可不講或只介紹知識點前后的關聯(lián)和授課的大概思路,為了督促學生養(yǎng)成自學和獨立思考的習慣,老師可設置幾個相關的問題,課下讓學生以分小組的形式查找、閱讀相關資料和討論,然后以作業(yè)的形式提交老師;在教學手段上,采用傳統(tǒng)板書和多媒體教學的有機結合,充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢。另外,結合教師研究項目,鼓勵學生參加到具體科研中來,提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力,加深對原子物理學課程的理解。

        4 考核方式改

        為了調(diào)動學生的學習積極性,督促學生“學習貴在平時”,要改變“一考定成敗”的學習評價模式,制定合理有效的考核評價方式是十分必要的。筆者建議提高平時成績比重到60%,當然不僅僅是提高分數(shù),也要增加平時成績考核的項目。平時對出勤(5%)、作業(yè)(10%)和聽課狀態(tài)(5%)(有無玩手機、睡覺等)的考核總分值占總成績的20%(傳統(tǒng)的平時成績一般為對這幾項的考核),其中考核出勤的必要性在于督促學生回到課堂,但有些學生是“人在曹營,心在漢”,所以對聽課狀態(tài)進行考核也十分必要。有必要的話還需強制要求,畢竟有古訓“嚴師出高徒”,所以筆者所在院校嚴格規(guī)定:無故缺課三次及以上、作業(yè)拖欠課程要求作業(yè)次數(shù)三分之一及以上者不允許參加課程結業(yè)考試,在此規(guī)定下,在加上出勤及做作業(yè)上的分數(shù)鼓勵,大部分學生在該方面的考核極佳。筆者引進了對小組作業(yè)講解的考核(10%),即對于作業(yè)的評講,老師當聽眾,讓學生分小組進行作業(yè)講述。為了杜絕有個別小組的成員偷懶、不積極準備,可采取老師隨機從該次講述作業(yè)的小組中隨機抽點講解人的方式,然后該次講解成績作為整個小組每人的作業(yè)講解考核成績,這樣每個人都會有一定的壓力。該方面的考核在筆者近兩年的實踐中取得了良好的效果,學生的積極性也非常高,不僅成功地“強迫”學生進行了有效學習,也使學生的表達能力和登臺發(fā)言的膽量得到了鍛煉。另外,平時考核增加對小論文寫作(15%)及分小組對某些與原子物理學密切相關的前沿問題的進展、應用及理解的課堂講述(15%)的考核,該方面的考核不僅加強了學生對課本知識及應用的理解,也培養(yǎng)了他們初步進行科學研究的能力,提高了創(chuàng)新能力,個別同學在小論文寫作及課堂講述前沿問題中就表現(xiàn)出了極其活躍的思維和相當有見地的表達,也有個別同學以極大的興趣參與筆者的科研課題(發(fā)光材料的制備及發(fā)光性能研究等),并發(fā)表了高水平的科研論文。最后對該門課程所學知識點進行一個總結性的結業(yè)考核即考試,主要考察學生對該課程的基本概念,基本思想、基本物理圖像及應用的理解和掌握情況。

        總的來講,這種考核體系貫穿了到了整個教學過程,不僅考察了學生的學習狀態(tài)和對知識體系的理解與掌握情況,也起到了有效督促學生在教學過程中自主進行學習的作用,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)。

        5 結論

        以上簡單介紹了筆者講授原子物理學課程的幾點探索和實踐,通過原子物理學的教學和實踐改革,能調(diào)動學生的學習積極性,培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和科學研究的能力。然而,原子物理學的教學改革是個不斷深化和改進的過程,更深刻更有效的教學改革需要我們在教學實踐中進一步探討。

        【參考文獻】

        [1]褚圣麟.原子物理學[M].北京:高等教育出版社,2012.

        [2]楊福家.原子物理學[M].3版.北京:高等教育出版社,2000.

        [責任編輯:田吉捷]

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