學(xué)生創(chuàng )新精神物理學(xué)論文
一、整合知識體系，實(shí)現原子物理學(xué)課程教學(xué)內容的現代化，培養學(xué)生的創(chuàng )新精神
傳統的原子物理學(xué)教科書(shū)大多按照歷史發(fā)展的時(shí)間順序，即按照人類(lèi)認識原子世界的具體過(guò)程，從“光譜”這一概念入手組織教學(xué)。這種教學(xué)的特點(diǎn)是以光譜實(shí)驗事實(shí)為主線(xiàn)，以玻爾的舊量子論為重點(diǎn)，用半經(jīng)典半量子論的方法講授課程。但是對于這樣的教學(xué)內容和教學(xué)安排，學(xué)生并不容易掌握，而且讓學(xué)生花費大量的時(shí)間掌握這些不易理解最終又要被量子論修正的理論，看起來(lái)確實(shí)是沒(méi)有必要的。因此傳統的教學(xué)內容有些陳舊并且不易理解，也不能及時(shí)反映現代物理理論和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新水平，因此必須用新觀(guān)點(diǎn)和新思想重新組織教學(xué)內容，以全新的角度構建這門(mén)課程的知識體系。在材料物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生原子物理學(xué)的教學(xué)中，可直接用量子力學(xué)的理論研究原子結構及其運動(dòng)變化規律。原子中電子的運動(dòng)都遵循著(zhù)量子力學(xué)的理論，而傳統教學(xué)中以學(xué)生不好理解的舊量子論為基礎，再用量子力學(xué)修正的做法并不符合學(xué)生的認知規律。因此可以直接用量子力學(xué)的理論來(lái)研究原子結構及其規律[1]，而將舊量子論僅僅作為一種鋪墊。實(shí)際教學(xué)中，可以先簡(jiǎn)明扼要地介紹舊量子論的核心內容，而不必過(guò)多講授軌道的概念�？梢詣h除橢圓軌道理論和堿金屬原子的原子實(shí)極化和軌道貫穿等內容。這樣就實(shí)現了原子物理學(xué)課程知識體系現代化的第一步，用最新的量子力學(xué)理論成果講述原子中電子的行為。量子力學(xué)理論是從特有的波函數、哈密頓算符以及薛定諤方程等形式化的理論，以高度濃縮的數學(xué)形式借鑒了各學(xué)科的研究成果，從而形成了一套獨特的理論體系。實(shí)際講授中可以薛定諤方程為主線(xiàn)，由薛定諤方程引入微觀(guān)粒子的波函數，建立二階偏微分方程，從而定量描述微觀(guān)粒子客體的運動(dòng)規律。一方面，根據不同的勢能表達，建立各種原子的薛定諤方程并求解，向學(xué)生闡述這些解的物理意義，并與實(shí)驗事實(shí)相對照，從而加深學(xué)生對原子結構的認識，進(jìn)而把握原子內部結構的變化規律。另一方面，要突出德布羅意物質(zhì)波的統計解釋。傳統教學(xué)內容總是先從經(jīng)典物理學(xué)的角度和觀(guān)點(diǎn)看“粒子”和“波”這兩個(gè)概念，指出二者之間的相互排斥性，然后再引出微觀(guān)粒子的波粒二象性，并強調波粒二象性是微觀(guān)粒子客體區別于宏觀(guān)客體的一種屬性。這種講法常常會(huì )使學(xué)生產(chǎn)生困惑，覺(jué)得微觀(guān)客體很不可思議，超過(guò)了他們的認知和理解范圍。因此在講授時(shí)可以直接給出對德布羅意波的正確解釋?zhuān)U明微觀(guān)粒子的波動(dòng)性并非指粒子和波一樣彌漫到整個(gè)空間，它本質(zhì)上是粒子位置分布的一種概率波。為了更好實(shí)現教學(xué)內容的現代化，還應當在教學(xué)中穿插關(guān)于物理學(xué)前沿知識的專(zhuān)題，介紹近代物理學(xué)中和原子物理相關(guān)的最新發(fā)展和高新技術(shù)。在講授某些概念和原理時(shí)，可適當介紹最新應用成果和科技前沿。例如在講授原子的能級和激發(fā)時(shí)，可以詳細介紹激光產(chǎn)生的原理、特性以及應用等；在講到隧道效應時(shí)，可以介紹掃描隧道顯微鏡的原理及其發(fā)展；在講授X射線(xiàn)的吸收和透射時(shí)，可以介紹在醫學(xué)診斷和治療中具有廣泛應用的CT技術(shù)。增設這些前沿內容，一方面是為了加強理論知識與實(shí)際的聯(lián)系，使內容變得生動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習興趣，另一方面可以讓學(xué)生體會(huì )到當今科學(xué)與技術(shù)、生活的高度融合，開(kāi)擴他們的視野，激發(fā)他們的創(chuàng )新熱情。原子物理學(xué)的發(fā)展伴隨了20世紀物理學(xué)的發(fā)展，并且隨著(zhù)新的實(shí)驗發(fā)現、新模型新理論的建立而不斷深入[2]。從歷史上看，原子物理學(xué)的每次重大突破，都經(jīng)歷著(zhù)非常復雜曲折的過(guò)程，同時(shí)閃耀著(zhù)物理學(xué)家創(chuàng )新精神的光芒。在課堂教學(xué)中，教師可以結合現代化的教學(xué)內容，抓住典型的歷史案例進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生了解到科學(xué)探究過(guò)程的艱辛，體會(huì )創(chuàng )新精神的可貴性，并學(xué)習科學(xué)家們?yōu)榱颂角罂陀^(guān)世界真理不畏艱辛、執著(zhù)追求的科學(xué)品質(zhì)和創(chuàng )新精神。
二、實(shí)現教學(xué)方法的現代化，突出學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，培養學(xué)生的創(chuàng )新能力
教師教學(xué)的主要任務(wù)是傳授知識同時(shí)引導學(xué)生入門(mén)，為了更好地突出學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性和培養學(xué)生的創(chuàng )新能力，教師有必要改進(jìn)原有的教學(xué)方法。除了教師講授、學(xué)生聽(tīng)講的傳統教學(xué)方式外，還必須引入更加現代化的教學(xué)方式進(jìn)行有益的補充[3，4]。在原子物理學(xué)課程的教學(xué)中，近代物理實(shí)驗應當占有舉足輕重的地位，很多重要的理論和結論都是由實(shí)驗直接引出的。因此要特別重視近代物理實(shí)驗，課堂教學(xué)時(shí)可以結合近代物理實(shí)驗，如夫蘭克—赫茲實(shí)驗、塞曼效應等。在實(shí)驗演示中，可以增強學(xué)生對微觀(guān)世界的認識，為他們提供更好的認識微觀(guān)世界的途徑。同時(shí)，在現有的實(shí)驗條件允許時(shí)，可以讓學(xué)生先動(dòng)手做實(shí)驗，然后針對實(shí)驗結果進(jìn)行分析，總結規律，從理論上給予解釋?zhuān)瑥亩由顚W(xué)生對書(shū)本知識的認識和理解。在此過(guò)程中，可以給學(xué)生創(chuàng )造機會(huì )重現當年物理學(xué)家們探究的過(guò)程，讓學(xué)生能夠親身參與科學(xué)實(shí)驗與探究的過(guò)程，從而培養學(xué)生的創(chuàng )新思維能力。另外可以指導學(xué)生撰寫(xiě)與課程相關(guān)的小論文，幫助培養學(xué)生的創(chuàng )新能力。學(xué)生撰寫(xiě)的小論文，作為平時(shí)成績(jì)的一部分，計入學(xué)生的總評成績(jì)。論文的題目可以圍繞原子物理學(xué)的基本規律和應用，由學(xué)生自己選題、搜索資料并獨立撰寫(xiě)。不僅可以激發(fā)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，拓寬他們的知識面，還可以培養學(xué)生獨立思考、勇于創(chuàng )新的品質(zhì)。在這種教學(xué)過(guò)程中，可以充分體現教師引導、學(xué)生為主體的教學(xué)理念和方法，加強學(xué)生在專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習中的主觀(guān)能動(dòng)性，同時(shí)有意識地培養他們的創(chuàng )新能力。
三、實(shí)現教學(xué)手段的現代化，為學(xué)生創(chuàng )新精神和能力的培養創(chuàng )造情境條件
原子物理學(xué)課程的內容包含的信息量較大，尤其是需要運用深奧的數學(xué)公式處理問(wèn)題，因此計算量大，而且物理圖像也比較抽象，學(xué)生往往受此困擾對該課程的學(xué)習產(chǎn)生畏難情緒。如果學(xué)生有畏難情緒，那么會(huì )缺乏學(xué)習的主觀(guān)能動(dòng)性，這對學(xué)生的學(xué)習、創(chuàng )新精神和能力的培養都是非常不利的。為了解決這一問(wèn)題，可以利用現代化的教學(xué)手段，編輯圖文、聲音、視頻并茂的多媒體輔助課件，使抽象的物理過(guò)程和物理圖像能夠形象化[5]，并且可以通過(guò)交互式的教學(xué)方法，增進(jìn)師生之間的互動(dòng)與交流。制作電子教案，采用多媒體手段輔助課堂教學(xué)，可以在教師講授時(shí)創(chuàng )造相關(guān)物理情境，讓學(xué)生可以暢游在物理學(xué)的海洋中，從中汲取有益的信息。例如在講到盧瑟福散射實(shí)驗時(shí)可以介紹散射技術(shù)的背景和儀器設備；介紹隧道掃描顯微鏡，可以用多媒體課件展示最早的排列原子的“IBM”圖片。通過(guò)這種直觀(guān)的展示，能夠讓學(xué)生在課堂隨時(shí)感受科學(xué)的魅力，增強他們學(xué)習的興趣，也增強他們對創(chuàng )新的渴望和動(dòng)力。另外可以建立課程的教學(xué)網(wǎng)站，作為對課堂教學(xué)的補充，在課堂之外提供給學(xué)生更多和更生動(dòng)的學(xué)習資源[6]，同時(shí)可以增設留言板，進(jìn)一步加強師生之間的互動(dòng)和交流。在這些現代化的教學(xué)輔助手段下，學(xué)生有機會(huì )接觸更多的知識，更多地思考與課程相關(guān)的內容，為學(xué)生創(chuàng )新精神和能力的培養創(chuàng )造客觀(guān)條件。原子物理學(xué)是20世紀物理學(xué)中最重要的組成部分之一，它的發(fā)展是眾多物理學(xué)家的思想結晶，其中包含著(zhù)十分豐富的物理文化內涵。任課教師在傳授知識的同時(shí)，應充分開(kāi)發(fā)原子物理學(xué)作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課程對學(xué)生的教育功能，通過(guò)課程教學(xué)內容、教學(xué)方法、教學(xué)手段的現代化更好地培養材料物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生的創(chuàng )新精神和創(chuàng )新能力。
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