近代物理實驗教學(xué)

呂立君，于曉東

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

眾所周知，在近代物理學(xué)的發(fā)展過程中，兩個重要的物理實驗與經(jīng)典的物理學(xué)理論尖銳矛盾，一個是黑體輻射中的紫外災(zāi)難（ultra-violet catastrophe），另一個是邁克爾遜A.A.Michelson-莫雷E.W.Morley實驗.它們導(dǎo)致量子理論和相對論的建立，開創(chuàng)了近代物理的新紀(jì)元.Einstein提出的狹義相對論，改變了Newton力學(xué)的絕對時空觀，而量子理論則涉及物質(zhì)運動形式和規(guī)律的根本改變[1-3].量子理論不僅能夠揭示極為廣泛的自然現(xiàn)象，同時還引發(fā)了極為廣泛的新技術(shù)上的應(yīng)用.近代物理理論和技術(shù)的應(yīng)用推動了原子物理、核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理和天體物理等的研究，產(chǎn)生了半導(dǎo)體、核工程、激光等新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù).這些新技術(shù)在能源、材料、工程技術(shù)、工農(nóng)業(yè)、國防、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用.縱觀物理學(xué)的發(fā)展過程，實驗始終是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，能夠創(chuàng)造新知識、產(chǎn)生新技術(shù)，是培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)、分析解決問題能力、實踐能力和實驗技能的重要環(huán)節(jié).但學(xué)生不重視實驗課程，動手能力和主動性較差，個性和潛能不能充分發(fā)揮，因此我們嘗試推進(jìn)近代物理實驗教學(xué)改革.

2 合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容 突出思想方法和現(xiàn)代實驗技術(shù)

近代物理學(xué)的兩大支柱-量子論和相對論，前者研究微觀粒子的統(tǒng)計行為，后者則研究高速（接近光速）運動物體的行為，許多經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律已不再適用，兩者在生活中又沒有相應(yīng)的模型與之對應(yīng)，因此研究過程離不開新的物理思想、方法和現(xiàn)代測量技術(shù).近代物理實驗課程，目的是使學(xué)生掌握先進(jìn)的研究問題的思想、方法、技術(shù)和手段，跟蹤最新科學(xué)研究動態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維品質(zhì)，造就高素質(zhì)人才.我們在近代物理實驗項目建設(shè)過程中，經(jīng)充分論證，設(shè)置了黑體輻射、弗蘭克-赫茲實驗、X射線物象分析、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、微波測量技術(shù)、激光拉曼、塞曼效應(yīng)、鈉原子光譜、核磁共振等12個必修項目，另外我們正在積極建設(shè)原子核物理技術(shù)實驗-快速電子的動量與動能的相對論關(guān)系實驗項目.這些實驗包括了近代物理學(xué)發(fā)展過程中具有經(jīng)典性、物理思想影響深遠(yuǎn)的物理實驗，體現(xiàn)實驗技能和現(xiàn)代測試技術(shù)的實驗及現(xiàn)代理論、現(xiàn)代新技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的實驗，使學(xué)生掌握基本理論、研究問題的思想方法和高級實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維意識、創(chuàng)新能力、分析解決問題能力和自主研究問題的興趣與能力.

3 合理選擇教學(xué)方法 培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)

近代物理實驗課程是物理學(xué)專業(yè)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)高年級學(xué)生的必修課程，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維品質(zhì)和科學(xué)素質(zhì)，提高學(xué)生科學(xué)認(rèn)知的水平和能力.12個近代物理實驗項目中涉及到原子物理實驗、X光技術(shù)、微波技術(shù)、磁共振技術(shù)等[4-5].針對教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實際適時調(diào)整教學(xué)方式方法，對于實驗原理、儀器構(gòu)造、操作注意事項等內(nèi)容，用現(xiàn)代多媒體技術(shù)手段呈現(xiàn)并認(rèn)真分析講解.對于具體的操作方法、技能，教師要充分發(fā)揮主導(dǎo)和示范作用，學(xué)生須嚴(yán)格按操作規(guī)程序完成操作.如塞曼效應(yīng)實驗中，法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)；激光拉曼實驗中外光路的調(diào)節(jié)及應(yīng)用程序的使用；掃描隧道顯微鏡實驗中針尖、樣品的安裝，STM工作軟件的使用等以提高學(xué)生的基本實驗技能.對于綜合研究性、設(shè)計性的實驗內(nèi)容，教師要創(chuàng)設(shè)實驗教學(xué)環(huán)境，提出需要研究解決的問題，采用探索研究式、啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法并根據(jù)實驗進(jìn)展適時引導(dǎo)、啟發(fā)、答疑、解惑，改變學(xué)生機(jī)械、被動的重復(fù)教材實驗過程的狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生思維活動，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維品質(zhì)，同時鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，相互討論，使學(xué)生不迷信、不盲從于教材和教師,充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動性，將實驗過程變成積極思維、勇于探索的創(chuàng)造性過程,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維品質(zhì)和創(chuàng)新能力.

4 采取開放式教學(xué)模式 促使知識向能力轉(zhuǎn)化

12個近代物理實驗項目計劃課時僅為48學(xué)時,這就需要打破傳統(tǒng)的教與學(xué)、理論與實驗、時間與空間的界限，采用開放式的教學(xué)模式，實現(xiàn)教與學(xué)的互動.開放式教學(xué)指設(shè)備、場地、內(nèi)容、時間、興趣、思維、教學(xué)方法、教學(xué)手段等全面開放,以促進(jìn)學(xué)生將知識轉(zhuǎn)化為能力.就原子物理部分實驗而言，教師可以根據(jù)理論課的教學(xué)進(jìn)程、教學(xué)內(nèi)容靈活安排實驗內(nèi)容和時間，課堂上提出要探討研究的課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析討論并綜合運用所學(xué)知識、技能，提出研究解決問題的思路方法，設(shè)計實驗方案.如：在玻爾理論的教學(xué)過程中，課堂上可引導(dǎo)學(xué)生分析討論，提出實驗驗證原子內(nèi)部能量量子化的思想方法并設(shè)計實驗方案，然后與弗蘭克-赫茲實驗進(jìn)行比較修改完善設(shè)計方案.在這個基礎(chǔ)上并在這個時間點安排學(xué)生完成弗蘭克-赫茲實驗實驗，證明原子內(nèi)部量子化的量子化.弗蘭克-赫茲實驗是驗證性實驗，但教師在授課過程中提出能夠引發(fā)學(xué)生思維的問題，創(chuàng)設(shè)思維環(huán)境，調(diào)動學(xué)生積極思考問題，并綜合運用所學(xué)知識解決問題，理論與實驗的有機(jī)結(jié)合使這個驗證性實驗變成了設(shè)計性實驗，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識向能力進(jìn)行轉(zhuǎn)化.對于原子的核式結(jié)構(gòu)模型、原子的空間量子化、實物粒子的波粒二象性等教學(xué)內(nèi)容雖然沒安排相應(yīng)的實驗或沒有實驗條件，同樣可以采用這種方式進(jìn)行教學(xué)，如驗證盧瑟福散射公式、原子的空間量子化等，教師創(chuàng)設(shè)思維環(huán)境，提出有待解決的問題，引導(dǎo)學(xué)生分析討論，調(diào)動學(xué)生思維,探求解決方案,然后讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，完善改進(jìn)自己的設(shè)計方案，培養(yǎng)獲取信息的能力、運用所學(xué)知識分析解決問題的能力及創(chuàng)造性思維能力.原子物理學(xué)課程中[6-7]，巧妙的構(gòu)思與設(shè)計貫穿于教學(xué)過程始終，在教學(xué)過程中，教師要善于創(chuàng)設(shè)問題情境，解放學(xué)生的思維空間，學(xué)生大膽想象、設(shè)計、爭論、探究，教師及時引導(dǎo)、修正、解惑、答疑，理論課與實驗課有機(jī)結(jié)合統(tǒng)籌安排的教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的二者分開教學(xué)的教學(xué)效果.

由于設(shè)備、場地、內(nèi)容、時間、興趣、思維等全面開放，教師可以精選實驗儀器設(shè)備開發(fā)新的實驗項目進(jìn)行科學(xué)研究或作為學(xué)生的選修項目.對于選修實驗項目，教師要明確提出任務(wù)要求，學(xué)生根據(jù)實驗任務(wù)要求綜合運用所學(xué)知識技能進(jìn)行構(gòu)思,并正確選擇實驗儀器,設(shè)計實驗方案,獨立進(jìn)行實驗操作，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決物理問題的能力和創(chuàng)造能力.學(xué)生也可以參與教師的科研工作，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力、組織實施能力和知識應(yīng)用能力.除此之外，學(xué)生也可根據(jù)自己的專業(yè)特點、興趣愛好，有目的有計劃的進(jìn)行自主實驗，即學(xué)生根據(jù)自己要研究解決問題的，查閱資料并認(rèn)真研究,提出分析、解決問題的構(gòu)想，自主選擇儀器、設(shè)計研究方案，然后在教師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行實驗研究，對于實驗過程中出現(xiàn)的一些新的問題及時與教師研究討論，不斷修改完善實驗方案，尋求解決問題的最佳途徑.自主實驗在時間、空間、實驗內(nèi)容、實驗方案的設(shè)計等方面給學(xué)生充分的自主權(quán),充分的學(xué)習(xí)思維空間,豐富的想象空間，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性,培養(yǎng)學(xué)生觀察、思維、設(shè)計、操作、創(chuàng)新能力.

近代物理的理論和技術(shù)在諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，在教學(xué)過程中，將理論課、實驗課的教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)拓寬，實現(xiàn)理論、實驗、應(yīng)用同步教學(xué).如將理論課與實驗資源、網(wǎng)絡(luò)資源有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生探究描隧道顯微技術(shù)、核磁共振層析技術(shù)、核能利用、X射線衍射物象分析技術(shù)、血管造影技術(shù)、激光技術(shù)等內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情和潛能，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

5 結(jié)語

近代物理實驗是一門綜合性較強(qiáng)的實驗課程，在教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)倪x擇教學(xué)方法、適當(dāng)拓展教學(xué)內(nèi)容，采用以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的開放式實驗教學(xué)模式，使學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新思維能力、分析解決問題能力、實驗技術(shù)和實驗?zāi)芰Σ粩嗵岣叩牧夹匝h(huán)中.開放性教學(xué)的實施,給學(xué)生充分的學(xué)習(xí)、思維和想象空間，使學(xué)生運用知識、技能獨立分析和解決實際問題的能力、動手實踐能力、思維能力和創(chuàng)新能力得到提高.但實施過程中也會遇到各種意想不到的問題，教師面臨前所未有的挑戰(zhàn)，這就要求教師不斷充實和完善自己，確保教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升.

〔1〕曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)教程[M].科學(xué)出版社，2003.

〔2〕曾謹(jǐn)言，龍貴魯，裴壽鏞.量子力學(xué)新進(jìn)展（第三輯）[M].清華大學(xué)出版社，2003.

〔3〕曾謹(jǐn)言，裴壽鏞，龍貴魯.量子力學(xué)新進(jìn)展（第二輯）[M].清華大學(xué)出版社，2001.

〔4〕張?zhí)靻?，董有?近代物理實驗[M].科學(xué)出版社，2004.

〔5〕吳思誠，王祖銓.近代物理實驗[M].北京大學(xué)出版社，1995.

〔6〕楊福家.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社，2000.

〔7〕褚圣麟.原子物理學(xué)[M].人民教育出版社，1979.