原子物理学教学如何培养学生创新思维

分类：教育学论文发表 时间：2020-08-29 10:51 关注：(1)

　　在提高高校教育质量，促进创新人才培养的发展规划背景下，加强学生创新性思维培养，已经越来越受到关注和重视。原子物理学是众多杰出科学家创新思维和创新能力的结晶，作为物理专业的基础课，对学生创新性思维的培养有着举足轻重的作用。从原子物理学课程特点入手，对创新性思维融入到原子物理学课程教学的必要性、可行性做相应的探讨和研究。

　　关键词:原子物理学;创新思维

　　随着科技的发展，科技创新已经越来越成为当今社会生产力解放和发展的重要标志。习近平同志在中科院第十七次院士大会、工程院第十二次院士大会上指出:“科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。”2010年教育部颁布的“高等学校应用物理学本科指导性专业规范”中提出，应用物理学本科专业要培养出具有创新能力的人才，培养出具有创造性思维能力、独立思考及批判性思维能力、初步的科学研究能力和一定的科技开发能力的学生。创新思维是创新能力的核心成分，如何运用有效的策略培养大学生的创新思维是大学教育的一项十分紧迫的任务。物理专业教师需要根据应用物理专业人才培养定位和目标要求，转变教学理念，增强创新教育的意识和能力，将专业课教学与创新教育相融合，调整课程设置，挖掘和充实专业课程中的创新教育资源，在传授专业知识过程中融入创新思维教育，培养学生的创新能力。原子物理学作为应用物理专业学生的专业基础核心课程，包含了20世纪发展起来的物质微观结构科学，与众多现代科技密切相关，是众多杰出科学家们创新思想和智慧的结晶，原子物理学中涉及的科学家及其典型事迹都可以作为培养学生创新思维的范例，对培养学生的创新思维和创新能力有着重要的作用。作为一门研究型课程，原子物理学可以作第22卷第8期Vol．22No．8黄河科技学院学报JOUＲNALOFHUANGHES＆TCOLLEGE2020年8月Aug．2020为学生主动学习的有效载体，也非常适合作为培养学生创新能力的载体。本文对创新性思维融入到原子物理学课程教学的可行性、培养目标及教学手段和方法做相应的探讨和研究。

　　1教学现状

　　目前国内高校主要选用储圣麟或杨福家编著的原子物理学作为教材，这两本教材都以光谱为主线，介绍原子的组成，组成物如何运动，以及它们之间怎样作用。笔者所在安徽理工大学应用物理专业选用杨福家先生编著的原子物理学作教材。本书从实验事实出发，以阐述原子结构为中心，结合原子物理学发展史，对基本概念的来龙去脉进行了清楚讲述，并联系技术应用和学科前沿，列出若干“世界难题”，引导学生思考［1］。本教材的选用对培养学生的创新思维能力和研究能力，有很大的启发和帮助。然而，还存在着一些困难，使得在教学过程中难以发挥本课程的优势，达到培养学生创新思维和创新能力的教学目标。(1)课时短，教师难以在有限的课堂教学进行发挥，进行知识拓展。笔者所在学校，原子物理学共48课时，基本只能按照书本将主要知识结构讲授完。(2)研究内容抽象，由经典物理过渡到微观客体，知识点多、思维跨度大，学生思考问题方式没有转变，很容易产生畏惧甚至厌学情绪。(3)教学方法传统，学生主观能动性不强，自制力差，影响创新思维的培养。(4)考核方式单一老套，目前主要以“平时成绩(作业和考勤)30%+期末卷面成绩70%”组合方式，不能调动学生主动学习的积极性。

　　2将创新思维融入到原子物理学教学中的可行性

　　2．1原子物理学课程特点

　　原子物理学是一门研究型课程，19世纪末物理学的三大发现，即X射线、放射线和电子，揭开了近代物理的序幕;黑体辐射实验、光电效应实验和电子衍射实验奠定了原子物理和量子力学的基础。原子物理学集聚了众多科学家的科研成果，汇聚了科学家们创新思想和创新实验的成果。20世纪以来，一半以上的诺贝尔物理学奖都与原子物理学有关［2］。基于原子物理学的课程特点，从原子物理学的发展历史出发，可以通过研究型教学模式，培养学生的创新思维。针对原子物理学教学过程出现的问题，需要授课教师对教学内容、教学方法和考核方式进行调整，从而发挥本课程的优势，达到在教学过程中培养学生创新思维和创新能力的教学目标。

　　2．2具体实施过程

　　2．2．1教学内容既要把原子物理学中的传统理论讲完整，又要开拓学生视野，培养学生的创新思维，在有限的课时内很难完成。因此，需要结合学生已有的知识结构和认知规律对教学内容进行优化。我们在教授过程中，减少传统理论的比例和公式推导过程，在传统理论部分注重讲清物理模型和概念，加强对学生思维方式和处理问题能力的培养;增加量子力学部分比重，讲清楚量子力学思想，处理原子结构层次的性质和运动规律;在X射线和原子核物理部分，联系实际应用拓展学生的视野，将原子物理相关的新技术、新知识引入教学中作为有益补充，将课本知识与创新相结合，培养学生的学习兴趣、创新思维及创造力。2．2．2教学模式传统的“板书+口授”的教学模式，以教师为主体，又受限于课时，缺乏启发式和讨论式教学环节，不利于与学生之间的互动，激发学生学习的兴趣和培养学生的创新思维。我们借助于多媒体和网络，进行线上线下混合式教学，可以有效扩充教学容量，拓展学生知识面。此外，我们围绕课程内容积极开展第二课堂，将原子物理学与前沿科学相联系，培养学生科研创新能力。这种模式下，以教师为引导者，以学生为教学主体，让学生更加积极主动地参与到教学环节中，更多地进行深入的思考，将所学概念应用于实践，培养学生的实践能力和创新能力。并根据教学重难点，设置专题讨论课，如玻尔氢原子模型、氢原子光谱等专题。课前根据专题知识设置好问题，通过启发，鼓励学生们大胆探索质疑;教师将学生课前自主学习中遇到的问题进行收集，根据学生自主学习情况对知识再次进行梳理，针对专题设置若干问题，将学生按问题进行分组，各组同学对负责的问题进行分析、查阅资料和讨论，得到结论并制作PPT;每组推举一名代表，在课堂上将小组讨论结果PPT进行3－5分钟汇报，并与同组同学一起负责回答其他组同学的质疑和问题;最后，教师和同学们一起对学生汇报内容进行汇总并对汇报质量进行评价。这一探究式的学习方式，激发学生带着问题自己去探索、研究，有助于学生巩固加深对课程学习中相关问题的理解，促进了课堂教学，开拓学生的知识面，增强其对学习与研究关系的理解，培养了学生的研究型自学能力。这种教学模式激发了学生的学习主动性和积极性，训练了学生解决问题的能力和口头表达能力，对培养学生的探索精神、合作精神、思辨能力和创新思维也大有裨益。笔者所在学校《原子物理学》教学团队成员之一陈昌兆老师在多年《原子物理学》教学经验的基础上，基于这种线上线下混合式教学模式，使用拼图式教学法，与传统教学班对比，取得了可喜的教学效果［3］。2．2．3考核方式由于教学内容和教学模式的调整，对学生的考核点也有了相应增加，考核方式也无需再采取“一考定胜负”的评价方式。学生的期末成绩可以通过三个方面进行综合评价:(1)课堂表现(包括出勤率、课堂参与度和回答问题情况);(2)实践环节参与度(包括学生独立完成学习报告和PPT情况和第二课堂参与情况);(3)考试成绩(包括平时测试、期中和期末考试)。成绩的评定标准不但考核了学生对基本知识的掌握程度，也涉及学生的学习态度，同时还包括了学生解决问题的能力和创新能力。这种全面的考核方式既减轻了学生期末的应试压力，也督促了学生保持认真的学习态度，同时也达到了在教学中培养学生创新思维的目的。我们还通过适当增加实践环节考核成绩所占权重(40%，和考试成绩所占权重相同)，进一步激励学生们积极参与到专题讨论和第二课堂中去，激发学生参与实践的主动性和积极性，以保证培养学生创新思维的效果。

　　2．3教学设计案例

　　玻尔提出的原子结构量子理论是原子物理学发展史上的一个里程碑，打开了人类认识微观世界的大门［4］。玻尔理论是基于实验的结论，在实验结果与经典理论发生矛盾的时候，玻尔提出了创新性的观点———量子化假设，体现了发现问题－解决问题－实验验证的创新过程，蕴含的思想对培养学生创新思维有着举足轻重的作用。针对杨福家先生撰写的《原子物理学》教材，以培养学生创新思维为目的，以混合式教学模式为指导，玻尔氢原子理论的教学按照课前－课中－课后的结构进行设计。2．3．1课前以问题为导向布置具体学习任务:(1)经典理论和实验现象哪些地方出现了矛盾?玻尔如何解决这些矛盾?(2)玻尔氢原子理论三条假设内容及其之间的联系是什么?(3)基于三条假设得到了哪些结论?这些结论与经典电动力学理论是否相矛盾?与实验结果是否相吻合?将学生进行分组，针对以上问题，进行分组讨论，让学生带着问题寻找表1中知识点及相应分解问题的答案，在学习过程中理解玻尔氢原子理论中蕴含的创新思维。2．3．2课中每组学生代表将小组讨论结果进行汇报并回答其他同学的提问后，教师对知识点进行梳理并进行细致的分析，在课堂上思考并解决两个问题:(1)除了α常数之外，原子物理学中另外一个无量纲的常数是什么?(2)里德伯常数值与实验值是否有偏差，偏差是否完全由测量误差引起?达到训练学生解决问题的能力，促进知识内化，并进一步培养学生的创新思维。2．3．3课后课堂教学结束后，利用网络工具将总结后的教学重难点上传，并布置相关思考题对玻尔氢原子理论进行延展，比如让学生自学，在玻尔理论基础上，以氢原子能级和氢原子光谱为主线，讨论狄拉克理论、兰姆移位、氢原子光谱的超精细结构理论对氢原子理论的修正。进一步培养学生的创新思维和解决问题的能力。

　　2．4教学测评

　　笔者在我院2017级应用物理1班的原子物理学课程中实施了以问题为导向的线上线下混合的创新教学模式。在教学过程中，我们以问题为导向，采取线上线下相结合的混合式教学模式，引导学生思考和解决问题，在学习的过程中让学生领悟科学家们的创新思维和智慧。与传统教学模式相比较，大大拓展了课堂容量，参与式教学大大激发了学生的学习兴趣和积极性，培养了学生创新思维和解决实际问题的能力，期末考试成绩有了明显的提高。表2中列出了49黄河科技学院学报连续三届应用物理班学生期末考试成绩。通过数据比较可以看出，与前两届采用传统教学方法的班级相比，2017级期末成绩提高了12分左右，及格率提高了15%左右，测评在中等及以上等级的学生占总人数74．99%，远超前两届传统教学班级比例。这些数据充分表明，这种以问题为导向的线上线下混合教学模式，可以大大激发学生学习兴趣和学习能动性，提高学生发现问题并解决问题的能力，在解决问题的过程中不仅培养学生的创新思维，还有效提高了学生对知识点掌握的熟练程度。

　　3结束语

　　原子物理学作为应用物理专业基础核心课程，对培养学生的创新思维和创新能力有着重要的作用。教师需要对教学内容、教学模式和考核评价方式进行改革，激发学生自主学习的积极性和主动性，激励学生勇于探索，在教学过程中培养学生的创新思维。

　　参考文献:

　　［1］杨福家．原子物理学(第4版)［M］．北京:高等教育出版社，2008．

　　［2］陈昌兆，王兵，张晓森．拼图式教学法在原子物理学课堂教学中的应用研究［J］．大学物理，2015，34(11):47－56．

　　［3］AllNobelPrizesinPhysics［EB/OL］．［2020－05－31］．

　　［4］王印磊，李卫平．原子物理学发展中的一座里程碑:玻尔理论［J］．湖南科技学院学报，2005，26(11):301．

　　作者：高娟 圣宗强 孙亚娟 李洋 王兵