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關(guān)于物理教育的學(xué)術(shù)論文
原子物理教學(xué)與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)
21世紀(jì)的世界,科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn),國力競爭激烈,這一切實(shí)質(zhì)是國與國之間的人才競爭。為了適應(yīng)新時代的需要,培養(yǎng)大批高素質(zhì)人才的任務(wù)已迫在眉睫,而要培養(yǎng)出適應(yīng)新時代需要的具有較高科學(xué)文化素質(zhì)和能力素質(zhì)的人才,必須從基礎(chǔ)教育到高等教育全面推進(jìn)素質(zhì)教育。實(shí)施素質(zhì)教育的核心是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。大學(xué)作為培養(yǎng)高級人才的場所,作為新的知識誕生、獲得和傳播之地,對人才的培養(yǎng)更多地要著眼于具有創(chuàng)造性綜合能力素質(zhì)上。正如物理學(xué)家勞厄所說的:“重要的不是獲得知識,而是發(fā)展思維能力,教育無非是一切已學(xué)過的東西都遺忘掉的時候所剩下的東西。”因此,隨著素質(zhì)教育的全面推行和發(fā)展,提高大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)的素質(zhì)教育日益受到教育界的重視。結(jié)合原子物理的教學(xué)內(nèi)容,筆者談一下培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的一些體會。
一、原子物理學(xué)在物理學(xué)中有著特殊的地位
物理學(xué)是自然科學(xué)中一門最基本、最重要的基礎(chǔ)學(xué)科,物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)最基本的、最普遍的運(yùn)動形式及其相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律的科學(xué)。物理學(xué)幾百年的發(fā)展積累了豐富的科學(xué)思想和科學(xué)方法。原子物理學(xué)是師范院校物理專業(yè)必修的一門重要的基礎(chǔ)課程,是研究原子內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律的一門科學(xué),其中的玻爾的理論起到了由經(jīng)典物理通往近代物理的過渡橋梁作用。原子物理學(xué)的建立與發(fā)展集中體現(xiàn)了豐富的物理思想和物理方法,是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)思想和科學(xué)方法不可多得的范例。
二、原子物理學(xué)課程展現(xiàn)了豐富的物理方法
原子物理學(xué)是十九世紀(jì)末發(fā)展起來的,它的發(fā)展和成熟雖然只用短短幾十年的時間,但卻是眾多杰出科學(xué)家集體智慧的結(jié)晶,積累了豐富的物理思想和物理方法,特別是量子論建立的初期知識體系,是物理學(xué)獲得知識、組織知識和運(yùn)用知識的典范。量子論的建立過程就是通過不斷地提出經(jīng)典物理無法解決的問題,提出假設(shè)、建立模型來解釋并提出新的結(jié)論和預(yù)言,再用新的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、修改或推翻的過程。在原子物理學(xué)教學(xué)過程中,結(jié)合知識的傳授,抓住典型事例,有目的、有意識地引導(dǎo)學(xué)生深入思考,讓學(xué)生分析和掌握原子物理學(xué)的建立過程的物理定律、公式后面的思想和方法,使學(xué)生在原子物理的學(xué)習(xí)過程中掌握物理學(xué)的思想和方法,從中受到有益的啟示,從而對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的培養(yǎng),這也是實(shí)施素質(zhì)教育的具體體現(xiàn)。因此物理教學(xué)在系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理學(xué)理論的同時,掌握科學(xué)方法,體會其科學(xué)思想,形成科學(xué)觀點(diǎn)和科學(xué)精神,從而全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合科學(xué)素質(zhì),這才是物理教學(xué)的教育價(jià)值所在。
科學(xué)方法是人們在認(rèn)識和改造世界活動中遵循和運(yùn)用的以科學(xué)為基礎(chǔ)的各種方法和手段的總稱,是人們在實(shí)踐活動中總結(jié)出來的正確的思維方法和行為方法,包括有:1.觀察和實(shí)驗(yàn)方法:有意觀察、單因子實(shí)驗(yàn)法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法等;2.分析和綜合方法:定性分析、定量分析、因果分析、綜合等;3.比較和分類方法:異中求同、同中求異、分類等;4.假說方法;5.歸納和演繹方法:簡單枚舉歸納、三段論、演繹等;6.數(shù)學(xué)方法:用比值定義物理量、表達(dá)物理規(guī)律的形式化語言、運(yùn)用圖象描述物理現(xiàn)象和規(guī)律;7.理想化方法:理想實(shí)驗(yàn)、理想模型;8.類比方法:簡單共存類比、因果類比;9.推理方法;10.分析和解決問題的具體方法:等效方法、近似處理方法等;11.非邏輯思維方法:直覺、靈感、想象、猜測等。原子物理課程中可展現(xiàn)的物理方法相當(dāng)豐富,主要有“模型法”、“科學(xué)假說法”、“理想實(shí)驗(yàn)法”、“綜合類比法”、“實(shí)驗(yàn)法”等,具體如下:
1.模型法
物理模型,是人們?yōu)榱搜芯课锢韱栴}的方便和探討物理事物的本身而對研究對象所作的一種簡化描述,是以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),采用理想化的辦法所創(chuàng)造的、能再現(xiàn)事物本質(zhì)和內(nèi)在特性的一種簡化模型,模型法是物理學(xué)最常用、最有效的一種方法。由于微觀原子體系既看不見,又摸不到,沒有“形”,人們?yōu)榱烁庇^更形象地反映原子結(jié)構(gòu),不斷地提出了湯姆遜的“葡萄干模型”、盧瑟福的“核式模型”、玻爾的分立能級模型,隨著研究的深入,理想模型還要不斷改進(jìn)、不斷完善,使其更加接近真實(shí)原型,最終提出了量子力學(xué)的原子模型。同樣,對原子核的研究現(xiàn)有很多結(jié)構(gòu)模型,如:“液滴模型”、“費(fèi)米氣體模型”、“殼層模型”、“集體模型”。
2.科學(xué)假說法
科學(xué)假說法是指根據(jù)已知的科學(xué)事實(shí)和科學(xué)原理,對所研究的問題提出一種假定性的推測和說明,是科學(xué)研究的一種重要的方法,量子論的產(chǎn)生和發(fā)展就是科學(xué)假說法在應(yīng)用上的一個典范。1900年普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難,提出了能量子假說,為量子理論奠下了基石。隨后1905年,愛因斯坦針對光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典理論的矛盾,提出了光量子假說,并在固體比熱問題上成功地運(yùn)用了能量子概念,為量子理論的發(fā)展打開了局面。1913年,玻爾在盧瑟福有核模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用量子假說概念,提出玻爾的原子理論,對氫光譜作出了滿意的解釋,使量子論取得了初步勝利。1923年,德布羅意提出了物質(zhì)波假說,將波粒二象性運(yùn)用于電子之類的粒子束,把量子論發(fā)展到一個新的高度。
3.類比法
類比法是根據(jù)兩個或兩類事物在某些屬性上相同或相似,而推出它們在其他屬性上也相同或相似的推理方法,它是一種從特殊到特殊的推理方法。從物理學(xué)發(fā)展史我們可知,在很多關(guān)鍵時刻,科學(xué)家巧妙地運(yùn)用了類比推理,提出科學(xué)假說,從而獲得巨大成功。盧瑟福通過將太陽系與原子相類比,提出了原子結(jié)構(gòu)是電子繞核運(yùn)動的這一原子核式模型。德布羅意通過將電子與質(zhì)子等微觀粒子與光相類比,在光的波粒二象
性基礎(chǔ)上指出微觀粒子具有波粒二象性的假設(shè),提出了物質(zhì)波的思想。
三、原子物理學(xué)教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神
創(chuàng)新是一個民族的靈魂,是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力,是實(shí)施素質(zhì)教育的重點(diǎn)。創(chuàng)新精神就是一種勇于拋棄舊思想舊事物、創(chuàng)立新思想新事物的精神。創(chuàng)新就要不墨守成規(guī),敢于打破原有框框,探索新的規(guī)律,新的方法。因此,在物理教學(xué)中要高度重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新教育是以培養(yǎng)人的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為基本價(jià)值取向,使學(xué)生在系統(tǒng)地掌握學(xué)科知識的同時發(fā)展其創(chuàng)新能力。從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)的發(fā)展過程,就是物理學(xué)家不墨守成規(guī),不抱住現(xiàn)成的理論不放,而是勇于創(chuàng)新的過程,在原子物理課程中就包含有許多具有許多創(chuàng)新精神的典型人物和典型事例。
1.盧瑟福的“核式模型”的建立
盧瑟福和他的助手們通過a粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),a粒子散射絕大多數(shù)a粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn),少數(shù)a粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),極少數(shù)a粒子的偏轉(zhuǎn)角超過了90°,個別的a粒子甚至被彈回。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能用湯姆遜的原子模型進(jìn)行解釋,但盧瑟福敢于對當(dāng)時的原子物理學(xué)的權(quán)威——自己的老師湯姆遜的觀點(diǎn)產(chǎn)生了懷疑,提出了全新的原子核式結(jié)構(gòu)模型,很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,取得了重大突破,發(fā)展了原子物理學(xué)的理論。
2.玻爾理論的建立
盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型雖然能很好地解釋了粒子大角度的偏轉(zhuǎn)問題,但卻跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了很大的矛盾。第一是不能解釋原子的相對穩(wěn)定性問題,第二是不能解釋氫光譜的不連續(xù)性問題。玻爾面對自己的老師盧瑟福的原子模型的缺陷,敢于質(zhì)疑、敢于提出新設(shè)想,大膽地將普朗克的量子觀點(diǎn)運(yùn)用到原子系統(tǒng)上,提出了三大假設(shè):
(1)定態(tài)假設(shè)。原子存在著某些定態(tài),在這些定態(tài)中不發(fā)射也不吸收電磁波。原子定態(tài)能量只能取某些分立的值:El,E2,E3,E4……這些定態(tài)能量叫作能級。
(2)頻率條件。如果原子從能量為En的定態(tài)躍遷到Em的穩(wěn)定態(tài),其能量差與發(fā)射或吸收光子的頻率ν的關(guān)系為:En-Em=hv,這是玻爾理論最基本的量子假設(shè)也是最核心、最富有獨(dú)創(chuàng)性的內(nèi)容。
(3)角動量量子化條件。在符合經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的一切可能軌道中,只有那些角動量L等于h整數(shù)倍的軌道才能實(shí)際存在并形成定態(tài),這稱為量子化條件。即:L=nη,n=1,2,3,…
這三大假設(shè),確立了玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型,較好的解決了盧瑟福的模型所面臨的困難。
3.電子自旋概念的提出。玻爾理論提出之后,人們對不能夠比較滿意地解釋原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)及反常塞曼效應(yīng)規(guī)律感到十分困惑,引起了物理學(xué)界廣泛的注意。1925年在荷蘭萊登大學(xué)攻讀學(xué)位的兩位博士生烏倫貝克和古茲密特受到泡利不相容原理的啟發(fā),分析了原子光譜的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,大膽地提出了前所未有的電子自旋假設(shè):電子除了圍繞原子核運(yùn)動以外,還具有角動量量子數(shù)為半整數(shù)的自旋運(yùn)動。電子自旋的提出,使困擾人們多年的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)、歷史遺留的元素周期表結(jié)構(gòu)和反常塞曼效應(yīng)等重大問題都獲得了圓滿的解釋。
原子物理學(xué)的發(fā)展過程中的許多典型人物和典型事例是引導(dǎo)與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維不可多得的范例。在原子物理學(xué)教學(xué)過程中,結(jié)合知識的傳授,抓住典型事例,有目的、有意識地引導(dǎo)學(xué)生深入思考,從中受到有益的啟示,從而對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的培養(yǎng);使學(xué)生掌握科學(xué)方法,體會其科學(xué)思想,形成科學(xué)觀點(diǎn)和科學(xué)精神,這也是實(shí)施素質(zhì)教育的具體體現(xiàn)。
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