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關于物理教育的學術論文
原子物理教學與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)
21世紀的世界,科學技術突飛猛進,國力競爭激烈,這一切實質是國與國之間的人才競爭。為了適應新時代的需要,培養(yǎng)大批高素質人才的任務已迫在眉睫,而要培養(yǎng)出適應新時代需要的具有較高科學文化素質和能力素質的人才,必須從基礎教育到高等教育全面推進素質教育。實施素質教育的核心是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。大學作為培養(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)造性綜合能力素質上。正如物理學家勞厄所說的:“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過的東西都遺忘掉的時候所剩下的東西。”因此,隨著素質教育的全面推行和發(fā)展,提高大學生的科學素質的素質教育日益受到教育界的重視。結合原子物理的教學內容,筆者談一下培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神的一些體會。
一、原子物理學在物理學中有著特殊的地位
物理學是自然科學中一門最基本、最重要的基礎學科,物理學是研究物質的基本結構、相互作用和物質最基本的、最普遍的運動形式及其相互轉化的規(guī)律的科學。物理學幾百年的發(fā)展積累了豐富的科學思想和科學方法。原子物理學是師范院校物理專業(yè)必修的一門重要的基礎課程,是研究原子內部的微觀結構及其運動規(guī)律的一門科學,其中的玻爾的理論起到了由經典物理通往近代物理的過渡橋梁作用。原子物理學的建立與發(fā)展集中體現了豐富的物理思想和物理方法,是培養(yǎng)學生的科學態(tài)度、科學思想和科學方法不可多得的范例。
二、原子物理學課程展現了豐富的物理方法
原子物理學是十九世紀末發(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家集體智慧的結晶,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,是物理學獲得知識、組織知識和運用知識的典范。量子論的建立過程就是通過不斷地提出經典物理無法解決的問題,提出假設、建立模型來解釋并提出新的結論和預言,再用新的實驗檢驗、修改或推翻的過程。在原子物理學教學過程中,結合知識的傳授,抓住典型事例,有目的、有意識地引導學生深入思考,讓學生分析和掌握原子物理學的建立過程的物理定律、公式后面的思想和方法,使學生在原子物理的學習過程中掌握物理學的思想和方法,從中受到有益的啟示,從而對學生進行創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的培養(yǎng),這也是實施素質教育的具體體現。因此物理教學在系統(tǒng)學習物理學理論的同時,掌握科學方法,體會其科學思想,形成科學觀點和科學精神,從而全面培養(yǎng)學生的綜合科學素質,這才是物理教學的教育價值所在。
科學方法是人們在認識和改造世界活動中遵循和運用的以科學為基礎的各種方法和手段的總稱,是人們在實踐活動中總結出來的正確的思維方法和行為方法,包括有:1.觀察和實驗方法:有意觀察、單因子實驗法、實驗數據處理方法等;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.數學方法:用比值定義物理量、表達物理規(guī)律的形式化語言、運用圖象描述物理現象和規(guī)律;7.理想化方法:理想實驗、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的物理方法相當豐富,主要有“模型法”、“科學假說法”、“理想實驗法”、“綜合類比法”、“實驗法”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,是以觀察和實驗為基礎,采用理想化的辦法所創(chuàng)造的、能再現事物本質和內在特性的一種簡化模型,模型法是物理學最常用、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構,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、不斷完善,使其更加接近真實原型,最終提出了量子力學的原子模型。同樣,對原子核的研究現有很多結構模型,如:“液滴模型”、“費米氣體模型”、“殼層模型”、“集體模型”。
2.科學假說法
科學假說法是指根據已知的科學事實和科學原理,對所研究的問題提出一種假定性的推測和說明,是科學研究的一種重要的方法,量子論的產生和發(fā)展就是科學假說法在應用上的一個典范。1900年普朗克為了克服經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實驗與經典理論的矛盾,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上運用量子假說概念,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波假說,將波粒二象性運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。從物理學發(fā)展史我們可知,在很多關鍵時刻,科學家巧妙地運用了類比推理,提出科學假說,從而獲得巨大成功。盧瑟福通過將太陽系與原子相類比,提出了原子結構是電子繞核運動的這一原子核式模型。德布羅意通過將電子與質子等微觀粒子與光相類比,在光的波粒二象
性基礎上指出微觀粒子具有波粒二象性的假設,提出了物質波的思想。
三、原子物理學教學可培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神
創(chuàng)新是一個民族的靈魂,是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力,是實施素質教育的重點。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,在物理教學中要高度重視培養(yǎng)學生的創(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)新能力為基本價值取向,使學生在系統(tǒng)地掌握學科知識的同時發(fā)展其創(chuàng)新能力。從經典物理學到量子力學的發(fā)展過程,就是物理學家不墨守成規(guī),不抱住現成的理論不放,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粒子散射實驗發(fā)現,a粒子散射絕大多數a粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進,少數a粒子卻發(fā)生了較大的偏轉,極少數a粒子的偏轉角超過了90°,個別的a粒子甚至被彈回。實驗結果不能用湯姆遜的原子模型進行解釋,但盧瑟福敢于對當時的原子物理學的權威——自己的老師湯姆遜的觀點產生了懷疑,提出了全新的原子核式結構模型,很好地解釋了實驗現象,取得了重大突破,發(fā)展了原子物理學的理論。
2.玻爾理論的建立
盧瑟福的原子核式結構模型雖然能很好地解釋了粒子大角度的偏轉問題,但卻跟經典的電磁理論發(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,敢于質疑、敢于提出新設想,大膽地將普朗克的量子觀點運用到原子系統(tǒng)上,提出了三大假設:
(1)定態(tài)假設。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的關系為:En-Em=hv,這是玻爾理論最基本的量子假設也是最核心、最富有獨創(chuàng)性的內容。
(3)角動量量子化條件。在符合經典力學規(guī)律的一切可能軌道中,只有那些角動量L等于h整數倍的軌道才能實際存在并形成定態(tài),這稱為量子化條件。即:L=nη,n=1,2,3,…
這三大假設,確立了玻爾的原子結構模型,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結構及反常塞曼效應規(guī)律感到十分困惑,引起了物理學界廣泛的注意。1925年在荷蘭萊登大學攻讀學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驗結果,大膽地提出了前所未有的電子自旋假設:電子除了圍繞原子核運動以外,還具有角動量量子數為半整數的自旋運動。電子自旋的提出,使困擾人們多年的光譜精細結構、歷史遺留的元素周期表結構和反常塞曼效應等重大問題都獲得了圓滿的解釋。
原子物理學的發(fā)展過程中的許多典型人物和典型事例是引導與培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維不可多得的范例。在原子物理學教學過程中,結合知識的傳授,抓住典型事例,有目的、有意識地引導學生深入思考,從中受到有益的啟示,從而對學生進行創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的培養(yǎng);使學生掌握科學方法,體會其科學思想,形成科學觀點和科學精神,這也是實施素質教育的具體體現。
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