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原子物理教学与创新精神的培养
21世纪的世界,科学技术突飞猛进,国力竞争激烈,这一切实质是国与国之间的人才竞争。为了适应新时代的需要,培养大论文联盟http://批高素质人才的任务已迫在眉睫,而要培养出适应新时代需要的具有较高科学文化素质和能力素质的人才,必须从基础教育到高等教育全面推进素质教育。实施素质教育的核心是培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。大学作为培养高级人才的场所,作为新的知识诞生、获得和传播之地,对人才的培养更多地要着眼于具有创造性综合能力素质上。正如物理学家劳厄所说的:“重要的不是获得知识,而是发展思维能力,教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下的东西。”因此,随着素质教育的全面推行和发展,提高大学生的科学素质的素质教育日益受到教育界的重视。结合原子物理的教学内容,笔者谈一下培养学生创新精神的一些体会。
一、原子物理学在物理学中有着特殊的地位
物理学是自然科学中一门最基本、最重要的基础学科,物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本的、最普遍的运动形式及其相互转化的规律的科学。物理学几百年的发展积累了丰富的科学思想和科学方法。原子物理学是师范院校物理专业必修的一门重要的基础课程,是研究原子内部的微观结构及其运动规律的一门科学,其中的玻尔的理论起到了由经典物理通往近代物理的过渡桥梁作用。原子物理学的建立与发展集中体现了丰富的物理思想和物理方法,是培养学生的科学态度、科学思想和科学方法不可多得的范例。wWW.11665.CoM
二、原子物理学课程展现了丰富的物理方法
原子物理学是十九世纪末发展起来的,它的发展和成熟虽然只用短短几十年的时间,但却是众多杰出科学家集体智慧的结晶,积累了丰富的物理思想和物理方法,特别是量子论建立的初期知识体系,是物理学获得知识、组织知识和运用知识的典范。量子论的建立过程就是通过不断地提出经典物理无法解决的问题,提出假设、建立模型来解释并提出新的结论和预言,再用新的实验检验、修改或推翻的过程。在原子物理学教学过程中,结合知识的传授,抓住典型事例,有目的、有意识地引导学生深入思考,让学生分析和掌握原子物理学的建立过程的物理定律、公式后面的思想和方法,使学生在原子物理的学习过程中掌握物理学的思想和方法,从中受到有益的启示,从而对学生进行创新意识、创新思维的培养,这也是实施素质教育的具体体现。因此物理教学在系统学习物理学理论的同时,掌握科学方法,体会其科学思想,形成科学观点和科学精神,从而全面培养学生的综合科学素质,这才是物理教学的教育价值所在。
科学方法是人们在认识和改造世界活动中遵循和运用的以科学为基础的各种方法和手段的总称,是人们在实践活动中总结出来的正确的思维方法和行为方法,包括有:1.观察和实验方法:有意观察、单因子实验法、实验数据处理方法等;2.分析和综合方法:定性分析、定量分析、因果分析、综合等;3.比较和分类方法:异中求同、同中求异、分类等;4.假说方法;5.归纳和演绎方法:简单枚举归纳、三段论、演绎等;6.数学方法:用比值定义物理量、表达物理规律的形式化语言、运用图象描述物理现象和规律;7.理想化方法:理想实验、理想模型;8.类比方法:简单共存类比、因果类比;9.推理方法;10.分析和解决问题的具体方法:等效方法、近似处理方法等;11.非逻辑思维方法:直觉、灵感、想象、猜测等。原子物理课程中可展现的物理方法相当丰富,主要有“模型法”、“科学假说法”、“理想实验法”、“综合类比法”、“实验法”等,具体如下:
1.模型法
物理模型,是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述,是以观察和实验为基础,采用理想化的办法所创造的、能再现事物本质和内在特性的一种简化模型,模型法是物理学最常用、最有效的一种方法。由于微观原子体系既看不见,又摸不到,没有“形”,人们为了更直观更形象地反映原子结构,不断地提出了汤姆逊的“葡萄干模型”、卢瑟福的“核式模型”、玻尔的分立能级模型,随着研究的深入,理想模型还要不断改进、不断完善,使其更加接近真实原型,最终提出了量子力学的原子模型。同样,对原子核的研究现有很多结构模型,如:“液滴模型”、“费米气体模型”、“壳层模型”、“集体模型”。
2.科学假说法
科学假说法是指根据已知的科学事实和科学原理,对所研究的问题提出一种假定性的推测和说明,是科学研究的一种重要的方法,量子论的产生和发展就是科学假说法在应用上的一个典范。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,提出了能量子假说,为量子理论奠下了基石。随后1905年,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面。1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子假说概念,提出玻尔的原子理论,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步胜利。1923年,德布罗意提出了物质波假说,将波粒二象性运用于电子之类的粒子束,把量子论发展到一个新的高度。
3.类比法
类比法是根据两个或两类事物在某些属性上相同或相似,而推出它们在其他属性上也相同或相似的推理方法,它是一种从特殊到特殊的推理方法。从物理学发展史我们可知,在很多关键时刻,科学家巧妙地运用了类比推理,提出科学假说,从而获得巨大成功。卢瑟福通过将太阳系与原子相类比,提出了原子结构是电子绕核运动的这一原子核式模型。德布罗意通过将电子与质子等微观粒子与光相类比,在光的波粒二象 转贴于论文联盟 http://
性基础上指出微观粒子具有波粒二象论文联盟http://性的假设,提出了物质波的思想。
三、原子物理学教学可培养学生的创新精神
创新是一个民族的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力,是实施素质教育的重点。创新精神就是一种勇于抛弃旧思想旧事物、创立新思想新事物的精神。创新就要不墨守成规,敢于打破原有框框,探索新的规律,新的方法。因此,在物理教学中要高度重视培养学生的创新意识和创新能力。创新教育是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向,使学生在系统地掌握学科知识的同时发展其创新能力。从经典物理学到量子力学的发展过程,就是物理学家不墨守成规,不抱住现成的理论不放,而是勇于创新的过程,在原子物理课程中就包含有许多具有许多创新精神的典型人物和典型事例。
1.卢瑟福的“核式模型”的建立
卢瑟福和他的助手们通过a粒子散射实验发现,a粒子散射绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数a粒子却发生了较大的偏转,极少数a粒子的偏转角超过了90°,个别的a粒子甚至被弹回。实验结果不能用汤姆逊的原子模型进行解释,但卢瑟福敢于对当时的原子物理学的权威——自己的老师汤姆逊的观点产生了怀疑,提出了全新的原子核式结构模型,很好地解释了实验现象,取得了重大突破,发展了原子物理学的理论。
2.玻尔理论的建立
卢瑟福的原子核式结构模型虽然能很好地解释了粒子大角度的偏转问题,但却跟经典的电磁理论发生了很大的矛盾。第一是不能解释原子的相对稳定性问题,第二是不能解释氢光谱的不连续性问题。玻尔面对自己的老师卢瑟福的原子模型的缺陷,敢于质疑、敢于提出新设想,大胆地将普朗克的量子观点运用到原子系统上,提出了三大假设:
(1)定态假设。原子存在着某些定态,在这些定态中不发射也不吸收电磁波。原子定态能量只能取某些分立的值:el,e2,e3,e4……这些定态能量叫作能级。
(2)频率条件。如果原子从能量为en的定态跃迁到em的稳定态,其能量差与发射或吸收光子的频率ν的关系为:en-em=hv,这是玻尔理论最基本的量子假设也是最核心、最富有独创性的内容。
(3)角动量量子化条件。在符合经典力学规律的一切可能轨道中,只有那些角动量l等于h整数倍的轨道才能实际存在并形成定态,这称为量子化条件。即:l=nη,n=1,2,3,…
这三大假设,确立了玻尔的原子结构模型,较好的解决了卢瑟福的模型所面临的困难。
3.电子自旋概念的提出。玻尔理论提出之后,人们对不能够比较满意地解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应规律感到十分困惑,引起了物理学界广泛的注意。1925年在荷兰莱登大学攻读学位的两位博士生乌伦贝克和古兹密特受到泡利不相容原理的启发,分析了原子光谱的一些实验结果,大胆地提出了前所未有的电子自旋假设:电子除了围绕原子核运动以外,还具有角动量量子数为半整数的自旋运动。电子自旋的提出,使困扰人们多年的光谱精细结构、历史遗留的元素周期表结构和反常塞曼效应等重大问题都获得了圆满的解释。
原子物理学的发展过程中的许多典型人物和典型事例是引导与培养学生的创新意识、创新思维不可多得的范例。在原子物理学教学过程中,结合知识的传授,抓住典型事例,有目的、有意识地引导学生深入思考,从中受到有益的启示,从而对学生进行创新意识、创新思维的培养;使学生掌握科学方法,体会其科学思想,形成科学观点和科学精神,这也是实施素质教育的具体体现。 转贴于论文联盟 http://
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