淺談原子物理學(xué)中的課程思政*

丁漢芹

（新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 新疆烏魯木齊 830017）

高等學(xué)校思想政治工作在我國(guó)當(dāng)前的高等教育中發(fā)揮著非常重要的作用，因?yàn)檫@直接關(guān)系到我國(guó)教育該把當(dāng)代學(xué)生培養(yǎng)成什么樣的人以及我們?cè)摓檎l(shuí)來(lái)培養(yǎng)人的根本問(wèn)題，我們的教育要時(shí)刻牢記“立德樹(shù)人”這一中心環(huán)節(jié)，全過(guò)程與全方位的貫穿思想政治工作。中共中央教育部在2017年的《綱要》中提出，“提升課程育人的質(zhì)量體系，推動(dòng)以‘課程思政’為目標(biāo)的課堂教學(xué)改革，梳理所有專業(yè)課程蘊(yùn)含的思政元素和承載的思政教育功能”。教育的首要問(wèn)題是培養(yǎng)什么人，要在愛(ài)國(guó)情懷、品德修養(yǎng)、理想信念以及綜合素質(zhì)等方面的教育中狠下功夫，各門(mén)課程都要應(yīng)該認(rèn)真地守好身邊的一段渠，努力種好自家的責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課向著同一個(gè)目標(biāo)、同一個(gè)方向前進(jìn)，全程全方位的構(gòu)造育人大格局。做好課程思政工作是在新形勢(shì)下高等教育面臨的一項(xiàng)重要課題[1]。

原子物理學(xué)是我國(guó)普通高校物理學(xué)專業(yè)的一門(mén)必修課程，在開(kāi)展思政教育方面具有很大的自身優(yōu)勢(shì)。課本中有很多思政元素可以挖掘，能自然而然地融合思政教育，努力提升當(dāng)代學(xué)生的政治思想覺(jué)悟和道德文化品質(zhì)。“課程思政”以學(xué)科發(fā)展為立足點(diǎn)，從育人視角來(lái)消化課程食量，將學(xué)科資源、學(xué)術(shù)資源轉(zhuǎn)化為育人資源，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)傳授”和“價(jià)值引領(lǐng)”有機(jī)統(tǒng)一。由于原子物理學(xué)課程具有內(nèi)容豐富、學(xué)科內(nèi)涵拓展性廣等特點(diǎn)，因此挖掘?qū)I(yè)課程中的思政元素，將思政教育融入課程教學(xué)和改革的各環(huán)節(jié)、各方面，讓專業(yè)課程肩負(fù)起立德樹(shù)人的功能。我們從以下三個(gè)方面闡述原子物理學(xué)中課程思政教育[2]。

一、培養(yǎng)學(xué)生的求真品質(zhì)

原子物理學(xué)是我國(guó)普通高校物理學(xué)專業(yè)的一門(mén)必修課程，一般開(kāi)設(shè)在力、熱、電磁等普通物理之后，在熱力學(xué)統(tǒng)物理和量子力學(xué)等理論物理之前，同時(shí)與光學(xué)與理論力學(xué)等課程同時(shí)開(kāi)課，是連接經(jīng)典物理與量子物理的橋梁與紐帶。其研究涉及微觀世界，很多內(nèi)容與學(xué)生的日常生活相距甚遠(yuǎn)，一些現(xiàn)象會(huì)顛覆已有的認(rèn)知，這對(duì)學(xué)生的思維和老師的授課都是很大考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。學(xué)生通過(guò)對(duì)原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)，能夠微觀世界的物理圖像，理解微觀粒子不同于宏觀課題的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握用量子理論處理微觀世界的方法[3]。

在講述第一章“原子的位形”時(shí)，我們可沿著以下原子結(jié)構(gòu)研究歷史進(jìn)程為主線展開(kāi)思政教學(xué)。結(jié)合1811年的阿伏伽德羅定律和1883年法拉第的電解定律得出自然界中電荷存在最小單元→原子的帶電量是最小單元的整數(shù)倍→1881年斯通尼在理論上用“電子”命名最小單元→陰極射線的研究→1897年湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電子→電子帶負(fù)電→電子的荷質(zhì)比→1910年的密立根油滴實(shí)驗(yàn)→電子質(zhì)量的計(jì)算→原子中存在電子，而且電子質(zhì)量只是原子質(zhì)量的非常小的一部分。事實(shí)上，原子是不帶電的，既然原子內(nèi)存在帶負(fù)電的部分，那么內(nèi)部一定存在帶等量正電荷的成分，為了解決正、負(fù)電荷如何發(fā)布的問(wèn)題，湯姆遜提出原子的“西瓜模型”，即正電荷均勻地分布于原子球體內(nèi)，但帶負(fù)電的電子嵌在其中。但1911年的盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)徹底否定了湯氏模型，這來(lái)源于二個(gè)方面。一方面根據(jù)湯姆遜模型給出的α粒子最大散射角θ小于0.1度。另一方面α粒子散射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：絕大多數(shù)α粒子通過(guò)箔片后完全直線穿過(guò)（θ=0）或近似直穿而過(guò)（θ很小，約在2～3度之間），少數(shù)α粒子穿過(guò)金屬箔時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，個(gè)別α粒子（大約八千分之一），其散射角大于90度，有的竟沿原路完全反彈回來(lái)，θ?180。盧瑟福不迷信權(quán)威，敢于質(zhì)疑，尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，更沒(méi)有忽視“八千分之一”的反射α粒子，從而建立了名垂青史的原子核式模型。盧瑟福這種嚴(yán)謹(jǐn)、求真的科學(xué)精神是何等的重要！

在講述第二章“原子的量子態(tài)”，我們可以進(jìn)行以下思政教學(xué)。盧瑟?！靶行恰蹦Ｐ筒荒芎芎玫亟忉屧拥耐恍院驮偕裕绕涫欠€(wěn)定性的問(wèn)題，氫原子的分立光譜和原子核式模型與經(jīng)典物理都是存在著矛盾。電磁理論認(rèn)為，繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子由于不斷發(fā)射電磁波，其能量會(huì)連續(xù)減少，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也隨之連續(xù)改變，原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的。另外，電荷相反的粒子會(huì)相互吸引，電子會(huì)很快就陷入原子核中。然而，人們看到原子是穩(wěn)定的，原子的光譜也是線狀的。實(shí)際情況與經(jīng)典理論的矛盾又一次困擾著人們。玻爾把經(jīng)典物理無(wú)法解釋氫原子光譜的規(guī)律性和原子的穩(wěn)定性等一系列的困難聯(lián)系在一起加以考慮。他不僅不顧人們對(duì)能量子、光量子和核式模型持懷疑和否定態(tài)度，而且還進(jìn)一步發(fā)展了量子思想，把量子觀念應(yīng)用到原子體系，大膽提出了繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子是不輻射的。玻爾理論的核心是原子內(nèi)部存在穩(wěn)定的量子態(tài)，他認(rèn)為電子只是在二個(gè)不同的量子態(tài)躍遷時(shí)，原子才會(huì)發(fā)射或吸收能量。玻爾理論成功說(shuō)明了氫原子可見(jiàn)光譜的分立性規(guī)律和原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所提出原子內(nèi)部的量子態(tài)被弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。籍此能夠引導(dǎo)和感染同學(xué)們樹(shù)立高遠(yuǎn)志向，鼓勵(lì)他們養(yǎng)成積極向上、永不退縮的人生態(tài)度，激勵(lì)他們?cè)趯W(xué)習(xí)中要不懈奮斗、不畏艱險(xiǎn)。

二、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

在學(xué)習(xí)第三章“量子力學(xué)導(dǎo)論”時(shí)，學(xué)生感到非常的陌生。觸發(fā)量子理論的導(dǎo)火索是來(lái)自十九世紀(jì)人們對(duì)熱輻射的研究。熱力學(xué)和電磁理論都不能對(duì)物體輻射的模式和光譜的形狀進(jìn)行解釋，這表明了經(jīng)典物理在某些方面存在著困難。德國(guó)物理學(xué)家普朗克深受維恩和瑞利-金斯工作的啟發(fā)，通過(guò)多方面的嘗試，他最終得到一個(gè)與實(shí)驗(yàn)情況十分吻合的公式。為了從物理上給公式賦予理論解釋，普朗克對(duì)諧振子能量提出了能量子假設(shè)：諧振子的輻射能量不是連續(xù)取值，而只能取某一最小能量的整數(shù)倍。根據(jù)能量子假設(shè)，在光的發(fā)射和吸收過(guò)程中，能量變化只能取hν的整數(shù)倍，而不能是其他任意數(shù)值。最小能量單元被稱為“能量子”，量子的概念由此誕生。普朗克的能量子假設(shè)第一次揭示了微觀世界的不連續(xù)的本性，從此標(biāo)志著量子論的產(chǎn)生。

愛(ài)因斯坦發(fā)揚(yáng)就普朗克科學(xué)精神，對(duì)光電效應(yīng)做了理論解釋。光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲研究電磁波特性過(guò)程中觀察到的，他用紫外光照射某些金屬表面時(shí)，金屬就立即逸出電子，但如果照射光的頻率低于某一數(shù)值，無(wú)論的關(guān)多強(qiáng)都不能使得電子逸出。這一現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)無(wú)法用經(jīng)典物理理論做出解釋。這是因?yàn)?，根?jù)經(jīng)典電磁理論，任意頻率的照射光，只要光強(qiáng)足夠的大，就能夠讓電子獲取足夠多的能量離開(kāi)金屬表面；另外，光照的能量密度是連續(xù)的，在原子尺度的狹小范圍內(nèi)，達(dá)到電子逸出所需能量必須有一定的時(shí)間積累才能完成。愛(ài)因斯坦是最早領(lǐng)悟到量子力學(xué)奧妙的人之一。為了解決光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與經(jīng)典物理之間的矛盾，愛(ài)因斯坦在普朗克能量子概念的啟發(fā)下，拋開(kāi)經(jīng)典電磁理論的約束，選擇利用量子視角來(lái)看待光：光并不像一個(gè)連續(xù)的波，而是像一束粒子流，這些粒子有著離散的能量，無(wú)論是光的發(fā)射或光的吸收，還是光本身都是由一個(gè)個(gè)不連續(xù)且不可分割的能量子組成的，在空間傳播時(shí)具有粒子性。愛(ài)因斯坦利用光量子概念，完美地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦的勇氣、智慧和科學(xué)精神為后人所敬仰。愛(ài)因斯坦敢于否定普朗克的“輻射本身是連續(xù)的”觀點(diǎn)，提出了“光量子假說(shuō)”。在此過(guò)程中，盡管受到多方面的攻擊和嘲笑，但愛(ài)因斯坦繼續(xù)向著科學(xué)陣地前進(jìn)。只到后來(lái)被密立根的實(shí)驗(yàn)和康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光量子概念才被廣泛接受。玻爾勇敢與麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論挑戰(zhàn)，提出了原子的量子態(tài)。通過(guò)科學(xué)家的真實(shí)事跡，在教育教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的科學(xué)精神[4]。

三、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

盡管原子這個(gè)概念已有了2000多年的歷史，但是原子物理學(xué)作為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科也只是在20世紀(jì)初才開(kāi)始形成。1895年德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴教授發(fā)現(xiàn)的X射線、1896年法國(guó)科學(xué)家安東尼·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的放射性、1897年英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·湯姆遜發(fā)現(xiàn)的電子正式拉開(kāi)了人類近代物理學(xué)研究的序幕。伴隨著近代物理學(xué)的向前發(fā)展，以及1911年盧瑟福提出的原子核式模型和1913年玻爾提出原子的量子態(tài)，揭開(kāi)了人們對(duì)原子物理學(xué)研究新的篇章。物理學(xué)需要理論作為支柱，同時(shí)也離不開(kāi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，作為一門(mén)自然學(xué)科，原子物理學(xué)同樣也不例外。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者羅伯特·安德魯·密立根在1923年的領(lǐng)獎(jiǎng)大會(huì)上就說(shuō)過(guò)，“科學(xué)須靠理論和實(shí)驗(yàn)兩條腿來(lái)走路，一前一后而相互依賴的向前邁進(jìn)。理論在實(shí)驗(yàn)中上升，在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)。[2]”

我們首先以原子的量子理論建立為例來(lái)說(shuō)明原子物理學(xué)中實(shí)驗(yàn)與理論的關(guān)系。盧瑟福在α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了核式模型，但不能解釋原子的穩(wěn)定性。眾所周知，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)告訴我們，電子在繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)向外產(chǎn)生電磁輻射，自己能量不斷降低，將做向心運(yùn)動(dòng)，瞬間（大約1納秒數(shù)量級(jí)）跌入原子核中發(fā)生電中和，導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)不復(fù)存在。但事實(shí)上，原子是非常穩(wěn)定的，無(wú)論是在地球上，還是宇宙其他處都一樣。另外一個(gè)就是人們發(fā)現(xiàn)，氫原子的發(fā)射光譜是線狀。根據(jù)經(jīng)典理論，由于能量是連續(xù)分布的，光譜也應(yīng)該是連續(xù)的才對(duì)，這讓人很是困惑不解。為解決這些實(shí)驗(yàn)中觀察到是結(jié)果，玻爾深受普朗克能量子和愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)，第一次把量子概念引入到原子，創(chuàng)造性提出了定態(tài)、躍遷條件等假設(shè)，否定了原子的經(jīng)典理論，建立起原子的量子模型。在玻爾理論發(fā)表之后一年，二位德國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·弗蘭克和海因里?！?shù)婪颉ず掌澾M(jìn)一步通過(guò)電子束碰撞金屬汞蒸氣。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)汞原子只是吸收外來(lái)的4.9eV的能量，其他數(shù)值不吸收。這充分證明了玻爾理論中關(guān)于原子只能處于某些分立的量子態(tài)，也驗(yàn)證了“從實(shí)驗(yàn)到理論，再?gòu)睦碚摰綄?shí)驗(yàn)”的真理[5]。

盡管玻爾理論成功解釋了光譜的分立性，但是隨后人們發(fā)現(xiàn)光譜線不是單線而存在精細(xì)結(jié)構(gòu)，如堿金屬的光譜是雙線。另外，1921年德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W特斯·史特恩和瓦爾特·格拉赫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基態(tài)銀原子在非均勻磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)是有二個(gè)取向，但是玻爾理論不能解釋這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。1925年，荷蘭兩位年輕的大學(xué)生烏倫貝克和古德史密特分析一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大膽提出了電子自旋假設(shè)，并科學(xué)的解釋了玻爾理論不能解決的難題。人們?cè)诟鶕?jù)自旋理論，成功解釋了實(shí)驗(yàn)中觀察到的反常塞曼效應(yīng)現(xiàn)象。這些思政元素培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。

四、培養(yǎng)學(xué)生的審美品質(zhì)

教學(xué)過(guò)程中要滲透審美教育，要將物理教學(xué)和思政教育融合在一起，讓學(xué)生得到全面健康發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)未來(lái)作出清晰的思考，幫助學(xué)生形成積極向上的人生態(tài)度和高雅的審美標(biāo)準(zhǔn)。物理課程是傳播物理文化的陣地，不是表面上的道德教育和形式上的政治教育，而是與物理科學(xué)知識(shí)緊密聯(lián)系的思想理念教育。愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)，“學(xué)校的目標(biāo)始終應(yīng)當(dāng)是，青年在離開(kāi)學(xué)校時(shí)，是作為一個(gè)和諧的人，而不是作為一個(gè)專家”。從古到今，所有科學(xué)家都是精神的富有者，心懷高尚審美觀，他們?yōu)槌绺呃硐?、為科學(xué)的發(fā)展、為人類的進(jìn)步而努力奮斗。我們?cè)凇霸雍说乃プ儭睍r(shí)，居里夫人就是很好的一個(gè)例證。她和丈夫一起對(duì)鈾的各種礦石進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)了兩種放射性很強(qiáng)的新元素。居里夫人本來(lái)可以獲取巨大財(cái)富，但她不顧個(gè)人得失和個(gè)人安危，一心只想如何為人類發(fā)展作出更大的服務(wù)。但是非常痛心的是，由于長(zhǎng)期直接接觸放射性，深受核輻射，最終惡性貧血逝世。居里夫人在科學(xué)上的貢獻(xiàn)值得敬佩，她的高尚人格美更值得我們景仰與學(xué)習(xí)。

在原子物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中融入課程思政，既能引導(dǎo)學(xué)生將個(gè)人志向與國(guó)家重大需求相結(jié)合，從物理學(xué)科的角度堅(jiān)定個(gè)人的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，又能會(huì)春風(fēng)化雨和潤(rùn)物無(wú)聲，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)與德育目標(biāo)的融合統(tǒng)一。同時(shí)也讓專業(yè)課教師承擔(dān)起“立德樹(shù)人”的重大責(zé)任，實(shí)現(xiàn)“三全育人”目標(biāo)所蘊(yùn)含的內(nèi)涵[6]。