研究生基础课程“高等原子分子物理学”教学改革探索

李小红 张瑞州

河南科技大学 河南洛阳 471023

“高等原子分子物理学”是河南科技大学物理学专业研究生的学位必修课程。该课程主要从原子分子物理的角度研究原子分子结构、性质、相互作用和运动规律,了解激光和同步辐射光谱学等研究手段,阐明物理学基本定律。学生在学习过程中普遍反映该课程理论性强、学习内容抽象。另外,本课程是以本科阶段“原子物理学”和“初等量子力学”为基础而讲授的课程,而理工科院校的研究生普遍存在这两门课程基础薄弱的现象。本文根据多年本科阶段“原子物理学”和研究生阶段“高等原子分子物理学”的教学经验,在借鉴其他高校教师教学的基础上,结合我校实际情况,在本课程的教学过程中进行了深入的思考和探讨,旨在提高物理学专业研究生的专业知识水平,培养学生的独立创新能力和解决实际问题的能力。

一、教学改革的思路

研究生课程教学是研究生培养过程中的一个重要环节,是打牢理论基础的主要环节。然而,国内的课堂教学都是以“教师为主体”,以课堂讲授为主,学生课堂听课和课后作业的主要教学模式。然而这种传统的教学方式使教师只注重于专业知识的灌输,从而导致学生独立思考和自主学习的时间较少,只能被动地跟随着教师的脚步被动学习,大大降低了他们获取知识的主动性,另外研究生课程主要采取以期末闭卷笔试的考核方式,这些都与我国高等教育的目标——培养创新型人才相违背。因此,为了进一步提升物理学专业研究生的培养质量,激发其创新能力,研究生基础课程的教学改革势在必行。针对这种情况,一些国内外高校开始探索研究生基础课程的教学改革[1-2]。

原子与分子物理学科是较为基础的,并和许多学科有较多联系,量子力学、量子光学、激光技术等学科均是以原子分子物理作为基础而发展起来的。原子分子物理与化学、材料学、生物学等密切相关,因此也最容易形成交叉学科。一些生产技术部门和高科技产业的发展,在理论上和实验上很多都立足于原子分子物理。作为物理学专业研究生的一门核心课程,高等原子分子物理是研究原子分子结构、性质、运动规律,及其与周围介质相互作用的一门科学,可为凝聚态物理和材料科学等奠定理论基础。在“高等原子分子物理学”教学过程中,必须树立新的教学理念,通过教学方式和教学内容的改革,让学生参与到教学过程中,激发学生的求知欲。“高等原子分子物理学”课程紧密围绕国家需求和学科前沿,与凝聚态物理、等离子体物理、化学以及生物学等都有交叉,学科研究不断有新的进展,因此在教学过程中必须以教学大纲为基础,跟随学科的进展,与时俱进,不断关注学科前沿,搜集新的研究成果,并将其及时充实到高等原子分子物理学教学中去。另外,先进的教学方法和教学手段可以大幅提升研究生的课堂教学效果。在课堂教学过程中,根据高等原子分子物理课程的教学内容和教学目标,对教学方法进行了探究。

二、教学内容改革

(一)增加部分教学内容

原子物理学作为一门衔接经典物理和近代物理的微观物理课程,有其独特之处。原子物理学是一门实验学科,其研究对象是微观世界,而微观世界的规律往往是与生活在宏观时空中人们的日常经验相左的,这就使学生非常难以理解原子物理学中的一些知识,从而失去对原子物理学学习的兴趣。由于原子物理学注重基础知识的掌握,而高等原子分子物理学则更注重理论的深度,并且课程内容包涵了激光光谱学、电子能谱学等内容,因此很多学生不适应这门课程的教学内容,从而给课堂授课带来了困难。根据我校物理学专业硕士生的实际情况,有的学生以前从没学过原子物理学,有的学生学习原子物理学的内容非常少。而原子物理学的学习情况会直接影响到高等原子分子物理学的教学效果,从而进一步影响研究生的创新能力。因此,为进一步提高研究生的创新能力,在教学内容上使原子物理学和高等原子分子物理学之间能够很好衔接,我们根据本校学生的特点,在课堂教学过程中加入了一部分原子物理学的内容,例如加入了单电子原子能级和光谱、多电子原子能级和光谱、和磁场中的原子等内容,使学生能够从简单的知识体系逐渐过渡到高等原子分子物理的知识体系中去。

(二)精心挑选教材和教学章节

高等原子分子物理学作为多种学科的理论基础,其中大量的推导和复杂的公式使学生感觉非常抽象、难以理解。因此我们选用徐克尊老师的《高等原子分子物理》作为主要教材,以褚圣麟的《原子物理学》作为辅助教材。对于有一定英语基础的研究生而言,可以选择国外S.Svanberg编著的AtomicandMolecularSpectroscopy:BasicAspectsandPracticalApplications作为英文参考教材。不同类型的教材选择遵循中英文结合、循序渐进的原则,使学生逐渐提高学习兴趣,掌握高等原子分子物理学的基础知识,并能运用到自己的今后的研究工作中。

本课程总学时数为48学时,而高等原子分子物理学教材共7章,涉及原子和分子能级结构、谱线宽度、激光、电子能谱学等内容。考虑到高等原子分子物理学教学和研究生研究方向之间的矛盾,必须对教学内容进行取舍。本课程的教学目的是使学生全面、系统地了解原子物理学的相关内容,并与前沿科技相联系,为今后的科研工作打下坚实的理论基础。因此教学重点放在基本原理和基本内容上,如原子光谱、分子红外拉曼光谱、分子势能曲线等,侧重于讲解一些基本概念和建立一些物理模型。比如对于原子光谱这部分内容,教师先讲解氢原子光谱的内容,然后引导学生自学碱金属原子光谱的内容。这样可以在课堂上将相关的最新研究进展和成果引入课堂,扩充教学内容。有些章节由于时间关系不在课堂上讲授,采取学生课后自学、教师答疑等方式进行学习。

(三)结合科技前沿进行教学

现代科学技术的发展使人类的视角以前所未有的速度从窄小的周边世界向外拓展延伸,因此必须在高等原子分子物理学教学过程中引入科技前沿知识。高等原子分子物理学需要根据学科的发展而增加或者修改相关内容,因此,在教学过程中,我们结合当前科学研究,突破性进展进行教学活动。比如在2020年,精密测量院柳晓军团队发现了在亚光学周期时间尺度内发生的激光诱导电子转移新现象,该成果发表在国际权威期刊Physical Review Letters[3]上。光诱导电荷转移是自然界普遍存在的一种微观超快物理过程,对光催化和光合反应等起着至关重要的作用。近年来,人们发现可以利用少周期飞秒强激光对简单两原子分子的多光子吸收—解离过程进行调控。该团队还认为激光诱导电子转移会诱发不同形式的电子激发或电离,结合光场调控可对这些激发或电离过程进行精确控制。我们在教学过程中将一些知识的实际应用引入课堂,极大开阔了学生的视野,拓宽了学生的知识面,活跃了课堂气氛,激发了学生的学习积极性,使学生感到所学内容与实际应用息息相关,还存在许多重大科学问题等着他们去解决,从而增加学生的使命感和责任感。

在教学过程中,我们还注重介绍相关知识点在前沿科学中的应用,有意识地培养学生物理理论研究的修养,把教师的科研成果穿插到整个教学过程中,把最新的科学研究结果融入研究生的教学过程中,提高学生的学习兴趣。比如,我们在讲授碱金属原子光谱时,首先给大家讲解我国在原子光谱领域获得的重要进展,比如中国科技大学合肥微尺度物质科学国家研究中心激光精密测量与痕量探测研究组将He原子的2s～2p跃迁能级中心频率测定到了1.4kHz的精度,该结果可能被用来检验超越标准模型的新物理。然后从讲解氢原子光谱出发,逐渐引入碱金属原子光谱,这样的课堂教学可以避免课堂教学的枯燥,提高学生的上课兴趣。

三、教学方法改革

(一)课堂教学模式改革

由于“高等原子分子物理学”课程是以本科阶段的原子物理学和量子力学为基础,因此学生感觉这门课程比较难、内容比较枯燥,学生主动学习的意愿不强烈,往往课前没有预习,课后没有复习,所以采取新的教学方法非常重要。传统的教学是以教师为主体,使学生进行被动的学习,因此在教学过程中我们采取了课堂讲授和讨论相结合的教学方式。每次上课前让学生对上次讲授内容进行回顾,课程结束前让学生对本次课进行总结,同时在讲课过程中对课本中的一些知识点向学生进行提问。例如,对于单电子原子能级部分,由于该部分和本科阶段原子物理学内容很接近,因此我们要求学生课前进行预习,课上学生独立给教师和其他学生进行讲解。随后其他学生根据自己的理解来对该学生的讲解内容进行点评,而任课教师最后进行总结,指出学生理解错误之处或者对学生讲不清楚的内容进行说明。这种教学方式可以督促学生进行课前预习和课后复习,提高学生的学习积极性。对于课程中的一些知识点,我们让学生自己进行探究,给学生讲解文献检索的方法,让学生利用学生的图书资源和网络资源进行资料的收集和整理,再将自己的研究成果做成PPT,给教师和同学汇报。这种课堂教学方式可以大大调动学生的主观能动性,提高学生的自学能力和分析解决问题的能力,为今后的科研工作提供了基础。学生的课堂汇报还增强了学生的表达能力,提高了自信心。

在课堂教学中,我们还注意穿插一些科学家的故事,比如海森伯、李远哲等,从而使课堂气氛更加活跃。在课堂教学过程中,我们采用多媒体和板书相结合的讲授方式。用多媒体呈现一些复杂的公式,如薛定谔方程等,采用不同颜色或者下划线等突出标记对重要公式或者结论进行显示,这种方式可以使学生对课程学习的重点一目了然,大大提高了学习效率。

(二)习题教学模式改革

与本科阶段的原子物理学相比,高等原子分子物理学的基本原理更加晦涩,不容易理解,并且涉及很多数学知识,学生经常在课堂上听得一知半解,课后作业题更是无从下笔,因此教师和学生必须重视课后习题这个环节。如何通过习题让学生更好地理解所学内容,更好地掌握和理解课堂上抽象的物理原理和概念,是值得任课教师思考的问题。在习题课上,一方面应该鼓励学生提出多种假设,从不同角度对问题进行分析,通过一题多解等形式开阔学生的解题思路;另一方面,要引导学生对解题过程中出现的一些错误进行分析,找到出现错误的原因,然后由学生得到正确的结果。这样做可以大大调动学生的学习积极性,培养了学生认真细致的工作态度和大胆质疑的精神。

(三)注重教学反馈

在课堂上,教师通过观察、质疑、练习等环节对学生的状态进行了解,可以有效地发现教学中存在的问题,及时调整教学方法。课后作业可以反映学生掌握知识的真实情况,它既可以检查学生的学习情况,也可以检查教师的教学效果。通过课后作业、课堂提问等途径来了解学生对知识点的掌握程度,可以有效避免表象下的真实信息,暴露学生在学习过程中存在的问题。教师和学生应及时地、有针对性地调节教和学,高效地实现教学目标。针对“高等原子分子物理学”这门课程,来自学生的教学反馈可以让任课教师发现授课过程中的不足之处,从而改进自己的教学方法和教学内容,逐步提高教学质量。教师可以依托微信、钉钉或者QQ平台建立课程微信群或者QQ群等来进行课后的教学反馈,分享与课程内容有关的前沿领域。

结语

“高等原子分子物理学”作为物理学一级学科研究生核心课程,旨在对处理和研究原子结构、能级和光谱的方法进行说明和论证。本文从教学内容和教学方法改革等方面进行了积极探索和思考,逐步解决了该课程理论性强、抽象内容过多等问题。教师应该针对不同的学生特点采用不同的方法,从而使学生在课程学习中收获更多自己需要的知识。另外,通过课堂教学过程中教师和学生角色的转变,实现了以学生为主体、教师为主导的课堂教学,很好地增强了学生学习的积极性和主动性,学生的创新精神和创新能力得到全面提升。