研讨式教学模式在“原子物理学”教学中的探索

［摘 要］ 原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的科学，其研究内容抽象深奥且对学生的理论基础要求高，因此，该课程一直是高校学生的学习难点。通过深入地分析和探索研讨式教学模式及其在“原子物理学”课程教学中的具体实施方案，发现在现有的教学模式中，研讨式教学模式能够增加教学中的师生互动，提高学生在教学中的参与度，有效激发学生的学习兴趣，提升学生的学习动力，从而实现提高教学质量的目的。

［关键词］ 原子物理学；研讨式教学；教学模式；课堂教学改革

［基金项目］ 2022年度浙江工业大学校级教学改革项目“研讨式教学模式下《原子物理学》课堂教学改革与实践”（JG2022041）

［作者简介］ 李 博（1975—），男，湖北武汉人，工学博士，浙江工业大学理学院副教授，博士生导师，主要从事太阳能界面水蒸发研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）09-0000-04 ［收稿日期］ 2022-11-04

原子物理学研究的是物质结构介于分子和原子核之间被称为原子的结构、运动规律及相互作用。原子是从宏观到微观层次中一个重要的中间环节。因此，原子物理学成为诸如化学、生物学、天体物理等基础学科发展的基础，也是激光技术、光谱学、磁共振等现代高新技术应用的基础。“原子物理学”是高校物理类专业必修的一门基础课程，其上承经典物理，下接量子力学。由于原子物理学研究的对象属于微观领域，不像宏观世界中的物体那么直观，对学生而言，显然对微观粒子缺乏实际生活经验的认知，无疑增加了学生学习该课程的难度，因此，在课程教学中需要培养学生的抽象思维能力和想象能力以提高对微观粒子的理解。另外，原子物理学需要使用大量的量子力学相关知识进行分析和计算，这又进一步增加了学生掌握该课程相关内容的难度。

笔者在高校讲授“原子物理学”课程多年，发现学生对该课程的学习存在较大的困难，在考试成绩上不太理想，属于补考率较高的课程之一。在开始授课时，学生大致上能跟上教学进度，但随着课程的深入，需要更强的抽象思维能力和更多的量子力学基础知识时，学生往往就显得非常被动，对相关知识的掌握程度变得较低，进而大幅度降低对该课程的学习兴趣，从而最终导致教学质量不高。笔者认为，要求学生具备抽象思维能力并掌握量子力学相关知识是该课程的固有属性，这一学习门槛无法降低，但我们可以通过改进教学模式来增强学生对该课程的学习兴趣，培养学生对该课程的自发学习动力，让学生能够克服外在的困难，进而保证“原子物理学”课程的教学质量。

一、现有的教学模式

讲授法属于传统的教学模式［1］，也是大多数课程采用的主要授课方法，教师通过口头和肢体语言向学生传授相关知识，教师是知识的输出方，学生是知识的接受方。在这种教学模式下，学生在大多数时间内只是被动接受知识，在课堂上缺乏与教师的有效教学互动，不但会影响学生对所授知识的深度理解，而且学生的学习兴趣也无法通过课堂教学有效提高。在高等教育阶段，学生已经具备一定的学习能力，兴趣是最好的老师，若此时能进一步提升学生的学习兴趣，那么课程的教学质量将会得到较大提高。因此，近年来，多种教学模式如翻转课堂、案例教学法、讨论法、项目式教学、研讨式教学法等［2-6］，相继在课程教学中得到应用。虽然这些教学模式在具体的实现方法上各有不同，但它们都能通过加强课程教学中的师生互动，提高学生的参与度，进而提升学生的学习兴趣，从而达到实现提高教学质量的目的。“原子物理学”因教学内容理论性较强，在目前高校的课程教学中主要以讲授法为主。近年来围绕“原子物理学”进行的教学改革进行了一些有益的探索，如：慕课教学和微课的引入［7-8］，可以有助于学生的移动学习，提高时间的利用率；配以虚拟现实技术［9］，可以将诸如氢原子模型、塞曼效应等抽象理论，通过计算机技术以二维或三维图像、动画的形式直观展现，从而增强学生对相关理论的理解；科研与教学有机结合的研究型教学模式的引入［10］，可以促进对学生创新能力的培养，提高学生学习的主动性。以上这些针对“原子物理学”教学的积极探索，虽然都取得了一些成效，但在对提升师生互动方面略显不足。想要增加教学过程中的师生互动，最直接的方式是多设置一些针对授课内容的师生研讨环节，通过研讨扩展学生的思维，提高学生的参与度，让学生对原子物理学真正产生兴趣，从而实现提高教学质量的目的。

二、研讨式教学模式分析

研讨式教学起源于18世纪的德国，现已成为西方发达国家在高等教育阶段主要采取的教学模式。区别于讲授法，研讨式教学对学生提出了更高的要求。从学生的角度看，讲授法最轻松，因为学生无需额外做工作，只需要在课堂上认真听讲；但从人才培养的角度看，作为新时代的高校学生，如果只接受“填鸭式”教育，就会缺乏对未知科学领域的探索精神，学生的创新能力很难得到培养。显然，这样的高等教育培养出的人才是不成功的。

经过九年的义务教育，再加上三年的高中阶段学习，进入高校的大学生已具备了一定的学习能力和独立思考能力。从性格发育的阶段看，大学生对未知领域的好奇心和探索欲正处于一个相对较高的水平，这些都为研讨式教学模式的实施奠定了基础。研讨式教学模式要求学生具备主动学习的能力，学生要根据教师提出的问题，主动寻找相关资料进行学习研究。从学生的角度看，这种教学模式是辛苦的，因为学生除了课堂教学外，课外还有大量的查阅资料、分析研究、撰写总结工作。对于基础欠佳的学生，教师可以给予一定的帮扶或者鼓励学生组队完成。从人才培养的角度看，虽然过程是辛苦的，但结果是欣慰的，因为学生的学习兴趣和自主学习能力均得到了提高，学生对科学技术的探索精神及自身的创新能力都得到了培养。这样的高等教育才能为社会培养出真正有价值的人才。

研讨式教学模式的基本内容主要包括：提出问题、启发思考、科学探究、研究讨论和研究总结等几个方面。

1.提出问题。教师根据教学计划提出若干个围绕授课内容相关的具有可探讨性的问题。问题可以是涉及原理、理论方面的，也可以是涉及实验、应用方面的，还可以是涉及科学史方面的。不同领域的问题能更好地满足不同层次、不同兴趣爱好学生的需求，进而进一步激发学生的学习兴趣。问题可以是开放式的，即没有统一的标准答案，学生需要根据查找的资料，结合自己的理解，给出相对合理的解答；问题也可以是封闭式的，学生需要沿着某一正确的思路进行探究才能得到正确的答案。开放式问题和封闭式问题的结合，不但能训练学生缜密的逻辑推理能力，而且能训练学生的发散式思维，培养学生的创新精神。

2.启发思考。教师可以根据提出的问题给出一些引申的研究方向，拓宽学生的知识面，促进学生进行深入的分析和思考。有时候必要的启发，可以让学生更快地进入状态，不至于无所适从。对于基础相对较弱的学生，教师的启发可以增加这些学生的参与热情，不至于让研讨式教学流于形式。只有全班学生都能广泛参与，研讨式教学的实际收益才能最大化。

3.科学探究。学生利用学校图书馆或网络进行相关文献资料的收集查阅。由于普通大学生未进行过专业的科研训练，其文献查阅能力无法与研究生相比，因此，教师可对学生在文献检索方面给予一些必要的指导，以利于学生在科学探究中走得更深、走得更远。学生收集查阅更多更全的有用资料，有助于进一步激发学生对研究问题的探索欲，提高学习兴趣。

4.研究讨论。研究讨论是师生互动的最重要环节。经过科学探究后，学生对教师提出的问题已经具有全面的了解，并形成了自己的见解。研讨过程是最活跃，以及最能体现和锻炼学生综合思维、表达能力和综合素质的机会。在研究讨论过程中，学生和学生、学生和教师之间能够面对面研讨，将自己的研究见解表达出来，并且解答其他同学或教师的提问。在这个过程中，师生充分互动，学生参与度显著提高，有效促进学生学习兴趣的提升，同时学生的自信心得到了增强。在研讨过程中，一方面，教师要积极鼓励学生发言，鼓励学生大胆地表达自己的研究见解，并给予适当的肯定和鼓励；另一方面，教师要关注学生的表现，对其能力和素质进行记录，为后续成绩评价所用。

5.研究总结。教师对学生在研讨过程中展现的综合能力进行评价总结，同时学生结合自己的研讨学习过程进行自我小结。教师的总结可以使其在今后的教学中设计出更适合学生的研讨问题，从而进一步提高教学质量；学生的小结可以使其更加明确各教学环节对自己能力培养的积极作用，进而促进其良好学习习惯的养成。

三、研讨式教学模式的实践探索

目前，国内高校在“原子物理学”课程教学中，大多数选用的是杨福家或褚圣麟先生编写的教材。教材内容主要涉及原子的结构、原子的光谱、原子的精细结构及原子核物理基础知识。教材以阐述原子结构为中心，贯穿原子物理学发展史，深入浅出地讨论了原子物理学的基本内容，现已成为学习原子物理学的经典教材。原子物理学属于物理学研究中的前沿领域，至今还有许多未解之谜，其中任何一个谜团的解开都可能极大地推动物理学的整体发展，正因如此，迄今大部分诺贝尔物理学奖得主的科研成果都与原子物理学有关。这些未解之谜也为研讨式教学中开放式问题的设置提供了许多很好的思路，同时，教材中的科学发展史和人文内容，也为教师向学生提出科学研究规律相关问题提供了丰富的素材。

根据研讨式教学的基本内容，研讨式教学在“原子物理学”教学中的实施方案可包括以下五个步骤。

1.下达研究问题。首先，将教学班内的学生进行分组，每组2～5人，可采取学生自愿组合的方式，确保每位学生都能进入小组。小组内的学生数量不宜过多，这样才能确保每位学生积极参与，有较明确的分工，而不滥竽充数。下达的研究问题围绕授课计划的章节内容展开，每一章节提炼若干个具有一定深度和广度的问题，分配给学生小组。不同的问题可以分配给不同的小组，也可以同一个问题同时分配给若干个小组进行研究。下面列举一些研究问题仅供参考：（1）卢瑟福依据氦原子核散射实验提出了原子的核式模型，从而否定了原子的汤姆孙模型，若离开氦原子核散射实验，汤姆孙模型还有可能被否定吗？（2）介绍普朗克公式导出的详细过程。（3）光的双缝干涉实验和电子的双缝干涉实验在实验装置、物理机理上有哪些异同。（4）如何理解电子的自旋和电子的波动性二者之间的联系。

2.启发研究方向。教师下达研究问题时，先要对这些研究问题有一个较为深入的了解，这样就能较准确地把握该研究问题可能涉及的知识面。教师要针对不同学生小组的特点进行个性化的启发，即针对研究问题涉及的不同方面对不同的学生小组进行启发，这样即使是同一个问题分配给不同的学生小组，也可以让各个学生小组从问题的不同侧面进行研究，为后续的研讨过程能具有更为丰富的内涵打下基础。比如，精细结构常数为什么是一个无量纲的常数，其背后的物理意义该如何更好地去理解。教师在启发时，既可以从玻尔的氢原子理论出发，也可以从物理量量纲的意义出发。

3.学生调研分析。下达的部分研究问题可能会涉及教材中尚未着重分析甚至没有提到的内容，所以，除参考教材之外，学生需要使用网络或其他图书资源围绕研究问题进行详细调研。在查阅网络资料时，除了要保证来源合法之外，更重要的是要对资料进行筛选和分析。在形成研究报告时，不能照抄照搬已有的资料，需要融入学生自己的见解，并经过组内学生共同讨论后形成成果报告，为后续的讨论做准备。同时，鼓励学生制作PPT演示文稿，锻炼自己的演讲才能。

4.师生现场讨论。课上教师分别与每组学生进行讨论，此时所有学生都要聆听讨论并参与讨论，这样集思广益，受益面才会更大。教师既要作为主持人，组织好学生，督促和鼓励学生积极踊跃发言，又要作为导师，面对面地为学生解惑，启发学生进行思考，补充学习新的知识，促使研讨效果最大化。此外，教师要观察学生并尽量发现学生的优点和不足，进行记录和评价，并给出相应的成绩。