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探討原子核物理的教學改革方向論文
摘要：根據(jù)原子核物理課程的特點, 從課程內(nèi)容, 教學方式兩個方面探討了原子核物理的教學改革方向.通過合理地設置教學內(nèi)容、增加實踐環(huán)節(jié)和引入學科前沿等來合理地構造學生的知識架構, 提高學生的學習興趣.通過引入科學的教學方法和評價手段來提高教學效果.
關鍵詞：原子核物理; 核工程與核技術; 教學研究;
On Reform of Nuclear Physics Course
XIA Dong-mei
Power of Engineering of Chongqing University
Abstract：
Nuclear Physics is a professional basic course for students majoring in nuclear science and technology.To improve students' interest in the course and to enhance the teaching effect of the course, agood foundation should be laid for the students.In this paper, based on the characteristic of the course, the direction of reform about Nuclear Physics has been discussed according to course contents and teaching way.By reasonably setting up teaching contents, increasing practice parts, introducing disciplines and frontiers, we can rationally structure students' knowledge structure and enhance students' interest in learning.In order to improve teaching effect, we introduce scientific teaching methods and estimated means.
Keyword：
Nuclear Physics; nuclear engineering and technology; teaching research;
原子核物理是20世紀形成的學科, 這門學科是隨著近代物理以及近代核科學與技術的應用需要而逐漸發(fā)展起來的[1], 自形成以來一直是一門前沿學科.物理學是以研究物質(zhì)的運動規(guī)律及其基本物質(zhì)結構為基礎的學科, 原子核物理是物理學的一個重要分支, 研究介于原子與粒子物理之間的物質(zhì)結構層次, 而介于原子核粒子物理的層次即為原子核.原子與原子核為物質(zhì)結構的兩個不同層次.從發(fā)現(xiàn)原子的核式模型以來, 原子就被分為原子核與核外電子兩部分.原子核在原子的中心, 占主要質(zhì)量, 核外電子繞原子核做高速運動.元素的性質(zhì), 比如化學性質(zhì)、物理特性、光學性質(zhì)則幾乎只跟核外電子有關;核的放射性衰變和核反應等則由原子核決定.原子核的現(xiàn)象相比于原子的現(xiàn)象更不容易被人們察覺, 但卻無處不在.在現(xiàn)代技術的發(fā)展下, 人們可以觀察到越來越多的核現(xiàn)象, 比如核電站中的反應堆, 其中就包含了大量的核反應和核衰變.
1 教學內(nèi)容與課程設置
原子核物理是核科學與技術專業(yè)的專業(yè)基礎課, 學好這門課能夠為培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的學科專業(yè)人才打下堅實的基礎.學習這門課不僅要掌握好基礎知識, 如核的結構、性質(zhì)等, 還應當結合專業(yè)背景設置相應的拓展課程.同時, 原子核物理是一門物理課程, 跟其他物理學課程一樣, 它是一門以實驗為基礎的學科.因此在學習中, 在關鍵章節(jié)應當設置相應的實踐實驗課, 來加深學生對基本知識的理解.
1.1 基本內(nèi)容與先修課程
原子核物理是研究物質(zhì)結構的一門學科, 學習原子核物理, 要回答原子核是由什么組成的, 有什么性質(zhì), 遵循什么樣的運動規(guī)律, 有什么相互作用等基本問題.學習原子核物理, 其基本知識包括: (1) 原子核的組成與基本性質(zhì).原子核的基本性質(zhì)一般指原子核作為整體具有的靜態(tài)狀態(tài)下的性質(zhì), 包括原子核的電荷、質(zhì)量、半徑、自旋、磁矩、電四極矩、宇稱、統(tǒng)計性質(zhì)及同位旋, 這些性質(zhì)與原子核結構及其變化有非常密切的關系, 是原子核物理的基礎知識, 也是原子核作為要學習的對象所必需掌握的知識; (2) 核力及核的模型.通過觀察到的原子核現(xiàn)象, 如放射性現(xiàn)象, 所了解到的核基本組成, 只是感性的認識.對于核的結構以及核內(nèi)部的力是如何將核的各個結構組成一個整體需要力學的解釋, 通過核力的理論計算來對核的現(xiàn)象進行解釋.同時通過這樣的理論建立核的模型, 通過模型形象地建立核的構造, 更深刻地理解核的性質(zhì); (3) 原子核的衰變, 包括α衰變、β衰變、γ衰變.這些是人們最初觀測到的核現(xiàn)象基本方式.通過學習核的衰變規(guī)律, 來進一步學習理解核的結構和性質(zhì), 也為學習核的應用———射線技術打下基礎; (4) 原子核反應.原子核自發(fā)的衰變是一種自然現(xiàn)象, 而核的反應則是人類為研究核的性質(zhì), 探索核的應用而發(fā)展起來的.學習核的反應, 探索核反應的規(guī)律能夠進一步理解核的性質(zhì), 同時為核技術的應用打下基礎.核的基本組成、核力與核的模型、核的衰變和核反應均是學習原子核物理的基本內(nèi)容, 只有學習了這些基礎知識, 才能夠基于核的基礎知識來進行運用和研究.
學習原子核物理需要學生已經(jīng)學習了大學的基本數(shù)學課程, 除此之外, 學生需要學習量子力學作為先修課程.雖然根據(jù)不同學科方向, 教師對該課程的內(nèi)容設置和深度設置有所不同, 但是量子力學是學習微觀物理學的支柱[2], 原子核物理中的思想很多也是來源于量子力學.
1.2 實驗課程實踐及應用
跟物理學一樣, 原子核物理是一門實驗性學科, 從現(xiàn)象-理論-實驗檢驗, 逐步發(fā)展.在學習中, 理論與實踐相結合能夠更好地理解課程中抽象難懂的概念, 因此在學習中相應的章節(jié)設置對應的實驗實踐環(huán)節(jié)將大有裨益.如重現(xiàn)原子核物理中的經(jīng)典實驗, 由于核的實驗需要從放射源, 到探測器, 到電子學, 再到數(shù)據(jù)獲取, 一整套設備, 有的實驗甚至要求真空環(huán)境或要求精密度非常高的儀器和設備, 實現(xiàn)起來將耗費較大的資金.因此, 教師可設置一些相對簡單的實驗, 如觀察核的放射性現(xiàn)象.利用半衰期較短的放射源來觀察衰變的衰變規(guī)律;或利用中子源, 觀察中子核反應現(xiàn)象等.這樣的實驗將抽象的、看不見摸不到的核的現(xiàn)象轉換為可見的實驗現(xiàn)象, 沿著先驅(qū)科學家們的足跡, 深入理解核的組成結構、性質(zhì), 建立科學研究的思維.
核的應用非常廣泛, 在當代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、能源和軍事等領域中均有廣泛的應用[3].為了提高學生對原子核物理的學習興趣, 設置適當?shù)膶嵺`環(huán)節(jié)能夠極大地激發(fā)學生的學習熱情, 還能增加學生的知識面, 以及對這門課的認識.到生產(chǎn)實踐中參加實習, 比如到核電站參觀實習, 動手操作模擬機;比如到科研院所實習, 參加實驗研究;或者讓學生自己進行參觀調(diào)研, 撰寫實踐報告等, 了解當前核技術應用的前沿.
1.3 結合學科背景設置課程內(nèi)容以及引入學科前沿:
對于原子核物理的學習, 不同學科背景的學生在課程設置中可以有所差異.例如對于偏基礎研究型的學科, 在學習原子核物理時, 應該對課程中涉及的力學知識做更深入的要求, 而對于核的應用可做適當?shù)牧私?對于偏工程技術類的學科, 對核的基本知識的掌握的基礎上, 應增加更多的核技術相關的知識, 比如射線與物質(zhì)的相互作用、加速器原理和同位素分離技術等.這些知識為核技術在能源工程、軍事、技術中的應用打下基礎.
在教學中引入學科前沿有助于提高學生的學習興趣, 拓展學生的視野.原子核物理從基礎領域來說, 其研究前沿為粒子物理學相關前沿;從核技術應用方面來說, 比如在醫(yī)學領域中和在軍事領域中, 粒子物理如中微子振蕩, 是當前粒子物理與核物理研究的前沿.2012年由我國牽頭的大亞灣反應堆中微子實驗, 發(fā)現(xiàn)了中微子新的振蕩模式[4], 取得了舉世矚目的成就, 獲得了國家科技進步一等獎、基礎物理突破獎等眾多殊榮.而中微子是原子核物理放射性衰變中的內(nèi)容, 在理解β衰變的機理、現(xiàn)象中非常重要.教師在講解該部分內(nèi)容時, 應當結合當前的研究動態(tài)進行拓展, 能夠極大地增強學生的學習興趣.核技術應用中的前沿不勝枚舉, 比如重離子治癌也是當前核技術應用的前沿和熱門, 傳統(tǒng)的γ刀和由于重離子在物質(zhì)中沉積能量存在的Bragg峰, 使得利用重離子治療癌癥能夠大大降低射線對好的組織或細胞的傷害, 極大地降低放射性治療癌癥的副作用[5].課堂教學中增加這些前沿知識, 能夠拓寬學生視野, 增強學習熱情, 也能更好地理解基礎知識.
2 教學方法與評價方法
2.1 探索式教學方法
教學中, 可引入探索式教學方法來激發(fā)學生的學習熱情.探索式教學可以從三個方面體現(xiàn).
1) 課前提問.在課堂中, 拋出問題, 如β衰變中的電子是本身就存在的嗎?啟發(fā)思考, 會極大地提高學生的興趣.如果每堂課都能夠讓學生帶著問題來上課, 學生的專注度將有所提高, 學生會是教學過程中更好的參與者, 有主角意識.然后在課堂結尾處, 通過學習本節(jié)課的內(nèi)容來回答問題, 使學生學習有成就感, 激發(fā)學生的興趣.
2) 課后探索.在學習某些知識時, 提出具有代表性的科學問題, 如生活中有哪些β衰變現(xiàn)象或者是哪些是運用了β衰變的, 讓學生課后通過查閱資料或者實驗回答問題, 最后可通過課堂報告或提交小論文的方式回答實際生活中的β衰變.通過有針對性的學習探索, 學生能夠深刻地掌握所學知識.
3) 給學生主動話語權.在課前和課后給學生時間去思考、提問、回答該節(jié)課的內(nèi)容, 鼓勵學生主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題, 而不是被老師“牽著走”.設立課堂合作小組, 采取指導、自學的教學形式, 一是增加學生的合作意識;二是讓學生嘗試發(fā)現(xiàn), 體驗過程中的創(chuàng)造性;三是互相學習, 相互借鑒, 逐步完成對知識的認識.對學生提出的問題和觀點都耐心解答, 給學生足夠的自信去表達自己的觀點和看法.
2.2 雙語教學
原子核物理作為一門專業(yè)基礎課, 其中會出現(xiàn)許多專業(yè)詞匯.而核科學與技術專業(yè)的畢業(yè)生將來工作的單位, 通常都會涉及到跟世界最先進的科技、技術和儀器打交道.為使學生更好地適應未來的工作科研, 在課堂中適當?shù)匾腚p語教學, 對提高學生的綜合素質(zhì)將有所幫助.具體來說, 可以通過教學中利用英語課件上課;課堂中穿插英文原版文獻閱讀, 分享閱讀心得;提交英語報告和作業(yè)等多種形式來提高學生的英語能力.
2.3 互動教學
互動教學可通過課堂互動和課后互動兩方面來教學, 課堂上可通過老師提問學生答和學生提問教師答這兩種形式來形成互動.也可適當?shù)卦黾诱n堂討論, 選取課程中典型問題, 如原子核物理中β衰變的能譜連續(xù)譜等, 這些也是學生較難理解的問題, 通過分小組討論, 采取部分小組成員課堂發(fā)言的形式, 使學生能夠積極思考, 參與討論, 達到最終理解課堂知識的效果.課后互動體現(xiàn)在可在課后建立討論組或答疑組, 通過微信或QQ進行實時交流, 讓學生提出最關心的問題, 提高學生的學習興趣, 增加學習體驗;在學生遇到疑問時, 及時解疑答惑.在溝通交流的過程中, 了解學生學力層次的分區(qū), 盡量照顧到不同學習能力的同學, 避免“后學生吃不飽, 弱學生消化不了”的局面.
2.4 評價方法探討
目前考察學生學習原子核物理的成效主要是通過期末考試, 即使增加了平時成績, 期末考試成績也占了70%以上的比例, 這樣的考察方式比較片面、單一.通過對平時上課的互動狀態(tài)、實驗實踐能力的考察和平時小測驗的成績等的綜合, 可更客觀地考察學生對該課程的掌握程度.因此成績設定時, 根據(jù)教師平時上課設置的各個學習考察環(huán)節(jié)而定, 科學全面地考察學生的學習知識、掌握知識和運用知識的能力, 以及創(chuàng)新思維能力等.例如有的學生在課堂中思維很活躍, 思考很積極, 回答問題也正確, 在實驗中動手能力也很強, 但考試成績卻不理想.如果僅通過期末考試成績來判定這樣的學生對該課程的掌握程度, 就不夠客觀.因此設置多維的考察方式對才能夠更客觀準確地考察學生的學習情況.
3 結語
原子核物理是核科學與技術的基礎學科.本文從教學內(nèi)容、方法和評價手段方面探討了原子核物理課程的教學改革方向.
通過合理的設置教學內(nèi)容, 讓學生對該門學科有了足夠的知識儲備來進行以后繼續(xù)學習;設置實驗課程實踐能, 讓學生將課堂上學習到的比較抽象的知識, 在實際運用過程當中有了更深刻的理解, 更有利于學生對知識的把握, 同時去工作單位參觀實踐能夠讓學生更直觀地感受到了知識的應用, 增加了學生對課程的理解以及更好地了解學習目的, 讓學生感受到了知識不僅僅停留在課本、課堂中;在根據(jù)學生的學科背景設置課程內(nèi)容之后, 學生對課堂上的學習更具有積極性, 對知識更加能夠地深刻理解每一個知識點的運用領域;增加學科前沿課程, 開拓了學生的眼界, 擴展了學生的思維, 在聽取報告和提交報告的過程當中發(fā)揮自我的獨立思考能力和創(chuàng)新能力;通過引導學生的學習思路, 提高了學生對課程的興趣;引入科學的教學方法和先進的評價手段, 更好地增加了學生的學習效果, 讓學生意識到了學習不是為了應付考試, 大大提高了學生在課堂中的學習氛圍, 使學生掌握和運用知識能力得到了提升.
通過課堂反饋、課后交流、考試成績以及評教來看, 學生對改革后的原子核物理教學表現(xiàn)出更大的學習興趣, 學習成績更好, 不僅表現(xiàn)在考試成績, 還表現(xiàn)在對整門課的理解.實踐課程和互動課程極大地激發(fā)了學生的學習熱情和探索欲, 大多數(shù)學生在實踐課程和互動環(huán)節(jié)都積極思考, 并能夠結合及挖掘課本中學習的基礎知識;而課程中穿插的前沿教學, 也對激發(fā)學生的學習興趣及幫助學生認識整個學科起到了很大的作用;科學的考核方式也響應了因材施教的教學思想, 有利于激發(fā)非“考試型”的學生的學習熱情, 使得學生在平時的學習中就能夠?qū)W到更多的知識.
當代的學生順應時代的局勢, 互聯(lián)網(wǎng)對他們的影響很大, 枯燥乏味的課程方案已經(jīng)無法吸引同學的注意力, 對課程進行多元化的改進, 能大大地提高同學對課程學習的興趣和積極性, 更易于學生吸收知識.在今后的教學過程當中還有很多需要改進的地方, 比如, 不能只是一味的傳輸知識, 還應該在課后的時候與學生溝通, 了解他們的感受和想法, 這樣能更清楚地知道在教學過程當中優(yōu)缺點, 以便后續(xù)繼續(xù)改進.
參考文獻
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