慕课背景下《原子物理学》教学模式的改革与实施
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【摘 要】“原子物理学”是普通高等学校物理学本科专业必修的一门专业基础课程。本课程的学习者常常会受制于经典的物理理论和方法的影响，并且对微观世界的认识和处理存在一定程度的不适应。当前慕课课程获得了广泛应用、取得了一系列显著成果，将慕课教学模式引入到“原子物理学”课程的教学中来，将会有利于物理学相关专业本科生对于本课程的有效学习，还有可能吸引文科相关专业学生甚至中学生参与到本课程的自主学习，满足他们在探求科学知识、就业等各方面的需求。本文主要介绍“原子物理学”慕课课程的主要教学内容和教学设计思路，期望能够给本课程的慕课开发和实施提供一种新的思路。
【关键词】原子物理学;慕课;教学改革
中图分类号： G642;O562-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0085-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.039
0 引言
“原子物理学”是普通高等学校物理学本科专业必修的一门专业基础课程。它主要探讨原子的结构、能量状态，以及与其他粒子、电场、磁场等之间的相互作用规律和机理。众所周知，量子力学是现代物理学的重要基石之一，而“原子物理学”则已被证明是量子力学一个显著成功的应用。作为承接经典物理与量子物理的桥梁，“原子物理学”课程的教学活动存在着一些共性的问题。例如，学生在学习本课程时仍然习惯于经典的理论和方法，对于微观世界的认识和处理方法存在一定程度的不适应。本课程需要学生理解的物理思维和方法等方面的内容较多，学生通常缺乏足够的有效训练。近几十年来，人们对于微观物质结构的研究和认识有了迅猛地发展，常常超越了人们的惯常认知。此外，受制于一些任课教师的专业方向以及学生接受能力等原因，新知识在传授过程中也存在一定难度。
近年来，慕课（Massive Open Online Courses，MOOC）即大规模开放在线课程，作为一种新颖的网络在线课程开发模式，得到了越来越多的授课者和学习者的青睐。它主要通过网络技术和流媒体支持，利用在线教育平台，发展以学生为中心的教育教学模式。从空间和时间上改变传统的高等教育授课形式，实现对高校教学资源的整合，由单纯的教学资源转变为融合课程及其教学内容的多用途的教育发展资源，学生利用多线程在线教育可以实现获取知识途径的多元化、主动化以及网络化[1]。在一流专业建设“双万计划”的背景下，教育部推动实施一流课程建设“双万计划”（即“金课”建设计划，计划建设1万门左右国家级一流课程以及1万门左右省级一流课程）。其中，国家级一流课程包含约3千门左右线上“金课”（国家精品在线开放课程）。因此，慕课课程建设与发展必将成为当前高等教育领域的重要改革方向和着力点。基于安徽省高等学校省级质量工程项目支持的“原子物理学”慕课课程的建设，将有利于作者所在学校乃至全省高校物理学以及与物理相关理工科专业本科生的有效学习，同时更有助于部分没有开设这门课程的文科专业学生的自主学习，满足他们在探求科学知识、就业等各方面的需求。通过本慕课课程授课教师通俗易懂的语言介绍，力争吸引广大中学生参与到本课程的学习中来，增强他们对于探索未知领域的兴趣，为未来进入大学阶段的深入学习打下坚实的基础。
2 “原子物理学”慕课课程教学内容
国内“原子物理学”课程目前多数采用的教材是褚圣麟教授编写、高等教育出版社出版的“原子物理学”。它包含了原子、分子、原子核、基本粒子等方面的内容[2]。本门课程的慕课课程不仅需要将传统的课堂教学内容碎片化，更要将碎片化的教学片段重整构造成为一个有机体系。因此，我们需要筛选出本课程课堂教学内容中的重要知识点，将其分为九章，预计35学时，预计总时长300分钟。第一章为绪论（1学时），主要介绍原子物理学的发展、地位及作用。第二章为原子的基本状况（2学时），主要介绍原子的质量、大小及核式结构模型。第三章为原子的能级和辐射（5学时），主要介绍光谱的概念、玻尔的氢原子理论、弗兰克赫兹实验、史特恩-盖拉赫实验、空间取向量子化。第四章为量子力学初步（2学时），主要介绍物质的二象性和波函数。第五章为碱金属原子（4学时），主要介绍碱金属原子光谱、原子实极化和轨道贯穿、电子自旋、光谱精细结构。第六章为多电子原子（6学时），主要介绍具有两个价电子原子的光谱和能级、原子态、LS耦合、JJ耦合、泡利原理、选择定则。第七章为在磁场中的原子（3学时），主要介绍原子的磁矩、外磁场对原子的作用、塞曼效应。第八章为原子的壳层结构（3学时），主要介绍原子的电子壳层结构、原子基态的电子组态、原子的基态原子态。除了上述教学内容之外，我们还需要在慕课的教学内容中实施比传统课堂教学更多的练习活动，这些练习应不同于通常教材的课后习题，而是以选择、填空以及思考为主，同时也要兼顾趣味性與内容的典型性。通过边学边练习，让学习者了解自身的理解与掌握程度，不断巩固所学知识，逐步达到熟练掌握。
3 “原子物理学”慕课教学设计思路
针对“原子物理学”的内容和特点，其慕课教学设计需要考虑：
1）制作大多数实验的动画演示视频，帮助学习者获得直观、生动的物理图像。然后给出详细的数学推导过程，使得学生一次性掌握本课程的基本内容和量子物理的思想精髓。尽可能采用二维或三维图像表示物理过程，把复杂公式的推导简化为具体图形。教学设计的目标就是如果去除复杂公式的推导，本课程也可以成为直接面向文科生或其他专业工科生甚至中学生的通识课，并结合趣味性和科学性。制作与教材以及慕课相适应的电子课件，并对部分实验进行计算机模拟。图1是卢瑟福等人开展的α粒子散射实验的演示图。通过授课者的演示，“原子物理学”慕课学习者们较易理解该实验的仪器装置、实验过程、实验结果。α粒子从铅块所包围的α粒子源中以一条细束射向铂的薄膜（黄色所示部分）上，然后散射至不同方向。实验者则通过带有荧光屏的放大镜转到不同方向对散射的粒子进行观察。由于荧光屏的玻璃上荧光物ZnS，被散射的α粒子打到上面会产生微弱的闪光，因而实验者可以获得在某一时间内被金属铂散射到某一方向上的α粒子数。 图1 α粒子散射实验演示图
2）整合多种社交网络（如微博、微信公众号、网络论坛、短视频等）和各种形式的数字资源，帮助师生教学活动的开展。通过实现本课程的慕课教学，突破传统课堂教学时间和空间限制，让非本专业、非本学院甚至非本学校的其他学生来参与本课程的学习。笔者所在的原子物理学教学团队已建有原子物理学（线下教学）完整的教学资源，包括：教学质量标准、教学大纲、电子教案、电子讲稿、参考教材、考核标准、电子课件以及试题试卷库。本教学团队将进一步建设“原子物理学”慕课课程的教学网站，完善该慕课课程教学资源，包括：课程简介、教师队伍、教学大纲、授课教案、作业习题、测验考试、资料库、授课视频、网络教学资源平台。将能够实现网上教学、答疑、作业、测验、监督、互动等功能。
3）在线教学的重点是学习者和课程资源间的互动。所以，本课程在进行资源设计时候就应着眼于灵活的互动学习的实现，可在课程资源里穿插上各种测试和互动性活动（例如有奖答题等活动），以此来增加学习者在学习中对教学的关注，避免学习者出现分心与孤独感。
4）课程设计核心性要素是微课程，但不能“为了微而微”，而笔者所学的课程视频大多为8分钟左右的时间长度，也有一些视频因知识点的特色与讲授所需时间相对较长，可是普遍不会长于30分钟。课程设计应真正依据学科与知识等特点及授课的需求对课时进行设置。每一种视频呈现方式上均有其优势和侧重点，并不必要局限在某一种固定的形式，要据不同的内容与阶段特定的需要而交替选用不同的形式呈现的方式，发挥出每种形式最优的作用。
5）尽管课程内容属于慕课的核心性因素，但是形式和内容一样重要。这属于移动互联网时代对课程所提出的多元化要求。学习者对课程的首要印象主要来源于课程的呈现形式，需依据从课程第一感觉而迅速决定参与与否。慕课课程应首先关注学习者的兴趣，努力获得最大的关注。课程的形式还是学习者能否將学习坚持到底的决定性因素，因此，应真正站在学习者的立场上来思考怎样提供出更为方便的学习路径与方式以及适时的沟通与交流。
在设计“原子物理学”慕课课程教学平台系统过程中需要综合考虑本课程发展的需求，从整体角度进行分析，还要最大限度地优化系统，提高“原子物理学”教学和在线学习的优势。通过融化网络技术和信息流媒体技术，以课程学习为中心，构建起原子物理学教学的多用户模式及其灵活多样的教学形式，通过整合现代物理实验教学的优势，学习者可以通过慕课平台掌握在线辅助现代物理实验教学的操作。
4 结论
在本文中，我们主要介绍了“原子物理学”慕课课程的主要教学内容和教学设计思路。期望为“原子物理学”慕课课程的成功研发以及相关教育教学活动的顺利开展提供一种新思路，力争吸引更多的本科生乃至广大中学生参与到本课程的学习中来。
【参考文献】
[1]李斐，黄明东.“慕课”带给高校的机遇与挑战，中国高等教育，2014，7，22-26.
[2]褚圣麟，《原子物理学》，高等教育出版社，1979.
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