1. 引言
原子物理作为现代物理学的重要基石，不仅揭示了物质微观结构的奥秘，更承载着人类探索自然规律的科学精神，为科学精神的培养提供了肥沃土壤[1]。从汤姆逊发现电子，打破原子不可分的传统观念，到卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子核式结构模型，再到玻尔引入量子化概念解释原子光谱，每一次理论的突破都源于科学家对真理的执着追求。原子物理学的发展史本身就是一部科学精神演进的史诗，每一次理论革新都折射出求真务实、批判质疑、开放协作、勇于担当的科学精神内核。在原子物理学教学中融入科学精神培养，是提升学生科学素养、塑造创新人才的关键路径[2]。原子物理学的发展历程是一部追求真理的壮丽史诗，在教学中，深入讲述这些科学发现背后的故事，能让学生深刻体会到追求真理并非一蹴而就，而是需要经历无数次的假设、实验与验证[3]。引导学生以科学家为榜样，面对未知领域时，不盲目跟从既有观点，敢于提出疑问，勇于探索新知，培养他们追求真理的勇气和决心。
对原子物理学教学中科学精神的问题，存在很多相关研究。物理教育研究(PER)强调通过探究式学习、问题驱动教学等模式。例如，通过设计原子模型演变、量子力学概念探究等课题，引导学生主动查阅资料、设计实验、分析数据，培养其探索能力与创新思维。丁等学者提出[4]，原子物理学教学需从理性与实践、批判与求真、探索与创新三个维度融入科学精神。例如，通过玻尔氢原子理论的教学，引导学生理解理论假设的提出与验证过程，培养其批判性思维与实证精神。赵指出[5]，原子物理学课程蕴含丰富的物理方法，如假设演绎法、模型建构法等，可通过案例教学引导学生掌握科学方法，培养创新精神。科学本质教育(NOS)强调通过科学史与科学哲学(HPS)的融合深化科学理解，帮助学生理解科学知识的生成、验证与发展过程，培养其科学思维与批判性能力。原子物理学作为近代物理的基石，其发展历程(如电子发现、量子理论建立)为NOS教育提供了丰富素材。廖等学者以人教版高中物理教材“电子的发现”为例[6]，设计HPS教学模式，通过引导学生分析汤姆逊、密立根等科学家的实验设计，理解科学知识的经验基础与暂时性，培养其科学本质观。李提出[7]，科学本质教育需突破“共识观点”的局限性，采用“家族相似法”(FRA)系统梳理科学特征(如目标、方法、知识性质等)，帮助学生建立整体性科学认知。例如，在原子物理教学中，通过对比经典理论与量子理论的差异，引导学生理解科学理论的相对性与发展性。课程思政以价值引领为核心塑造科学态度，强调将思想政治教育融入专业教学，通过挖掘原子物理学中的思政元素，实现知识传授与价值塑造的协同。靳奉涛等指出[8]，原子物理学教学中可通过梳理科学史线索(如从伦琴发现X射线到蓝色发光二极管获得的诺贝尔奖历程)，引导学生理解科学探索的艰辛与科学家求真务实的精神，培养其社会责任感与使命担当。王秀杰等提出[9]，原子物理学课程思政需将专业内容与马克思唯物主义哲学观点结合，例如通过量子力学中的不确定性原理教学，引导学生理解辩证唯物主义的世界观。
在当代教育体系中，原子物理教学不仅是知识传递的过程和现代科技发展的基石，更是科学精神培育的关键载体[10]。然而，当前教学中普遍存在重公式推导、轻思想溯源，重实验操作、轻质疑创新的现象，导致学生难以真正领悟科学探索的本质。本文旨在探讨如何通过原子物理教学深化科学精神培养，构建知识传授与价值观引导相融合的教育模式，为培养具有科学素养与创新能力的复合型人才提供理论参考。其教学与科学精神培养的融合，需从知识传授、思维训练、实践探索和价值观塑造四个维度展开，形成“知识–方法–态度–价值”的递进式教育体系。这种育人模式，正是新时代高等教育落实“立德树人”根本任务的重要路径，对于培养兼具科学精神与人文情怀的新时代人才具有深远意义[11]。
2. 科学精神培养的重要性
原子物理学作为揭示微观世界奥秘的基础学科，其教学中培养学生科学精神具有至关重要的意义，是学生成长为创新型人才的关键一环。科学精神的核心是求真务实，原子物理学的发展历程正是这一精神的生动体现。从原子粗结构到精细结构，再到超精细结构的深入，每一步突破都源于对现象的细致观察、对理论的严谨验证。在教学中渗透这种精神，能让学生明白科学探索需脚踏实地，摒弃浮躁与虚假，养成尊重事实、注重证据的思维习惯。批判与创新是科学精神的两大支柱，原子物理中，经典理论不断被新理论挑战与超越，如玻尔模型对经典电磁理论的突破。教学中引导学生思考这些理论变革，能激发他们的批判性思维，不盲目迷信权威，敢于质疑既有认知；同时，鼓励学生尝试用新方法、新视角解决问题，培养其创新思维，为未来在科学领域开拓创新奠定基础。科学精神还包含对伦理与责任的担当，如原子能技术既可造福人类，也可能带来灾难。教学中通过探讨此类案例，能让学生认识到科学技术的双刃剑效应，从而树立正确的价值观与使命感。唯有将科学精神深深扎根于学生心中，才能让他们在未来为人类文明的进步贡献智慧与力量。
3. 科学精神培养的实施策略
原子物理学作为物理学的重要分支，是科学精神培育的天然土壤。其教学中渗透科学精神，不仅关乎学科知识的传承，更关乎学生科学素养的全面提升与未来创新能力的塑造。在原子物理学教学中培养科学精神，需以学科知识为载体，通过教学设计和方法创新，将科学精神的要素融入教学全流程。
以原子物理知识为载体，构建科学认知
原子物理的科学认知框架是理解微观世界运行规律的基础，它通过层级化的知识结构和逻辑链条，将抽象概念转化为可解释自然现象的理论体系。以下从原子结构、量子行为、应用拓展三个层面，结合具体案例分析其认知框架的构建逻辑。
通过“实验现象→理论假设→模型修正”的循环，建立对原子内部结构的分层认知框架：汤姆逊模型(1897)→卢瑟福模型(1911)→玻尔模型(1913)→量子力学模型(1920s)。通过以上模型的递进，学生理解“科学理论是暂时性解释”，培养“基于证据修正假设”的批判性的科学精神。通过“微观现象→数学语言→哲学思考”的路径，建立对量子世界本质的认知框架：黑体辐射与普朗克常数(1900)→光电效应与光子(1905)→海森堡不确定性原理(1927)。通过量子现象的学习，学生理解“微观规律与宏观经验的矛盾”，培养“接受反直觉结论”的科学勇气。通过“基础研究→技术突破→社会影响”的链条，建立科学与社会互动的认知框架：激光技术→核磁共振成像(MRI)→半导体物理。通过应用案例教学，让学生理解“科学发现可能无意中改变世界”，培养他们的“科技伦理与社会责任”意识。
原子物理的科学认知框架是一个动态演进的体系，它通过模型迭代、量子化描述、技术转化三个层级，将微观世界的复杂性转化为可理解的理论语言。教学中需强调“现象→理论→应用”的闭环逻辑，帮助学生建立“从观察到解释，从解释到预测，从预测到控制”的科学思维链条，最终形成对自然规律的深刻敬畏与探索热情。
以探究式学习为核心，锤炼科学思维
原子物理学作为连接经典物理与量子世界的桥梁，其抽象性与反直觉性为探究式学习提供了天然的土壤。以探究为核心的教学设计，不仅能突破传统讲授的局限，更能通过“问题驱动–实验验证–理论建构–批判反思”的循环，锤炼学生的科学思维品质。以下从问题设计、实验探究、理论建构、批判反思四个环节，结合具体案例展开分析。
利用问题设计，培养质疑精神。通过开放性问题打破学生“被动接受”的思维定式，引导其主动质疑、提出假设。例如，在讲解“量子隧穿效应”时，提出“为什么电子能穿过比自身能量更高的势垒？”(经典物理中不可能发生)。通过思维训练，学生需对比经典与量子模型的预测，理解“概率波”与“粒子性”的矛盾，进而接受“微观世界需用不同于经典物理的新理论描述”。
重视实验探究，锤炼实证思维。通过“设计实验–采集数据–分析误差–得出结论”的全过程，强化“实验是检验真理唯一标准”的科学态度。例如，利用PhET仿真软件模拟“弗兰克–赫兹实验”，观察电子与汞原子碰撞时的能量交换，出现电流峰谷，证明原子能级量子化。学生需调整电子能量、碰撞角度等参数，观察现象变化，理解“控制变量法”在实验设计中的重要性。
进行理论建构，培养逻辑推理能力。通过“归纳–演绎–类比”的思维方法，帮助学生构建原子物理的理论框架。例如对比汤姆逊、卢瑟福、玻尔、量子力学四种原子模型，绘制“模型演进时间轴”，标注每个模型的核心假设与局限性。学生需总结“科学理论如何通过修正假设逐步逼近真理”，理解“模型是简化现实的工具，而非绝对真理”。
以探究式学习为核心的原子物理教学，本质上是“思维体操”的训练场。通过问题设计激活好奇心，实验探究锤炼实证力，理论建构培养逻辑性，批判反思塑造价值观，学生不仅能掌握原子物理的知识体系，更能内化“求真、质疑、合作、责任”的科学精神。这一过程需要教师从“知识传授者”转变为“思维引导者”，设计更具挑战性的探究任务，营造开放包容的课堂氛围，最终实现“育知识”与“育人格”的双重目标。
以科学史为明镜，培育科学伦理
原子物理学的发展史是一部人类探索微观世界、突破认知边界的壮丽史诗，同时也是一部蕴含科学伦理冲突与责任抉择的深刻教材。以科学史为镜，通过还原历史情境、剖析伦理困境、反思责任担当，能够引导学生超越技术层面，在价值观层面构建对科学本质的深刻理解。
通过广岛原子弹爆炸等案例，分析科技发展中的伦理困境，引导学生思考“科学家如何平衡技术突破与社会责任”。结合“冷聚变”争议、学术造假事件，强调科学研究的严谨性与可重复性，树立“求真务实”的价值观。介绍居里夫人、费米、杨振宁等科学家的生平，突出其“好奇心驱动、坚持真理、服务人类”的精神内核，进行科学家精神传承人物故事渗透。通过“伦理案例分析–学术争议讨论–个人价值观澄清”，培养“科学为人类服务”的责任感。原子物理学的每一次突破都伴随着技术潜力与伦理风险的交织，科学史的演进轨迹清晰展现了“工具理性”与“价值理性”的博弈。科学发现从“理解自然”转向“制造毁灭工具”的路径，引发科学家对“知识边界”的深刻反思。
原子物理学史的伦理启示需转化为当代科学实践的行动指南，培养具有责任担当的新一代科学家。在原子物理教学中增设“科学伦理专题”，通过案例分析、角色扮演、辩论赛等形式，将伦理讨论贯穿于理论学习全过程。采用“伦理决策能力评估量表”，从“风险感知”“利益权衡”“沟通表达”等维度评价学生伦理素养。实验室制定《科研伦理守则》，明确“数据真实性”“技术转化安全性”等条款，建立违规举报机制。定期举办“科学伦理讲座”，营造“负责任创新”氛围。开设“科学传播工作坊”，教授学生如何用通俗语言解释原子物理风险(如辐射剂量、核废料半衰期)，避免“技术黑箱”导致的公众恐慌。
原子物理学的科学史是一面多棱镜，既折射出人类认知的辉煌成就，也映照出技术滥用的阴暗角落。以史为鉴，通过还原伦理冲突的历史场景、剖析科学共同体的责任机制、构建当代科学的责任实践，能够引导学生超越“为知识而知识”的狭隘视野，树立“科学为人类福祉服务”的价值观。这种教育不仅是知识的传递，更是科学精神的传承——它要求未来的科学家在探索未知时，始终保持对人类命运的敬畏与担当。
4. 总结
原子物理学教学中渗透科学精神，是培养未来科学家的关键路径。它不仅帮助学生掌握微观世界的规律，更能通过科学史中的思想冲突、技术伦理的现实抉择、社会问题的科学应对，塑造其“求真务实、批判创新、伦理自觉、责任担当”的科学人格。原子物理教学不仅是知识的传递，更是科学精神的播种。通过构建“认知–思维–伦理–应用”的立体化教育模式，可帮助学生从被动接受者转变为主动探索者，最终成长为兼具科学素养与人文关怀的未来公民。这一过程需要教师突破传统教学框架，将科学精神渗透到课程设计、实验操作、社会互动的每一个环节，真正实现“育知识”与“育人格”的统一。
基金项目
本论文受2023年度自治区高校本科教育教学研究和改革项目资助(XJGXPTJG-202314)。