原子能級(jí)粒子數(shù)熱布局虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與教學(xué)實(shí)踐

張佳音 李磊朋 王啟宇 梁紅

摘 要 本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探究稀土離子熱耦合能級(jí)粒子數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。使學(xué)生掌握溫度對(duì)原子能級(jí)粒子數(shù)的影響，并建立溫度與熒光強(qiáng)度、熒光強(qiáng)度比之間的關(guān)系，深入探究溫度對(duì)熒光強(qiáng)度和熒光強(qiáng)度比影響的區(qū)別和聯(lián)系，加強(qiáng)對(duì)此部分理論知識(shí)的理解。

進(jìn)一步將理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，利用熒光強(qiáng)度比測(cè)量溫度。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)原子能級(jí)性質(zhì)的理解更加深刻、掌握正確的熒光測(cè)試系統(tǒng)搭建過(guò)程，光路調(diào)節(jié)方法以及光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算分析方法。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，并能學(xué)以致用，使學(xué)生對(duì)知識(shí)理解透徹，獲得事半功倍的教學(xué)效果，仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)優(yōu)秀率達(dá)81%。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實(shí)驗(yàn);原子能級(jí)粒子數(shù);溫度

目前，高校開(kāi)設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于原子能級(jí)結(jié)構(gòu)探究的實(shí)驗(yàn)較少。光譜是觀察原子結(jié)構(gòu)的重要手段[1-3]，通過(guò)光譜間接觀察原子能級(jí)的躍遷規(guī)律，使學(xué)生深入掌握原子能級(jí)性質(zhì)，建立熒光與原子能級(jí)輻射性質(zhì)的聯(lián)系，進(jìn)而將熒光進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。然而，熒光測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格昂貴，儀器較精細(xì)，很容易損壞，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。開(kāi)展批量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有一定的難度。而且熒光測(cè)試系統(tǒng)較難調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)光路、溫度調(diào)節(jié)、光譜采集均需要較長(zhǎng)時(shí)間，學(xué)時(shí)數(shù)的受限，不易開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，考慮到本實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)理解、開(kāi)闊視野、科學(xué)素養(yǎng)提升、實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要作用，發(fā)開(kāi)原子能級(jí)粒子數(shù)熱布局虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有一定的教學(xué)價(jià)值。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器搭建過(guò)程和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并獲得高逼真度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4，5]。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以通過(guò)以虛補(bǔ)實(shí)，解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)高危險(xiǎn)、設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)等問(wèn)題。并為學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)提供手段和資源[6-8]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入不僅有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)習(xí)效率，共享教育資源。同時(shí)，也可提高教師的教學(xué)效率，強(qiáng)化課堂教學(xué)效果[9，10]。

原子能級(jí)粒子數(shù)熱布局虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程是我校面向本科生開(kāi)設(shè)的校級(jí)實(shí)驗(yàn)課程，共 6 學(xué)時(shí)。

其主要任務(wù)是通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)和原理的理解。同時(shí)，該部分理論與科學(xué)研究的熱點(diǎn)熒光測(cè)溫問(wèn)題緊密聯(lián)系，開(kāi)拓學(xué)生的視野。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使學(xué)生養(yǎng)成在善于觀察、勤于思考的習(xí)慣。同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

在《原子物理》課程學(xué)習(xí)中，提到了在熱平衡狀態(tài)下，各個(gè)狀態(tài)的原子數(shù)決定于狀態(tài)的能量和溫度，粒子數(shù)滿足玻爾茲曼分布規(guī)律。然而，這一規(guī)律很難被觀察，本實(shí)驗(yàn)利用光譜觀察溫度對(duì)能級(jí)粒子數(shù)分布的影響，即能級(jí)粒子數(shù)熱布局規(guī)律。

理論上可以通過(guò)熒光強(qiáng)度的變化觀察粒子數(shù)熱布局過(guò)程。然而，熒光強(qiáng)度受很多外界因素的影響，如無(wú)輻射弛豫過(guò)程、能級(jí)間的能量傳遞過(guò)程等，所以很難通過(guò)熒光強(qiáng)度觀察溫度單一變量對(duì)粒子數(shù)分布規(guī)律的影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)熒光光譜觀察溫度對(duì)能級(jí)粒子數(shù)分布的影響。然而，熒光強(qiáng)度很容易受到外界環(huán)境和復(fù)雜能量傳遞機(jī)制的影響，在實(shí)際研究中，很難通過(guò)熒光強(qiáng)度準(zhǔn)確觀察溫度參量對(duì)粒子數(shù)布局的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，我們利用熱耦能級(jí)的熒光強(qiáng)度比來(lái)觀察粒子數(shù)熱布局，熱耦能級(jí)的能量間隔較小，具有相同或相似的壽命，受外界的干擾或者能量傳遞是相近或者相同的，那么兩能級(jí)的熒光強(qiáng)度比可將外界的干擾排除掉，可準(zhǔn)確的觀察到溫度對(duì)熱耦能級(jí)粒子數(shù)分布的影響。進(jìn)一步根據(jù)熒光強(qiáng)度比和溫度的關(guān)系，可開(kāi)展測(cè)量溫度。

本實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用了“以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方法”，知識(shí)銜接緊密，由淺入深、由易到難、環(huán)環(huán)緊扣，在問(wèn)題的探究中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，解決困難，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)。經(jīng)過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生較容易掌握光譜的測(cè)量方法、建立光譜與原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系、以及原子能級(jí)粒子數(shù)熱布局規(guī)律。并采用了學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，利用熒光強(qiáng)度比測(cè)量溫度。培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力、實(shí)踐能力 、創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)后，有先進(jìn)客觀的評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)包括系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩方面：（1）系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)，根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中交互操作的準(zhǔn)確性和對(duì)實(shí)驗(yàn)操作問(wèn)題的考核，系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)分。此外，系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格的填寫(xiě)，考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解能力和科學(xué)研究的綜合能力。（2）系統(tǒng)主觀評(píng)價(jià)，主要是仿真系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了教學(xué)評(píng)價(jià)和在線討論模塊，學(xué)生可以通過(guò)教學(xué)評(píng)價(jià)模塊對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行打分，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)論，及時(shí)反饋教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法中存在的問(wèn)題。此外，課堂中通過(guò)在線討論方式，借助問(wèn)題導(dǎo)向性教學(xué)方法，開(kāi)展小組討論，對(duì)積極參與討論的學(xué)生加分。主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合，既有利于學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的綜合評(píng)價(jià)，也有利于教師教學(xué)方法改進(jìn)，促進(jìn)教學(xué)效果的提升。