原子光譜項的教學研究

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摘要原子光譜是結(jié)構(gòu)化學中的重要概念之一。針對原子光譜教學的重點難點，結(jié)合先進的教學方法和作者的實際教學經(jīng)驗，對原子光譜項的教學過程提出了一些看法，強調(diào)了對知識的深入探討和應用。教師在教學過程中充分調(diào)動學生的積極性，把所學知識融會貫通，會得到事半功倍的效果。

關鍵詞結(jié)構(gòu)化學原子光譜項教學難點教學實踐

1提出問題，引起學生思考，循序漸進使學生知其所以然

在結(jié)構(gòu)化學教學中，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學生對原子光譜項的掌握就是按照一定的套路把它推導出來，而并不明白為什么可以這樣推導以及推導出的光譜項有什么作用。為此，在教學過程中，從學生已有基礎知識切入，通過設問法，引導學生思考并關注問題答案，層層遞進，解決學生知其然而不知其所以然的學習困境。在講述原子光譜項時，先向?qū)W生拋出一個基本問題：為什么要學習原子光譜？然后從現(xiàn)代分析技術(shù)出發(fā)，指出許多分析技術(shù)的發(fā)展依賴于光譜學的發(fā)展，沒有光譜理論作為基礎，也就看不到現(xiàn)代化學、材料等相關領域日新月異的發(fā)展。這往往引起學生濃厚的學習興趣。接下來講述課本知識時，先從學生已有知識切入，提問學生在無機化學和量子力學基礎中學習的能量量子化和能級的概念，在已有知識的基礎上進一步讓學生思考怎么表示電子所處的能級并進而反映出原子結(jié)構(gòu)。自然而然的，將原子光譜項的概念引入進去，并且強調(diào)原子光譜項和原子光譜之間的關系。這樣，學生就對整個知識點有了宏觀的認識，明確了自己的學習目的。理解了光譜與能級的一一對應關系，學生就會思考怎樣推求光譜項。接著提問，核外電子的運動狀態(tài)是怎樣進行描述的？學生對此比較熟悉，基本上都能回答出來。那原子的運動狀態(tài)怎么樣進行描述呢？是各個電子運動狀態(tài)的簡單加和么？這時，學生往往陷入了沉思，于是可趁機引入原子的量子數(shù)L、S、J，原子的軌道角動量ML、自旋角動量MS、總角動量MJ，以及各角動量在磁場上的分量mL、mS和mJ，對這些基本概念的理解對于后續(xù)的學習至關重要。由此，一步步引出光譜項的概念以及它的重要意義，學生對所學知識也就有了一個宏觀的認識。在整個學習過程中，通過各種問題將各個知識點串聯(lián)起來，這種串聯(lián)不僅將原有基礎知識與所授知識相互融通，并且進一步擴展到其他專業(yè)課知識，學生每解決一個問題都能獲得很大的成就感，并且有豁然開朗的感覺，引起學生極大學習興趣的同時，所學知識也不斷累積。通過這種層層設問的方式，學生能真正理解自己所學知識并將其在以后的學習和工作中為己所用，就不會陷入只會按照課本知識簡單推求，離開課本就不知其所以然的境地。

2改變教學模式，攻克教學難點，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

原子光譜項的推求是一個教學難點，筆者試著引入了小專題式教學方法［4－5］。為確保教學時間和系統(tǒng)性，教學過程仍按照教學大綱所規(guī)定的章節(jié)順序講授。在此基礎上，根據(jù)課堂內(nèi)容設計小型專題，由學生圍繞專題內(nèi)容自行命題并在課余時間準備，在準備過程中教師引導學生以小組的形式通過查閱文獻解決問題，并由教師選出典型題目讓學生在課堂上進行討論和匯報，每個題目匯報時間一般控制約10min。小專題式教學法是在課堂講授之后進行的鞏固內(nèi)容，改變了以往以教師為主導的教學模式，是對課堂教學內(nèi)容的有效補充和擴展。在我校所用教材《結(jié)構(gòu)化學基礎》（周公度編）中，對于光譜項的推求遵循由簡單到復雜的原則，從氫原子光譜項逐漸過渡到多電子原子的光譜項，重點介紹了光譜項的推求方法和步驟。在這里有2個重要知識點，非等價電子組態(tài)的光譜項和等價電子組態(tài)的光譜項的推求。其中，前者相對簡單，可以直接利用L－S耦合規(guī)則求出原子的量子數(shù)L、S并求出光譜項，這部分內(nèi)容通過學生預習和課堂講解學生都能較好地掌握。但是等價電子組態(tài)由于受到保利原理的限制，其計算遠比非等價電子組態(tài)復雜。針對這種情況，結(jié)合當今社會網(wǎng)絡資源豐富和90后大學生計算機應用能力普遍較高的特點，設置了小專題“等價電子組態(tài)光譜項及基譜項的推求”。全班50名學生，5人一組，每組設組長，分組時在學生自愿的基礎上，盡量發(fā)揮基礎較好的學生的帶動作用，保證任務圓滿完成。要求學生團隊合作，限時一周，給出小論文并制作ppt。由任課教師挑選出作業(yè)由學生講解并討論，并根據(jù)學生完成情況評分，作為學生平時成績的一部分。雖然任課教師在課堂教學時以p2電子組態(tài)為例重點介紹了“Slater圖解法”“表格法”［2］等基本方法，但剛給出題目時還是有些擔憂，學生也普遍反映較難，不知從何下手，但這部分知識非親歷很難掌握扎實。為此，專門組織了課后輔導，以網(wǎng)絡輔導形式為主。任課教師為學生提供了一些相關資料，并鼓勵學生從資料出發(fā)，打開自己的思維，找尋更多的資料，在此基礎上確定自己的題目，給出自己的觀點。有些學生基礎較差，鼓勵他們可以把圖解法進一步擴展，比如把p2組態(tài)擴展到p3、d2等組態(tài)；教材中主要介紹了使用L－S耦合方案對原子光譜項的推求，但是這種耦合方式僅適用于主量子數(shù)n較?。ㄝp元素）的較低能態(tài)的情況，因為這種耦合方式相當于自旋角動量和軌道角動量分別守恒，從理論上講只有當相對論效應略去不計時才適用［6］，對于n很大的高能激發(fā)態(tài)，相對論作用遠大于靜電作用，則鼓勵學生探索j－j耦合方案；對于編程水平較高的學生，鼓勵他們通過合作探索，與現(xiàn)代計算機發(fā)展相結(jié)合，找到光譜項推導的其他方法……學生的思路由此打開，積極性大大提高，有些學生給出的答卷讓筆者眼前一亮。根據(jù)課堂安排，挑選出了2個典型題目，每個題目限時10分鐘，由學生講解，集體討論，加深并擴展對課本知識的理解。一個是以姜蘭同學為組長給出的“N原子光譜項的推求”，另一個是以王帥同學為組長給出的“等價電子組態(tài)j－j耦合光譜項的自旋因式化法”。姜蘭同學通過計算得到N原子p3組態(tài)有20種微態(tài)（C36＝20），但她并沒有全部列出，她指出由于ML和MS取值的對稱性［7］，只需要列出ML≥0，MS≥0的7種微觀狀態(tài)便可得出所有的光譜項（表1），并由此討論擴展到更復雜的微態(tài)，這樣大大簡化了筆者的工作。之所以選取此題目，是因為這是對所學知識的加深和實際應用，與課本例子緊密結(jié)合，每個學生都可以參與到討論中，考查了學生對基本知識的掌握，注重了對知識的記憶鞏固。有些學生對于該題目的討論意猶未盡，由于時間限制，建議學生課后自行推導并進一步討論。而王帥同學先從單一電子的j值討論其MJ值，確定電子所在軌道，將等價電子組態(tài)因式化為2種自旋狀態(tài)，并確定各自旋狀態(tài)、自旋對耦合情況的MJ值和半微狀態(tài)數(shù)，最終確定電子組態(tài)的耦合情況，計算出J值并確定光譜項。這個題目相對來說難度比較大，任課教師有針對性的進行了講解，幫助學生理清思路。通過對這個題目的討論，使學生認識到現(xiàn)階段對于復雜組態(tài)光譜項的確定難度比較大，手工計算復雜，引導學生積極探索，啟發(fā)學生的科研思維，揭開科研的神秘面紗。當然，也有學生表示此部分內(nèi)容較難理解，筆者將相關資料發(fā)給學生，通過各種交流手段保持與學生之間的互動，引導學生課后進一步思考和討論。盡管學生基礎不同，興趣差別大，但對于主講學生和教師提出的問題都能積極討論，通過“小專題”教學模式的應用加深了對光譜項的理解。通過與學生討論交流，大部分學生認為此次討論的內(nèi)容與教學重點比較匹配，同時也表示，知識是無止境的，自己所學所知還太少，需要不斷地探索。

3理論聯(lián)系實際，加強課程間聯(lián)系，突出應用

學生在學習由電子組態(tài)推求出原子光譜項這部分內(nèi)容時，對軌道（l－l）耦合、自旋（s－s）耦合、軌道與自旋（l－s）耦合和保利原理的限制等概念的理解和基本原理的綜合應用是一個逐步加深的過程，但是教師講課過程中往往更加注重光譜項具體的推求過程和方法，教材中對于原子光譜的應用也僅泛泛而談，局限性比較大，使學生對于光譜項在化學研究中的作用缺少了解，不利于提高學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了使授課內(nèi)容緊跟時展的步伐，常講常新，筆者還會將國內(nèi)外相關的科研課題介紹給學生。在講完光譜項推求方法后，介紹了激光晶體的光譜研究［8－9］。從激光產(chǎn)生的原理談起，這部分與能級密切相關，然后介紹了激光晶體的化學組成和結(jié)構(gòu)特點，著重指出為什么要摻入稀土離子，并和學生一起推求激光晶體中摻雜不同稀土離子的光譜項。另外，結(jié)構(gòu)化學與有機化學、無機化學等課程關系密切，很多知識點揭示了相關應用的理論基礎，任課教師在教學過程中注重相關知識的聯(lián)系能夠提升化學、應用化學等專業(yè)學生對本專業(yè)課程的整體理解和掌握。我校應化專業(yè)學生同學期還開設了儀器分析課程，光譜項知識與該課程的各種分析測試方法，如原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、Raman光譜等密切相關，可以說，光譜項是這些分析測試方法的理論基礎。比如，儀器分析課程介紹了原子發(fā)射光譜是根據(jù)處于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到基態(tài)時發(fā)射的特征譜線對待測元素進行分析的方法，由于待測元素原子的能級結(jié)構(gòu)不同，因此發(fā)射譜線的特征不同，據(jù)此可以對樣品進行定性分析。所謂能級結(jié)構(gòu)不同，即對應的光譜項不同，需要學生理解不同元素原子不同能級對應的光譜項，再根據(jù)躍遷選律，就可以對譜線的特征頻率和特征波長進行深入的分析，使學生把所學知識串聯(lián)起來，形成一個有機的整體。在教學過程中，通過引進科研實例，強調(diào)課程間的相互聯(lián)系，幫助學生將相關課程知識點串聯(lián)起來，使學生能快速、深入理解本課程內(nèi)容，并引導學生通過自主學習將所學知識進行交叉融合，融會貫通，觸類旁通，使學生體會到微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)上的聯(lián)系，而不僅僅是將知識局限在每一門具體的課程中，這對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維具有重要意義。學生普遍反映有種豁然開朗的感覺，對所學知識的理解也有了進一步的加深。原子光譜對于原子的基礎理論研究和實際應用都有很重要的作用，是結(jié)構(gòu)化學多電子原子教學上的重點和難點之一。通過教學實踐，我們可以認識到文中提出的循序漸進引導學生的方法，符合學生的學習習慣；引入的小專題式教學方法提高了學生參與學習的積極性，使學生對所學知識不再浮于表面，知其所以然，而且對知識的掌握也更加牢固；理論聯(lián)系實際，加強課程間聯(lián)系的方法開闊了學生的知識面，使學生學以致用，將所學知識融會貫通，有助于培養(yǎng)其科研能力。

作者：馬娟 蔣榮立 高慶宇 單位：中國礦業(yè)大學化工學院