原子能級粒子數熱布局虛擬仿真實驗的設計開發與教學實踐

張佳音 李磊朋 王啟宇 梁紅

摘 要 本虛擬仿真實驗探究稀土離子熱耦合能級粒子數隨溫度的變化規律。使學生掌握溫度對原子能級粒子數的影響，并建立溫度與熒光強度、熒光強度比之間的關系，深入探究溫度對熒光強度和熒光強度比影響的區別和聯系，加強對此部分理論知識的理解。

進一步將理論知識進行實際應用，利用熒光強度比測量溫度。通過本實驗的學習，使學生對原子能級性質的理解更加深刻、掌握正確的熒光測試系統搭建過程，光路調節方法以及光譜數據的計算分析方法。激發了學生的學習興趣，夯實了理論基礎，并能學以致用，使學生對知識理解透徹，獲得事半功倍的教學效果，仿真實驗成績優秀率達81%。

關鍵詞 虛擬仿真實驗;原子能級粒子數;溫度

目前，高校開設的物理實驗中，關于原子能級結構探究的實驗較少。光譜是觀察原子結構的重要手段[1-3]，通過光譜間接觀察原子能級的躍遷規律，使學生深入掌握原子能級性質，建立熒光與原子能級輻射性質的聯系，進而將熒光進行實際應用。然而，熒光測試系統價格昂貴，儀器較精細，很容易損壞，設備維護費用高。開展批量的實驗教學，有一定的難度。而且熒光測試系統較難調節，調節光路、溫度調節、光譜采集均需要較長時間，學時數的受限，不易開展實驗教學。因此，考慮到本實驗對學生知識理解、開闊視野、科學素養提升、實踐能力培養的重要作用，發開原子能級粒子數熱布局虛擬仿真實驗具有一定的教學價值。

虛擬仿真實驗通過模擬真實實驗儀器搭建過程和真實的實驗過程，并獲得高逼真度的實驗結果[4，5]。將虛擬仿真實驗引入到實驗教學中，可以通過以虛補實，解決了真實實驗高危險、設備昂貴、實驗耗時等問題。并為學生開展自主學習、探究性學習和創新性學習提供手段和資源[6-8]。虛擬仿真實驗的引入不僅有利于激發學生的學習積極性、提高學習效率，共享教育資源。同時，也可提高教師的教學效率，強化課堂教學效果[9，10]。

原子能級粒子數熱布局虛擬仿真實驗課程是我校面向本科生開設的校級實驗課程，共 6 學時。

其主要任務是通過該課程的學習，使學生進一步加深對物理規律的認識和原理的理解。同時，該部分理論與科學研究的熱點熒光測溫問題緊密聯系，開拓學生的視野。學生在實驗過程中，使學生養成在善于觀察、勤于思考的習慣。同時，培養學生實踐能力和創新能力。

1 實驗設計思路與原理

1.1 設計思路

在《原子物理》課程學習中，提到了在熱平衡狀態下，各個狀態的原子數決定于狀態的能量和溫度，粒子數滿足玻爾茲曼分布規律。然而，這一規律很難被觀察，本實驗利用光譜觀察溫度對能級粒子數分布的影響，即能級粒子數熱布局規律。

理論上可以通過熒光強度的變化觀察粒子數熱布局過程。然而，熒光強度受很多外界因素的影響，如無輻射弛豫過程、能級間的能量傳遞過程等，所以很難通過熒光強度觀察溫度單一變量對粒子數分布規律的影響。本實驗通過熒光光譜觀察溫度對能級粒子數分布的影響。然而，熒光強度很容易受到外界環境和復雜能量傳遞機制的影響，在實際研究中，很難通過熒光強度準確觀察溫度參量對粒子數布局的影響。針對這一問題，我們利用熱耦能級的熒光強度比來觀察粒子數熱布局，熱耦能級的能量間隔較小，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，那么兩能級的熒光強度比可將外界的干擾排除掉，可準確的觀察到溫度對熱耦能級粒子數分布的影響。進一步根據熒光強度比和溫度的關系，可開展測量溫度。

本實驗在教學過程中運用了“以問題為導向的教學方法”，知識銜接緊密，由淺入深、由易到難、環環緊扣，在問題的探究中開展實驗，解決困難，發現實驗現象的本質。經過該實驗項目的訓練，學生較容易掌握光譜的測量方法、建立光譜與原子能級結構的關系、以及原子能級粒子數熱布局規律。并采用了學以致用，理論聯系實際的實驗教學方法，利用熒光強度比測量溫度。培養了學生的綜合能力、實踐能力 、創新能力。

實驗后，有先進客觀的評價體系對學生的實驗操作和實驗結果進行評價。系統評價包括系統客觀評價和主觀評價兩方面：（1）系統客觀評價，根據對實驗過程中交互操作的準確性和對實驗操作問題的考核，系統進行評分。此外，系統中的實驗數據表格的填寫，考查學生對實驗的理解能力和科學研究的綜合能力。（2）系統主觀評價，主要是仿真系統中設計了教學評價和在線討論模塊，學生可以通過教學評價模塊對教學過程進行打分，對教學內容進行評論，及時反饋教學內容和教學方法中存在的問題。此外，課堂中通過在線討論方式，借助問題導向性教學方法，開展小組討論，對積極參與討論的學生加分。主觀評價和客觀評價有機結合，既有利于學生學習成績的綜合評價，也有利于教師教學方法改進，促進教學效果的提升。