原子光譜項(xiàng)的教學(xué)研究
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摘要原子光譜是結(jié)構(gòu)化學(xué)中的重要概念之一。針對(duì)原子光譜教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的教學(xué)方法和作者的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原子光譜項(xiàng)的教學(xué)過程提出了一些看法，強(qiáng)調(diào)了對(duì)知識(shí)的深入探討和應(yīng)用。教師在教學(xué)過程中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，把所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，會(huì)得到事半功倍的效果。
關(guān)鍵詞結(jié)構(gòu)化學(xué)原子光譜項(xiàng)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)實(shí)踐
1提出問題，引起學(xué)生思考，循序漸進(jìn)使學(xué)生知其所以然
在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對(duì)原子光譜項(xiàng)的掌握就是按照一定的套路把它推導(dǎo)出來，而并不明白為什么可以這樣推導(dǎo)以及推導(dǎo)出的光譜項(xiàng)有什么作用。為此，在教學(xué)過程中，從學(xué)生已有基礎(chǔ)知識(shí)切入，通過設(shè)問法，引導(dǎo)學(xué)生思考并關(guān)注問題答案，層層遞進(jìn)，解決學(xué)生知其然而不知其所以然的學(xué)習(xí)困境。在講述原子光譜項(xiàng)時(shí)，先向?qū)W生拋出一個(gè)基本問題：為什么要學(xué)習(xí)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(xué)的發(fā)展，沒有光譜理論作為基礎(chǔ)，也就看不到現(xiàn)代化學(xué)、材料等相關(guān)領(lǐng)域日新月異的發(fā)展。這往往引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。接下來講述課本知識(shí)時(shí)，先從學(xué)生已有知識(shí)切入，提問學(xué)生在無機(jī)化學(xué)和量子力學(xué)基礎(chǔ)中學(xué)習(xí)的能量量子化和能級(jí)的概念，在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步讓學(xué)生思考怎么表示電子所處的能級(jí)并進(jìn)而反映出原子結(jié)構(gòu)。自然而然的，將原子光譜項(xiàng)的概念引入進(jìn)去，并且強(qiáng)調(diào)原子光譜項(xiàng)和原子光譜之間的關(guān)系。這樣，學(xué)生就對(duì)整個(gè)知識(shí)點(diǎn)有了宏觀的認(rèn)識(shí)，明確了自己的學(xué)習(xí)目的。理解了光譜與能級(jí)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，學(xué)生就會(huì)思考怎樣推求光譜項(xiàng)。接著提問，核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎樣進(jìn)行描述的？學(xué)生對(duì)此比較熟悉，基本上都能回答出來。那原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)怎么樣進(jìn)行描述呢？是各個(gè)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的簡(jiǎn)單加和么？這時(shí)，學(xué)生往往陷入了沉思，于是可趁機(jī)引入原子的量子數(shù)L、S、J，原子的軌道角動(dòng)量ML、自旋角動(dòng)量MS、總角動(dòng)量MJ，以及各角動(dòng)量在磁場(chǎng)上的分量mL、mS和mJ，對(duì)這些基本概念的理解對(duì)于后續(xù)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。由此，一步步引出光譜項(xiàng)的概念以及它的重要意義，學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)也就有了一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，通過各種問題將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，這種串聯(lián)不僅將原有基礎(chǔ)知識(shí)與所授知識(shí)相互融通，并且進(jìn)一步擴(kuò)展到其他專業(yè)課知識(shí)，學(xué)生每解決一個(gè)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(xué)生極大學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，所學(xué)知識(shí)也不斷累積。通過這種層層設(shè)問的方式，學(xué)生能真正理解自己所學(xué)知識(shí)并將其在以后的學(xué)習(xí)和工作中為己所用，就不會(huì)陷入只會(huì)按照課本知識(shí)簡(jiǎn)單推求，離開課本就不知其所以然的境地。
2改變教學(xué)模式，攻克教學(xué)難點(diǎn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維
原子光譜項(xiàng)的推求是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，筆者試著引入了小專題式教學(xué)方法［4－5］。為確保教學(xué)時(shí)間和系統(tǒng)性，教學(xué)過程仍按照教學(xué)大綱所規(guī)定的章節(jié)順序講授。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)小型專題，由學(xué)生圍繞專題內(nèi)容自行命題并在課余時(shí)間準(zhǔn)備，在準(zhǔn)備過程中教師引導(dǎo)學(xué)生以小組的形式通過查閱文獻(xiàn)解決問題，并由教師選出典型題目讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行討論和匯報(bào)，每個(gè)題目匯報(bào)時(shí)間一般控制約10min。小專題式教學(xué)法是在課堂講授之后進(jìn)行的鞏固內(nèi)容，改變了以往以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，是對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的有效補(bǔ)充和擴(kuò)展。在我校所用教材《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》（周公度編）中，對(duì)于光譜項(xiàng)的推求遵循由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則，從氫原子光譜項(xiàng)逐漸過渡到多電子原子的光譜項(xiàng)，重點(diǎn)介紹了光譜項(xiàng)的推求方法和步驟。在這里有2個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，非等價(jià)電子組態(tài)的光譜項(xiàng)和等價(jià)電子組態(tài)的光譜項(xiàng)的推求。其中，前者相對(duì)簡(jiǎn)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(xiàng)，這部分內(nèi)容通過學(xué)生預(yù)習(xí)和課堂講解學(xué)生都能較好地掌握。但是等價(jià)電子組態(tài)由于受到保利原理的限制，其計(jì)算遠(yuǎn)比非等價(jià)電子組態(tài)復(fù)雜。針對(duì)這種情況，結(jié)合當(dāng)今社會(huì)網(wǎng)絡(luò)資源豐富和90后大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力普遍較高的特點(diǎn)，設(shè)置了小專題“等價(jià)電子組態(tài)光譜項(xiàng)及基譜項(xiàng)的推求”。全班50名學(xué)生，5人一組，每組設(shè)組長(zhǎng)，分組時(shí)在學(xué)生自愿的基礎(chǔ)上，盡量發(fā)揮基礎(chǔ)較好的學(xué)生的帶動(dòng)作用，保證任務(wù)圓滿完成。要求學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作，限時(shí)一周，給出小論文并制作ppt。由任課教師挑選出作業(yè)由學(xué)生講解并討論，并根據(jù)學(xué)生完成情況評(píng)分，作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的一部分。雖然任課教師在課堂教學(xué)時(shí)以p2電子組態(tài)為例重點(diǎn)介紹了“Slater圖解法”“表格法”［2］等基本方法，但剛給出題目時(shí)還是有些擔(dān)憂，學(xué)生也普遍反映較難，不知從何下手，但這部分知識(shí)非親歷很難掌握扎實(shí)。為此，專門組織了課后輔導(dǎo)，以網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)形式為主。任課教師為學(xué)生提供了一些相關(guān)資料，并鼓勵(lì)學(xué)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(chǔ)上確定自己的題目，給出自己的觀點(diǎn)。有些學(xué)生基礎(chǔ)較差，鼓勵(lì)他們可以把圖解法進(jìn)一步擴(kuò)展，比如把p2組態(tài)擴(kuò)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(duì)原子光譜項(xiàng)的推求，但是這種耦合方式僅適用于主量子數(shù)n較小（輕元素）的較低能態(tài)的情況，因?yàn)檫@種耦合方式相當(dāng)于自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量分別守恒，從理論上講只有當(dāng)相對(duì)論效應(yīng)略去不計(jì)時(shí)才適用［6］，對(duì)于n很大的高能激發(fā)態(tài)，相對(duì)論作用遠(yuǎn)大于靜電作用，則鼓勵(lì)學(xué)生探索j－j耦合方案；對(duì)于編程水平較高的學(xué)生，鼓勵(lì)他們通過合作探索，與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展相結(jié)合，找到光譜項(xiàng)推導(dǎo)的其他方法……學(xué)生的思路由此打開，積極性大大提高，有些學(xué)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(gè)典型題目，每個(gè)題目限時(shí)10分鐘，由學(xué)生講解，集體討論，加深并擴(kuò)展對(duì)課本知識(shí)的理解。一個(gè)是以姜蘭同學(xué)為組長(zhǎng)給出的“N原子光譜項(xiàng)的推求”，另一個(gè)是以王帥同學(xué)為組長(zhǎng)給出的“等價(jià)電子組態(tài)j－j耦合光譜項(xiàng)的自旋因式化法”。姜蘭同學(xué)通過計(jì)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(duì)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(xiàng)（表1），并由此討論擴(kuò)展到更復(fù)雜的微態(tài)，這樣大大簡(jiǎn)化了筆者的工作。之所以選取此題目，是因?yàn)檫@是對(duì)所學(xué)知識(shí)的加深和實(shí)際應(yīng)用，與課本例子緊密結(jié)合，每個(gè)學(xué)生都可以參與到討論中，考查了學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握，注重了對(duì)知識(shí)的記憶鞏固。有些學(xué)生對(duì)于該題目的討論意猶未盡，由于時(shí)間限制，建議學(xué)生課后自行推導(dǎo)并進(jìn)一步討論。而王帥同學(xué)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(jià)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(duì)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(jì)算出J值并確定光譜項(xiàng)。這個(gè)題目相對(duì)來說難度比較大，任課教師有針對(duì)性的進(jìn)行了講解，幫助學(xué)生理清思路。通過對(duì)這個(gè)題目的討論，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段對(duì)于復(fù)雜組態(tài)光譜項(xiàng)的確定難度比較大，手工計(jì)算復(fù)雜，引導(dǎo)學(xué)生積極探索，啟發(fā)學(xué)生的科研思維，揭開科研的神秘面紗。當(dāng)然，也有學(xué)生表示此部分內(nèi)容較難理解，筆者將相關(guān)資料發(fā)給學(xué)生，通過各種交流手段保持與學(xué)生之間的互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生課后進(jìn)一步思考和討論。盡管學(xué)生基礎(chǔ)不同，興趣差別大，但對(duì)于主講學(xué)生和教師提出的問題都能積極討論，通過“小專題”教學(xué)模式的應(yīng)用加深了對(duì)光譜項(xiàng)的理解。通過與學(xué)生討論交流，大部分學(xué)生認(rèn)為此次討論的內(nèi)容與教學(xué)重點(diǎn)比較匹配，同時(shí)也表示，知識(shí)是無止境的，自己所學(xué)所知還太少，需要不斷地探索。
3理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)課程間聯(lián)系，突出應(yīng)用
學(xué)生在學(xué)習(xí)由電子組態(tài)推求出原子光譜項(xiàng)這部分內(nèi)容時(shí)，對(duì)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(yīng)用是一個(gè)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(xiàng)具體的推求過程和方法，教材中對(duì)于原子光譜的應(yīng)用也僅泛泛而談，局限性比較大，使學(xué)生對(duì)于光譜項(xiàng)在化學(xué)研究中的作用缺少了解，不利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了使授課內(nèi)容緊跟時(shí)展的步伐，常講常新，筆者還會(huì)將國(guó)內(nèi)外相關(guān)的科研課題介紹給學(xué)生。在講完光譜項(xiàng)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(jí)密切相關(guān)，然后介紹了激光晶體的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，著重指出為什么要摻入稀土離子，并和學(xué)生一起推求激光晶體中摻雜不同稀土離子的光譜項(xiàng)。另外，結(jié)構(gòu)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)等課程關(guān)系密切，很多知識(shí)點(diǎn)揭示了相關(guān)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，任課教師在教學(xué)過程中注重相關(guān)知識(shí)的聯(lián)系能夠提升化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)學(xué)生對(duì)本專業(yè)課程的整體理解和掌握。我校應(yīng)化專業(yè)學(xué)生同學(xué)期還開設(shè)了儀器分析課程，光譜項(xiàng)知識(shí)與該課程的各種分析測(cè)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(guān)，可以說，光譜項(xiàng)是這些分析測(cè)試方法的理論基礎(chǔ)。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(cè)元素原子回到基態(tài)時(shí)發(fā)射的特征譜線對(duì)待測(cè)元素進(jìn)行分析的方法，由于待測(cè)元素原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，因此發(fā)射譜線的特征不同，據(jù)此可以對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。所謂能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，即對(duì)應(yīng)的光譜項(xiàng)不同，需要學(xué)生理解不同元素原子不同能級(jí)對(duì)應(yīng)的光譜項(xiàng)，再根據(jù)躍遷選律，就可以對(duì)譜線的特征頻率和特征波長(zhǎng)進(jìn)行深入的分析，使學(xué)生把所學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來，形成一個(gè)有機(jī)的整體。在教學(xué)過程中，通過引進(jìn)科研實(shí)例，強(qiáng)調(diào)課程間的相互聯(lián)系，幫助學(xué)生將相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，使學(xué)生能快速、深入理解本課程內(nèi)容，并引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行交叉融合，融會(huì)貫通，觸類旁通，使學(xué)生體會(huì)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(shí)局限在每一門具體的課程中，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要意義。學(xué)生普遍反映有種豁然開朗的感覺，對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解也有了進(jìn)一步的加深。原子光譜對(duì)于原子的基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用都有很重要的作用，是結(jié)構(gòu)化學(xué)多電子原子教學(xué)上的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。通過教學(xué)實(shí)踐，我們可以認(rèn)識(shí)到文中提出的循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生的方法，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣；引入的小專題式教學(xué)方法提高了學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)不再浮于表面，知其所以然，而且對(duì)知識(shí)的掌握也更加牢固；理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)課程間聯(lián)系的方法開闊了學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生學(xué)以致用，將所學(xué)知識(shí)融會(huì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院