原子光谱项的教学研究

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摘要原子光谱是结构化学中的重要概念之一。针对原子光谱教学的重点难点，结合先进的教学方法和作者的实际教学经验，对原子光谱项的教学过程提出了一些看法，强调了对知识的深入探讨和应用。教师在教学过程中充分调动学生的积极性，把所学知识融会贯通，会得到事半功倍的效果。

关键词结构化学原子光谱项教学难点教学实践

1提出问题，引起学生思考，循序渐进使学生知其所以然

在结构化学教学中，笔者发现大多数学生对原子光谱项的掌握就是按照一定的套路把它推导出来，而并不明白为什么可以这样推导以及推导出的光谱项有什么作用。为此，在教学过程中，从学生已有基础知识切入，通过设问法，引导学生思考并关注问题答案，层层递进，解决学生知其然而不知其所以然的学习困境。在讲述原子光谱项时，先向学生抛出一个基本问题：为什么要学习原子光谱？然后从现代分析技术出发，指出许多分析技术的发展依赖于光谱学的发展，没有光谱理论作为基础，也就看不到现代化学、材料等相关领域日新月异的发展。这往往引起学生浓厚的学习兴趣。接下来讲述课本知识时，先从学生已有知识切入，提问学生在无机化学和量子力学基础中学习的能量量子化和能级的概念，在已有知识的基础上进一步让学生思考怎么表示电子所处的能级并进而反映出原子结构。自然而然的，将原子光谱项的概念引入进去，并且强调原子光谱项和原子光谱之间的关系。这样，学生就对整个知识点有了宏观的认识，明确了自己的学习目的。理解了光谱与能级的一一对应关系，学生就会思考怎样推求光谱项。接着提问，核外电子的运动状态是怎样进行描述的？学生对此比较熟悉，基本上都能回答出来。那原子的运动状态怎么样进行描述呢？是各个电子运动状态的简单加和么？这时，学生往往陷入了沉思，于是可趁机引入原子的量子数L、S、J，原子的轨道角动量ML、自旋角动量MS、总角动量MJ，以及各角动量在磁场上的分量mL、mS和mJ，对这些基本概念的理解对于后续的学习至关重要。由此，一步步引出光谱项的概念以及它的重要意义，学生对所学知识也就有了一个宏观的认识。在整个学习过程中，通过各种问题将各个知识点串联起来，这种串联不仅将原有基础知识与所授知识相互融通，并且进一步扩展到其他专业课知识，学生每解决一个问题都能获得很大的成就感，并且有豁然开朗的感觉，引起学生极大学习兴趣的同时，所学知识也不断累积。通过这种层层设问的方式，学生能真正理解自己所学知识并将其在以后的学习和工作中为己所用，就不会陷入只会按照课本知识简单推求，离开课本就不知其所以然的境地。

2改变教学模式，攻克教学难点，培养创新思维

原子光谱项的推求是一个教学难点，笔者试着引入了小专题式教学方法［4－5］。为确保教学时间和系统性，教学过程仍按照教学大纲所规定的章节顺序讲授。在此基础上，根据课堂内容设计小型专题，由学生围绕专题内容自行命题并在课余时间准备，在准备过程中教师引导学生以小组的形式通过查阅文献解决问题，并由教师选出典型题目让学生在课堂上进行讨论和汇报，每个题目汇报时间一般控制约10min。小专题式教学法是在课堂讲授之后进行的巩固内容，改变了以往以教师为主导的教学模式，是对课堂教学内容的有效补充和扩展。在我校所用教材《结构化学基础》（周公度编）中，对于光谱项的推求遵循由简单到复杂的原则，从氢原子光谱项逐渐过渡到多电子原子的光谱项，重点介绍了光谱项的推求方法和步骤。在这里有2个重要知识点，非等价电子组态的光谱项和等价电子组态的光谱项的推求。其中，前者相对简单，可以直接利用L－S耦合规则求出原子的量子数L、S并求出光谱项，这部分内容通过学生预习和课堂讲解学生都能较好地掌握。但是等价电子组态由于受到保利原理的限制，其计算远比非等价电子组态复杂。针对这种情况，结合当今社会网络资源丰富和90后大学生计算机应用能力普遍较高的特点，设置了小专题“等价电子组态光谱项及基谱项的推求”。全班50名学生，5人一组，每组设组长，分组时在学生自愿的基础上，尽量发挥基础较好的学生的带动作用，保证任务圆满完成。要求学生团队合作，限时一周，给出小论文并制作ppt。由任课教师挑选出作业由学生讲解并讨论，并根据学生完成情况评分，作为学生平时成绩的一部分。虽然任课教师在课堂教学时以p2电子组态为例重点介绍了“Slater图解法”“表格法”［2］等基本方法，但刚给出题目时还是有些担忧，学生也普遍反映较难，不知从何下手，但这部分知识非亲历很难掌握扎实。为此，专门组织了课后辅导，以网络辅导形式为主。任课教师为学生提供了一些相关资料，并鼓励学生从资料出发，打开自己的思维，找寻更多的资料，在此基础上确定自己的题目，给出自己的观点。有些学生基础较差，鼓励他们可以把图解法进一步扩展，比如把p2组态扩展到p3、d2等组态；教材中主要介绍了使用L－S耦合方案对原子光谱项的推求，但是这种耦合方式仅适用于主量子数n较小（轻元素）的较低能态的情况，因为这种耦合方式相当于自旋角动量和轨道角动量分别守恒，从理论上讲只有当相对论效应略去不计时才适用［6］，对于n很大的高能激发态，相对论作用远大于静电作用，则鼓励学生探索j－j耦合方案；对于编程水平较高的学生，鼓励他们通过合作探索，与现代计算机发展相结合，找到光谱项推导的其他方法……学生的思路由此打开，积极性大大提高，有些学生给出的答卷让笔者眼前一亮。根据课堂安排，挑选出了2个典型题目，每个题目限时10分钟，由学生讲解，集体讨论，加深并扩展对课本知识的理解。一个是以姜兰同学为组长给出的“N原子光谱项的推求”，另一个是以王帅同学为组长给出的“等价电子组态j－j耦合光谱项的自旋因式化法”。姜兰同学通过计算得到N原子p3组态有20种微态（C36＝20），但她并没有全部列出，她指出由于ML和MS取值的对称性［7］，只需要列出ML≥0，MS≥0的7种微观状态便可得出所有的光谱项（表1），并由此讨论扩展到更复杂的微态，这样大大简化了笔者的工作。之所以选取此题目，是因为这是对所学知识的加深和实际应用，与课本例子紧密结合，每个学生都可以参与到讨论中，考查了学生对基本知识的掌握，注重了对知识的记忆巩固。有些学生对于该题目的讨论意犹未尽，由于时间限制，建议学生课后自行推导并进一步讨论。而王帅同学先从单一电子的j值讨论其MJ值，确定电子所在轨道，将等价电子组态因式化为2种自旋状态，并确定各自旋状态、自旋对耦合情况的MJ值和半微状态数，最终确定电子组态的耦合情况，计算出J值并确定光谱项。这个题目相对来说难度比较大，任课教师有针对性的进行了讲解，帮助学生理清思路。通过对这个题目的讨论，使学生认识到现阶段对于复杂组态光谱项的确定难度比较大，手工计算复杂，引导学生积极探索，启发学生的科研思维，揭开科研的神秘面纱。当然，也有学生表示此部分内容较难理解，笔者将相关资料发给学生，通过各种交流手段保持与学生之间的互动，引导学生课后进一步思考和讨论。尽管学生基础不同，兴趣差别大，但对于主讲学生和教师提出的问题都能积极讨论，通过“小专题”教学模式的应用加深了对光谱项的理解。通过与学生讨论交流，大部分学生认为此次讨论的内容与教学重点比较匹配，同时也表示，知识是无止境的，自己所学所知还太少，需要不断地探索。

3理论联系实际，加强课程间联系，突出应用

学生在学习由电子组态推求出原子光谱项这部分内容时，对轨道（l－l）耦合、自旋（s－s）耦合、轨道与自旋（l－s）耦合和保利原理的限制等概念的理解和基本原理的综合应用是一个逐步加深的过程，但是教师讲课过程中往往更加注重光谱项具体的推求过程和方法，教材中对于原子光谱的应用也仅泛泛而谈，局限性比较大，使学生对于光谱项在化学研究中的作用缺少了解，不利于提高学生创新能力的培养。为了使授课内容紧跟时展的步伐，常讲常新，笔者还会将国内外相关的科研课题介绍给学生。在讲完光谱项推求方法后，介绍了激光晶体的光谱研究［8－9］。从激光产生的原理谈起，这部分与能级密切相关，然后介绍了激光晶体的化学组成和结构特点，着重指出为什么要掺入稀土离子，并和学生一起推求激光晶体中掺杂不同稀土离子的光谱项。另外，结构化学与有机化学、无机化学等课程关系密切，很多知识点揭示了相关应用的理论基础，任课教师在教学过程中注重相关知识的联系能够提升化学、应用化学等专业学生对本专业课程的整体理解和掌握。我校应化专业学生同学期还开设了仪器分析课程，光谱项知识与该课程的各种分析测试方法，如原子发射光谱法、原子吸收光谱法、Raman光谱等密切相关，可以说，光谱项是这些分析测试方法的理论基础。比如，仪器分析课程介绍了原子发射光谱是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法，由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可以对样品进行定性分析。所谓能级结构不同，即对应的光谱项不同，需要学生理解不同元素原子不同能级对应的光谱项，再根据跃迁选律，就可以对谱线的特征频率和特征波长进行深入的分析，使学生把所学知识串联起来，形成一个有机的整体。在教学过程中，通过引进科研实例，强调课程间的相互联系，帮助学生将相关课程知识点串联起来，使学生能快速、深入理解本课程内容，并引导学生通过自主学习将所学知识进行交叉融合，融会贯通，触类旁通，使学生体会到微观结构与宏观性质上的联系，而不仅仅是将知识局限在每一门具体的课程中，这对于培养学生的创新思维具有重要意义。学生普遍反映有种豁然开朗的感觉，对所学知识的理解也有了进一步的加深。原子光谱对于原子的基础理论研究和实际应用都有很重要的作用，是结构化学多电子原子教学上的重点和难点之一。通过教学实践，我们可以认识到文中提出的循序渐进引导学生的方法，符合学生的学习习惯；引入的小专题式教学方法提高了学生参与学习的积极性，使学生对所学知识不再浮于表面，知其所以然，而且对知识的掌握也更加牢固；理论联系实际，加强课程间联系的方法开阔了学生的知识面，使学生学以致用，将所学知识融会贯通，有助于培养其科研能力。

作者：马娟 蒋荣立 高庆宇 单位：中国矿业大学化工学院