原子能级粒子数热布局虚拟仿真实验的设计开发与教学实践

张佳音 李磊朋 王启宇 梁红

摘 要 本虚拟仿真实验探究稀土离子热耦合能级粒子数随温度的变化规律。使学生掌握温度对原子能级粒子数的影响，并建立温度与荧光强度、荧光强度比之间的关系，深入探究温度对荧光强度和荧光强度比影响的区别和联系，加强对此部分理论知识的理解。

进一步将理论知识进行实际应用，利用荧光强度比测量温度。通过本实验的学习，使学生对原子能级性质的理解更加深刻、掌握正確的荧光测试系统搭建过程，光路调节方法以及光谱数据的计算分析方法。激发了学生的学习兴趣，夯实了理论基础，并能学以致用，使学生对知识理解透彻，获得事半功倍的教学效果，仿真实验成绩优秀率达81%。

关键词 虚拟仿真实验;原子能级粒子数;温度

目前，高校开设的物理实验中，关于原子能级结构探究的实验较少。光谱是观察原子结构的重要手段[1-3]，通过光谱间接观察原子能级的跃迁规律，使学生深入掌握原子能级性质，建立荧光与原子能级辐射性质的联系，进而将荧光进行实际应用。然而，荧光测试系统价格昂贵，仪器较精细，很容易损坏，设备维护费用高。开展批量的实验教学，有一定的难度。而且荧光测试系统较难调节，调节光路、温度调节、光谱采集均需要较长时间，学时数的受限，不易开展实验教学。因此，考虑到本实验对学生知识理解、开阔视野、科学素养提升、实践能力培养的重要作用，发开原子能级粒子数热布局虚拟仿真实验具有一定的教学价值。

虚拟仿真实验通过模拟真实实验仪器搭建过程和真实的实验过程，并获得高逼真度的实验结果[4，5]。将虚拟仿真实验引入到实验教学中，可以通过以虚补实，解决了真实实验高危险、设备昂贵、实验耗时等问题。并为学生开展自主学习、探究性学习和创新性学习提供手段和资源[6-8]。虚拟仿真实验的引入不仅有利于激发学生的学习积极性、提高学习效率，共享教育资源。同时，也可提高教师的教学效率，强化课堂教学效果[9，10]。

原子能级粒子数热布局虚拟仿真实验课程是我校面向本科生开设的校级实验课程，共 6 学时。

其主要任务是通过该课程的学习，使学生进一步加深对物理规律的认识和原理的理解。同时，该部分理论与科学研究的热点荧光测温问题紧密联系，开拓学生的视野。学生在实验过程中，使学生养成在善于观察、勤于思考的习惯。同时，培养学生实践能力和创新能力。

1 实验设计思路与原理

1.1 设计思路

在《原子物理》课程学习中，提到了在热平衡状态下，各个状态的原子数决定于状态的能量和温度，粒子数满足玻尔兹曼分布规律。然而，这一规律很难被观察，本实验利用光谱观察温度对能级粒子数分布的影响，即能级粒子数热布局规律。

理论上可以通过荧光强度的变化观察粒子数热布局过程。然而，荧光强度受很多外界因素的影响，如无辐射弛豫过程、能级间的能量传递过程等，所以很难通过荧光强度观察温度单一变量对粒子数分布规律的影响。本实验通过荧光光谱观察温度对能级粒子数分布的影响。然而，荧光强度很容易受到外界环境和复杂能量传递机制的影响，在实际研究中，很难通过荧光强度准确观察温度参量对粒子数布局的影响。针对这一问题，我们利用热耦能级的荧光强度比来观察粒子数热布局，热耦能级的能量间隔较小，具有相同或相似的寿命，受外界的干扰或者能量传递是相近或者相同的，那么两能级的荧光强度比可将外界的干扰排除掉，可准确的观察到温度对热耦能级粒子数分布的影响。进一步根据荧光强度比和温度的关系，可开展测量温度。

本实验在教学过程中运用了“以问题为导向的教学方法”，知识衔接紧密，由浅入深、由易到难、环环紧扣，在问题的探究中开展实验，解决困难，发现实验现象的本质。经过该实验项目的训练，学生较容易掌握光谱的测量方法、建立光谱与原子能级结构的关系、以及原子能级粒子数热布局规律。并采用了学以致用，理论联系实际的实验教学方法，利用荧光强度比测量温度。培养了学生的综合能力、实践能力 、创新能力。

实验后，有先进客观的评价体系对学生的实验操作和实验结果进行评价。系统评价包括系统客观评价和主观评价两方面：（1）系统客观评价，根据对实验过程中交互操作的准确性和对实验操作问题的考核，系统进行评分。此外，系统中的实验数据表格的填写，考查学生对实验的理解能力和科学研究的综合能力。（2）系统主观评价，主要是仿真系统中设计了教学评价和在线讨论模块，学生可以通过教学评价模块对教学过程进行打分，对教学内容进行评论，及时反馈教学内容和教学方法中存在的问题。此外，课堂中通过在线讨论方式，借助问题导向性教学方法，开展小组讨论，对积极参与讨论的学生加分。主观评价和客观评价有机结合，既有利于学生学习成绩的综合评价，也有利于教师教学方法改进，促进教学效果的提升。