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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(guò)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(guò)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(wèn)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(lái),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(guò)程中,從學(xué)生已有基礎(chǔ)知識(shí)切入,通過(guò)設(shè)問(wèn)法,引導(dǎo)學(xué)生思考并關(guān)注問(wèn)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(wèn)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(lài)于光譜學(xué)的發(fā)展,沒(méi)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(lái)講述課本知識(shí)時(shí),先從學(xué)生已有知識(shí)切入,提問(wèn)學(xué)生在無(wú)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(wèn),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(lái)。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(guò)程中,通過(guò)各種問(wèn)題將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái),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(zhuān)業(yè)課知識(shí),學(xué)生每解決一個(gè)問(wèn)題都能獲得很大的成就感,并且有豁然開(kāi)朗的感覺(jué),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(guò)這種層層設(shè)問(wèn)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(kāi)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(zhuān)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(guò)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(zhuān)題,由學(xué)生圍繞專(zhuān)題內(nèi)容自行命題并在課余時(shí)間準(zhǔn)備,在準(zhǔn)備過(guò)程中教師引導(dǎo)學(xué)生以小組的形式通過(guò)查閱文獻(xiàn)解決問(wèn)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(zhuān)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(guò)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(guò)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(zhuān)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(mǎn)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(yōu),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(zhuān)門(mén)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(kāi)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?。ㄝp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(guò)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(kāi),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(guò)計(jì)算得到N原子p3組態(tài)有20種微態(tài)(C36=20),但她并沒(méi)有全部列出,她指出由于ML和MS取值的對(duì)稱(chēng)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(lái)說(shuō)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(guò)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(kāi)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(guò)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(wèn)題都能積極討論,通過(guò)“小專(zhuān)題”教學(xué)模式的應(yīng)用加深了對(duì)光譜項(xiàng)的理解。通過(guò)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(wú)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(guò)程,但是教師講課過(guò)程中往往更加注重光譜項(xiàng)具體的推求過(guò)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(wú)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(guò)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(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)課程的整體理解和掌握。我校應(yīng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生同學(xué)期還開(kāi)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(shuō),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(lái),形成一個(gè)有機(jī)的整體。在教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)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(lái),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(guò)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(lèi)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(mén)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(kāi)朗的感覺(jué),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(guò)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(zhuān)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(kāi)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