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(shù)隨溫度的變化規(guī)律。使學(xué)生掌握溫度對原子能級粒子數(shù)的影響，并建立溫度與熒光強度、熒光強度比之間的關(guān)系，深入探究溫度對熒光強度和熒光強度比影響的區(qū)別和聯(lián)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(yīng)用，利用熒光強度比測量溫度。通過本實驗的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對原子能級性質(zhì)的理解更加深刻、掌握正確的熒光測試系統(tǒng)搭建過程，光路調(diào)節(jié)方法以及光譜數(shù)據(jù)的計算分析方法。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，夯實了理論基礎(chǔ)，并能學(xué)以致用，使學(xué)生對知識理解透徹，獲得事半功倍的教學(xué)效果，仿真實驗成績優(yōu)秀率達81%。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實驗;原子能級粒子數(shù);溫度

目前，高校開設(shè)的物理實驗中，關(guān)于原子能級結(jié)構(gòu)探究的實驗較少。光譜是觀察原子結(jié)構(gòu)的重要手段[1-3]，通過光譜間接觀察原子能級的躍遷規(guī)律，使學(xué)生深入掌握原子能級性質(zhì)，建立熒光與原子能級輻射性質(zhì)的聯(lián)系，進而將熒光進行實際應(yīng)用。然而，熒光測試系統(tǒng)價格昂貴，儀器較精細，很容易損壞，設(shè)備維護費用高。開展批量的實驗教學(xué)，有一定的難度。而且熒光測試系統(tǒng)較難調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)光路、溫度調(diào)節(jié)、光譜采集均需要較長時間，學(xué)時數(shù)的受限，不易開展實驗教學(xué)。因此，考慮到本實驗對學(xué)生知識理解、開闊視野、科學(xué)素養(yǎng)提升、實踐能力培養(yǎng)的重要作用，發(fā)開原子能級粒子數(shù)熱布局虛擬仿真實驗具有一定的教學(xué)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(jié)果[4，5]。將虛擬仿真實驗引入到實驗教學(xué)中，可以通過以虛補實，解決了真實實驗高危險、設(shè)備昂貴、實驗耗時等問題。并為學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)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(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)習(xí)效率，共享教育資源。同時，也可提高教師的教學(xué)效率，強化課堂教學(xué)效果[9，10]。

原子能級粒子數(shù)熱布局虛擬仿真實驗課程是我校面向本科生開設(shè)的校級實驗課程，共 6 學(xué)時。

其主要任務(wù)是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生進一步加深對物理規(guī)律的認識和原理的理解。同時，該部分理論與科學(xué)研究的熱點熒光測溫問題緊密聯(lián)系，開拓學(xué)生的視野。學(xué)生在實驗過程中，使學(xué)生養(yǎng)成在善于觀察、勤于思考的習(xí)慣。同時，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 實驗設(shè)計思路與原理

1.1 設(shè)計思路

在《原子物理》課程學(xué)習(xí)中，提到了在熱平衡狀態(tài)下，各個狀態(tài)的原子數(shù)決定于狀態(tài)的能量和溫度，粒子數(shù)滿足玻爾茲曼分布規(guī)律。然而，這一規(guī)律很難被觀察，本實驗利用光譜觀察溫度對能級粒子數(shù)分布的影響，即能級粒子數(shù)熱布局規(guī)律。

理論上可以通過熒光強度的變化觀察粒子數(shù)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(shù)分布規(guī)律的影響。本實驗通過熒光光譜觀察溫度對能級粒子數(shù)分布的影響。然而，熒光強度很容易受到外界環(huán)境和復(fù)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(zhǔn)確觀察溫度參量對粒子數(shù)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(shù)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(zhǔn)確的觀察到溫度對熱耦能級粒子數(shù)分布的影響。進一步根據(jù)熒光強度比和溫度的關(guān)系，可開展測量溫度。

本實驗在教學(xué)過程中運用了“以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法”，知識銜接緊密，由淺入深、由易到難、環(huán)環(huán)緊扣，在問題的探究中開展實驗，解決困難，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象的本質(zhì)。經(jīng)過該實驗項目的訓(xùn)練，學(xué)生較容易掌握光譜的測量方法、建立光譜與原子能級結(jié)構(gòu)的關(guān)系、以及原子能級粒子數(shù)熱布局規(guī)律。并采用了學(xué)以致用，理論聯(lián)系實際的實驗教學(xué)方法，利用熒光強度比測量溫度。培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力、實踐能力 、創(chuàng)新能力。

實驗后，有先進客觀的評價體系對學(xué)生的實驗操作和實驗結(jié)果進行評價。系統(tǒng)評價包括系統(tǒng)客觀評價和主觀評價兩方面：（1）系統(tǒng)客觀評價，根據(jù)對實驗過程中交互操作的準(zhǔn)確性和對實驗操作問題的考核，系統(tǒng)進行評分。此外，系統(tǒng)中的實驗數(shù)據(jù)表格的填寫，考查學(xué)生對實驗的理解能力和科學(xué)研究的綜合能力。（2）系統(tǒng)主觀評價，主要是仿真系統(tǒng)中設(shè)計了教學(xué)評價和在線討論模塊，學(xué)生可以通過教學(xué)評價模塊對教學(xué)過程進行打分，對教學(xué)內(nèi)容進行評論，及時反饋教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(dǎo)向性教學(xué)方法，開展小組討論，對積極參與討論的學(xué)生加分。主觀評價和客觀評價有機結(jié)合，既有利于學(xué)生學(xué)習(xí)成績的綜合評價，也有利于教師教學(xué)方法改進，促進教學(xué)效果的提升。