1. 引言
原子物理学虽属于普通物理学的范围，但却具有与普通力学、量子力学相联系的多学科交叉综合性和包含许多微观概念的抽象性。同时，“双非”院校学生自主学习能力极待增强，并且有学习兴趣不足、个人自控能力有待加强、学习目标不清晰、缺乏学习规划等学习障碍[1]。在原子物理学的学习过程中，很大一部分学生认为原子物理学内容多且杂，难于掌握，无法全面掌握学习要点。这主要是因为原子物理学包含很多的实验，老师再讲解对实验的物理解释，学生无法直观感受其中的物理[2]。另一方面，由于学时及专业的限制，一般来讲，原子物理学先于量子力学，并与数学物理方法同学期讲授，在没有相关知识储备的情况下难以紧密将原子物理学的知识点相连，这使得学生学习原子物理学的兴趣大大降低[3]。
另一方面，思维导图是一种思维工具，讲求图文并用的教学技巧，各级主题关系通过相关的层级图与隶属图表示出来，使学生通过浏览该图实现图像与关键词、颜色的有效记忆链接，进而有效激发人们的学习兴趣及学习潜能[4]。在物理的学习中常见的思维导图与文科一样使用文字概念与公式进行发散组成思维导图网。目前的原子物理学学习思维导图，以文字的形式进行展开，其优点是结构清晰，层次结构清晰地展现原子物理相关概念、原理和关系，帮助学生理清思路，能使分散的知识点以主干知识进行展开与串联。在大学的学习中，多数学生会延用这种文字思维导图。但随着深入的学习，这种简单的思维导图难以表达抽象的概念与复杂的知识点。对于抽象的原子结构和相互作用难以形象直观地展示，缺乏足够吸引学生的视觉元素，可能使学生对学习产生厌倦或缺乏兴趣[5]。
因此，本研究探索一种新的图形化思维导图，以帮助更好地理解和掌握原子物理学的知识。采用思维导图进行发散思维创新设计，其优点是通过简笔画形式表达原子物理的概念，可以生动形象地展现通过原子的演变来拓展出相关的内容，更容易引起学生的兴趣；简笔画形式能够以更直观的方式呈现复杂的概念，使学生更容易理解抽象的物理概念及复杂的物理现象。
2. 原子物理学学习方法
2.1. 原子物理学学习方法和工具的现状分析
目前原子物理学的学习方法和工具主要包括有：传统教学方法、计算机模拟软件、图形思维等，从物质的基本组成出发研究物质的性质，不但对许多已知的宏观现象作了解释，而且发展了新的理论知识[6]。
在传统教学方法中，能高效将知识点传给学生，但整体效果低于预期，主要原因为：一是通常采取大中班教学，班级学生人数多，教师人工监控难以顾及全部学生；二是学校缺乏相关的激励与约束政策，导致教师对学生学习状态监控缺乏积极性和主动性[7]。
利用Matlab数值计算软件，可以生动形象地展现大学物理课程知识的工作原理和相关现象[8]。在计算机模拟软件中，本科课程中的计算物理使用的Matlab可以用于制作原子模型结构。但计算机模拟软件的使用门槛较高，需要有计算机基础与代码的使用，学生难以灵活用代码来表示模型，遇到问题解决不及时等。
虽然现有的原子物理学学习方法和工具丰富多样，但仍然存在一些不足之处。在许多高等院校中使用的课堂板书与纸质的思维导图是最常见的，其主要是方便、快捷，能将一节课的主要知识点精炼地提炼出来形成一个知识大纲，但这种形式不足在于仅仅是文字的一个总结说明，对于原子物理学的内容而言，难以仅仅用文字来进行解释。如，在学习与描述跃迁的知识点中，书本关于跃迁图像难以找到相应的例子：单电子与多电子模型的轨道越迁，电子的自旋与轨道的耦合等等。
2.2. 图形化思维导图在教育领域的应用现状
目前高校学生普遍使用思维导图代替传统的文字笔记，无论学生是在课堂上跟着老师的节奏直接进行记录还是课后再进行更详细的整理，学生在提取关键词的过程中一定会对教师课堂讲解的内容进行一定的思考[9]。在学生学习状况调查中发现，课堂所使用的课件单一，仅对公式进行一个简单分析，教师的讲解具有抽象性，概念与模型不会在学生脑中留下太多记忆。此时再将课本和课件的公式和文字概念提取在思维导图上，对学生的帮助微乎其微。
因此，有必要探索新的学习方法和工具，如图形化思维导图，以提高学生对原子物理学知识的理解和掌握水平。在将图形与原子物理学整合时，应该以全局和系统的观点考虑整个课程的整体效果，而不是孤立的知识点，强调采取抽象信息具体化的教学设计方法来进行课程教学设计和整合，以期达到全面提升课程教学目标的教学效果[10]。通过与大学同学的交流，结合目前各个高校的学生日常生活离不开短视频软件，大部分学生能被生动的视频画面所吸引。知识类短视频平台通过强调内容的可接入性和多样性，支持用户在多个层面上的自主学习，在此基础上用户参与知识汇编也会激发用户的学习兴趣[11]。若将原子物理学抽象的知识概念以图形化进行展示并形成相应的图形化思维导图将更有利于学者学习原子物理学。
图形化思维导图作为一种视觉化的学习工具，在教育领域中得到了广泛的应用。将微观结构的粒子具体化、形象化，丰富“微观粒子”的直观图形，让学生在轻松浏览的过程中掌握微观体系的知识，这一教学方法是比较新颖的教学改革方式[12]。学生在以一个事物为起点或者以某一基础为起点进行向外展开，根据课本知识的发展进行补充相关的知识，之间的知识点联系可以通过分支线进行相连，在逻辑需要补充时可以直接在知识点旁边进行加注，逐步形成完整的思维导图。
在制作思维导图的过程中锻炼学生多种的学习能力，如学生找重点的能力、知识归纳整理能力、查找知识点相关联能力、制作导图的耐力等。将所学知识转化为思维导图中不断对知识进行重复，加深对知识的理解，有利于记忆与复习。将图形化思维导图引入原子物理学学习中，学生可以利用该方法提高学习效率和理解和掌握原子物理的相关知识。
3. 原子物理学基础知识
3.1. 原子结构和基本概念介绍
本节阐述如何在原子物理教学中激发学生学习兴趣、培养学生探索真理和实践创新能力等方面的科学研究意识[13]。基于此，同时兼顾思维导图的逻辑性，现时的原子物理学教学体系应该做彻底的变更，总共分为5章内容讲述，如下。
绪论介绍原子学说的起源。原子学说的起源可以追溯到公元前5世纪，当时希腊哲学家Democritus提出了一种理论，认为所有物质都由简单且不可分割的基本单元——原子组成。这一理论在当时只是哲学的一种观念，因为原子是看不见、摸不着。1803年，John Dalton通过实验将这一形而上的观念转化为可观察的现象，标志着原子学说真正进入物理学研究领域。他所提出不同元素的原子具有不同的质量和性质的理论。但这一理论在当时并未立即被广泛接受，直到20世纪初，Albert Einstein通过分子运动论解释了Brownian运动，进一步证实了原子的存在，才让这一学说得到了更广泛的认同。图1(a)中所示的原子模型示意图展示了这一概念，使人们对原子的理解更加具体和深入。这一进展不仅巩固了原子学说的科学基础，也为现代化学和物理学的发展奠定了重要的理论基础。
第一章在原有模型的基础之上，讲解最简单的氢原子模型，如图1(b)所示，须先介绍量子力学，在本文的3.2介绍了量子力学基础。
第二章在学习原子结构中有三种代表性模型。第一种模型，1904年，Joseph Thomson提出了著名的“枣核模型”，他设想原子是一个带正电的球体，负电荷的电子嵌在其中，类似于水果蛋糕中嵌入的枣核。然而，Thomson的模型很快遭到质疑。Philipp Lenard通过金属膜散射实验发现，Thomson的模型无法解释实验观测结果，这表明原子内部的结构可能比枣核模型描述的要复杂得多。1909年，Ernest Rutherford进行了著名的α粒子散射实验。他们观察到大部分α粒子穿过金箔时几乎不受影响，而少数粒子被大角度偏转，甚至反弹回来。根据这些结果，1911年，Rutherford提出了原子核式模型，即“Rutherford模型”，此即第二个模型。他认为原子的大部分质量和所有正电荷集中在一个非常小的核心区域——原子核，电子则围绕着这个核旋转。Rutherford的模型对原子的组成及大小进行了全新的描述。这一模型有效地解释了原子的大部分物理结构，使人们对原子的理解更为清晰。尽管如此，Rutherford的简单模型仍然存在一些无法解释的问题，比如原子的稳定性、同一性和再生性。在1913年Bohr基于量子理论提出的氢原子模型如图1(b)，即“Bohr模型”，Bohr将量子力学的概念应用于原子结构的研究中，提出了电子在原子核周围的定态轨道上运行的理论。
第三章在氢原子模型的基础之上，考虑原子实外的单电子体系，即碱金属原子，模型如图1(c) (以Na原子为例)。具体来讲，是在Bohr模型的基础之上，使原来只有质子的氢原子核变成更复杂的闭壳层原子实，价电子维持不变。第一节，探讨原子的电子壳层结构，随后介绍Stern-Gerlach实验，并讨论电子的自旋角动量及其自旋量子数。接下来，分析描述电子状态的四个量子数，包括主量子数(n)、角量子数(l)、磁量子数(ml)和自旋磁量子数(ms)。随后，介绍Pauli不相容原理及其在多电子原子中的应用，说明如何在有心力势的近似下，将多电子系统简化为单电子模型。第二节，多电子原子的闭壳层结构与碱金属的性质之间存在密切关联。在此基础上，结合能量最低原理，探讨通过电子组态形成的多电子原子的闭壳层结构，并引入多体模型以阐明碱金属原子的结构特点，即原子实加上单电子的模型，如图1(c)所示。第三节，探讨碱金属原子的能级结构及其在微扰理论框架下的表现，以更好地理解其电子配置和能级分裂现象，介绍碱金属原子的能级结构。由于碱金属原子的壳层结构特点，引入原子的极化与贯穿效应及由此诱导的微扰。利用微扰理论推导出碱金属原子的有效量子数，并揭示其能级及其特性。在单电子模型中，考虑非有心力势的自旋轨道(LS)耦合微扰Hamiltonian，通过微扰得到碱金属原子的精细结构。第四节，能级跃迁与Laporte定则，介绍能级跃迁，重点讨论含时微扰下的单电子电偶极和磁偶极跃迁，并说明Laporte定则在这些跃迁中的应用。
第四章为多电子原子的复杂性与精细结构，本章讨论多电子原子的模型，以Mg原子为例，原子模型如图1(d)所示。与第三章中单电子的碱金属原子模型相比，此处的价电子变为两个。在精细结构部分，我们从多电子原子壳层结构的特点出发，引入电子组态的LS耦合和JJ耦合，通过非有心力势微扰计算其精细结构。由于基态原子通常表现为LS耦合，我们利用Pauli不相容原理和Hund定则来确定基态原子的电子组态和原子态。在能级跃迁部分，考虑含时微扰，介绍两个电子的电偶极跃迁及其Laporte定则。通过电偶极和磁偶极辐射微扰解释Einstein自发辐射与受激辐射的原理，并在此基础上讲述激光原理中的光放大现象。如果价电子多于两个，壳层结构会变得更加复杂，原子模型如图1(e)所示。我们可以延用本章的方法继续探讨，并随着原子模型的复杂化，揭示新的物理现象。
第五章为原子光谱与相关效应，本章介绍原子光谱，涵盖由外层价电子激发产生的原子光谱以及由内层电子激发产生的X射线。我们探讨X射线的连续谱与特征谱，强调其与外层电子激发光谱的不同之处。接着，介绍Moseley实验与定律，讨论如何通过实验测定原子序数，并与之前利用粒子散射实验测定原子序数的方法进行比较。此外，还介绍Compton效应。在Zeeman效应及相关现象中，通过将原子磁矩与恒定磁场的相互作用视为微扰项，运用微扰理论计算能级，从而揭示正常Zeeman效应、反常Zeeman效应以及Paschen-Back效应。进一步，介绍核磁共振与顺磁共振。同样地，将电偶极矩与电场的相互作用视为微扰，研究氢原子的一级Stark效应。
3.2. 量子力学基础
讨论从经典物理向量子物理转变的重要实验基础，重点关注黑体辐射实验和光电效应实验。这些实验不仅奠定了量子理论的发展基础，还揭示了经典理论无法解释的现象。我们首先介绍解释黑体辐射能谱的Wein经验公式和Rayleigh-Jeans公式。由于这两个公式之间存在内在矛盾，引入Planck的能量子假设，讲述Planck量子概念的建立及其能量公式。接着，介绍Einstein如何利用Planck的能量子及光子解释光电效应，同时也介绍Scully于1969年通过纯波动理论对光电效应的解释，进而引出光的波粒二象性。随后，介绍de Broglie公式、不确定性原理及玻尔旧量子论，强调其在历史发展中的作用。
在量子力学的基本假设中，首先引入完全描述微观系统运动状态的波函数及Schrödinger方程。在此基础上，进一步探讨态叠加原理、基本算符及其本征方程和本征解。
在量子力学的一维可解模型及微扰论中，具体包括一维无限深势阱、一维线性谐振子和一维隧道效应。其中量子力学中的微扰论包括非简并微扰和简并微扰，为后续利用微扰论讨论Zeeman效应和光谱线的精细结构等内容做好准备。
在有心力场下的氢原子模型中，如图1(b)所示。在考虑中心力场的情况下，向学生介绍这是一个严格可解模型，不要求学生掌握详细的推导过程，只要求掌握描述氢原子中电子的量子数n，l，m即主量子数，轨道角量子数与轨道磁量子数。
Figure 1. (a) Diagram of the atom in the concept; (b) Hydrogen atom model; (c) Sodium atom model; (d) Magnesium atom model; (e) Multi-electron atom model
图1. (a) 观念中的原子图解；(b) 氢原子模型；(c) 钠原子模型；(d) 镁原子模型；(e) 多电子原子模型
4. 图形化思维导图的设计与构建
4.1. 图形化思维导图在原子物理学学习中的设计与制作
设计和制作图形化思维导图是将抽象的原子物理学概念以直观形式呈现的关键步骤。将微观的原子与原子的结构用简约的图形来进行表示，在制作思维导图的过程，首先需要确定思维导图的主题和内容，将原子物理学的相关概念和知识点整理归纳，确定思维导图的主要内容和结构。
选择适合的图形化工具进行思维导图的设计和制作。常见的图形化工具包括MindMeister、XMind、Lucidchart等，本次的思维导图使用prodrafts来制定布局和排版。
在思维导图中添加关键的原子物理学概念和知识点，并结合图形元素进行直观化呈现。用图形表示微观原子与对应的结构后，再用文字来进行描述，有关联的知识点可以使用跳转的方式来进行串联，使得思维导图的结构清晰、逻辑性强。
通过以上步骤的设计与制作，可以创建出具有丰富内容、清晰结构和美观形式的图形化思维导图，为学生提供直观、生动的学习工具，促进他们对原子物理学知识的理解和掌握。本文的原子物理学学习思维导图见附件。
4.2. 图形化思维导图目前在原子物理学学习中的优势和挑战
利用科学可视化的技术手段来辅助原子物理内容的教学，使得原子物理中的一些现象、过程可以直观、动态、交互式呈现，可以让学生对原子物理学的相关概念规律的理解变的更加容易[14]。图形化思维导图作为大学物理中一种新颖的学习工具，在原子物理学学习中具有独特的优势和挑战。其中主要的优势有：
1、直观性：图形化思维导图以图形化形式呈现知识结构和关系，直观性强，能够帮助学生更快速、更深入地理解和记忆复杂的原子物理学概念。
2、结构清晰：通过图形化思维导图，可以清晰地展示原子的结构、能级分布、相互作用等内容，使学生能够系统化地理解原子物理学的知识体系。
3、自主性学习：学生可以根据自己所掌握的知识选择适合自己的学习方式，收集和整理相关的知识材料，再通过图形化思维导图进行自主学习和知识探索。
4、跨学科整合：图形化思维导图可以将原子物理学与其他学科的知识进行整合，促进学科间的交叉融合，培养综合应用学科知识的能力[15]。
面临的缺点与应对策略：
1、设计复杂性：制作图形化思维导图需要精心设计和排版，包括选择合适的图形元素、布局结构、颜色搭配等，设计复杂度较高。
2、技术要求：使用图形化思维导图工具需要一定的技术能力和操作经验，学生可能需要花费额外的时间和精力来学习和掌握相关技术。
3、更新维护：随着原子物理学知识的更新和拓展，图形化思维导图也需要不断更新和维护，保持其内容的准确性和时效性。
通过充分认识图形化思维导图在原子物理学学习中的优势和缺点，可以针对性地制定教学策略和应对措施，最大限度地发挥图形化思维导图的教学效果，提高学生的学习体验和学习成效。
5. 图形化思维导图的未来发展前景
图形化思维导图作为一种新颖的学习工具，在原子物理学学习中具有广阔的发展前景，同时也能在不同科目中使用图形化进行知识学习，在未来发展趋势中将会随着信息技术的不断发展和创新，图形化思维导图工具将会不断更新和优化，提供更丰富、更智能的功能。
未来图形化思维导图将会更加普及和跨平台化，学生可以在不同设备上使用同一思维导图工具进行学习和交流。跨平台应用可以提高学生的学习灵活性和便利性，促进学习资源的共享和传播。未来图形化思维导图将会加强互动性和实时性，提供更多的交互功能和实时反馈机制。例如，学生可以在思维导图上进行在线讨论、共同编辑和实时反馈，促进学生之间的互动交流和合作学习。
未来图形化思维导图将优化对应的设计和教学策略，提供个性化的学习支持和指导，实现教学的精准化和智能化。
从发展趋势中可以预见图形化思维导图在原子物理学学习中与其他知识点抽象的学科会发挥重要的作用，为学生提供更加丰富、个性化的学习体验。
6. 总结
面对目前大多院校的本科生学习情况，使用合适的学习工具在学习一门新学科时使用思维导图能帮助学者梳理清楚知识的发展脉络，方便知识的拓展与高效复习。相比于大学采用的课堂式教学，中学常用的自主设计的思维导图放在学习大学的课程，能由学生在课后独自思考学习，在与其他相关知识点或与其他科目有交集时能方便知识穿插，往往在文科中这种文字型思维导图能体现出高效。当面对抽象的理科时，如原子物理、量子力学等需要学习大量微观的知识点，图形化思维导图将微观的抽象现象具体化，虽制作时需要花更多的时间，但能达到事半功倍的效果，这是本次研究的目的。
基金项目
国家自然科学基金(12205194)、2021年度广东省一流本科课程——原子物理学(2021~2024)、2021年广东省本科高校教学质量与教学改革工程项目(“岭师–江海行”真空技术创新联合实验室)、2021岭南师范学院教学质量与教学改革工程项目——真空技术与装备产业学院、2021年度岭南师范学院教育教学改革项目：以产业集群和产业学院引导的学生融合创新能力培养模式探索与实践、2022岭南师范学院教学质量与教学改革工程项目——应用物理学一流专业、2022年度岭南师范学院应用物理学课程思政教学团队、湛江科技项目(2019A03009, 2022A0100)、广东省普通高校重点领域专项项目：新一代信息技术(2020ZDZX3068)、韶关市科技计划项目(210809004530908)。本文系理工类示范课程：原子物理学岭南师范学院2024年度校级课程思政示范项目(岭师教务[2024] 80号)的研究成果。
附 录