周春生邸友瑩陳三平楊奇謝鋼高勝利,,*

(1商洛學院化學工程與現(xiàn)代材料學院，陜西商洛726000；2西北大學化學與材料科學學院，西安710079)

從另一個角度處理“原子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容的嘗試

周春生1邸友瑩1陳三平2楊奇2謝鋼2高勝利1,2,*

(1商洛學院化學工程與現(xiàn)代材料學院，陜西商洛726000；2西北大學化學與材料科學學院，西安710079)

從教材內(nèi)容和課程設計的科學性論證了基礎無機化學課程中“原子結(jié)構(gòu)”應分為“原子和原子結(jié)構(gòu)”和“元素與周期律”兩章。“原子和原子結(jié)構(gòu)”包括原子結(jié)構(gòu)、核外電子的運動狀態(tài)和原子核結(jié)構(gòu)，“元素與周期律”包括元素的起源、周期律的建立和元素基本性質(zhì)的規(guī)律性。通過教學實踐，說明這樣的處理有利于探索教材結(jié)構(gòu)處理對教學效果的影響，符合認識論規(guī)律。教法的改革有利于從基礎課教學方面提高學生的科學研究意識。

原子結(jié)構(gòu)；元素周期律；課程設計；教學方法；教學效果

原子結(jié)構(gòu)是大一無機化學教材的基礎理論知識之一，它抽象、理論性強，學生理解難度大。在國內(nèi)大多數(shù)主流教材中[1－9]，章節(jié)處理常常單列為一章“原子結(jié)構(gòu)”，或設計為章題“原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)”或“原子結(jié)構(gòu)與元素周期律(系)”。內(nèi)容包括原子的起源、原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型和波動力學模型、核外電子的運動狀態(tài)、元素周期系和元素基本性質(zhì)的周期性。一些外文教材也是如此處理的[10－16]。在多年的教學實踐中，我們嘗試從另一個角度處理教材結(jié)構(gòu)，把“原子結(jié)構(gòu)”和“元素與周期律”分為兩章：“原子結(jié)構(gòu)”包括原子結(jié)構(gòu)、核外電子的運動狀態(tài)和原子核結(jié)構(gòu)；“元素與周期律”包括元素的起源、周期律的建立和元素基本性質(zhì)規(guī)律。經(jīng)過實踐，效果良好。

本文就“原子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容從章節(jié)劃分、內(nèi)容設計、講授方法和嘗試效果分析，目的在于探索教材結(jié)構(gòu)處理對教學效果的影響，以及引導學生如何運用知識去認識自然界，如何從基礎課教學提高學生的科學探究意識。

1 章節(jié)劃分要有科學性

眾所周知，物質(zhì)的性質(zhì)由原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。原子結(jié)構(gòu)研究要回答的問題是：原子由哪些微粒組成？這些微粒在原子內(nèi)部以怎樣的方式排布？微粒之間的結(jié)合力如何等。在中學化學課中，學生已知原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核與核外若干個運動的電子組成，即原子結(jié)構(gòu)應包含兩部分：核和核外電子。因此，我們認為：第一，講述原子結(jié)構(gòu)也就應該包含原子核的組成及核子的排布與核外電子的運動及其排布，讓學生明確原子結(jié)構(gòu)包括原子結(jié)構(gòu)模型和原子核殼層模型兩部分，哪怕只是初步的講解。第二，元素的區(qū)別是由原子核決定的，每一種特定的原子核稱作一種核素。學生既然對質(zhì)子和中子的概念不陌生，講一下原子核的結(jié)構(gòu)又何妨？何況了解了核結(jié)構(gòu)，會對區(qū)分原子、核子、元素、核素、同位素等概念更加明確。第三，就無機化學的講授，從原子到亞原子粒子，已是近代無機化學的范疇，讓學生眼界洞開，全面認識亞原子概念的發(fā)展對認識自然更有益。

誠然，無機化學往往把原子核結(jié)構(gòu)放在課程結(jié)構(gòu)的后面“原子核化學”一章里講，也不無道理(可能主要是為了保持知識的系統(tǒng)性)。然而，從章節(jié)內(nèi)容的科學性講，還是放在“原子結(jié)構(gòu)”里講更為合適。同時并不影響“原子核化學”內(nèi)容的安排。

2 內(nèi)容設計要符合認識論

科學的認識論包含兩條基本原理：一是實踐是認識的基礎、來源和發(fā)展的動力，是檢驗認識真理的唯一標準，是認識的目的和歸宿；二是認識對實踐有反作用，正確的認識科學理論對實踐有指導作用，錯誤的認識會把實踐引向歧途。而原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容正好反映了這一基本原理，人們從原子到原子結(jié)構(gòu)的認識的提高，都是沿著實踐－再實踐逐漸上升到建立某種理論的，特別是在理論的更迭中更是表現(xiàn)得淋漓盡致。因此，這樣的學習對學生掌握正確的認識觀以及對學習自然科學有指導意義。正是這種認識，促使我們嘗試將這章內(nèi)容做成如表1所示的安排。

表1 原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容目錄

內(nèi)容安排體現(xiàn)了以下特色：

(1)突出實踐第一。4節(jié)內(nèi)容都是先有人們對自然界某種事物的發(fā)現(xiàn)到有奇怪的遐想，逐漸通過科學家聰慧的大腦提煉、經(jīng)過多次的辨識到認知，最后才形成了某種理論，反過來再指導對更為一般的類似事物的認識。其中不乏又被實踐修正的情況，從而螺旋式地提高理論的正確性。例如，原子概念的形成和變遷就是這樣，經(jīng)歷了從哲學到科學的認知過程。原子論成為了元素派學說中最簡明、最具科學性的一種理論形態(tài)。英國自然科學史學家丹皮爾認為，原子論在科學上“要比它以前或以后的任何學說都更接近于現(xiàn)代觀點”[17]。再如，突破人們對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認識，首先是電子[18]、質(zhì)子[19,20]、中子[21,22]直至夸克[23－25]的發(fā)現(xiàn)，才對原子結(jié)構(gòu)有了明確的認識(圖1)。同時，這些研究再次證明物質(zhì)可無窮無盡地分割下去(圖2)。

圖1 原子的組成

圖2 原子－原子核－質(zhì)子－夸克的比較

(2)遵循實踐－認識－再實踐－再認識的規(guī)律。從人類對原子結(jié)構(gòu)的認識過程，可以總結(jié)出一個理論發(fā)展的推進模式：現(xiàn)象→假說→解釋現(xiàn)象→由唯象思維形成理論→實踐→修正或否定舊理論、形成新理論→利用理論思維指導實踐→在實踐中不斷充實與完善新理論。正如恩格斯曾指出的：“只要自然科學在思維著，它的發(fā)展形式就是假說”。例如，原子結(jié)構(gòu)模型的建立和演變，先是人類對原子結(jié)構(gòu)的認識就經(jīng)過了古代樸素原子論時期、原子-分子論時期、近代原子論時期和現(xiàn)代原子論時期4個階段才得以完善。但是人們對原子結(jié)構(gòu)的認識卻經(jīng)歷了一個多世紀。真正談得上原子有結(jié)構(gòu)模型的工作大體可用圖3說明。

圖3 化學中“原子結(jié)構(gòu)模型”發(fā)展的里程碑

道爾頓(Dalton)[26]基于牛頓(Newton)的原子論，在1808年發(fā)表的《化學哲學的新體系》中提出了他的原子理論。

湯姆孫(Thomson)[27]在發(fā)現(xiàn)電子之后的第6年——1903年，為了解釋原子整體的電中性，提出了著名的原子結(jié)構(gòu)模型——“葡萄干布丁”模型(plum pudding model)。

1909年，盧瑟福(Rutherford)，湯姆孫的學生，對于葡萄干布丁模型提出了反對意見。他的助手蓋革(Geiger)通過著名的“金箔實驗”，發(fā)現(xiàn)一個原子的正電荷和絕大部分的質(zhì)量都集中于其整體體積中一個極小的部分[28]。他猜想，集中的位置是原子的正中心，從而提出了原子的行星模型(atomic planetary model)[29]。后來，在1913年，為了回應弗雷德里克?索迪的質(zhì)疑，他在Nature雜志又發(fā)表了一篇論文[30]對自己的模型進行了完善。

在氫的原子光譜研究中，巴爾麥(Balmer)[31]提出了一個公式，里德伯(Rydberg)提出了里德伯常數(shù)[32]。1900年，普朗克(Planck)[33]為了解釋黑體輻射，大膽提出量子假設，提出了表達光的能量(E)與頻率(ν)關系的著名的普朗克方程。1905年，愛因斯坦(Einstein)[34]將這一概念引入光學，成功地解釋了曾使經(jīng)典物理學處境尷尬的一種現(xiàn)象——光電效應(photoelectric effect)，提出光子學說。玻爾(Bohr)，盧瑟福的學生，在行星模型的基礎上引入了普朗克的量子概念，認為原子中的電子處在一系列分立的穩(wěn)態(tài)上。1913年，經(jīng)盧瑟福推薦，Philosophical Magazine接連刊載了玻爾的3篇論文[35－37]，玻爾模型公諸于世。

1923年，德布羅意(de Broglie)[38－40]提出了德布羅意波(相波)理論。他給出了由微粒質(zhì)量(m)和運動速度(v)計算運動物體波長(λ)的德布羅意公式。1927年，戴維森(Davission)和革末(Germer)[41]用電子衍射證實了德布羅意提出的物質(zhì)波假設，構(gòu)成了量子力學的實驗基礎。量子力學奠基人之一玻恩(Born)[42]又給了“統(tǒng)計解釋”[38]。1927年，海森堡(Heisenberg)[43]發(fā)表了不確定性原理(uncertainty principle)。在量子力學里，不確定性原理表明，粒子的位置與動量不可同時被確定。德布羅意的物質(zhì)波理論和海森堡的不確定性原理說明微觀粒子既具有波粒二象性，又不能同時準確地測定位置和動量，也就是說微觀粒子不會有確定的軌道。1926年薛定諤(Schr?dinger)受這一想法的啟發(fā)，開始探究電子的運動行為：以波的形式去表述，是否會比以粒子的形式表述更為貼切，在1926年發(fā)表了著名的薛定諤方程[44－47]，提出了迄今最成功的原子結(jié)構(gòu)模型——波動力學模型。

(3)突出物理學研究成果對原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的促進。從圖4可以看出，在原子結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)展起來的原理、實驗裝置、技術和理論方法以及所積累起來的大量的基本數(shù)據(jù)，都說明了物理學的研究成果在大大促進化學中原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。

圖4 物理學的發(fā)展促進了原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展

再如原子核結(jié)構(gòu)模型的建立、發(fā)展，每一點進步都充滿著物理學家和核物理學家的智慧。這種智慧不光表現(xiàn)在對核結(jié)構(gòu)的半唯象模型理論和微觀理論的假想、調(diào)整和完善上，還表現(xiàn)在發(fā)展實驗技術、設計和完善實驗裝置以及積累大量的基本數(shù)據(jù)等方面。

3 講授方法要提倡“悟其漁識”

吳永軍[48]從古語“授之以魚不如授之以漁”，引申出教書育人的三重境界，認為最高境界為“悟其漁識”。就是說，教學要從教師給學生水，到教師帶領學生去找水，最終使學生擁有尋找水資源的能力，創(chuàng)造出新的找水方法。這對于教師的教學藝術是一種升華。這與錢偉長[49]說的“大學教育的一個重要任務，是培養(yǎng)學生獲取知識的能力”有異曲同工之處。因此，在原子結(jié)構(gòu)一章的教授上我們采取了以下措施：

(1)鑒于教授內(nèi)容的浩瀚、課時的限制，擬采用三段式教授方法。即課前預習、課堂講解、課后思索。課前預習就是將預備知識，如本章1.1、1.2、1.3、3.1、4.1、4.2的內(nèi)容作為背景知識讓學生自學，或者提供參考文獻。讓學生在上課前就知道該預習什么、該聽什么、該問什么，這樣才有可能實施討論，才能做到“以教師為主導，以學生為主體”的境界，才可能獲得好的教學效果。這就是我們提倡的大綱式教學方法[50]。課堂講解就是充分發(fā)揮教師的主導作用。在大學里，基礎課課堂教學和實驗課仍是主要方式，其中教師是教育教學活動中的實踐主體，是知識傳播、人才培養(yǎng)的主體。這就要求教師在有限的時間里，著重講述難點和重點，概念要講準確。所謂課后思索，就是給學生留有對某些問題的深入思索空間，介紹可能感興趣的讀物，放在課程論文中去思考，例如《原子結(jié)構(gòu)理論》、《原子結(jié)構(gòu)和原子光譜》、《近代原子核模型》等書籍。

(2)“悟其漁識”的實質(zhì)是如何調(diào)動學生的學習主動性。首先通過原子結(jié)構(gòu)中問題的提出引起學生對科學的興趣，以風云科學家對亞原子的研究為線索，通過熟悉－深思達到由淺入深的效果；由原子結(jié)構(gòu)模型從無核到有核，以舊量子力學模型到近代量子力學模型為契機，通過理解－思索達到能提出問題的程度(即便是異想天開)。例如在講授中提出類似如下問題供學生判斷，然后教師再以實驗事實進行分析：

①微觀粒子與宏觀粒子的運動方式相同嗎？為什么？

②怎樣證明測不準原理是對的？拍攝到的電子運動連續(xù)畫面[51,52]與測不準原理是否矛盾？

③能讓原子結(jié)構(gòu)模型前進的動力何在？

學生通過實例、文獻分析，從科學角度自己判斷所學理論的動態(tài)發(fā)展及其作用，從而避免了僵化地學習知識和不加判斷地吸收，提高科學思辨能力，把知識學“活”，知道為什么要學，學了用在哪里，甚或使一些學生產(chǎn)生深入研究的欲望。

4 嘗試效果分析要看實效

英國數(shù)學家、哲學家、教育家懷特海[53]說：“大學存在的理由是：它使青年和老年人融為一體，對學術進行充滿想象力的探索，從而在知識和追求的熱情之間架起橋梁?！闭n程內(nèi)容的新設置促進了教學方法的改革，體現(xiàn)了通過教學讓學生“走進化學”的思想，突出了引導學生運用所學知識去認識自然世界，以及從基礎課教學方面提高學生的科學研究意識的理念[54]。

(1)多數(shù)學校會將“原子結(jié)構(gòu)”放在第一章去講，如果不改變教法，自然會讓剛?cè)胄５拇髮W生覺得臺階高、抽象性強、理解難度大。我們的做法正好突破了這一點：從化學及其相關學科的大背景入手，從歷史研究事實出發(fā)，從認識論開始漸漸進入自然科學學習的殿堂，覺得理解－接受－思考很自然，也進行了科學思維方法的訓練，讓學生能在欣賞和享受中吸取廣泛的營養(yǎng)。

(2)本章是最好的化學史學習，有助于學生對化學學習情感態(tài)度和價值觀的培養(yǎng)。豐富多彩的化學史(表2)常常會以動人的故事使他們激動不已，會激發(fā)起學習化學的興趣，感受并贊賞化學科學研究，培養(yǎng)獻身科學的精神和嚴謹治學的科學態(tài)度，獲得些許靈感在學習中閃爍和延伸，讓他們走進化學并熱愛化學。

(3)授課中注重了文獻介紹，擴大了學生的科學視野。擴大科學視野不只是化學新概念、新知識、新發(fā)現(xiàn)和新技術的羅列，而是在于對基礎內(nèi)容的背景文獻介紹，有利于學生科研意識的產(chǎn)生。本章介紹了原子結(jié)構(gòu)模型的幾個主要里程碑的來源、發(fā)展、進化，使學生了解現(xiàn)在學習的不是“死的東西”，而是當時科學研究中最為突出的成果(圖5)，然而它又是發(fā)展的。原子核殼層模型的建立也是這樣[55－58]；同時，讓學生知道為什么要學會查看和理解原始文獻和怎樣查閱，看看科學家是怎樣產(chǎn)生這些想法的，有利于科學意識的培養(yǎng)。關于這一點，北京大學講授“無機化學”課程的卞江教授的課件給了我們很大的啟發(fā)，使學生明白科學意識產(chǎn)生的氣氛、環(huán)境。

表2 本章出現(xiàn)的一些諾貝爾獎獲得者

5 結(jié)束語

著名教育家、化學家傅鷹教授曾經(jīng)多次指出：“一門科學的歷史是這門科學中最寶貴的一部分，因為科學只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧?！北疚慕柚撌觥霸咏Y(jié)構(gòu)”內(nèi)容的教學方法和理念，試圖對此做出闡釋。一是強調(diào)化學中任何一個理論都是在爭議中不斷更新和發(fā)展的，結(jié)合化學史講授，對學生正確認識主觀與客觀、人類與自然等一系列問題，以及提高人文素質(zhì)和科研素質(zhì)都起到不可估量的作用。其二，不要怕給大學生講科學大背景，不要怕大學生了解不同的學術觀點甚至是爭論，不要怕大學生在學習科學的發(fā)展中產(chǎn)生奇思怪想。例如，正是上世紀以玻爾為首的哥本哈根學派與愛因斯坦等人，圍繞著量子力學理論體系的物理解釋問題展開的曠日持久的、最富哲學意義的論爭，推動了量子力學的建立和完善，并為量子力學的進一步發(fā)展提出了新的指向[59]。甚或當代弦論的觀點[60]也應該介紹給學生，這正是培養(yǎng)學生科學批判精神的開端。人類已習慣于用一種思維方式來認識世界，而今天科學的進步，有可能讓我們用多科思他途經(jīng)去認識這個世界?？茖W研究應逐漸從表象到其本質(zhì)深入。

圖5 原子結(jié)構(gòu)模型發(fā)展中的一些文獻

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An Attempt on Teaching about the Content of“Atomic Structure”from a Different Point of View

ZHOU Chun-Sheng1DI You-Ying1CHEN San-Ping2YANG Qi2XIE Gang2GAO Sheng-Li1,2,*
(1CollegeofChemicalEngineeringandModernMaterials,ShangluoUniversity,Shangluo726000,ShaanxiProvince,P.R.China;2College of Chemistry&Materials Science,Northwest University,Xi'an 710069,P.R.China)

Based on the scientific nature of the teaching content and curriculum design,this article demonstrates that the chapter“atomic structure”in basic inorganic chemistry course should be divided into two chapters,“atom and atomic structure”and“element and the periodic law”.The chapter“atom and atomic structure”includes the contents of atomic structure,electron motion state and the nucleus structure,while the chapter“element and the periodic law”includes the origin of elements,the establishment of the periodic law and basic property regularity of elements.Through teaching practice, such treatment is helpful in exploring the effect of the teaching content structure,and is agreeable with the law of epistemology.The reform of the teaching is helpful in improving students′scientific research consciousness in fundamental course teaching.

Atomic structure;Periodic law of elements;Course design;Teaching method; Teaching result

*通訊作者，Email:gaoshli@nwu.edu.cn

第三批國家級精品資源共享課[教高函(2013)132號]；國家精品課程[教高函(2007)20號]；陜西省高等學校教改項目[(2015)J32]

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G64；O6