专题一原子结构相关概念的学科及教学研讨科学概念与教学设计的时代性.docx

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专题一原子结构相关概念的学科及教学研讨科学概念与教学设计的时代性

高中化学远程研修

专题一:

原子结构相关概念的学科及教学研讨

——科学概念与教学设计的时代性

主持人：

魏锐北京师范大学化学教育科学研究所

场内嘉宾：

李宗和北京师范大学结构化学教授

赵河林山西大学附属中学

王秀忠山东省实验中学

1、引入专题主题

主持人：

从今天开始，我们就进入物质结构与性质模块的探讨，首先，我们进入专题一原子结构相关概念的学科及教学研讨。

在高中化学新课程当中，把物质的结构和性质作为一个单独的模块列入选修课程当中，那我们为什么把物质的结构和性质作为一个单独的模块呢？

也就是说在化学科研的发展进程中，有关物质结构和性质的研究对我们学生有哪些意义呢？

请李宗和教授谈谈。

2、专家谈学科知识的意义及核心概念

李宗和：

现代化学的任务是发现和制备新物质，发现新性能的物质具有一定的不确定性，即随机性。

制备新性能的物质就显得尤为重要。

结构化学的基本理论可以帮助预见新性能的物质，例如C60家族是在1985年发现的，但是早在1973年苏联的两位学者以及1980年美国的两位学者先后发表了C60的分子轨道能级，成为发现C60的先导，结构化学的基本理论对于制备新性能的物质具有一定的指导意义。

分子设计担当了此任务。

结构化学是现代化学的重要组成部分，也是现代无机、现代有机、医学、生命科学、材料科学、环境科学、能源科学以及信息科学的理论基础，中学设立物质结构及性能这门课是非常必要的，有利于他们去攀登科学的高峰，也有利于他们从事各项工作。

在现代化学当中，有两个基本的概念，一个是量子，一个是轨道。

量子是指什么呢？

指的是物理量的变化是不连续的，轨道不是我们平常理解的轨迹，而是一系列连续运动的状态，是粒子运动状态的真实存在。

主持人：

赵老师你好，你给我们老师一起来介绍一下在化学课程标准当中，对于中学化学学习阶段，需要建立哪些基本概念？

赵和林：

各位老师，大家好。

正如刚才李教授所讲的，物质结构与性质这门课对于中学生来讲是非常重要的。

从学科角度来讲，对价层电子对互斥理论做出重要贡献的加拿大化学家著名化学家吉利斯皮（RJGillespie）指出六种化学基本概念为“化学中的主要观念”，构成了现代化学的基础。

这六种化学基本概念为：

原子、分子、离子；微粒间的相互作用，如化学键，分子间作用力；分子的几何形状；三维化学；动力学理论；化学反应；能和熵。

在吉利斯皮指出的六种化学主要观念当中前三条都与我们的物质结构与性质这个模块密切相关，也是出于学科这样的考虑，国家在课程标准里面对物质的结构与性质也有相应的定位。

物质结构与性质这个模块有四个主题：

原子结构与元素的性质；化学键与物质的性质；分子间作用力与物质的性质；研究物质结构的价值。

在主题一中，涉及到的核心概念有：

能级、跃迁；原子轨道、电子云；电离能、电负性。

在主题二中，涉及到了比较多的概念，比如：

离子键、共价键、配位键、金属键；σ键和л键、键参数；分子构型、手性分子、等电子原理；离子晶体、晶格能；金属晶体的基本堆积模型；原子晶体。

在主题三中，主要涉及到的是：

分子间作用力；氢键；分子晶体。

在主题四中，也涉及到了一些核心问题，比如：

原子结构与元素周期系；研究物质结构的基本方法和实验手段；探索物质结构的价值。

那么应该说，主要的概念主要是从三个角度来划分的，第一个角度也可以叫第一个维度，是微粒水平。

第二个角度是微粒间的相互作用，第三个角度是物质的构成方式。

那么说这样的基本概念，相对于我们的传统教材应该说有很多的补充，那么有些老师也讲，一些大学的概念下放到了高中化学教材里面，那么是不是这样的下放是不是不合理呢？

我想我们大家要从世界课程改革的视角来看待这样的一个问题，从全世界的课程标准或者教材来看，在结构与性质这个模块里面都有最近几年都有较大的发展的确很多大学的化学概念下放到了高中阶段，这也是历史的趋势和必然。

比如我介绍美国科学课程的标准涉及到的一些概念，我们来看。

比如有，能级、量子数、原子轨道、电子云、构造原理、元素性质、元素周期律和周期表；化学键、氢键和分子间作用力、分子极性、共振结构、偶极距、杂化轨道理论和VSEPR理论；堆积模型、晶胞、离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体等。

所以从这样一个角度来考虑，我们应该从世界课程改革的视角来看待我们国家的课程改革。

那么这样的一个改革是符合历史的趋势的。

主持人：

王老师你好。

关于这些核心的概念，你还有什么补充的没有？

王秀忠：

简单说一点。

两位老师都从比较高的视角和世界的角度谈了下这个模块出现的必要性。

我感觉这些概念非常多，我们需要不需要掌握，需要不需要给学生落实，我谈一点自己的感受，就是按需分配。

如果这个东西为我们的认识目标是有需求的，或者是有必要性的，我们要提，而不管这个概念是大学里边讲的还是高中里边讲的。

比如说量子力学的结构模型的四个量子数的提出可能会存在一些争议。

我想如果出现了这个东西，对我们后续要解决的电子排布问题是不是有一点支撑？

如果不学这个，不了解这个，而在认识这些问题，那我们应该怎样去思考，这个比较值得我们去关注。

再一个，我们在日产生活中，认识物质的话，我们直接运用的可能是分子层面或者晶体层面。

而我们对于晶体层面的认识关键的是它的基本构成微粒以及微粒之间的相互作用，而这种相互作用是不是要考虑到分子层面呢？

而这种相互作用，比如说共价键形成问题，是不是必须要用到要讲的原子结构问题，所以我们在引导学生认识问题的时候，我们还是要多考虑下这些概念的必要性，从而来思考它该不该出现，出现到什么一种程度，一种什么层次。

主持人：

谢谢王老师。

感谢刚才的几位嘉宾的介绍，让我们对物质的结构与性质这个模块整体的情况有了一个了解。

在这个专题当中，我们就聚焦到一个概念，就是原子结构的问题。

我们想它不仅是个基本的概念，还对后续学习有铺垫性的作用。

但是在概念教学当中，以及学生的学习当中，会存在很多的困难。

不管是哪个版本的教材，通常原子结构都是排在前面的，它为后面的学习搭建一个基础平台。

但是在教学过程以及学生的学习过程当中都可能遇到各种各样的问题，我们老师也会存在各种各样的问题和错误认识，由此，就值得我们对这些问题进行反思：

到底应该给学生介绍到什么程度，我们教到什么程度。

在这些反思之前，我们更核心地关注一个问题，是我们作为老师而言，怎样来理解这些问题，怎么来理解这些概念。

如何科学地来看待原子结构模型，如何科学地理解原子结构相关系的科学概念。

然后我们自己再去思考怎样去提取对学生发展而言更重要的，再去转化为教学。

这个专题我们就从这些基本概念入手，探讨这些概念应该如何理解。

请李老师谈下，既然我们都认为原子结构是一个非常重要的概念，原子结构的假说的提出在历史上是十分重要的，你能给我们分享一下它的意义在哪里么？

李宗和：

有关原子的问题在公元前400年希腊的哲学家就提出了物质的最小微粒是原子，它的提出使人们对事物的认识更深化了一步。

在1803年道尔顿把原子的概念引入到化学当中，建立了原子模型，40年后提出了分子学说。

这样，原子、分子论就提出来了。

这样对事物的认识就出现了三个层次，一个是原子层次，一个是分子层次，最后就是聚集态形式。

我们的教材就是从这三个层次来讲这个问题的。

在1903年，汤姆逊又发现了电子，1911年卢瑟福用α粒子衍射实验提出了原子结构模型。

这些都使人们进一步认识到原子是可以再分的，物质是可以无限再分下去的。

人们对事物的认识进一步深化，越来越科学化。

原子结构模型的建立应该说在卢瑟福的时候就给我们打下了很好的基础。

1913年，玻尔根据氢原子的光谱然后提出了原子核最外层电子排布的模型，这个模型使我们进一步认识原子。

到20世纪20年代的时候，又建立了量子力学模型，量子力学模型的建立使我们对原子的认识、电子的认识进入了一个新的阶段，而且是个飞跃的阶段。

这样一来，这种化学认识奠定了现代化学的基础，使现代化学进入了用数学来描述的阶段，成为了一个有预见性的科学。

这门科学建立以后，原子结构模型建立之后，使人们可以预见一个新物质的发现。

比如可以预见新物质的性能、结构、包括键长、键角、二面角，它可以预见在一定条件下发生化学反应的产物以及产率，同时可以设计一个化学反应发生时的条件和催化剂的使用。

这门学科还能提供较为合理和产率较高的合成路线。

所以现代化学已经进入到了现在从实验逐渐走向数学化的阶段，为人们的预见打下了一个新的基础。

这样在化学领域，人们就从必然王国向自由王国迈进，使化学更好地造福于人类。

赵和林：

正如刚才李教授所讲，20世纪原子结构的发现为现在的化学奠定了非常重要的基础。

原子结构的相关内容促进了整个20世纪自然科学的发展，我想我们在学习原子结构的时候，我们各位老师应该有对原子结构学科定位的概括。

一般认为原子结构在20世纪的影响主要集中在以下几个方面。

第一，原子结构的发现对自然科学研究的思维方法有重大影响；第二，对人类认识微观世界的认识方式和理论的影响；第三，对微观世界的结构的奥秘以及结构与性质关系的揭示；第四，对人类认识微观世界的技术发展的影响等等。

主持人：

从刚才两位老师的讨论当中，我想值得我们关注的两个关键词，第一个是模型，提到原子结构是一个模型和假说，第二个是模型是逐渐发展的。

我想这对于我们的教学是非常有意义的，我们的教学是一个科学学习活动过程，不是直接灌输式地交给学生相应的概念，我们应该让学生了解这些概念是怎么来的。

那么对于原子结构模型的发展，其中起到了一个推动性作用的事件就是原子光谱。

那么，于是就有老师借助原子光谱的事实进行教学设计。

那好，我们一起来分享一个教学案例。

3、王丽老师借助原子光谱的教学片断及专家点评

老师：

漂亮的彩虹和精彩的焰火，这些五颜六色的光都因为科学家揭示了原子结构的一些问题而揭示了它们其中的秘密，这些我们最后都明白了是电子在运动的过程中有能量的变化而使我们看到了五颜六色的光。

在电子运动过程中产生的这些光线我们叫光谱，太阳光谱是七色的，彩虹就是太阳光谱，它包含了所有波长对应的光。

我们在学习的过程中观察到很多种金属元素在火焰上灼烧的时候会显示出特征焰色。

为什么每种金属显示出各种不同的焰色呢？

那么除了金属以外，其他元素是否能产生类似的光谱呢？

今天我们就从最简单的元素，氢原子的光谱开始了解电子运动的状态。

这是一幅氢原子的光谱图，同时我画了一个氢原子的原子结构示意图。

在这个光谱图中，它对应的有四条谱线，这四条谱线说明了，根据科学家给我们的观点，说明了氢原子的核外电子的运动时要往外辐射能量的。

这个能量是从哪来的？

是什么样的过程使它辐射能量？

它的能量为什么是一条一条一定波长的光来体现的呢？

我们来看下这个演示过程。

当电子在固定的轨道上运动的时候是不会向外辐射能量的，如果我给电子一定的能量的话这个时候，电子就会跳到更高的一个能层上，这个过程我们成为电子的跃迁。

在这个过程中，电子吸收了能量，所以电子的能量升高了，可是电子在这个高能量状态的时候它不稳定，还会跃迁到这个低能量的状态。

那我们看到的这个谱线是电子在高能量状态跃迁回低能量状态时放出的能量。

这个能量是对应一定波长的光，所以这一种跃迁就对应了一条谱线。

那同学又会产生一个疑问了：

氢原子核外只有一个电子，它为什么会产生多条谱线呢？

而且我这里截取的还仅仅是氢原子在可见光谱范围内的谱线就已经有四条，结合我刚才说的和这幅图示，看看是不是能想一想，为什么这个氢原子能产生多条谱线。

右侧的图里面，标示了n=1,2,3……，这里n代表了电子层，我用红圈标示了四种跃迁，这四种跃迁就是上面可见光区对应的四条谱线，通过这个你是否能看出来，它为什么会产生四条谱线？

你来说说。

学生：

跨越的电子层数不一样。

老师：

你说下这四条谱线都是怎么跃迁的呢？

学生：

第一条是从第三层跃迁到第二层，第二条是从第四层跃迁到第二层。

老师：

所以氢原子只有一个电子，但是在被激发以后它的不同原子的电子可以跳到不同能层上，不同能层再往回跃迁的时候，就辐射不同的能量。

科学家玻尔也是依据以上事实和分析，最早提出了原子核外电子是分层排布的。

这也就是原子量子化的最初说