吳晗清 張鴻智

(1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院,北京100037;2.首都師范大學(xué)化學(xué)教育研究所,北京100048)

原子結(jié)構(gòu)示意圖是表示原子核電荷數(shù)和電子層排布關(guān)系的圖示形式.小圈和圈內(nèi)的數(shù)字表示原子核和核內(nèi)質(zhì)子數(shù)(電荷數(shù)),弧線表示電子層,弧線上的數(shù)字表示該層的電子數(shù).學(xué)生最開(kāi)始接觸原子結(jié)構(gòu)示意圖的相關(guān)內(nèi)容是在初三學(xué)習(xí)《原子的結(jié)構(gòu)》的時(shí)候[1],在這個(gè)階段,學(xué)生知道原子結(jié)構(gòu)示意圖的基本含義,并在后續(xù)更深入的學(xué)習(xí)中,繼續(xù)鞏固學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)示意圖.原子結(jié)構(gòu)示意圖和原子結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)密不可分.對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容,在現(xiàn)行高中化學(xué)必修二第一章《物質(zhì)結(jié)構(gòu)元素周期律》[2]、選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊[3],本科的無(wú)機(jī)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等模塊中會(huì)對(duì)其進(jìn)行深入探討,當(dāng)然在物理、生物等相關(guān)學(xué)科中也有滲透.

不過(guò),這一知識(shí)點(diǎn)不同階段的關(guān)鍵區(qū)別在于,深入學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)后學(xué)生會(huì)更多地使用一種新的方式——電子排布式,來(lái)表示原子核外電子的排布.那么,表述原子微觀結(jié)構(gòu)的兩種表達(dá)方式之間的相同點(diǎn)是什么,不同點(diǎn)又包含哪些?針對(duì)這些異同點(diǎn),在教學(xué)中教師又應(yīng)該如何處理,從而使得學(xué)生順利進(jìn)階,是亟需解決的問(wèn)題.本文將從原子結(jié)構(gòu)發(fā)展史、原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和學(xué)生的認(rèn)識(shí)特點(diǎn)等方面著手,分析問(wèn)題癥結(jié)所在,提出相應(yīng)的教學(xué)策略以幫助學(xué)生更加主動(dòng)和牢固地掌握該部分的知識(shí)內(nèi)容.

1 原子結(jié)構(gòu)研究發(fā)展簡(jiǎn)史

1.1 古希臘哲學(xué)時(shí)期

原子論的創(chuàng)始人是古希臘人留基伯(Leucippus,公元前500年—約公元前440年),其學(xué)說(shuō)是由他的學(xué)生德謨克利特(希臘文：Δημóκριτο ,約公元前460年—公元前370年)發(fā)展和完善的.德謨克利特認(rèn)為,萬(wàn)物的本原或根本元素是“原子”和“虛空”.德謨克利特用這一概念來(lái)指稱構(gòu)成具體事物的最基本的物質(zhì)微粒.“原子”第一次出現(xiàn),其含義是“不可分割”的意思.

1.2 經(jīng)典力學(xué)時(shí)期

經(jīng)過(guò)兩千余年的探索,后來(lái)許多科學(xué)家針對(duì)原子結(jié)構(gòu)提出了自己的學(xué)說(shuō)理論,代表如下：

1803年,英國(guó)科學(xué)家道爾頓(Dalton,1766—1844)將古希臘思辨的原子論改造成定量的理論,總結(jié)了一些元素化合時(shí)的質(zhì)量比例關(guān)系,提出了原子學(xué)說(shuō)以及世界上第一個(gè)原子的理論模型,認(rèn)為所有物質(zhì)都是由非常微小的、不可再分的物質(zhì)微粒即原子組成;同種元素的原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同,不同元素的原子,主要表現(xiàn)為質(zhì)量的不同;原子是微小的、不可再分的實(shí)心球體;原子是參加化學(xué)變化的最小單位,在化學(xué)反應(yīng)中,原子僅僅是重新排列,而不會(huì)被創(chuàng)造或者消失.

1897年,湯姆生(Thomson,1856—1940)發(fā)現(xiàn)原子中存在電子,并用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出電子的質(zhì)量不及氫原子質(zhì)量的千分之一(后進(jìn)一步確定為氫原子質(zhì)量的1/1 836).電子的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入新的階段,認(rèn)識(shí)到原子是由更小的微粒構(gòu)成的.1904年,湯姆生在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出葡萄干布丁模型(棗糕模型).認(rèn)為正電荷像流體一樣均勻分布在原子中,電子就像葡萄干一樣散布在正電荷中,它們的負(fù)電荷與那些正電荷相互抵消;在受到激發(fā)時(shí),電子會(huì)離開(kāi)原子,產(chǎn)生陰極射線.同年,日本物理學(xué)家長(zhǎng)岡半太郎(Nagaoka Hantaro,1865—1950)提出“土星型原子模型”,認(rèn)為電子并不是均勻分布,而是集中分布在原子核外圍的一個(gè)固定軌道上.

1911年,盧瑟福(Rutherford,1871—1937)以經(jīng)典電磁學(xué)為基礎(chǔ),通過(guò)α 粒子散射實(shí)驗(yàn)提出行星模型,認(rèn)為原子的大部分體積是空的;在原子的中心有一個(gè)體積很小、密度極大的原子核;原子的全部正電荷在原子核內(nèi),且?guī)缀跞抠|(zhì)量均集中在原子核內(nèi)部.帶負(fù)電的電子在核外空間進(jìn)行高速的繞核運(yùn)動(dòng)[4].

1.3 量子力學(xué)時(shí)期

1913年,丹麥物理學(xué)家玻爾(Bohr,1885—1962)在研究氫原子光譜時(shí),引入了量子論觀點(diǎn),提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型即玻爾模型,認(rèn)為原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞核運(yùn)動(dòng),不輻射能量;在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有不同的能量,而且能量是量子化的,軌道能量值依n(1,2,3...)值的增大而升高,n稱為量子數(shù).不同的軌道則分別被命名為 K(n=1)、L(n=2)、M(n=3)、N(n=4)、O(n=5)、P(n=6)、Q(n=7);當(dāng)且僅當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí),才會(huì)輻射或吸收能量,如果輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來(lái),就形成了光譜.雖然該模型只能解釋氫原子和類(lèi)氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),但這為核外電子在量子力學(xué)中進(jìn)一步地深入研究開(kāi)啟了大門(mén).

1920年以來(lái),物理學(xué)家德布羅意(Duc de Broglie,1892—1987)、薛定諤(Schr?dinger,1887—1961)和海森堡(Heisenberg,1901—1976)等人,經(jīng)過(guò) 13年的艱苦論證,在現(xiàn)代量子力學(xué)模型和玻爾原子模型的基礎(chǔ)上提出了原子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代量子力學(xué)模型,針對(duì)電子排布有以下觀點(diǎn)：主量子數(shù)的符號(hào)為n,決定不同的電子層,用 K、L、M、N、O、P、Q 表示.角量子數(shù)決定不同的電子亞層,主量子數(shù)和角量子數(shù)共同決定電子的能級(jí).角量子數(shù)符號(hào)為l,共有n個(gè)值(0,1,2,3,…,n-1),符號(hào)用s、p、d、f、g……表示,對(duì)多電子原子來(lái)說(shuō),電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與角量子數(shù)有關(guān).磁量子數(shù)決定不同能級(jí)的軌道在空間的伸展方向,符號(hào)m,m取值受l制約,對(duì)于給定的l值,m∈{m|m∈Z且 |m|≤l},即m=-l,...,-2,-1,0,+1,+2…,+l,共2l+1個(gè)值.自旋磁量子數(shù)(ms)表示處于同一軌道的電子的兩種自旋,取值為+1/2 或 -1/2,用“↑↓”表示.n、l、m、ms4個(gè)量確定一個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).綜上而言,原子結(jié)構(gòu)發(fā)展到今天,對(duì)于原子內(nèi)部微觀粒子的了解已經(jīng)進(jìn)入到量子力學(xué),其運(yùn)動(dòng)已經(jīng)不能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋[5].

2 學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)示意圖認(rèn)知的實(shí)證研究

2.1 問(wèn)題提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》要求學(xué)生“知道原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”[6];《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》在必修二階段要求學(xué)生“了解原子核外電子的排布”[7];在選修三階段要求學(xué)生“了解原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”以及“了解原子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理,知道原子核外電子的能級(jí)分布,能用電子排布式表示常見(jiàn)元素(1～36號(hào))原子核外電子的排布”[8].從以上課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容可以看出,義務(wù)教育階段要求學(xué)生掌握靜態(tài)的原子結(jié)構(gòu)即原子核和核外電子;普通高中階段要求學(xué)生掌握原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并能描述之.

兩者之間差異在于,要求學(xué)生的思維能力能從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)流暢轉(zhuǎn)換.在進(jìn)行思維轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的靜態(tài)理解(原子結(jié)構(gòu)示意圖)可能會(huì)阻礙其對(duì)原子核外電子正確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(電子排布和能級(jí)分布).最直觀的就是通過(guò)s、p、d、f等軌道來(lái)表征核外電子的排布.s軌道是一個(gè)球形;p軌道是啞鈴形(3個(gè)方向);d軌道是花瓣形(5個(gè)方向);f軌道是大花瓣形(7個(gè)方向).相較于原子結(jié)構(gòu)示意圖,電子排布式更加深入具體地表示了電子狀態(tài).

2.2 研究工具、研究對(duì)象

為了研究原子結(jié)構(gòu)示意圖相關(guān)的迷思概念,以及迷思概念對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)電子排布式帶來(lái)的困擾,編制的測(cè)試題具體如下：

(1)什么是原子結(jié)構(gòu)示意圖,含有哪些意義?可畫(huà)圖舉例說(shuō)明.(2)在原子結(jié)構(gòu)示意圖中,每層最多能容納多少個(gè)電子(以前4 層為例分別說(shuō)明),每層所容納電子的數(shù)量有什么規(guī)律?(3)核外電子是如何在原子中運(yùn)動(dòng)的?可畫(huà)圖說(shuō)明.(4)是否知道核外某一層中的多個(gè)電子是如何在核外排布?(5)是否有興趣進(jìn)行更深層次的關(guān)于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的學(xué)習(xí),理由是什么?

為了清楚這些問(wèn)題,筆者對(duì)北京市示范性高中的240 名高一學(xué)生進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的問(wèn)卷測(cè)查,收回有效測(cè)試卷225,有效率93.75%.

2.3 研究結(jié)論

2.3.1 學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)示意圖的基本認(rèn)知

2/3 左右的學(xué)生不能全面地認(rèn)識(shí)到原子結(jié)構(gòu)示意圖的意義.學(xué)生不能對(duì)原子結(jié)構(gòu)示意圖的意義進(jìn)行全面的闡述,而對(duì)諸如核電荷數(shù)、電子層數(shù)、電子數(shù)、某單一電子層上的電子的數(shù)目,這樣一些通過(guò)示意圖能夠表達(dá)的信息,只有27%的學(xué)生能夠全部描述,其中達(dá)11%的學(xué)生只能描述出其中一種信息的含義.

在示意圖中,某一電子層最多能容納多少個(gè)電子?每層最多所能容納的電子數(shù)目及規(guī)律?這些數(shù)目又是如何確定的呢?在這一部分的內(nèi)容中,將前4 層中每層最多容納的電子數(shù)書(shū)寫(xiě)正確的占62.7%;正確寫(xiě)出核外電子層容納電子數(shù)量規(guī)律的占52.0%;但是,幾乎沒(méi)有同學(xué)能闡釋清楚這些數(shù)目是如何確定的.分析學(xué)生問(wèn)卷可以發(fā)現(xiàn),很多書(shū)寫(xiě)錯(cuò)誤的原因在于：①將最多容納電子數(shù)理解為元素周期表中短周期元素的種類(lèi).如 2、8、8、18;②沒(méi)有讀懂題意,將“最外層不超過(guò)8個(gè)電子”應(yīng)用到該題的回答中,導(dǎo)致出錯(cuò).

2.3.2 學(xué)生對(duì)原子核外電子運(yùn)動(dòng)的基本認(rèn)知

絕大部分學(xué)生不能正確認(rèn)識(shí)到電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).關(guān)于核外電子是如何在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題,大多數(shù)學(xué)生回答得模棱兩可,不能完整表述,更多的是提到零碎的幾個(gè)詞語(yǔ).因而采用關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用頻率最高的詞語(yǔ)是“不規(guī)則”累計(jì)占52%,其次是“圓周運(yùn)動(dòng)”累計(jì)占23%,“繞原子核”累計(jì)占9%,“層內(nèi)運(yùn)動(dòng)”累計(jì)占7%,“電子云”累計(jì)占 6% 以及“有規(guī)律”累計(jì)占3%.

可以看出學(xué)生對(duì)核外電子的運(yùn)動(dòng)情況存在較多的錯(cuò)誤認(rèn)知,如“圓周運(yùn)動(dòng)”、“有規(guī)律”等明顯是由原子結(jié)構(gòu)示意圖的“形象”所帶來(lái)的錯(cuò)誤理解.學(xué)生會(huì)認(rèn)為核外電子就是在一個(gè)個(gè)軌道上均勻排布,在某一層內(nèi)做著繞核規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng).典型個(gè)案如,有同學(xué)會(huì)把圓弧擴(kuò)大化為圓周,將電子全部填充進(jìn)去進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng),更有甚者認(rèn)識(shí)電子是在半個(gè)圓弧中運(yùn)動(dòng).可見(jiàn)示意圖對(duì)學(xué)生在原子結(jié)構(gòu)方面會(huì)造成較大的困惑.

其實(shí)這是一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),因?yàn)橛山?jīng)典電磁理論可知,繞核運(yùn)動(dòng)的電子既然在作變速運(yùn)動(dòng),必將不斷地以電磁波的形式輻射能量,最終會(huì)落在核上,且輻射頻率等于電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率.于是整個(gè)原子系統(tǒng)的能量就會(huì)不斷減少,頻率也將逐漸改變,所發(fā)光譜應(yīng)是連續(xù)的.但是,這與原子線狀光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符.因此盧瑟福用經(jīng)典理論構(gòu)建的有核模型,在解釋原子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到了不可克服的困難.

當(dāng)繼續(xù)追問(wèn)“在同一層內(nèi)的多個(gè)電子又是如何運(yùn)動(dòng)時(shí)”,同樣以統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵詞的方式分析,得到的結(jié)果如下：“在特定的一層內(nèi)運(yùn)動(dòng)”累計(jì)占21.3%,“均勻圍繞原子核運(yùn)動(dòng)”累計(jì)占14.7%,“圓弧狀運(yùn)動(dòng)”累計(jì)占2.7%,有13.3% 的學(xué)生知道電子在s、p、d軌道的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).在這里,“均勻圍繞原子核運(yùn)動(dòng)”、“圓弧狀運(yùn)動(dòng)”等明顯是錯(cuò)誤的,其根源也是從原子結(jié)構(gòu)示意圖的“形象”望文生義而來(lái),這對(duì)于后續(xù)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的誤導(dǎo).這種情形的出現(xiàn)也反映了教師在教學(xué)時(shí)沒(méi)有將這部分知識(shí)的進(jìn)階在課堂上給學(xué)生做一定的解釋說(shuō)明,甚至訪談發(fā)現(xiàn)教師自身對(duì)于原子的微觀結(jié)構(gòu)、電子的運(yùn)動(dòng)與排布的認(rèn)識(shí)存在一定的偏差.

2.3.3 學(xué)生對(duì)深入學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)的興趣

大部分學(xué)生對(duì)此感興趣.測(cè)試的最后部分,是一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題,詢問(wèn)學(xué)生對(duì)原子微觀結(jié)構(gòu)與電子運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)興趣,以及原因.比較樂(lè)觀的是,有72%的學(xué)生對(duì)于這一部分內(nèi)容感興趣,中立的學(xué)生占3%,有25%的學(xué)生不感興趣.有興趣的學(xué)生,其理由主要體現(xiàn)在：原子是組成物質(zhì)基礎(chǔ),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又決定性質(zhì),因此深入學(xué)習(xí)、充分認(rèn)識(shí)原子是必要的,還有學(xué)生表示對(duì)自然界本身好奇,對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)感興趣等.

不感興趣的學(xué)生,主要是兩個(gè)方面的理由.一是學(xué)科基礎(chǔ)薄弱,現(xiàn)有知識(shí)已經(jīng)有所不懂,這些內(nèi)容太深?yuàn)W,從而打算學(xué)文科等;二是覺(jué)得原子結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容,與生活聯(lián)系不緊密,實(shí)用性不足,無(wú)法得到相關(guān)的體驗(yàn)從而無(wú)興趣.從他們的回答中可以看出：有興趣的學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)到原子是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的最小單位,具有“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)決定用途”這樣的化學(xué)思維,也有好奇心的驅(qū)使讓學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行深層次的學(xué)習(xí);而不感興趣的學(xué)生,會(huì)覺(jué)得這部分內(nèi)容枯燥無(wú)味,太費(fèi)腦,找不到學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的意義.因此,在教學(xué)實(shí)踐中要結(jié)合化學(xué)學(xué)科、社會(huì)生活這兩個(gè)方面來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣.

3 原子結(jié)構(gòu)教學(xué)的建議

(1)結(jié)合化學(xué)發(fā)展史,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到原子結(jié)構(gòu)理論的不斷深入.

化學(xué)史在中學(xué)化學(xué)教育中有著重要的作用,它能夠有效地喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)創(chuàng)造的動(dòng)機(jī);能夠讓學(xué)生在不斷的思考中深刻地把握化學(xué)知識(shí),啟迪學(xué)生科學(xué)思維,培養(yǎng)科學(xué)方法和創(chuàng)新精神;化學(xué)史還能培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱忱,體悟科學(xué)家的人文精神,讓學(xué)生在思想和品德方面得到提高.對(duì)原子結(jié)構(gòu)研究發(fā)展歷程(圖1)的分析,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和構(gòu)建對(duì)原子結(jié)構(gòu)的深度認(rèn)知,并且能讓學(xué)生深刻地體會(huì)到科學(xué)研究的復(fù)雜性、感受科學(xué)家和歷史人物的人格魅力及高尚的精神涵養(yǎng).

圖1 原子結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展歷史

著名科學(xué)哲學(xué)家波普爾的批判理性主義指出,科學(xué)始于問(wèn)題.其猜想—反駁方法論是要說(shuō)明一切知識(shí)都只能通過(guò)糾正錯(cuò)誤而增長(zhǎng).由此形成了一個(gè)關(guān)于知識(shí)增長(zhǎng)的理論,并且構(gòu)劃出了一個(gè)科學(xué)發(fā)展的模式即：P1—TT—EE—P2……,其中 P1 表示問(wèn)題 1、TT 表示試探性理論、EE 表示消除錯(cuò)誤、P2 表示新的問(wèn)題2[9].本研究發(fā)現(xiàn),原子結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展史也正是這樣在不斷地發(fā)展,從古希臘的純粹哲學(xué)思辨,到道爾頓通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出原子的概念;在此基礎(chǔ)之上,人們繼續(xù)深入探討原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu),提出一些假設(shè)、試探性的理論,而后湯姆生、盧瑟福等人則通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)推翻之前原子結(jié)構(gòu)模型,提出了各自相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)模型;隨后發(fā)現(xiàn)經(jīng)典電磁理論與盧瑟福提出的模型不能吻合,以致波爾、德布羅意、薛定諤等的量子力學(xué)理論應(yīng)運(yùn)而生.在教學(xué)中,教師要以這樣的方式讓學(xué)生感知科學(xué)的開(kāi)放性、發(fā)展性,從而深度體驗(yàn)科學(xué)探究,培養(yǎng)良好的科學(xué)素養(yǎng).

(2)構(gòu)建學(xué)生“宏觀—符號(hào)—微觀”三重表征的內(nèi)在一致性.

“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征是最具特色的化學(xué)學(xué)科思想及思維方式.首先是宏觀層面,它用來(lái)描述可觀察的化學(xué)現(xiàn)象,即物質(zhì)在變化過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的、可以直接感知到的宏觀現(xiàn)象在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映;其次是微觀層面,它用來(lái)表征物質(zhì)的微觀世界,比如原子結(jié)構(gòu)、微粒運(yùn)動(dòng)、分子之間的作用等等;再次是符號(hào)水平,它是用化學(xué)式和化學(xué)方程式等化學(xué)用語(yǔ)在宏觀辨識(shí)與微觀探析之間搭建橋梁.

學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中,遵循宏觀感知、符號(hào)表示和微觀建構(gòu)3個(gè)步驟.這3 者之間是有機(jī)關(guān)聯(lián)的,而非相互割裂的板塊.不僅要讓學(xué)生能夠運(yùn)用感官感知物質(zhì)的宏觀性質(zhì),還要運(yùn)用特有的化學(xué)語(yǔ)言表示物質(zhì)的性質(zhì)及其變化,更要在頭腦中建立物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)模型.如在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容時(shí),要讓學(xué)生構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)的兩層三重表征模型(圖2).具體來(lái)說(shuō),第一層是初步認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的“元素—元素符號(hào)—構(gòu)成”思維體系,以碳為例,其中元素是指從性質(zhì)的角度來(lái)宏觀感知比如黑色,元素符號(hào)是以“C”來(lái)表示,構(gòu)成則是探析碳原子由哪些部分組成.第二層是深入認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的“帶電性—示意圖—電子狀態(tài)”思維體系,從可宏觀感知的帶電性去理解原子的核外電子,然后用原子結(jié)構(gòu)示意圖去表征原子的基本結(jié)構(gòu),繼而進(jìn)一步探討微觀世界里電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).使得三重表征具有內(nèi)在一致性,消除眾多的迷思概念,如調(diào)查顯示的很多學(xué)生錯(cuò)誤地以為電子是繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng)等.

(3)微觀世界中,要以量子力學(xué)的動(dòng)態(tài)認(rèn)知摒棄經(jīng)典力學(xué)的機(jī)械圖景.

到目前為止,原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展可以概括為一個(gè)以量子力學(xué)的動(dòng)態(tài)認(rèn)知摒棄經(jīng)典力學(xué)機(jī)械圖景的過(guò)程.具體來(lái)說(shuō),從圖1中可以得出,原子結(jié)構(gòu)模型理論的發(fā)展經(jīng)歷了由猜想到實(shí)證,由哲學(xué)思辨到實(shí)驗(yàn)科學(xué);從原子不可再分,到行星模型,人們的認(rèn)識(shí)逐漸由靜態(tài)的原子到動(dòng)態(tài)的原子.隨著量子力學(xué)的發(fā)展,從薛定諤方程中得到的不同的解,從而對(duì)原有的電子有固定軌道的模型進(jìn)行批判,指出有不定的原子軌道,而后又通過(guò)形象的“電子云”的概念對(duì)于電子的運(yùn)動(dòng)予以描述.所以,電子的運(yùn)動(dòng)軌道不是固定不變的,而是一直在變化,不能夠準(zhǔn)確測(cè)出,電子大概率在一個(gè)范圍內(nèi)作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),這是當(dāng)今科學(xué)認(rèn)識(shí)的最高水平.

圖2 原子結(jié)構(gòu)的兩層三重表征模型圖

因而在教學(xué)中,需要讓學(xué)生意識(shí)到在微觀世界中微粒的運(yùn)動(dòng)不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng),其規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行分析探討.所以雖然在知識(shí)層面,量子化、測(cè)不準(zhǔn)等內(nèi)容不做要求,但是這種思想需要讓學(xué)生有所感知,清楚地認(rèn)識(shí)到微觀世界并不是一幅機(jī)械的圖景.另外,教學(xué)中還需要指出,雖然后來(lái)被否定了的那些科學(xué)史的重要人物及其理論,并不是沒(méi)有價(jià)值,而是在肯定其歷史價(jià)值的同時(shí)要辨析出其局限性所在.甚至現(xiàn)在的基于量子理論的原子結(jié)構(gòu)理論,也不是完美,后續(xù)一定有更加適切的理論出現(xiàn).通過(guò)這種方式,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)態(tài)的、辯證的思維方式,從而達(dá)成良好的科學(xué)素養(yǎng).