高中化學遠程研修專題一:原子結構相關概念的學科及教學研討——科學概念與教學設計的時代性主持人：魏銳北京師范大學化學教育科學研究所場內嘉賓：李宗和北京師范大學結構化學教授趙河林山西大學附屬中學王秀忠山東省實驗中學1、引入專題主題主持人：從今天開始，我們就進入物質結構與性質模塊的探討，首先，我們進入專題一原子結構相關概念的學科及教學研討。在高中化學新課程當中，把物質的結構和性質作為一個單獨的模塊列入選修課程當中，那我們?yōu)槭裁窗盐镔|的結構和性質作為一個單獨的模塊呢？也就是說在化學科研的發(fā)展進程中，有關物質結構和性質的研究對我們學生有哪些意義呢？請李宗和教授談談。2、專家談學科知識的意義及核心概念李宗和：現代化學的任務是發(fā)現和制備新物質，發(fā)現新性能的物質具有一定的不確定性，即隨機性。制備新性能的物質就顯得尤為重要。結構化學的基本理論可以幫助預見新性能的物質，例如C60家族是在1985年發(fā)現的，但是早在1973年蘇聯的兩位學者以及1980年美國的兩位學者先后發(fā)表了C60的分子軌道能級，成為發(fā)現C60的先導，結構化學的基本理論對于制備新性能的物質具有一定的指導意義。分子設計擔當了此任務。結構化學是現代化學的重要組成部分，也是現代無機、現代有機、醫(yī)學、生命科學、材料科學、環(huán)境科學、能源科學以及信息科學的理論基礎，中學設立物質結構及性能這門課是非常必要的，有利于他們去攀登科學的高峰，也有利于他們從事各項工作。在現代化學當中，有兩個基本的概念，一個是量子，一個是軌道。量子是指什么呢？指的是物理量的變化是不連續(xù)的，軌道不是我們平常理解的軌跡，而是一系列連續(xù)運動的狀態(tài)，是粒子運動狀態(tài)的真實存在。主持人：趙老師你好，你給我們老師一起來介紹一下在化學課程標準當中，對于中學化學學習階段，需要建立哪些基本概念？趙和林：各位老師，大家好。正如剛才李教授所講的，物質結構與性質這門課對于中學生來講是非常重要的。從學科角度來講，對價層電子對互斥理論做出重要貢獻的加拿大化學家著名化學家吉利斯皮（RJGillespie）指出六種化學基本概念為“化學中的主要觀念”，構成了現代化學的基礎。這六種化學基本概念為：原子、分子、離子；微粒間的相互作用，如化學鍵，分子間作用力；分子的幾何形狀；三維化學；動力學理論；化學反應；能和熵。在吉利斯皮指出的六種化學主要觀念當中前三條都與我們的物質結構與性質這個模塊密切相關，也是出于學科這樣的考慮，國家在課程標準里面對物質的結構與性質也有相應的定位。物質結構與性質這個模塊有四個主題：原子結構與元素的性質；化學鍵與物質的性質；分子間作用力與物質的性質；研究物質結構的價值。在主題一中，涉及到的核心概念有：能級、躍遷；原子軌道、電子云；電離能、電負性。在主題二中，涉及到了比較多的概念，比如：離子鍵、共價鍵、配位鍵、金屬鍵；σ鍵和л鍵、鍵參數；分子構型、手性分子、等電子原理；離子晶體、晶格能；金屬晶體的基本堆積模型；原子晶體。在主題三中，主要涉及到的是：分子間作用力；氫鍵；分子晶體。在主題四中，也涉及到了一些核心問題，比如：原子結構與元素周期系；研究物質結構的基本方法和實驗手段；探索物質結構的價值。那么應該說，主要的概念主要是從三個角度來劃分的，第一個角度也可以叫第一個維度，是微粒水平。第二個角度是微粒間的相互作用，第三個角度是物質的構成方式。那么說這樣的基本概念，相對于我們的傳統(tǒng)教材應該說有很多的補充，那么有些老師也講，一些大學的概念下放到了高中化學教材里面，那么是不是這樣的下放是不是不合理呢？我想我們大家要從世界課程改革的視角來看待這樣的一個問題，從全世界的課程標準或者教材來看，在結構與性質這個模塊里面都有最近幾年都有較大的發(fā)展的確很多大學的化學概念下放到了高中階段，這也是歷史的趨勢和必然。比如我介紹美國科學課程的標準涉及到的一些概念，我們來看。比如有，能級、量子數、原子軌道、電子云、構造原理、元素性質、元素周期律和周期表；化學鍵、氫鍵和分子間作用力、分子極性、共振結構、偶極距、雜化軌道理論和VSEPR理論；堆積模型、晶胞、離子晶體、分子晶體、原子晶體、金屬晶體等。所以從這樣一個角度來考慮，我們應該從世界課程改革的視角來看待我們國家的課程改革。那么這樣的一個改革是符合歷史的趨勢的。主持人：王老師你好。關于這些核心的概念，你還有什么補充的沒有？王秀忠：簡單說一點。兩位老師都從比較高的視角和世界的角度談了下這個模塊出現的必要性。我感覺這些概念非常多，我們需要不需要掌握，需要不需要給學生落實，我談一點自己的感受，就是按需分配。如果這個東西為我們的認識目標是有需求的，或者是有必要性的，我們要提，而不管這個概念是大學里邊講的還是高中里邊講的。比如說量子力學的結構模型的四個量子數的提出可能會存在一些爭議。我想如果出現了這個東西，對我們后續(xù)要解決的電子排布問題是不是有一點支撐？如果不學這個，不了解這個，而在認識這些問題，那我們應該怎樣去思考，這個比較值得我們去關注。再一個，我們在日產生活中，認識物質的話，我們直接運用的可能是分子層面或者晶體層面。而我們對于晶體層面的認識關鍵的是它的基本構成微粒以及微粒之間的相互作用，而這種相互作用是不是要考慮到分子層面呢？而這種相互作用，比如說共價鍵形成問題，是不是必須要用到要講的原子結構問題，所以我們在引導學生認識問題的時候，我們還是要多考慮下這些概念的必要性，從而來思考它該不該出現，出現到什么一種程度，一種什么層次。主持人：謝謝王老師。感謝剛才的幾位嘉賓的介紹，讓我們對物質的結構與性質這個模塊整體的情況有了一個了解。在這個專題當中，我們就聚焦到一個概念，就是原子結構的問題。我們想它不僅是個基本的概念，還對后續(xù)學習有鋪墊性的作用。但是在概念教學當中，以及學生的學習當中，會存在很多的困難。不管是哪個版本的教材，通常原子結構都是排在前面的，它為后面的學習搭建一個基礎平臺。但是在教學過程以及學生的學習過程當中都可能遇到各種各樣的問題，我們老師也會存在各種各樣的問題和錯誤認識，由此，就值得我們對這些問題進行反思：到底應該給學生介紹到什么程度，我們教到什么程度。在這些反思之前，我們更核心地關注一個問題，是我們作為老師而言，怎樣來理解這些問題，怎么來理解這些概念。如何科學地來看待原子結構模型，如何科學地理解原子結構相關系的科學概念。然后我們自己再去思考怎樣去提取對學生發(fā)展而言更重要的，再去轉化為教學。這個專題我們就從這些基本概念入手，探討這些概念應該如何理解。請李老師談下，既然我們都認為原子結構是一個非常重要的概念，原子結構的假說的提出在歷史上是十分重要的，你能給我們分享一下它的意義在哪里么？李宗和：有關原子的問題在公元前400年希臘的哲學家就提出了物質的最小微粒是原子，它的提出使人們對事物的認識更深化了一步。在1803年道爾頓把原子的概念引入到化學當中，建立了原子模型，40年后提出了分子學說。這樣，原子、分子論就提出來了。這樣對事物的認識就出現了三個層次，一個是原子層次，一個是分子層次，最后就是聚集態(tài)形式。我們的教材就是從這三個層次來講這個問題的。在1903年，湯姆遜又發(fā)現了電子，1911年盧瑟福用α粒子衍射實驗提出了原子結構模型。這些都使人們進一步認識到原子是可以再分的，物質是可以無限再分下去的。人們對事物的認識進一步深化，越來越科學化。原子結構模型的建立應該說在盧瑟福的時候就給我們打下了很好的基礎。1913年，玻爾根據氫原子的光譜然后提出了原子核最外層電子排布的模型，這個模型使我們進一步認識原子。到20世紀20年代的時候，又建立了量子力學模型，量子力學模型的建立使我們對原子的認識、電子的認識進入了一個新的階段，而且是個飛躍的階段。這樣一來，這種化學認識奠定了現代化學的基礎，使現代化學進入了用數學來描述的階段，成為了一個有預見性的科學。這門科學建立以后，原子結構模型建立之后，使人們可以預見一個新物質的發(fā)現。比如可以預見新物質的性能、結構、包括鍵長、鍵角、二面角，它可以預見在一定條件下發(fā)生化學反應的產物以及產率，同時可以設計一個化學反應發(fā)生時的條件和催化劑的使用。這門學科還能提供較為合理和產率較高的合成路線。所以現代化學已經進入到了現在從實驗逐漸走向數學化的階段，為人們的預見打下了一個新的基礎。這樣在化學領域，人們就從必然王國向自由王國邁進，使化學更好地造福于人類。趙和林：正如剛才李教授所講，20世紀原子結構的發(fā)現為現在的化學奠定了非常重要的基礎。原子結構的相關內容促進了整個20世紀自然科學的發(fā)展，我想我們在學習原子結構的時候，我們各位老師應該有對原子結構學科定位的概括。一般認為原子結構在20世紀的影響主要集中在以下幾個方面。第一，原子結構的發(fā)現對自然科學研究的思維方法有重大影響；第二，對人類認識微觀世界的認識方式和理論的影響；第三，對微觀世界的結構的奧秘以及結構與性質關系的揭示；第四，對人類認識微觀世界的技術發(fā)展的影響等等。主持人：從剛才兩位老師的討論當中，我想值得我們關注的兩個關鍵詞，第一個是模型，提到原子結構是一個模型和假說，第二個是模型是逐漸發(fā)展的。我想這對于我們的教學是非常有意義的，我們的教學是一個科學學習活動過程，不是直接灌輸式地交給學生相應的概念，我們應該讓學生了解這些概念是怎么來的。那么對于原子結構模型的發(fā)展，其中起到了一個推動性作用的事件就是原子光譜。那么，于是就有老師借助原子光譜的事實進行教學設計。那好，我們一起來分享一個教學案例。3、王麗老師借助原子光譜的教學片斷及專家點評老師：漂亮的彩虹和精彩的焰火，這些五顏六色的光都因為科學家揭示了原子結構的一些問題而揭示了它們其中的秘密，這些我們最后都明白了是電子在運動的過程中有能量的變化而使我們看到了五顏六色的光。在電子運動過程中產生的這些光線我們叫光譜，太陽光譜是七色的，彩虹就是太陽光譜，它包含了所有波長對應的光。我們在學習的過程中觀察到很多種金屬元素在火焰上灼燒的時候會顯示出特征焰色。為什么每種金屬顯示出各種不同的焰色呢？那么除了金屬以外，其他元素是否能產生類似的光譜呢？今天我們就從最簡單的元素，氫原子的光譜開始了解電子運動的狀態(tài)。這是一幅氫原子的光譜圖，同時我畫了一個氫原子的原子結構示意圖。在這個光譜圖中，它對應的有四條譜線，這四條譜線說明了，根據科學家給我們的觀點，說明了氫原子的核外電子的運動時要往外輻射能量的。這個能量是從哪來的？是什么樣的過程使它輻射能量？它的能量為什么是一條一條一定波長的光來體現的呢？我們來看下這個演示過程。當電子在固定的軌道上運動的時候是不會向外輻射能量的，如果我給電子一定的能量的話這個時候，電子就會跳到更高的一個能層上，這個過程我們成為電子的躍遷。在這個過程中，電子吸收了能量，所以電子的能量升高了，可是電子在這個高能量狀態(tài)的時候它不穩(wěn)定，還會躍遷到這個低能量的狀態(tài)。那我們看到的這個譜線是電子在高能量狀態(tài)躍遷回低能量狀態(tài)時放出的能量。這個能量是對應一定波長的光，所以這一種躍遷就對應了一條譜線。那同學又會產生一個疑問了：氫原子核外只有一個電子，它為什么會產生多條譜線呢？而且我這里截取的還僅僅是氫原子在可見光譜范圍內的譜線就已經有四條，結合我剛才說的和這幅圖示，看看是不是能想一想，為什么這個氫原子能產生多條譜線。右側的圖里面，標示了n=1,2,3……，這里n代表了電子層，我用紅圈標示了四種躍遷，這四種躍遷就是上面可見光區(qū)對應的四條譜線，通過這個你是否能看出來，它為什么會產生四條譜線？你來說說。學生：跨越的電子層數不一樣。老師：你說下這四條譜線都是怎么躍遷的呢？學生：第一條是從第三層躍遷到第二層，第二條是從第四層躍遷到第二層。老師：所以氫原子只有一個電子，但是在被激發(fā)以后它的不同原子的電子可以跳到不同能層上，不同能層再往回躍遷的時候，就輻射不同的能量?？茖W家玻爾也是依據以上事實和分析，最早提出了原子核外電子是分層排布的。這也就是原子量子化的最初說法。到現在，我們用來描述電子能量大小已經不是這一個量子數了，我們把它稱為主量子數，當它取值不同的時候，就具有不同的能層。在我們同學探究和明白了氫原子的光譜以后，我們再選一種大家熟悉的原子。比如說Na原子，大家想想Na原子的光譜應該是怎樣的？這幅圖上面一幅就是Na的光譜圖，看看跟你們想的一樣么？那你就對比這個氫原子光譜和Na原子光譜，你看看有哪些異同？同時對于這幅圖，你有哪些疑問？主持人：王老師你好，看完剛才的案例，你能不能從教學的角度進行點評。王秀忠：對于這個問題，老師們可能都有自己的看法。比如老師認為教學目的就是玻爾模型的建立，我可以把玻爾模型直接呈現出來，它有三個要點，既快又準，還能夠節(jié)約時間。像剛才的教學設計當中，王老師設計的一個案例。她是從光譜引出了波爾模型，針對這種情況來說，它會多消耗一些時間。我們靜下心來想想，這兩種處理方式，哪一種更好呢？更容易在學生那里落實到能力的培養(yǎng)。我么可以直接給出結論，但是孩子們要這個結論有什么用。而在實際教學過程中，我們要讓學生知道這些結果是怎樣出來的。將來遇到一些陌生問題的時候，他們應該怎樣思考。我們可以引導學生，玻爾為什么會提出一種量子化的模型，他實際上是在一種不得以的情況下提出的，他要解釋這種光譜現象。這是化學一種非常重要的發(fā)展模式和思維模式，這起到了很好的教育意義。趙和林：正如剛才王老師所說的那樣，原子結構教學中的確存在一些問題。一方面是直接給知識，不給過程，忽略了原子的能量觀。為什么在教學過程中要體現過程和能量觀？我應該從這幾個方面來認識：第一，作為新課程，要求包含了三維目標，既要有知識技能，又要有過程方法，還要有情感態(tài)度價值觀，如果我們的教學設計光體現知識的結構，那么這樣的話很難展現它的過程方法，和對學生情感態(tài)度價值觀的教育。原子結構這個知識體現了對學生思維方法的教育，而思維方法最大的敵人是結論，結論如果給得太快或者說不清楚過程而直接給出結論，那么必然成為思維的敵人。從知識的產生角度來講，任何知識都是動態(tài)的，由其產生過程、發(fā)展變化過程。我們通常只注意知識的結果，而忽略知識的產生和發(fā)展的過程。光有知識的結果而沒有知識的過程，學生難以體會到知識的意義和價值，那么不會對化學產生本質的一種興趣。從教育意義上，我們也無法做到三維目標的意義，也難以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，學生也感受不到科學家創(chuàng)造過程，而在創(chuàng)造過程當中體現的是科學方法、科學態(tài)度和科學精神。所以，我們非常贊同王老師的課堂設計，她是要展現過程的，不僅僅是告訴玻爾的原子模型。兩外一個，在體現光譜教學的過程當中，也體現了原子的能量觀，這種能量觀對今后的學習是非常有價值和意義的。比如元素的性質、電離能的大小，及其變化規(guī)律與原子結構的能量觀有密切的關系?；瘜W鍵的形成，元素周期表的結構也與能量觀有密切的關系，再說到物質的宏觀結構、晶體結構，比如晶體結構的成因，以及晶體結構的性質，比如晶格能等等，也與能量觀密切相關。所以能量觀在高中化學3中師很重要的觀念。在原子結構這里就開始體現能量觀，應該說老師是很有思想的。4、專家釋疑主持人：我們接下來把這個討論進一步拉回到學科概念當中。在這個教學片斷當中以及在我們對原子結構教學當中，體現了量子化的思想，對于什么是量子和什么是量子化，我們很多老師是存在許多模糊的認識的。李老師你能不能給我們解釋一下什么是量子和什么是量子化？李宗和：微觀粒子和宏觀粒子的運動是不一樣的。微觀粒子能夠體現出粒子性和波動性，在波粒二象性這個方面體現得很明顯。這時候微粒的運動狀態(tài)和宏觀物質的差別很大，它的運動狀態(tài)的變化伴隨著物理量的變化，物理量的變化是不連續(xù)的。比如說，微觀粒子運動的時候能量的變化是不連續(xù)的，角動量的變化是不連續(xù)的。這種物理量不連續(xù)的變化的最小單位就叫量子。一系列物理量的不連續(xù)變化就叫量子化。比如說狀態(tài)的變化使能量一次次變化，這些變化不連續(xù)，那它就是能量量子化；角動量的一系列變化是不連續(xù)的，就叫角動量量子化。其實我們現實生活當中，這種不連續(xù)的狀況是經常變化的，比如說上個臺階，它就是量子化的，每個臺階的高度就是一個量子。再比如說，人民幣也有一個最小的單位，這個最小單位是一分錢，這個一分錢就是一個量子。比如太陽光是由一系列光子組成的，每個小的光子的能量都不一樣，一個光子就是一個量子。主持人：對于原子結構認識而言，量子化是一個非常重要的概念。在這個模型發(fā)展的過程中，通過光譜玻爾提出他的模型，通過光譜的分裂來說明能量的量子化。如何通過玻爾模型進一步發(fā)展，如果借助光譜的證據再進一步發(fā)展原子結構模型呢？我們來觀看一個教學的片段。5、趙和林老師教學片斷及專家分析趙和林：玻爾理論只是解決了氫原子光譜的問題，我們不能只拿一個電子的原子光譜來說明它就是完全正確的，還要經受其它實驗的考驗。我們來看多電子光譜對玻爾理論提出的挑戰(zhàn)?？雌聊?，對于氫原子電子從n=4的電子層躍遷到n=3的電子層時會有一條譜線，但是，對于多電子而言（如Na）電子從n=4的電子層躍遷到n=3的電子層時會出現多條譜線。玻爾理論能不能解釋多電子原子的光譜實驗呢？這個光譜多條譜線的背后，又隱藏著什么樣的信息呢？我們應該用什么樣的手段來探尋這后面的秘密呢？這些都是給我們提出來的問題，我們這節(jié)課就要來研究研究這樣的問題。我想大家都想知道這譜線背后的秘密。請大家交流：多電子原子中的電子從nx→ny產生多條譜線的可能原因？請?zhí)岢瞿愕募僬f。我也希望同學們也走走前面科學家走過的道路。四個同學作為一個小組進行討論6-7分鐘，然后請小組代表發(fā)言。學生：我認為時同一層電子之間的能量具有差異，因而產生多條譜線，很有可能電子對電子有影響，假說可能是電子層里面含有小電子層，每一層電子之間具有差異。老師：你們這組來說說。學生:我認為電子與電子存在一定的相互作用，還有就是電子層之間還有小的電子層，3和3,4和4是不一樣的。老師：怎么理解3和3,4和4是不一樣的？學生：同樣是第三層存在能量的要求，第四層也存在能量的差異。老師：你們再來說說。學生：我們跟他們的意見差不多，電子的第三層和第四層可以往下繼續(xù)細分，比它小的電子層的能量都不一樣，所以可以產生很多譜線。第二就是，多電子的電子與電子之間存在相互作用，造成譜線更多。老師：你們再來說說。學生：電子每一層都是不一樣的，每個層中的每個電子都是不一樣的，具有的能量都是不同的，這可能也是造成譜線多的原因。還有就是，每層中可能有更細的分層。老師：我們來總結下。首先的話，我覺得大家都能找到一個關系，就是譜線和能量的關系，以前我們認識原子核外電子沒有能量觀，但是經過上節(jié)課的學習能夠用能量觀來認識電子。那也就是說每一條譜線對應一定的能量，一種電子躍遷，這樣多條譜線就對應了多種能量差，也反映了電子的多種躍遷。剛才大家都提到了同一電子層中的電子的能量可能不相同，存在能量的細分。還有他們有很貴的一點，還抓住了對比，一個是一個電子還有一個是多個電子，認識到了電子與電子之間相互的影響，可能造成同一電子層里的電子的能量有差異。實際上，這種差異是存在的。玻爾模型之所以能夠解釋氫原子光譜是不是因為氫原子簡單??？不存在多電子的相互作用?？磥矶嚯娮釉拥拇_對玻爾模型提出了挑戰(zhàn)。我們就來想一個問題，既然電子能級的細分能夠來解釋多電子的情況，而這種細分也反映了多電子原子中電子的運動的區(qū)域。那么我們就要考慮了，用玻爾模型中一個量子數n還能不能很好地表征這種能量的細分。因此，玻爾模型經不起多電子原子的挑戰(zhàn)，就退出了歷史舞臺。20世紀20年代新建立起來的量子力學理論在玻爾模型的理論基礎上完全遵循了微觀粒子所具備的特點，那就是微觀粒子具有波粒二象性。而宏觀物體主要表現粒子性。主持人：剛才我們看到了趙老師關于模型進一步發(fā)展的教學片斷。趙老師，你給我們介紹下你自己是怎樣進行教學設計的？你在設計這個教學案例的時候有哪些思考？趙和林：在這么一個教學案例的設計中，我首先考慮了這幾個方面。第一就是，在現在的教學中存在一些問題。比如，第一，重結果輕過程，忽視光譜實驗在原子結構產生過程中的意義，不能在過程中體現實驗、模型的科學方法。我們在眾多的教學課例當中可以看到原子結構的課堂教學有時萎縮為1到36號元素基態(tài)原子核外電子排布的教學。那么這樣的原因，有的老師會想高考不考，那么高考考核什么，我們就講什么。高考考核的是1到36號元素基態(tài)原子核外電子排布或者價電子排布，那么我就只講這樣的排布模型。讓學生記住排布模型，就可以完成考試的要求。第二個問題就是有時候對核外電子運動規(guī)律的教學有時候過于科普化，這樣的科普化不能帶來對電子運動的真正理解，使學生無法擺脫學生對原子結構層的認識。這樣就容易使學生失去遷移和理解的價值，所以原子結構的教學內容要體現量子化的思想，又在不能介紹波動方程的前提下，要重視實驗這條途徑，從光譜實驗出發(fā)，幫助學生揭示電子運動的能量觀，提升學生的認識能力和水平。正是基于這樣的思想，我設計了從玻爾模型建構到量子力學模型建構的過程，在玻爾模型的建構過程中，有科學實驗、假說和模型，那么是光譜實驗反映了原子結構的一定特征。有了光譜實驗以后，光譜實驗反映出核外電子排布的一個模型，那么玻爾是怎樣解決的呢？他提出了一個解說，這樣的假說是用量子化的假說，并且用一個量子數n來表征能量的量子化。一方面得出了電子量子化的模型，一方面也解釋了氫原子光譜問題。但是，玻爾的話呢，他的原子結構模型不能解釋多電子光譜實驗。多電子原子反映出來的光譜現象更為復雜，這樣就促使學生來思考，為什么對多電子原子來講從一條軌道躍遷到另一條軌道會產生多條譜線。這樣的話，是不是也反映著原子的特點，反映著電子運動的特點。那么說光譜實驗同樣也是在反映原子結構的特征，特別是核外電子運動的特點。這樣的話，玻爾的一個量子數就無法圓滿地解決這樣的問題，這樣就引出20世紀20年代量子力學的誕生。那么量子力學的誕生，促使產生更多的量子數。更多的量子數就可以用來表征電子層能量的細分。電子層能量的細分進而解釋多電子原子的光譜問題。所以在實驗、假說和模型這樣三個維度里邊，由于實驗反映了原子結構，又用假說合理地解釋了結構和光譜，那么這個過程就體現了原子結構建構過程中的能量觀。這樣的能量觀是通過實驗、假說和模型三維互動來實驗的，并不是直接告訴學生能量觀。我通過這樣的教學設計，讓學生的認識能力得到提高，真正認識到能量觀的價值和意義。王秀忠：趙老師的這個教學設計，我覺得整個設計充分考慮了學生的認知發(fā)展。再一個，確實體現了人類認識原子機構的邏輯順序。這個地方我們首先是通過光譜發(fā)現了問題，比如在玻爾那里也是，他不是主動的提出這個觀念，而是遇到了問題，發(fā)現氫原子的光譜是線狀而不是連續(xù)的，而去解釋這樣的問題，從而提出了假說，這樣的假說被證實，形成一種模型。而這種模型只是解釋了氫原子光譜是一種線狀光譜，而沒有去深化解釋復雜的，包括氫在內。而這些現象的存在又督促人類對這個問題的認識更進一步的深化，趙老師在這個課上提出來了，也就是量子力學的結構模型。這既遵守了學生的認知發(fā)展，又遵循了人類對這個問題的認識順序。我認為是非常好的。主持人：在剛才的兩個案例當中，我們看到證據和假說之間的關系，體現了假說之間的發(fā)展，那么在歷史發(fā)展的當中，也就呈現了課上所說的玻爾模型和量子力學模型。我這里回到學科概念上，想請問李老師，您能不能給我們介紹一下這兩種模型在發(fā)展前后，它的概念和模型的主要差異是什么呢？李宗和：玻爾模型是從氫原子光譜提出來的，然后為了解釋氫原子光譜的事實，提出了這樣一個概念。光譜是分級的，是不連續(xù)的，就必然要涉及到一種軌道，電子在這樣的一個運動狀態(tài)下是一個能量，在另外一個狀態(tài)下是另外的能量。能量的不連續(xù)性就設計出來了，這種設計完全是認為的。但是這種設計又不能解釋很多的原子光譜，比如氫原子光譜的復雜性，也不能解釋其他原子的光譜現象。還想按照經典力學的觀點去討論問題，低粒子運動的軌道，任何物質運動都有軌道，還是按照這個想法去走，都有一個軌跡。因此后來就有索末菲的經典理論，又提出來什么橢圓軌道，圓的軌道啊，各種各樣的原子軌道，然后再繼續(xù)解釋問題。最后在完全碰壁的情況下，人們才想到走另外一條路，因為科學的發(fā)展不是非得直線行進，它有可能從另外一個分支，另外一個思想，另外一個角度來研究和發(fā)現這個問題。人們發(fā)現了光具有波粒二象性，那么電子也有波粒二象性，是不是在想，在研究物質是不是具有普遍規(guī)律，是不是都具有波性和粒子性。有的為什么波性突出，有的粒子性突出，那就再研究一下，所謂的粒子性是指物質本身的重量、體積和其他物質的相互作用，它就體現出了。波性呢，是指在傳播的過程中遇到一些小的狹縫出現了干涉現象和衍射現象，繞射等等。研究后人們就發(fā)現，比如像電子它具有一定的粒子性，要形成波性就要創(chuàng)造一種條件，這種條件需要一種細小的狹縫。只有一些體積比較小，運動速度比較快的物質通過狹縫的時候才顯示波性。原子和分子中的電子，質量比較小，運動速度高，運動的區(qū)域也很小，它的粒子性和波動性就完全體現出來了。于是人們從這種思路中建立了量子力學模型。用這種模型雖然沒有去研究氫原子光譜，也沒有研究多電子光譜，也沒研究其他光譜，但是用它卻解決了氫原子、多電子光譜。在思維的過程中，可能遇到各種各樣的問題，所以不要死走到底。6、學科知識的理解誤區(qū)及釋疑主持人：這樣是不是說，科學家的認識經歷了一個非常大的變革。從經典的宏觀的物體的有規(guī)律的有形的行動作為類比，然后又從波動的角度進行思考，它涉及到一種認識方式的轉變。我想像剛才李老師所說的，從波動性的角度來理解微觀粒子的運動狀態(tài)，對我們而言是非常困難的，在我們的理解過程當中，也肯定會有很多的困擾，存在一系列認識上的誤區(qū)。王老師能不能給我們介紹一下，通常我們在理解這個問題上我們存在哪些誤區(qū)？王秀忠：量子力學中涉及到的軌道跟玻爾模型中的軌道容易混淆，認為是一回事，這些在我們教學活動中可能存在，這些在我們的學生中也可能存在。因為它是一個詞表示出來的，可代表的含義可能不一樣。比如體現原子結構的電子云問題，電子云中的小黑點到底代表了什么含義？有的老師可能就認為代表了一個電子，還有的進一步的話，認為是電子曾經出現過的位置，等等這些都存在認識上的誤區(qū)。我們想作為老師來引導學生進行學習的時候，存在如何回避的問題。趙和林：剛才王老師談到了中學生在認識原子核外電子運動的一些誤區(qū)，應該說核外電子運動的特點是原子結構教學最核心的部分。而這個最核心的部分是由兩部分構成的，一個方面是構建學生的能量觀，另一個方面就是學生要用一種微觀的、統(tǒng)計的思想、概率的思想來認識核外電子的運動特點。因為是從宏觀到微觀，所以涉及到了人的認識方式的轉變，我們實際上因為微觀粒子的運動特點，微觀粒子運動特別快，遠遠又看不見，所以我們通常看到的是宏觀物體的運動特點。那我們自然而然的，在學習微觀粒子的特點的時候，就用認識宏觀物體的方式來認識微觀粒子的運動特點。那么這樣的話就在軌道、連續(xù)等等認識觀上存在誤差。在一項關于高中生使用教材以后，核外電子運動狀態(tài)的相關概念的研究中發(fā)現，有百分之六十多的學生認為共用電子對就是對特定電子存在于兩個原子核之間，它不會到別的地方去。多達百分之七十的學生認為對電子的運動狀態(tài)有強烈的軌道觀念，認為電子總是沿著某種固定軌跡周期性運動的，那么日常生活中，物質的運動總是會形成軌道的經驗被廣泛運用到微觀世界當中。從科學的發(fā)展來看，從盧瑟福模型到玻爾模型，到量子力學模型，這樣的發(fā)展是個革命性的變化。特別是量子化思想的提出，這在當年對許多科學家來說都是難以理解的，因此這樣的教學在學生的心目中產生這樣或那樣的問題，這是正常的。但是我們的教學的核心是什么呢，就是在必修的基礎上，在學生錯誤認識的基礎上，轉變學生的舊有觀念，樹立較為科學的觀念。主持人：感謝二位給我們分享了教學中常見的一些錯誤認識，也調查了學生存在的一些錯誤概念。我們把兩個問題分開來討論，一個是我們應該給學生建立怎樣的認識和觀念，這可能是存在教學難度的，因為考慮到學生當前的水平，他能接受到什么樣的程度。再一個，作為老師，我們自己應該怎樣去看待原子的相關概念，我們自己應該怎樣去理解。接下來我跟各位老師一起來分享一個調查結果。這個結果很有意思，使我們針對4000多名中學老師做的一個調查，是通過網絡的形式的調查，然后它反映出對于原子結構我們自己怎么去理解原子結構，就有很多的有意思的想法和結論。那我么來一起看一下這個調查。我們的問題式這樣設置的，給出的第一個問題是：原子的形狀是什么樣的，是球形對稱的嗎？A.是（22.07%），B.不是（77.57%）。第二個問題：選擇上述選項的理由是？A.電子在核外做圓周運動（7.51%）；B.圓周運動的軌道可以有不同的取向（19.24%）；C.有的電子軌道是正圓的，有的是橢圓的（7.25%）；D.電子運動用波動方程描述，像波一樣振動（22.69%）；F.以上皆不對（8.63%）；G.說不清楚（11.62）。針對這個問題，李老師能不能給我們以指導。李宗和：既然在原子當中、分子當中，電子的波動性顯得突出，因此我們不能用準確的位置跟動量來描述，我們就用一個函數來表示，這個函數就是波函數，來表達它自己的運動方式。對于任何一個單個粒子的用波函數來表示的就叫軌道。所以說在那么小的范圍內，速度又快，又具有波動性，干涉和衍射現象非常強，它不可能在一個小的軌跡上做運動。這種運動情況下，我們用軌道來描述，而不是軌跡。軌跡是指某一個時間就對應一個位置，而軌道呢，是指運動狀態(tài)是怎樣的。是不是把這樣兩個概念建立起來后，老師們就好了，學生也就慢慢明白了。主持人：那我接著在追問你一個操作性的問題，比如說我們在提到了軌道的能量是量子化的，這樣就有各種各樣的圖示來表示軌道的能量。比如說有的圖示里s軌道和p軌道的能量是相同的，有的圖里又是不同的，那我們又如何去理解這樣的軌道能級圖，以及氫原子和多電子原子的能級順序是完全一樣的么？以及能量是完全一樣的么？李宗和：不一樣，原因在什么地方呢？氫原子一個電子，一個核。它是兩個微粒間的相互作用，沒有第三者參加。而多電子原子當中，或者分子當中，它就變了，電子之間有相互干擾，和單個電子相比，它就要綜合考慮三體問題，這就跟兩個不一樣了。它的能量肯定會發(fā)生變化。原子軌道的定義是這樣的，把原子中的每一個電子看成在核和其他電子平均作用下進行運動的。分子軌道也是一樣定義的。主持人：剛才您的介紹，我們就可以體會到一些宏觀的類比是存在問題的，比如把軌道想象成能量確定的一些臺階，這個就確定了，不同的原子，電子數不同，就依次填充在確定的能量臺階里面，就像我們的樓梯一樣，那么這樣的理解是存在問題的。李宗和：不管是1s軌道中的電子，還是2s中的電子，還是2p中的電子還是其他層的電子，他們都有可能在整個分子中運動。測不準嘛，只不過是在某個區(qū)域內出現的幾率大或者小，比如1s在靠核的區(qū)域出現的幾率大一點，它并不等于在其他位置不出現。比如2p吧，在1s這個位置吧，也出現，在2s、3d的地方也出現。測不準就是只知道它出現的幾率，而不知道它確切的位置。任何一個電子的運動都充滿了真?zhèn)€空間，不管是在s軌道、p軌道還是d軌道，都是充滿了整個空間，僅僅是在某個區(qū)域出現的幾率大，某個區(qū)域出現的幾率小而已。主持人：在使用能級的圖示的時候，我看到有的圖示表示s跟p的能量是一樣的，有的又不是一樣的。那么這樣的圖示是針對什么樣的原子呢？李宗和：對于氫原子來說，氫原子無論是在什么s軌道、p軌道、d軌道，在n2相同的軌道上它的能量都相同。那也就是說，氫原子的2s、2px、2py、2pz的軌道能量都相同，所以電子出現的幾率應該是各自都相同。就氫原子來說3s、3p、3d這樣的幾個軌道的能量也都相同。主持人：這樣我們就不難理解，如果我們講單電子運動特點，講氫原子的能級圖，如果主量子數n相同，那么這些軌道的能量就是相同的，當引入多電子之后，電子之間的相互影響，能級就會發(fā)生裂分。趙和林：所以從實驗光譜的角度來看，為什么氫原子光譜非常的簡單，而多電子原子的光譜相對就要復雜。而玻爾的研究首先也是從氫原子這樣一個簡單的光譜入手的。主持人：這樣從整個系統(tǒng)來看待原子。盡管我們解析的時候把模型進行簡化，把它拆分成各種不同的軌道，每個軌道填充多少電子，但是它實際上是一個整體的體系。王秀忠：這個跟物化上體系和環(huán)境類似，我選取這個對象為研究對象的時候，其他的都作為環(huán)境來考慮。主持人：既然你談到體系的問題，我想接著再追問李老師。比如我們在教學中涉及到電離能的問題，涉及到哪個電子先被電離出來，我們會簡單的看做是電子填充在不同的能量階梯上，能量高的就先電離出來。那么電離能就相當于那個軌道的能量。對于這個問題我們應該怎樣看呢？李宗和：其實電離能相當于被電離電子所在能量的負值。電離的時候，哪個先電離出來，靠什么呢？靠你外界打它，看你打什么，你用多大能量就能打出相應能級的電子，所以現在有紫外光電譜，還有一個sps光電能譜，我就打2s、2p和1s，不打其他的，電離的就是它。趙和林：李老師，中學教學里邊還有這樣一個問題。有的老師會認為到，在講到基態(tài)原子電子排布的問題，比如第四周期，我們先排的是4s軌道的電子，然后再排3d軌道的電子，那么這個電子在電離的時候失去，它又是怎樣的一個順序呢？王秀忠：我插一句，剛才魏老師提到了這個問題，對于排布，我們的理解不一定是正確的，這種排布不是人為排布的，但是現在我們的理解是人為的排布。電子在里邊存在的每一種狀態(tài)是客觀存在的，不是我們假想的時候，一個個塞進去的，先排1s，再排2s。李宗和：一定要弄清這個問題，它是最外層電子排布，比如說，我有兩個電子，排了1s，排了2s，第三個電子排誰呢，先進了兩個之后，再說第三個，說的是最外層電子排布。并不是所有電子的排布順序都是這個順序。主持人：也就是說假如新的電子之后，整個體系的微粒數增加了，它會對整個順序產生影響。李宗和：所以你在排布電子的時候試這么來填的。書上一再講最外層電子的排布順序是怎么怎么樣的，這是根據什么呢？一方面是根據，現在能根據計算，以前都是根據光譜實驗來完成的。趙和林：認識這個電子的排布與電離能，都要有一個系統(tǒng)觀，不能局部去認識。主持人：在剛才那個題目當中，我去掉了一個選項，我把這個選項補充出來展示給各位老師。剛才那個題目：原子的形狀是什么樣的，是球形對稱的嗎？選不是的比是的要多出很多。去掉的選項是這樣的，E.p軌道的形狀為“啞鈴”形，疊在一起不是球對稱（22.69%）。我們又做了進一步的調查，對于2p軌道電子，若圖中的紅色曲線表示電子概率密度（電子出現的機會大?。┫嗟鹊木€（類似于地理上的等高線）。您認為以下圖形哪個可能更正確？A17.31%B7.15%C64.23%D.以上皆不對（1.98%）E.說不清楚（8.97%）。針對這個調查，李老師您給我們解析下這三個圖形具體表達了什么樣的含義，以及p軌道之間是什么樣的關系，到底原子是不是球對稱的？李宗和：A是就電子分布幾率來說的，A圖對。B圖是角度分布圖，是用角函數做出來的，C圖是用角函數的平方做出來的。對于一個電子的出現幾率來說，應該是一個整體的，包括兩部分，一部分是徑向部分，一部分是角度部分，而且是整個的平方，即波函數的平方。所以A對。主持人：這樣我們看來，我們用這個圖形，它其實是有一個界面的。我們來看下是不是可以用其他的模型來表達p軌道之間的關系。在這里，我展示了另外一種表達的方式，請大家看屏幕，左邊表達了s軌道是一個球對稱的，我們看到它的電子云分布沒有一個截然的界面，抽象出來用一個實線表示。右邊是p軌道的電子云分布，我們也用實線表示，可以看到在實線的內部出現的機會是比較大的，在線的外部出現的機會會小很多，但是不代表電子只出現在線內部或者沿著線運動。通過這兩種電子云的表達方式，我們再把不同的軌道疊加在一起，我們看看它能形成什么樣的形狀。這個小點的圖是1s軌道的電子云的圖形表示，可以看出1s軌道是呈球形對稱的，然后2s也是球形對稱的，但是2s的半徑會比1s大很多。我們接著看2p，2p就有取向了，它的半徑跟2s比較相近，但是是有取向的。但看一個p軌道是不呈球形對稱的。如果把兩個p軌道疊加在一起就形成了輪胎的形狀。如果垂直與直面還有第三個p軌道，三個p軌道疊加在一起，就是一個球形結構了。我們在接著看，3s也是球形對稱的。3p是有取向的，另外一個3p也是有取向的，兩個3p加在一起是輪胎形狀，如果加上第三個3p軌道，也應該是球形對稱的。那么在幾個圖形當中，我們通過s和p軌道的疊加，都說明了電子在核外的分布是球形分布的。那我再問下李老師，在我們看到的圖形當中有d軌道圖形，d軌道的花瓣就更多了，而且有5個d軌道，這5個軌道如果我們要讓它疊加在一起的話，它也是球形對稱的嗎？李宗和：肯定是。主持人：那我接著再問您一個問題，在這個模型當中，我們用小點表示了電子云，表示了電子分布的一個情況，這樣在我們的教材當中也會給學生呈現電子云的圖形，也會呈現電子軌道的圖形，那么我們應該如何理解電子云模型呢？它的這個點是什么含義呢？李宗和：什么是電子云呢？原來的概念是這么說的，電子云是幾率密度的一種表示方法，幾率密度大的地方我們把點弄多點，幾率小的地方我們把點弄少點，黑點多是說明電子在這個地方出現的幾率密度大，黑點是代表幾率密度的，而不是代表電子本身。用黑點表示出電子出現的幾率之后，像空中的云，所以人們取名為電子云。趙和林：那李老師，我想提一個問題?，F在的教科書上都有電子云圖和原子軌道圖。這兩個圖有什么樣的物理意義，在今后的使用當中應該如何使用。比如化學鍵，我們是應該看成原子軌道的組合，還是電子云的重疊？李宗和：好。第一個要講的，什么是軌道呢，是電子的運動狀態(tài)，它具有波動性，就不能用位置和動量來描述，用波函數來描述，現在我們畫的軌道圖，是那個波函數的函數值，是波函數的函數圖象，并不是電子運動的函數圖象。幾率密度也一樣，是波函數絕對值的平方的圖象，一定把這個問題跟另外的一個問題分開了。第二個要講的是，在形成化學鍵的時候，電子是在軌道上運動的，你用什么來描述呢？你得用波函數來描述它。在研究化學鍵和分子形成的時候，說的是軌道的重疊，這種重疊還有一個特性，如果是相同符號的重疊，它的波動性增加，如果是相反符號的重疊，它的波動性減小或者相互抵消。在波動性增加的地方形成化學鍵，在波動性減小的地方不能形成化學鍵。對于兩個軌道相互重疊，重疊之后有一個重疊積分，這個重疊積分的絕對值的平方就是電子出現的幾率密度。主持人：您提到了不確定性，提到了用波函數來進行描述，我想每位老師都想知道科學發(fā)展到今天，到底電子是怎么運動的？現在的科學進展有哪些新的結論么？王秀忠：我們想知道它有沒有一個真實的運動的軌跡。能不能表達？李宗和：就現在來說，我們不能準確說有還是沒有，今天提出的量子力學模型解決了絕大部分實驗事實，不僅能解釋實驗事實，還能預見實驗事實，具有絕大部分的合理性。是不是還有不合理的地方呢？這也有可能，我們算的能量未必就跟實驗相符，那還有待于人們新的觀察，新的認識，新的探討。不要以為到了今天，量子理論就非常完備了，是不是還有其它的？是，還有，比如英國有個應變量理論，它說就能找到軌跡。還有多宇宙理論，平行宇宙，哪個對都要靠實驗來驗證。主持人：這也反映了科學的魅力所在，也是科學教育的魅力所在?？茖W教育不是告訴學生科學家很偉大，解決了很多問題，而是對一個未知的世界提出各種各樣的猜想。這些猜想會遇到各種挑戰(zhàn)和問題。我們的孩子如果能知道這些，就會去探索未知的奧秘。在前面分析的案例當中，我們就是從光譜的案例當中來進行引入和討論，作為認識原子結構的證據，來建立原子結構模型。但是很多老師在教學過程當中，很多老師都會讓學生用一個圖像來進行分析，圖像也是比較的抽象和困難。我們能不能用形象化的手段，實驗的手段來表示呢？我們一起來分享一個案例。7、王瀾獲獎的教學片斷及專家分析王瀾：歡迎大家進入物質結構與性質模塊選修階段的學習。我們今天上第一節(jié)原子結構，在學習這個之前，我們先來復習以前對原子結構有哪些認識。比如說以Na原子為例，我們通常用這種原子結構模型認識圖表示Na原子結構認識圖，我想問下這個原子結構認識圖表示了Na原子怎樣的結構？學生：電子層是3層。王瀾：也就是說電子是分層排布的。每層的能量是否相同？學生：不同。王瀾：離核近的電子能量低，離核遠的電子能量高。電子是靜止的么？學生：不是。王瀾：那是怎么樣的呢？學生：繞核高速運動。王瀾：那2、8、1是什么意思？學生：每個電子層上的電子數。王瀾：必修階段我們學習過盧瑟福α粒子散射實驗，他提出了行星模型，那么現在就有這么一個問題呢，那是什么原因使科學家在盧瑟福模型的基礎上提出了電子分層排布的呢？回顧歷史我們發(fā)現，光對我們研究研究原子結構提供了非常多的信息。19世紀中葉，科學家們發(fā)現很多物質噴灑在火焰上會發(fā)出不同顏色的光，我今天把三種鹽溶解在乙醇溶液當中，然后噴灑在酒精燈上。大家來看下現象，這個是硫酸銅，看下現象，有綠色的火焰；這個是氯化鈉的乙醇溶液，應該是黃色的顏色；這個是硝酸鍶的乙醇溶液，紅色的火焰。這是大家非常熟悉的焰色反應。必修階段我們就學過焰色反應，我們用焰色反應干什么呢？學生：鑒別物質。王瀾：當時科學家卻把焰色反應當做是連接宏觀物質和微觀物質的橋梁，那大家想一想科學家是怎樣將這兩者建立起聯系的呢？大家前后討論一下。我們請這位女生回答下。學生：不同顏色的光，它的能量是不一樣的。王瀾：這位女生告訴我們，物理課上已經學過不同顏色的光，能量是不一樣的。繼續(xù)。學生：向外輻射的能量也是不一樣的。王瀾：也就是說原子發(fā)光是向外輻射能量，根據能量守恒，那么它自己的能量應該降低。也就是說它降低的能量是不一樣的。連接兩者的是能量的不同變化。我們看，從科學上怎樣表示這一過程，我們一般認為，原子在通常狀況下能量處于能量較低的狀態(tài)，在火焰中，原子吸收熱，進入能量較高的狀態(tài)，能量高的電子不穩(wěn)定，會回到能量較低的狀態(tài)。這個過程中，能量就會以特定顏色光的形式釋放出來。既然我們知道光的顏色和能量對應，那我們能不能通過光的顏色來判斷二者之間的能量差。平時我們看到的一種顏色的光真的只對應一種能量么？不一定，比如說，太陽光發(fā)出的白光，經過三棱鏡可以得到七彩的光譜，那我們怎么分析今天焰色反應得到的光呢？現在我給大家介紹一種自制的簡易分光鏡，大家拿著光盤對著光看的時候會有七彩的光譜，是因為光盤能起到與三棱鏡相類似的作用。用這個儀器對著燈光看就可以看到分光之后的圖象。通過攝像頭，圖象就可以顯示在電腦里邊。用這個裝置分析下剛才的焰色反應。先看氯化鈉的，大家看到了什么？一條或者兩條明亮的黃線。再換一下硝酸鍶的溶液，可以看到多條紅色的線。大家看看剛才拍攝的圖象，圖象都是由多條分裂的線構成的。那么一條線就代表一種能量，多條線就代表多條能量，我們就在這里添加多條能量的狀態(tài)。核外的電子能夠處于這幾個能量狀態(tài)，就像是圖中的小人，這個小人可以站在任何臺階之上，我們就稱為能量的量子化。20世紀初，玻爾認為核外電子在核外以一定半徑繞核做圓周運動，當它從一個軌道進入另一個軌道的時候，就會吸收或者釋放特定能量的光，這就是著名的玻爾模型。玻爾模型的電子層是用能級來劃分的，所以稱這些電子層為能層。玻爾模型也有它的問題，它解釋的光譜是有限的，它只能解釋單電子原子?？茖W家又提出量子力學的理論，成為我們認識原子模型的工具。它認為電子的運動是不確定的，沒有確定的軌跡，只能用電子云來表示。電子云小點密集的地方，電子出現的概率大，小點稀疏的地方，電子出現的概率小。根據量子力學，我們可以解釋很多很多的實驗現象。但是直到2009年烏克蘭科學家才幫助人類檢測到單電子原子運動的圖象。如果說電子云代表了電子運動的無序性，那么光譜告訴我們電子能量的有序性。光譜是我們做的實驗事實，而電子云模型呢，也已經通過實驗驗證了。那二者之間的矛盾應該如何調和呢？我們類比一下，通過能量量子化，把電子云也拆分成能量不同的能層。能。通過量子力學的計算，比如通過這個電子云可以拆分成這兩個能量不同的電子云，這兩個能量不同的能層形成的電子云疊加起來就是我們剛才看到的電子云。我們結合現在能層的概念再來理解一下Na原子結構模型，這一個個半徑表示的還是能級，但是跟玻爾的卻不一樣了，它是一個概率分布的。我們來回顧一下剛才的研究過程，焰色反應到線狀光譜，再到量子化的猜想，進而建立了玻爾模型，玻爾模型被量子力學模型取代。謝謝。王秀忠：在教學設計當中有些環(huán)節(jié)是不是需要，應不應該出現，還是取決于它的功能價值。最終的教學目的是有價值的，并且這種操作是比容易實現的，我覺得還是可以盡量采用。如果在教學過程中可以弱化的話，可以歸結為一種橋梁作用，邁過去就可以，那么是不是必須采用這種方式，那也是根據老師自己的情況來決定的。趙和林：剛才王瀾老師談到了，對于光譜這樣一個素材的使用。對于光譜素材的使用，我想談論如下幾點。第一，原子光譜實驗的復雜性，有吸收光譜和發(fā)射光譜，電子躍遷有時候還存在躍遷禁阻的問題。中學教材中大都給的是發(fā)射光譜，那么我們在教學中應該怎樣面對？我覺得，第一，我們不要再給光譜分類，不討論光譜儀的實驗原理和躍遷禁阻的問題，這些問題在教學中都要回避。我們只要求學生了解最核心的部分，即光譜上的線可以表征光的能量，線條的連續(xù)則是能量連續(xù)，線條不連續(xù)則是量子化，那么能量從高能量的軌道躍遷回低能量的軌道而來的。玻爾模型說電子是在能量確定的軌道上運動的，所以說光譜的背后隱藏了原子結構的秘密。在連續(xù)光譜和線狀光譜中，教材都有出現，我們應該重視線狀光譜的解讀，得到的是能量的量子化，不用刻意去探討經典電磁理論和電子穩(wěn)定與不穩(wěn)定的情況。在選修這個模塊的時候，物理上這個模塊還沒有進行，所以在選用光譜的時候要盡量簡化，體現其最核心的部分。8、學科知識釋疑主持人：也就是看我們最核心的教學目標是什么。如果我們期望讓學生體會到認識發(fā)展過程當中，它是有一個證據的，那我們就把這個證據凸顯出來。如果期望學生建立這樣的一個概念，并把這個概念當做后續(xù)發(fā)展的前提，關注這個概念本身就可以弱化光譜。所以我們的討論是給老師呈現各種各樣的教學可能，供老師進行選擇。我給各位老師展示一下教學案中的裝置，用硬紙做成的盒子，常見的光盤上是有刻痕的，刻痕就起到了光柵作用。把光盤插進盒子里面，可見光透過狹縫，通過視窗就可以看見光譜的圖象。這樣我們是通過肉眼來查看光譜。這個儀器是能夠自制的。把這個裝置跟照相機結合就可以接到計算機里面，通過大屏幕展示給學生，可以讓效果更加直觀。拓展資源里有關于如何制作這些實驗裝置。我們也可以把這樣的教學活動安放到學生的課外探究活動中去，跟其他活動整合?；氐胶诵母拍畹慕嬌?，很多老師在講量子化的概念時，很多老師肯定會提量子數。量子數也是一個比較抽象數學的概念，有不同的取值，到底它是什么含義呢？李老師給我們解釋一下。李宗和：比如說一個宇航員從北京出發(fā)，去發(fā)射中心做飛船上天。首先坐汽車去機場，然后坐飛機到發(fā)射中心。這樣就經過不同的階段，在做汽車的時候肯定有一個速度，飛機的時候也有，飛船的時候也有。三個速度放在一起，就標志而來宇航員的運動狀態(tài)。我們把這樣的三個數叫量子數。比如表示能量的量子數n表示在不同的運動狀態(tài)下，n不同，它的能量就不同。角量子數表示電子在不同的運動狀態(tài)下有不同的角動量。磁量子數呢，就表示角動量在磁場方向上的分量?？梢赃@樣簡單理解量子數。主持人：那1/2是什么含義呢？李宗和：你說的是自旋量子數。自旋量子數說的是一種運動狀態(tài)，是在哪里區(qū)分開的呢？是在實驗當中把它分開的，比如Na原子光譜，經過一個磁場的時候就分開了，左右兩邊各一個，具有對稱性，一個正一個負。正負二分之一是在實踐當中總結出來的。磁量子數m有不同的取值，是為了滿足數學上某些邊界條件而提出的，實際上它也確實是這樣的。跟外磁場相互作用的時候，在磁場方向上的角動量大小已經分成了幾部分，計算之后跟實際結果一樣。所以不要去追問為什么，因為有些是數學結果，有的是實驗結果，有些是實驗結果和數學結果完全吻合之后確定下來的。主持人：關于量子數在教學的實施過程當中，王老師和趙老師有什么樣的觀點？以及你們是在教學當中是怎么處理的呢？王秀忠：現在存在一種爭議：在