周春生邸友瑩陳三平楊奇謝鋼高勝利,,*

(1商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西商洛726000；2西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)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(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西商洛726000；2西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，西安710079)

從教材內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)的科學(xué)性論證了基礎(chǔ)無機(jī)化學(xué)課程中“原子結(jié)構(gòu)”應(yīng)分為“原子和原子結(jié)構(gòu)”和“元素與周期律”兩章?！霸雍驮咏Y(jié)構(gòu)”包括原子結(jié)構(gòu)、核外電子的運(yùn)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(xué)實(shí)踐，說明這樣的處理有利于探索教材結(jié)構(gòu)處理對教學(xué)效果的影響，符合認(rèn)識論規(guī)律。教法的改革有利于從基礎(chǔ)課教學(xué)方面提高學(xué)生的科學(xué)研究意識。

原子結(jié)構(gòu)；元素周期律；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)方法；教學(xué)效果

原子結(jié)構(gòu)是大一無機(jī)化學(xué)教材的基礎(chǔ)理論知識之一，它抽象、理論性強(qiáng)，學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)模型、核外電子的運(yùn)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(xué)實(shí)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(yùn)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(shí)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(shè)計(jì)、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(xué)效果的影響，以及引導(dǎo)學(xué)生如何運(yùn)用知識去認(rèn)識自然界，如何從基礎(chǔ)課教學(xué)提高學(xué)生的科學(xué)探究意識。

1 章節(jié)劃分要有科學(xué)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(xué)化學(xué)課中，學(xué)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(yùn)動的電子組成，即原子結(jié)構(gòu)應(yīng)包含兩部分：核和核外電子。因此，我們認(rèn)為：第一，講述原子結(jié)構(gòu)也就應(yīng)該包含原子核的組成及核子的排布與核外電子的運(yùn)動及其排布，讓學(xué)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(xué)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(jī)化學(xué)的講授，從原子到亞原子粒子，已是近代無機(jī)化學(xué)的范疇，讓學(xué)生眼界洞開，全面認(rèn)識亞原子概念的發(fā)展對認(rèn)識自然更有益。

誠然，無機(jī)化學(xué)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(xué)”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(xué)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(xué)”內(nèi)容的安排。

2 內(nèi)容設(shè)計(jì)要符合認(rèn)識論

科學(xué)的認(rèn)識論包含兩條基本原理：一是實(shí)踐是認(rèn)識的基礎(chǔ)、來源和發(fā)展的動力，是檢驗(yàn)認(rèn)識真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，是認(rèn)識的目的和歸宿；二是認(rèn)識對實(shí)踐有反作用，正確的認(rèn)識科學(xué)理論對實(shí)踐有指導(dǎo)作用，錯誤的認(rèn)識會把實(shí)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(rèn)識的提高，都是沿著實(shí)踐－再實(shí)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(xué)習(xí)對學(xué)生掌握正確的認(rèn)識觀以及對學(xué)習(xí)自然科學(xué)有指導(dǎo)意義。正是這種認(rèn)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(shí)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(xué)家聰慧的大腦提煉、經(jīng)過多次的辨識到認(rèn)知，最后才形成了某種理論，反過來再指導(dǎo)對更為一般的類似事物的認(rèn)識。其中不乏又被實(shí)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(xué)到科學(xué)的認(rèn)知過程。原子論成為了元素派學(xué)說中最簡明、最具科學(xué)性的一種理論形態(tài)。英國自然科學(xué)史學(xué)家丹皮爾認(rèn)為，原子論在科學(xué)上“要比它以前或以后的任何學(xué)說都更接近于現(xiàn)代觀點(diǎn)”[17]。再如，突破人們對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)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(rèn)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(shí)踐－認(rèn)識－再實(shí)踐－再認(rèn)識的規(guī)律。從人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程，可以總結(jié)出一個理論發(fā)展的推進(jìn)模式：現(xiàn)象→假說→解釋現(xiàn)象→由唯象思維形成理論→實(shí)踐→修正或否定舊理論、形成新理論→利用理論思維指導(dǎo)實(shí)踐→在實(shí)踐中不斷充實(shí)與完善新理論。正如恩格斯曾指出的：“只要自然科學(xué)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(rèn)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(rèn)識卻經(jīng)歷了一個多世紀(jì)。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(xué)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(xué)哲學(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)”，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(yīng)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(jìn)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(shè)，提出了表達(dá)光的能量(E)與頻率(ν)關(guān)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(xué)，成功地解釋了曾使經(jīng)典物理學(xué)處境尷尬的一種現(xiàn)象——光電效應(yīng)(photoelectric effect)，提出光子學(xué)說。玻爾(Bohr)，盧瑟福的學(xué)生，在行星模型的基礎(chǔ)上引入了普朗克的量子概念，認(rèn)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(yùn)動速度(v)計(jì)算運(yùn)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(shí)了德布羅意提出的物質(zhì)波假設(shè)，構(gòu)成了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。量子力學(xué)奠基人之一玻恩(Born)[42]又給了“統(tǒng)計(jì)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(xué)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(zhǔn)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(yùn)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(xué)模型。

(3)突出物理學(xué)研究成果對原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的促進(jìn)。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(shí)驗(yàn)裝置、技術(shù)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(xué)的研究成果在大大促進(jìn)化學(xué)中原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。

圖4 物理學(xué)的發(fā)展促進(jìn)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(diǎn)進(jìn)步都充滿著物理學(xué)家和核物理學(xué)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(shí)驗(yàn)技術(shù)、設(shè)計(jì)和完善實(shí)驗(yàn)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(rèn)為最高境界為“悟其漁識”。就是說，教學(xué)要從教師給學(xué)生水，到教師帶領(lǐng)學(xué)生去找水，最終使學(xué)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(xué)藝術(shù)是一種升華。這與錢偉長[49]說的“大學(xué)教育的一個重要任務(wù)，是培養(yǎng)學(xué)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(yù)習(xí)、課堂講解、課后思索。課前預(yù)習(xí)就是將預(yù)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(xué)生自學(xué)，或者提供參考文獻(xiàn)。讓學(xué)生在上課前就知道該預(yù)習(xí)什么、該聽什么、該問什么，這樣才有可能實(shí)施討論，才能做到“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的境界，才可能獲得好的教學(xué)效果。這就是我們提倡的大綱式教學(xué)方法[50]。課堂講解就是充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。在大學(xué)里，基礎(chǔ)課課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課仍是主要方式，其中教師是教育教學(xué)活動中的實(shí)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(diǎn)和重點(diǎn)，概念要講準(zhǔn)確。所謂課后思索，就是給學(xué)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(shí)質(zhì)是如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。首先通過原子結(jié)構(gòu)中問題的提出引起學(xué)生對科學(xué)的興趣，以風(fēng)云科學(xué)家對亞原子的研究為線索，通過熟悉－深思達(dá)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(xué)模型到近代量子力學(xué)模型為契機(jī)，通過理解－思索達(dá)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(xué)生判斷，然后教師再以實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析：

①微觀粒子與宏觀粒子的運(yùn)動方式相同嗎？為什么？

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

③能讓原子結(jié)構(gòu)模型前進(jìn)的動力何在？

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

4 嘗試效果分析要看實(shí)效

英國數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家、教育家懷特海[53]說：“大學(xué)存在的理由是：它使青年和老年人融為一體，對學(xué)術(shù)進(jìn)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。”課程內(nèi)容的新設(shè)置促進(jìn)了教學(xué)方法的改革，體現(xiàn)了通過教學(xué)讓學(xué)生“走進(jìn)化學(xué)”的思想，突出了引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識去認(rèn)識自然世界，以及從基礎(chǔ)課教學(xué)方面提高學(xué)生的科學(xué)研究意識的理念[54]。

(1)多數(shù)學(xué)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(xué)生覺得臺階高、抽象性強(qiáng)、理解難度大。我們的做法正好突破了這一點(diǎn)：從化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的大背景入手，從歷史研究事實(shí)出發(fā)，從認(rèn)識論開始漸漸進(jìn)入自然科學(xué)學(xué)習(xí)的殿堂，覺得理解－接受－思考很自然，也進(jìn)行了科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，讓學(xué)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(xué)史學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)情感態(tài)度和價值觀的培養(yǎng)。豐富多彩的化學(xué)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(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，感受并贊賞化學(xué)科學(xué)研究，培養(yǎng)獻(xiàn)身科學(xué)的精神和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的科學(xué)態(tài)度，獲得些許靈感在學(xué)習(xí)中閃爍和延伸，讓他們走進(jìn)化學(xué)并熱愛化學(xué)。

(3)授課中注重了文獻(xiàn)介紹，擴(kuò)大了學(xué)生的科學(xué)視野。擴(kuò)大科學(xué)視野不只是化學(xué)新概念、新知識、新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的羅列，而是在于對基礎(chǔ)內(nèi)容的背景文獻(xiàn)介紹，有利于學(xué)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(jìn)化，使學(xué)生了解現(xiàn)在學(xué)習(xí)的不是“死的東西”，而是當(dāng)時科學(xué)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(xué)生知道為什么要學(xué)會查看和理解原始文獻(xiàn)和怎樣查閱，看看科學(xué)家是怎樣產(chǎn)生這些想法的，有利于科學(xué)意識的培養(yǎng)。關(guān)于這一點(diǎn)，北京大學(xué)講授“無機(jī)化學(xué)”課程的卞江教授的課件給了我們很大的啟發(fā)，使學(xué)生明白科學(xué)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(xué)家傅鷹教授曾經(jīng)多次指出：“一門科學(xué)的歷史是這門科學(xué)中最寶貴的一部分，因?yàn)榭茖W(xué)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(xué)方法和理念，試圖對此做出闡釋。一是強(qiáng)調(diào)化學(xué)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(xué)史講授，對學(xué)生正確認(rèn)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(xué)生講科學(xué)大背景，不要怕大學(xué)生了解不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)甚至是爭論，不要怕大學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)的發(fā)展中產(chǎn)生奇思怪想。例如，正是上世紀(jì)以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派與愛因斯坦等人，圍繞著量子力學(xué)理論體系的物理解釋問題展開的曠日持久的、最富哲學(xué)意義的論爭，推動了量子力學(xué)的建立和完善，并為量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提出了新的指向[59]。甚或當(dāng)代弦論的觀點(diǎn)[60]也應(yīng)該介紹給學(xué)生，這正是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)批判精神的開端。人類已習(xí)慣于用一種思維方式來認(rèn)識世界，而今天科學(xué)的進(jìn)步，有可能讓我們用多科思他途經(jīng)去認(rèn)識這個世界?？茖W(xué)研究應(yīng)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(xiàn)

[1]武漢大學(xué),吉林大學(xué)等校編校.曹錫章,宋天佑,王杏喬,修訂.無機(jī)化學(xué)(上冊).第3版.北京:高等教育出版社,1994.

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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(xué)校教改項(xiàng)目[(2015)J32]

10.3866/PKU.DXHX201604015

www.dxhx.pku.edu.cn

G64；O6