摘要： 原子思維是化學思維的一種基本類型。在中學化學思維教學中，必須首先培養(yǎng)學生學會進行原子思維。了解人類原子思維的歷史規(guī)律，有助于搞好原子思維的教學?！霸邮鞘裁礃拥模吭邮窃鯓訕嫵晌镔|的？原子不可分割嗎？原子具有怎樣的結構？原子結構跟物質的化學性質有何關系？”等是化學原子思維的基本問題。提出化學原子思維對中學化學的10點啟示。認為要重視學生認知困難的診斷與應對，改進學生原子思維的練習與測評。

關鍵詞： 原子思維； 學習障礙； 練習與測評

文章編號： 10056629（2018）8000306 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 研究原子思維的意義

化學是一門探究原子、分子乃至泛分子及其宏觀聚集體（實物材料）的內外聯(lián)系以及實際應用的科學[1]。要讓學生獲得化學知識，形成有關認識，必須對實物材料進行剖析、探微，思維就是對宏觀實物材料進行剖析、探微的重要手段。即使有了對原子、分子等進行觀察、操縱的顯微鏡等高科技儀器，也不能沒有思維： 實驗思維是實驗活動的靈魂[2]；沒有原子思維也設計不好對原子、分子等進行觀察、操縱的高科技儀器。

化學思維是一種指向性思維，是一組解決問題的內部活動，是由最終目標，即解決問題來指引和控制的[3]。原子思維是化學思維的一種基本類型。所謂原子思維，主要是指發(fā)現(xiàn)原子、認識原子運動、認識原子跟物質性質的關聯(lián)，以及應用這些認識來解決有關問題的思維活動。

分子、泛分子是由原子按照一定方式構成的，沒有原子就沒有分子、泛分子。不了解原子，就不可能形成化學認識，不可能產(chǎn)生化學科學。正因為如此，恩格斯（Engels F.， 1820～1895，德）說“化學中的新時代是隨著原子論開始的”[4]。原子的發(fā)現(xiàn)開啟了人們發(fā)現(xiàn)分子、電子乃至質子、中子、量子等的進程。因此，在中學化學思維教學中，必須首先培養(yǎng)學生學會進行原子思維。此外，原子思維通過對“最小單元”的微觀研究使人們得以深入地認識物質，這是具有方法論意義的，對其他領域的研究也不無啟示。這意味著，培養(yǎng)學生學會進行原子思維，有利于培養(yǎng)學生的智慧。

化學科學的歷史是人類化學認識發(fā)生和發(fā)展的歷史，也是化學思維發(fā)生和發(fā)展的歷史。人類的化學認識是社會（集體）化學思維的結果?！叭祟惖乃季S是集體的”[5]，既具有繼承性、統(tǒng)一性和必然性，又具有離散性、互補性和偶然性。人類的化學認識和化學思維的發(fā)生、發(fā)展過程在大體上和本質上反映每個人的化學認識和化學思維發(fā)生、發(fā)展的邏輯過程和一般規(guī)律[6]。了解人類原子思維的歷史規(guī)律，有助于搞好原子思維的教學。因此，本文的討論就從人類原子思維歷史規(guī)律的探究開始。

2 近代化學中的原子思維——基本的問題及其解決

在17世紀，歐洲對機械的廣泛應用促使人們對機械運動進行研究，開始用機械論觀點來解釋自然界，認可實物材料是由肉眼看不到的、極其微小的顆粒構成；伽里略（Galileo G.， 1564～1642，意）、伽桑狄（Pierre Gassendi， 1592～1625，法）、波義耳（Boyle R.， 1627～1691，英）、牛頓（Newton I.， 1642～1727，英）、希金斯（William Higgins， 1763～1825，愛爾蘭）以及道爾頓（Dalton J.， 1766～1844，英）等人都先后提出自己的原子學說。人們對物質構造的認識進入了新階段，其特點是以實驗事實為根據(jù)通過思維得出結論，而不是像古代哲人那樣只憑直覺和思辨等作出臆測。其中，道爾頓的原子學說把原子論與元素學說統(tǒng)一起來，賦予化學元素的原子以固定且各不相同的重量（質量），使當時發(fā)現(xiàn)的定組成定律、倍比定律、物質不滅定律等化學基本定律得到了統(tǒng)一的解釋，揭示了這些定律的內在根據(jù)，為后來揭示元素性質變化的內在聯(lián)系和化學科學的發(fā)展提供了理論基礎；并且從根本上否定了煉金術，使化學成為科學，開辟了化學科學全面、系統(tǒng)發(fā)展的新時期，是最有影響的原子理論并被稱為化學原子論。其要點可以概括為[7～10]：

（1） 簡單物質（元素）的終極質點（粒子）稱為簡單原子，它們極其微小，是看不見的；既不能創(chuàng)造也不能毀滅。它們在一切化學變化中保持其本性不變。

（2） 同一種元素的原子的形狀、質量以及各種性質（如親和力）都是相同的；不同元素的原子在形狀、質量及各種性質上則各不相同。每一種元素以其原子的質量為最基本的特征。

（3） 不同元素的原子以簡單數(shù)目的比例相結合，形成了化學中的化合現(xiàn)象?；衔锏脑臃Q為復雜原子。復雜原子的質量是其所含各種元素原子質量的總和。同一化合物的復雜原子，其組成、形狀、質量和性質相同?；瘜W分解和化學合成只不過是把質點彼此分開，又把它們聯(lián)合起來而已[11]。

由于機械論和舊觀念的影響，以及認識水平和深度的限制，道爾頓的原子論也存在缺點和錯誤，例如把原子、分子統(tǒng)稱為原子，等等。

到了18世紀末，在歐洲，人們已經(jīng)普遍承認物質由其最小微粒構成。

總結各種原子論及其形成過程，近代的原子思維主要圍繞下列問題展開： 物質特別是氣體的物理結構是什么？熱的本質是什么？化學現(xiàn)象的基礎是什么？前兩類問題，屬于物理原子論的內容，后一類問題屬于化學原子論的內容。與此相應，近代原子論的認識模式有物理原子論認識模式和化學原子論認識模式兩種類型[12]。

化學原子論的基本問題是： 原子是什么樣的？怎樣證明原子確實存在？原子是怎樣構成物質的？原子不可分割嗎？原子具有怎樣的結構？原子結構跟物質的化學性質有何聯(lián)系？后面幾個問題是在現(xiàn)代化學時期解決的。

道爾頓提出化學原子論的過程很發(fā)人深省。例如，他在1803年提出化學原子論之前，已經(jīng)從事業(yè)余氣象學研究16年，對大氣的成分、性質做了細致的觀察。他對“兩種或更多種彈性流體的混合物竟然能在外觀上構成一種均勻體，使復合的大氣在所有的力學關系上都同簡單的大氣一樣”感到奇怪，就研究了有關蒸汽壓、混合氣體分壓、氣體擴散等等問題，其中尤以混合氣體的擴散和分壓的研究對他提出新的原子論有重要的啟示。所以有人說，道爾頓是從觀測氣象開始，進而研究空氣組成，總結出氣體分壓定律……逐步建立起科學的原子論的。他指出化學元素由非常微小的不可再分的物質粒子——原子組成，原子在所有化學變化中均保持自己的獨特性質，從而使他的原子論成為化學原子論。

1803年，道爾頓根據(jù)氣體體積熱脹冷縮現(xiàn)象把氣體微粒間的排斥力明確地解釋為熱的作用，并對氣體微粒（原子）加以形象的描繪。他通過邏輯推理判斷同種物質原子的形狀、大小、重量必定相同，不同物質原子的形狀、大小、重量必不相同。例如他說：“設若水的某些原子（分子）較其他的重，那么，如果某一體積的水偶然恰為此較重的原子所組成，則其比重必然較大，但這與事實不符，因為我們從來沒有見過這種水，無論得自哪里的純水。比重都是相同的”，“其余的物質也是如此”。他還指出：“我認為不同氣體的質點的大小必然各不相同，因為1體積氮與1體積氧化合生成2體積的氧化氮，這2體積中氧化氮的原子總數(shù)不能多于1體積氮或氧所含有的原子數(shù)。因此，氧化氮原子必定比氧、氮原子大”……

測定原子的大小和質量以及化合物的組成可以證明原子的存在。所以，道爾頓在正式提出原子學說的同時，還考慮到這些測定工作。當時一些化學家已經(jīng)對幾種氣體化合物的重量組成作了定量分析，但數(shù)據(jù)的數(shù)量和準確度都遠遠不足以計算各種元素的原子量。道爾頓假定兩種元素（例如A、B）化合時遵循最簡原則： ①當元素A和B只生成一種化合物時，此化合物為二元化合物，即A1B1，除非有確鑿的例外證據(jù)。例如，根據(jù)這個原則，水的組成為氫1氧1，氨的組成為氫1氮1。②當元素A和B可以生成兩種化合物時，則一個是二元的，一個是三元的。例如，碳與氧形成的化合物一個是碳1氧1，另一個是碳1氧2或碳2氧1。③當元素A和B可以生成三種化合物時，則一個是二元的，兩個是三元的。例如，氮與氧的化合物為氮1氧1、氮1氧2和氮2氧1。④化合物的比重要比組成它的原子化合前的混合物大一些，因為原子靠得更緊密了。道爾頓規(guī)定氫原子量為1作基準，在上述假定基礎上，利用當時掌握的分析數(shù)據(jù)進行了原子量的最早計算。道爾頓的計算結果是： 氮的原子量為4.0，氧的原子量為5.66，碳的原子量為4.5……由于道爾頓的化合物組成假設沒有實際根據(jù)，是主觀、隨意和武斷的，導致許多化合物的原子組成被弄錯，計算出的原子量當然是靠不住的。

原子是怎樣構成物質的？在13世紀時，就有人描述過微粒通過親和力結合在一起。到了17世紀，伽桑狄、波義耳把微粒間的親和力歸結為機械作用： 鹽酸的原子是錐形的，有鋒利的尖刺，而鹽基（堿）的原子是多孔的，酸的錐體或尖刺插入鹽基的孔內就成了鹽……日夫魯瓦（Geoffroy E.F.， 1672～1731，法）認為親和力具有差異性： 每當兩種有結合傾向的物質互相結合后，只要加進一種與兩者之一具有更強親和力的第三種物質時，它就會與這一成分結合生成一種新物質，而把另一種離析出來。1718年，他畫了一張親和力表，把能跟酸精、固定堿鹽、揮發(fā)堿鹽、吸收性土質、金屬物質發(fā)生反應的各種物質分別按照親和力由強到弱順序依次排列。到了18世紀后期，牛頓經(jīng)典力學贏得了普遍的承認，化學家們把親和力歸結為萬有引力的一種。牛頓本人就曾對物質微粒間的結合提出了力學解釋： 物體的微粒具有某種能力、效能或力量，憑借這些對遠離它們的東西發(fā)生作用，也能彼此相互作用，引起為數(shù)眾多的自然現(xiàn)象；微粒間的吸引力只能及于相當小的距離，以致迄今還沒有被我們觀察到，當物質微粒間非?？拷唇佑|）時，這種吸引力就會發(fā)生，使它們“以一種加速的運動彼此碰撞”，產(chǎn)生各種化學現(xiàn)象。就在18世紀后期，貝格曼（Bergman T.O.， 1735～1784，瑞典）把親和力分為同種物質間的“聚集吸引”和異類物之間的“化學吸引”兩類，又把后者分為“單向置換反應”和“復分解反應”。但是，隨著人們的化合物知識不斷增多，編制親和力表越來越困難，迫切需要新的突破。

隨著原子量測定工作的開展，大量無機化合物的組成逐步被弄清楚，不少人發(fā)現(xiàn)一種元素的原子與其他元素結合時，在原子數(shù)目上有一定的比例關系（定比定律和倍比定律），其中隱含了原子價的概念。但是，由于原子量一度很混亂、有些化合物的組成比較復雜，把這個概念長時間掩蓋了起來，直到19世紀中葉才由有機化學家率先挑明： 1852年，弗蘭克蘭（Frankland E.， 1825～1899，英）發(fā)現(xiàn)“氮、磷、銻和砷的化合物體現(xiàn)出這些元素總是傾向與3個或5個其他元素的原子化合。當它們處在這種比例時，它們的化學親和力得到最好的滿足”。他把這類元素稱為“三原子元素”或“五原子元素”，并指出“這種傾向或規(guī)律是普遍客觀存在的”，“元素原子的化合力經(jīng)?？捎赏瑯訑?shù)目的盡管性質不同的原子來使之得到滿足”。1857年，凱庫勒（Kekulé F.A.， 1829～1896，德）和庫帕（Couper A.S.， 1831～1892，英）以“原子數(shù)”或“親和力單位”來表示各種元素的化合力，指出： 不同元素的原子相化合時總是傾向于親和力單位數(shù)等價，并確定以氫的親和力單位數(shù)為1，奠定了原子價理論的基礎。1864年，邁爾（Meyer J.L.， 1830～1859，德）建議以“原子價”代替“原子數(shù)”和“親和力單位”。原子價學說的提出與定型，深化了人們對原子的認識，豐富了原子思維的內容。

總的說來，近代化學對“原子是什么樣的”和“原子是怎樣構成物質的”這兩個基本問題的思維有一定的實驗基礎，又有較多的想象成分。由于微觀粒子的運動情景跟宏觀物體運動有很大差別，這種想象有很明顯的偏差。直到現(xiàn)代化學時期弄清了原子的結構情況（特別是核外電子排布情況），后一個基本問題才得以近乎完美地解決。

3 現(xiàn)代化學中的原子思維

原先人們一直以為原子是堅硬、實心、不可分割的，后來確定原子有其結構是從發(fā)現(xiàn)電子開始的。人類早就發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象以及一些有關規(guī)律，并在19世紀后半葉制成了發(fā)電機、電動機，進入了電氣化時代，盡管亥姆霍茨（von Helmholtz H.， 1821～1894，德）曾經(jīng)猜想電也和原子一樣，是由一些微小的粒子組成的，但是一直不能確定電的本質是什么。直到1873年，克魯克斯（Crookes W.， 1832～1919，英）在用低壓氣體放電管進行實驗研究時發(fā)現(xiàn)陰極射線，斷定它是一束帶負電的粒子流；1897年，亥姆霍茨的學生湯姆遜（Thomson J.J.， 1856～1940，英）用不同金屬作陰極，發(fā)現(xiàn)各種陰極材料都可以產(chǎn)生陰極射線，并且陰極射線粒子的性質與陰極材料無關；他還設計實驗測定了陰極射線粒子的電荷量與質量之比，發(fā)現(xiàn)其荷質比是一個常量，也跟陰極材料無關，而且比已知的氫原子荷質比小一千幾百倍，這說明陰極射線粒子比氫原子小得多，跟原子不在一個檔次，但卻是各種原子中一個共同的組成部分，后來又把這種帶負電的粒子命名為“電子”。1911年，密立根（Milliken R.A.， 1868～1953，美）精確測定了電子的電荷和質量，提供了電子比最小的原子——氫原子小得多的直接證據(jù)。電子的發(fā)現(xiàn)被一些史家譽為“撬開了堅硬不可分的原子”。此后，X射線、鈾射線陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，開啟了人們發(fā)現(xiàn)原子結構的過程，原子不可再分割的斷言被徹底否定。這三大發(fā)現(xiàn)也成為化學科學進入現(xiàn)代發(fā)展新時期的標志。

現(xiàn)代化學的原子思維回答了近代化學不能圓滿回答的基本問題。例如，關于“原子是什么樣的”，僅僅知道原子的大小和質量還不足以完整地回答這個問題，還需要確定它的形狀，因為這涉及到分子的形狀，所以也是一個重要的問題。從古代到近代，不少人把原子想象為小球狀，但既沒有理論根據(jù)也沒有實驗根據(jù)。這個問題只有在現(xiàn)代化學時期才得到解決： 現(xiàn)代的高倍掃描投射電子顯微鏡的分辨率可達到1.6×10-10m，能看到某些重金屬原子的投影圖像；1951年發(fā)明的場離子顯微鏡（FIM）具有105～107放大倍數(shù)，能直接觀察表面原子；1982年研制成功的掃描隧道顯微鏡（STM）能夠實時觀察單個原子在物質表面的排列狀態(tài)。由這些裝置獲得的“原子照片”能直觀地證明原子是真實存在的，使原子不再停留于論說和概念。例如，1999年6月22日《北京日報》曾刊出頭條新聞“‘看不見的原子像拍到了”，報道北京大學研究人員獲得精美的熱解石墨的碳原子影像。不過，有一些“原子照片”的清晰度受到分辨率制約，原子的形狀只是大致為球形。除了實證之外，一些理論物理學家在1950年代之前運用群論（Lie群）成功地對原子光譜作出量子力學的正確解釋，從理論上確定穩(wěn)定的自由原子外形是球對稱的[13]，使原子的球形有了“鐵證”。

對于“原子是怎樣構成物質的”這個問題，近代化學只是用想象的、無法直接測量的“親和力”解釋原子為什么能構成物質，并沒有回答“怎樣構成物質”；“原子不可分割嗎？”“原子具有怎樣的結構？”是近代化學時期無法回答的。這些問題只有到了現(xiàn)代化學時期才能夠清晰地作出回答。

另一方面，現(xiàn)代化學的原子思維又有了新的內容、新的深度和高度。例如： 原子的核外電子層結構如何影響原子的化學活動性和化合價；原子的核外電子層結構如何通過影響原子的電離能、電子親和能和電負性來決定其成鍵類型以及鍵能、鍵角等并影響物質的性質；原子的大小如何通過空間效應來影響化學反應等等。

4 中學化學中的原子思維

4.1 初步形成原子思維的標志

原子思維是初學化學者應該首先具備的一種學科思維素養(yǎng)。一個初學化學者初步形成原子思維可以下列各項為標志：

了解原子是什么樣的；

能夠從原子的角度理解元素概念；

關注物質的原子組成，能夠識別和表征不同元素的原子；

了解化合和化分是原子化學運動的基本方式，能夠從原子化學運動的角度理解化學變化的本質；

了解原子在化學變化中的基本特點，從化學的角度了解原子的重要性質及其決定因素；

初步了解原子的結構，了解原子跟分子、電子、離子等微粒的聯(lián)系；

了解原子是怎樣構成物質的，等等。

大體上說來，近代化學的原子思維跟初中化學有較多關聯(lián)，影響也較大；現(xiàn)代化學的原子思維則跟高中化學有較多關聯(lián)。由于近代化學原子思維跟初中化學的關聯(lián)常被忽視，下面著重聯(lián)系近代化學原子思維對初中化學教學進行討論。

目前，義務教育階段物理、化學和科學的課程標準關于原子內容的要求如表1所示：

從表1看來，初中物理、化學和科學課程標準關于原子的內容標準有幾點值得注意：

它們關于原子內容的要求多屬于“知道”水平，但并不全是“知道”水平?；瘜W課程標準要求“能用微粒的觀點解釋某些常見的現(xiàn)象”，科學課程標準要求“能用物質粒子模型簡要解釋物質三態(tài)的變化”，物理課程標準要求“了解人類探索微觀世界的歷程，關注人類探索微觀世界的新進展”。教師施教時不能采用簡單灌輸方法，學生學習時不宜采用死記硬背方法。

化學和科學課程標準都有原子化學運動內容，涉及的原子論是化學原子論；科學課程標準對原子知識的應用限定于“簡要解釋物質三態(tài)的變化”，化學課程標準對原子知識的應用沒有類似的限定，要求要高一些；化學課程要實現(xiàn)“能用微粒的觀點解釋某些常見的現(xiàn)象”，需要認真思考對策。

化學和科學課程標準都要求“初步認識核外電子在化學反應中的作用”（不區(qū)分外層電子和內層電子），由于初中化學不講化學鍵，怎樣實現(xiàn)這個要求，需要謹慎對待、妥善處理。

4.2 近代化學原子思維對中學化學教學的啟示

近代化學的原子思維對中學化學教學有諸多啟示，主要是：

應盡早讓學生學會進行原子思維，了解原子，為他們進一步學習化學打好基礎。

“原子是什么樣的”和“原子是怎樣構成物質的”也是中學化學原子思維的兩個基本問題。

為了讓學生學會進行原子思維，必須讓他們有一些物質及其化學變化的知識準備。

通過實驗讓學生積累必要的事實材料十分重要，還要充分利用學生在先學的物理、科學等課程中獲得的初步認識。

由氣態(tài)物質的性質和化學變化介入學習要比固態(tài)物質、液態(tài)物質更簡便、有利。

要抓住“原子是什么樣的”這個基本問題，讓學生學會通過對事實材料的思維加工形成對原子及其運動狀態(tài)的認識并進行微觀想象。

對于“原子是什么樣的”這個基本問題，原子的質量比原子的大小更為重要。

對于“原子是怎樣構成物質的”這個基本問題，不必死板地重復前人的思維過程，可以適當?shù)靥崆敖榻B原子的基本結構，由此出發(fā)思考、解決問題。

要注意原子理論與元素理論的融合。

要注意應用原子理論解決實際問題，等等。

4.3 重視學生認知困難的診斷與應對

由于對原子分子層次的微觀現(xiàn)象缺乏真正的了解，學生常常會用宏觀思維、宏觀現(xiàn)象來代替微觀思維、微觀想象，形成錯誤的前概念干擾原子思維的正確進行，造成認知困難。這種情況甚至到了高中階段仍然存在[17][18]。

此外，基礎事實材料過少、不會或不善于應用基礎事實材料進行思維加工獲得相應結果、擁有的基礎知識存在缺陷、“先行組織者”概念不恰當，以及教師舉例不當、知識表征方式不當?shù)鹊?，都會造成對學生原子思維的干擾。

教師可以采用問卷調查、學生自陳、訪談或談話、學習文檔分析、作業(yè)分析、心理測驗等方法診斷學生原子思維障礙，針對學生的認知障礙采取有效的消除措施。

教師應該注意研究學生原子思維的規(guī)律和特點，注意了解并研究學生的前概念，特別是相異構想、迷思概念，關注錯誤所在，精心設計或尋找有效的應對措施；注意提供有關的背景知識；在適當時機引導學生進行有關知識的聯(lián)系、綜合和提升；引導學生總結和理解有關規(guī)則[19]。

4.4 改進學生原子思維的練習與測評

目前，化學原子論測試習題存在著不少問題。主要是：

（1） 測試目的不明；

（2） 思維含量低，多屬于簡單的記憶層次，有關思維訓練的很難見到；

（3） 數(shù)量偏少；

（4） 一些題存在錯誤。例如，網(wǎng)上流行甚廣的一道填空題如下（題文括號內為標準答案）：

英國的（道爾頓）和意大利的（阿伏伽德羅）提出了原子論和分子學說： 物質是由（分子）和（原子）構成的；分子中的（不同種類）和（數(shù)目的原子）的重新組合是化學變化的基礎，即在化學變化中（分子）會破裂，而（原子）不會破裂，但可重新組合成新分子，即原子是參加化學變化的最小粒子。

實際上，提出原子論的不僅是道爾頓一人；（不同種類）和（數(shù)目的原子）這兩個填空內容跟其他空項都不相稱，會引起學生回答困難（筆者不看標準答案就不知道要這樣填寫）；所謂原子不會破裂不僅用詞欠佳，也跟道爾頓原子論不符。

這些問題都是急待改進的。

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