【正文】 高中化學(xué)遠程研修專題一:原子結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的學(xué)科及教學(xué)研討 ——科學(xué)概念與教學(xué)設(shè)計的時代性 主持人：魏銳 北京師范大學(xué)化學(xué)教育科學(xué)研究所場內(nèi)嘉賓：李宗和 北京師范大學(xué) 結(jié)構(gòu)化學(xué) 教授趙河林 山西大學(xué)附屬中學(xué)王秀忠 山東省實驗中學(xué)引入專題主題主持人：從今天開始，我們就進入物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊的探討，首先，我們進入專題一原子結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的學(xué)科及教學(xué)研討。在高中化學(xué)新課程當(dāng)中，把物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)作為一個單獨的模塊列入選修課程當(dāng)中，那我們?yōu)槭裁窗盐镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)作為一個單獨的模塊呢？也就是說在化學(xué)科研的發(fā)展進程中，有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究對我們學(xué)生有哪些意義呢？請李宗和教授談?wù)?。專家談學(xué)科知識的意義及核心概念李宗和：現(xiàn)代化學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和制備新物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)新性能的物質(zhì)具有一定的不確定性，即隨機性。制備新性能的物質(zhì)就顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本理論可以幫助預(yù)見新性能的物質(zhì)，例如C60家族是在1985年發(fā)現(xiàn)的，但是早在1973年蘇聯(lián)的兩位學(xué)者以及1980年美國的兩位學(xué)者先后發(fā)表了C60的分子軌道能級，成為發(fā)現(xiàn)C60的先導(dǎo)，結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本理論對于制備新性能的物質(zhì)具有一定的指導(dǎo)意義。分子設(shè)計擔(dān)當(dāng)了此任務(wù)。結(jié)構(gòu)化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)的重要組成部分，也是現(xiàn)代無機、現(xiàn)代有機、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)以及信息科學(xué)的理論基礎(chǔ)，中學(xué)設(shè)立物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性能這門課是非常必要的，有利于他們?nèi)ヅ实强茖W(xué)的高峰，也有利于他們從事各項工作。在現(xiàn)代化學(xué)當(dāng)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(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，對于中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)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(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這門課對于中學(xué)生來講是非常重要的。從學(xué)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(xué)家著名化學(xué)家吉利斯皮（R J Gillespie）指出六種化學(xué)基本概念為“化學(xué)中的主要觀念”，構(gòu)成了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)。這六種化學(xué)基本概念為：原子、分子、離子；微粒間的相互作用，如化學(xué)鍵，分子間作用力；分子的幾何形狀；三維化學(xué)；動力學(xué)理論；化學(xué)反應(yīng)；能和熵。在吉利斯皮指出的六種化學(xué)主要觀念當(dāng)中前三條都與我們的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這個模塊密切相關(guān)，也是出于學(xué)科這樣的考慮，國家在課程標(biāo)準(zhǔn)里面對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)也有相應(yīng)的定位。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這個模塊有四個主題：原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)；化學(xué)鍵與物質(zhì)的性質(zhì)；分子間作用力與物質(zhì)的性質(zhì)；研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shù)；分子構(gòu)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(jié)構(gòu)與元素周期系；研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法和實驗手段；探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的價值。那么應(yīng)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(zhì)的構(gòu)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(yīng)該說有很多的補充，那么有些老師也講，一些大學(xué)的概念下放到了高中化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)或者教材來看，在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)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(xué)的化學(xué)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(xué)課程的標(biāo)準(zhǔn)涉及到的一些概念，我們來看。比如有，能級、量子數(shù)、原子軌道、電子云、構(gòu)造原理、元素性質(zhì)、元素周期律和周期表；化學(xué)鍵、氫鍵和分子間作用力、分子極性、共振結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(guān)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(xiàn)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(xué)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(biāo)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(xué)里邊講的還是高中里邊講的。比如說量子力學(xué)的結(jié)構(gòu)模型的四個量子數(shù)的提出可能會存在一些爭議。我想如果出現(xiàn)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(xué)這個，不了解這個，而在認識這些問題，那我們應(yīng)該怎樣去思考，這個比較值得我們?nèi)リP(guān)注。再一個，我們在日產(chǎn)生活中，認識物質(zhì)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(guān)鍵的是它的基本構(gòu)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(jié)構(gòu)問題，所以我們在引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)，出現(xiàn)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(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這個模塊整體的情況有了一個了解。在這個專題當(dāng)中，我們就聚焦到一個概念，就是原子結(jié)構(gòu)的問題。我們想它不僅是個基本的概念，還對后續(xù)學(xué)習(xí)有鋪墊性的作用。但是在概念教學(xué)當(dāng)中，以及學(xué)生的學(xué)習(xí)當(dāng)中，會存在很多的困難。不管是哪個版本的教材，通常原子結(jié)構(gòu)都是排在前面的，它為后面的學(xué)習(xí)搭建一個基礎(chǔ)平臺。但是在教學(xué)過程以及學(xué)生的學(xué)習(xí)過程當(dāng)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(yīng)該給學(xué)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(guān)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(xué)地來看待原子結(jié)構(gòu)模型，如何科學(xué)地理解原子結(jié)構(gòu)相關(guān)系的科學(xué)概念。然后我們自己再去思考怎樣去提取對學(xué)生發(fā)展而言更重要的，再去轉(zhuǎn)化為教學(xué)。這個專題我們就從這些基本概念入手，探討這些概念應(yīng)該如何理解。請李老師談下，既然我們都認為原子結(jié)構(gòu)是一個非常重要的概念，原子結(jié)構(gòu)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(guān)原子的問題在公元前400年希臘的哲學(xué)家就提出了物質(zhì)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(xué)當(dāng)中，建立了原子模型，40年后提出了分子學(xué)說。這樣，原子、分子論就提出來了。這樣對事物的認識就出現(xiàn)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(xiàn)了電子，1911年盧瑟福用α粒子衍射實驗提出了原子結(jié)構(gòu)模型。這些都使人們進一步認識到原子是可以再分的，物質(zhì)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(xué)化。原子結(jié)構(gòu)模型的建立應(yīng)該說在盧瑟福的時候就給我們打下了很好的基礎(chǔ)。1913年，玻爾根據(jù)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(jì)20年代的時候，又建立了量子力學(xué)模型，量子力學(xué)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(xué)認識奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)，使現(xiàn)代化學(xué)進入了用數(shù)學(xué)來描述的階段，成為了一個有預(yù)見性的科學(xué)。這門科學(xué)建立以后，原子結(jié)構(gòu)模型建立之后，使人們可以預(yù)見一個新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。比如可以預(yù)見新物質(zhì)的性能、結(jié)構(gòu)、包括鍵長、鍵角、二面角，它可以預(yù)見在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物以及產(chǎn)率，同時可以設(shè)計一個化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時的條件和催化劑的使用。這門學(xué)科還能提供較為合理和產(chǎn)率較高的合成路線。所以現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)進入到了現(xiàn)在從實驗逐漸走向數(shù)學(xué)化的階段，為人們的預(yù)見打下了一個新的基礎(chǔ)。這樣在化學(xué)領(lǐng)域，人們就從必然王國向自由王國邁進，使化學(xué)更好地造福于人類。趙和林：正如剛才李教授所講，20世紀(jì)原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)在的化學(xué)奠定了非常重要的基礎(chǔ)。原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容促進了整個20世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展，我想我們在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)的時候，我們各位老師應(yīng)該有對原子結(jié)構(gòu)學(xué)科定位的概括。一般認為原子結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)的影響主要集中在以下幾個方面。第一，原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對自然科學(xué)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(jié)構(gòu)的奧秘以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的揭示；第四，對人類認識微觀世界的技術(shù)發(fā)展的影響等等。主持人：從剛才兩位老師的討論當(dāng)中，我想值得我們關(guān)注的兩個關(guān)鍵詞，第一個是模型，提到原子結(jié)構(gòu)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(xué)是非常有意義的，我們的教學(xué)是一個科學(xué)學(xué)習(xí)活動過程，不是直接灌輸式地交給學(xué)生相應(yīng)的概念，我們應(yīng)該讓學(xué)生了解這些概念是怎么來的。那么對于原子結(jié)構(gòu)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(xué)設(shè)計。那好，我們一起來分享一個教學(xué)案例。王麗老師借助原子光譜的教學(xué)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(xué)家揭示了原子結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yīng)的光。我們在學(xué)習(xí)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(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖。在這個光譜圖中，它對應(yīng)的有四條譜線，這四條譜線說明了，根據(jù)科學(xué)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(xiàn)的呢？我們來看下這個演示過程。當(dāng)電子在固定的軌道上運動的時候是