专题四物质结构核心概念教学价值的深度挖掘模型思想与科学观念

高中化学远程研修物质结构与性质模块专题4——物质结构核心概念教学价值的深度挖掘—模型思想与科学观念专题教学研讨主持人：魏锐（北京师范大学化学教育研究所）嘉宾：刘克文（北京师范大学化学教育研究所副教授）赵河林（山西大学附属中学）王秀忠（山东省实验中学）主持人：各位观众大家好，欢迎各位来到高中化学新课程远程研修，今天我们进入了第四个专题，这个专题是物质结构核心概念教学价值的深度挖掘-模型思想与教学观念，首先我为大家介绍今天参加讨论的现场嘉宾，分别是北京师范大学化学学院刘克文副教授、山西大学附属中学赵河林老师、山东省实验中学王秀东老师。欢迎各位老师来到讨论现场，我们今天是以物质结构和性质当中的非常核心的问题，即跟科学方法也跟科学观念有关系。这个主题就是模型。在开始讨论之前我们先跟大家分享一个案例。一、模型观念在原子结构教学中的应用1.教学案例----原子结构模型（赵河林）费因曼：原子结构假说玻尔模型：科学实验、假说、模型；量子化思想玻尔假说的价值：假说如果确立了，别人就可以在此基础上证伪多电子光谱对玻尔模型的挑战赵河林：谈到文明的传承，我要分享一句话，这句话是一个诺贝尔获奖者理查德-费得曼说过的话。他说：“如果有一天我们生活的地球发生了大灾难，所有的科学知识都将被毁灭，只能有一句话传给下一代生命，那么，一句什么样的话能够用最少的词语表达最多的信息以支持人类的地球重建呢？我以为是原子结构假说。”看来原子结构假说对我们这个世界非常重要，到底重要在哪些地方呢？从二十世纪原子结构的模型建立起来，在此过程当中产生的只是极大地对元素周期表、元素周期律、对化学键、分子结构的认识水平，是人类对化学的认识到了一个更高的境界，不仅如此我们再来看，这时产生的只是与技术支持了晶体管技术，甚至支持了扫描隧道显微镜技术的发展，因此原子结构的内容是非常非常重要的。今天我们就将在上一节课的基础上研究原子结构部分的知识。我们知道原子是有原子核和电子构成的，而电子非常非常的小，我们用肉眼看不见，我们的感官无法感知它。那作为科学家他们是怎么研究原子核外电子的运动的呢，他们采用的是什么手段啊？科学实验、提出假说、还有构建模型，用这样的科学手段，科学方法来研究人们看不到的电子的运动，具体来讲玻尔利用氢原子光谱实验认识到氢原子的光谱可能与核外电子运动状态有密切的关系，于是他就在卢瑟福的基础上研究核外电子运动情况。微观粒子应该遵循一些微观世界应该遵循的规律，玻尔引入的是量子的概念。在微观世界应该遵循一些量子的思想，而宏观世界遵循的是连续的思想。玻尔创新之处在于引入了能量量子化得思想，用能量量子化思想来解释氢原子光谱，也就解释了核外电子的运动情况，不仅如此他还用量子数n来表征能量的量子化，并且用量子数n来标记核外电子的分层排布，这样的科学研究方法为科学研究打开了一扇大门。特别是为人们认识原子结构打开了一扇大门。让人们对光谱的迷惑得到了有效地解释，这样的方法我们今天还会再使用，继续来研究核外电子的运动情况。我们知道玻尔的模型，玻尔的假说是很好的解释了氢原子的光谱。对于一个假说一旦确立了，别人就会在他的假说基础上证伪。要看他的假说是否适合于其他的情况，否则这样的假说是站不住脚的。玻尔的理论仅仅是解释了氢原子光谱的问题，我们不能只是拿一个氢原子光谱就说他的假说是完全正确的。他还要接受其他电子光谱的考验，我们来看多电子原子光谱的挑战。对于氢原子光谱实验中电子从n=4的电子层跃迁到n=3电子层时，会出现一条谱线。而对于多电子原子光谱来讲，当电子从n=4的电子层跃迁到n=3的电子层时，会出现多条谱线，比如330nm、568nm、589nm处都有谱线。那我们可以知道多电子原子光谱比单电子原子光谱要复杂。那么玻尔的假说能不能解释多电子原子光谱的实验呢。那么这样的多条谱线的背后又隐藏着什么样的信息呢？我们又要从什么养的地方探索她的秘密呢？这些都是给我们提出的问题。我们这节课就来研究一下多条谱线背后的秘密。那么请大家利用上节课建立的思想模型思考，多电子原子中的电子从一个电子层跃迁到另一个电子层时产生多条谱线的可能原因是什么？请提出你的假说。我们希望大家能像科学家一样走一走前辈科学家走过的道路。2.假说、模型等思想在原子结构教学中的作用主持人：各位嘉宾，在刚才赵老师的案例中，从中我截取了几个关键词，我们再一起回顾一下，在案例中出现了原子结构模型、费伊曼对原子结构假说的高评价，玻尔模型与科学实验、科学假说、科学模型都有关系，还有提到了量子化的思想。赵老师的课上提到，当一个假说确立了其他人就可以在此基础上证伪，而且也提到了多电子原子光谱对他的挑战。这一系列的词汇，假说、证伪、模型等等，在我们通常的教学中可能不是特别常见的。所以我就想问赵老师，您在设计教学案例的时候是怎么想的。为什么要体现这些关键词。赵河林：各位老师，我认为我们在设计原子机构基础这部分课程的时候，我们应该清楚原子结构知识在中学化学中的地位，也要清楚他在整个科学史中的地位，原子结构假说被认为二十世纪最重要的自然科学发现之一，也是影响世界发展的五大里程碑之一。他与进化论，大陆漂移学说，还要天文学的大爆炸理论并驾齐驱。诺贝尔获奖者理查德-费得曼说过，如果有一天我们生活的地球发生了大灾难，所有的科学知识都将被毁灭，只能有一句话传给下一代生命，那么，一句什么样的话能够用最少的词语表达最多的信息以支持人类的地球重建呢？费伊曼认为是原子结构假说。一方面了解了原子机构假说的重要性，另一方面也是转变教学观念，我们的教学目的是不是能让学生体会到原子结构的价值，在教材中有这样的趋势，我们的教材的重点就是考试的考点，考试不讲原子结构的重要性，不讲模型的重要性，那么我们就没有必要将原子结构模型，只要让学生知道核外电子排布规律就能应付高考，但是这样讲，只是为了考试而教。根据新课程的思想，我们不仅要为了考试，更要从学生的终身发展角度来看，我们就更要让学生体会原子结构模型的重要性，体会重要的科学方法。这样才会激发学生学习化学的内在兴趣。在教学素材的选取上，本节内容上我采取了较多的化学史的内容，但是不是简单地讲原子结构模型的发现史，而是最重要的假说模型思想与原子结构知识综合起来，使他们成为一条线索，在核外电子排布知识的讲解上将知识技能，方法技巧，情感态度价值观三位目标共同体现。所以在这部分知识上有讲解也有质疑，比如用更多电子院子的光谱这样的一个事实来质疑玻尔模型可不可以解释多电子原子光谱。让学生自己思考玻尔模型是否正确。这样的过程也符合科学发展的历程，相当于我们模拟了科学发展的历程。让学生体会科学家研究的历程，让学生体会我们所有的这些知识实际上是有实验的依据，不是科学家自己随便的创造出来的，由这样的依据构建出假说，在由假说构建适合的模型，但是当实验条件变化，模型就会被质疑，人们就会构建新的模型。正如恩格斯说的，只要科学是在发展的，科学就会以假说的形式存在，当一个新的事实被观察到了，原来的说法不符合了，人们就会在事实的基础上进一步有新的假说诞生，直到最后一个相对正确的结论。原子结构的发展就是这样一个过程，这样的教学设计就是要让学生体会到假说模型是科学发展过程必然的过程，如果今后他们做科研也必须要经历这样的过程，这时为了学生的终身发展负责的教学。3.在教学中什么事科学本质观，它的作用是什么?主持人：刘老师您好，刚才赵老师的教学设计是凸显模型假说，凸显教学的科学本质观。我们知道中学化学和小学科学的课标中都强调了要培养孩子的科学本质观，那您能给我们讲讲什么是科学本质观，他的作用是什么吗？刘克文：听了赵老师的介绍，我认为在这里其实这个模型啊，如果我们能够很好的把模型的教学，能够让学生很好的模型的本质和模型建构的过程很好的理解，这其实就是科学本质观。如果模型教学可以很好的体现科学本质观，这就是一个很好的例证。科学到底是什么呢？其实实际上科学就是我们根据这个自然世界来对他的规律建构模型。科学本质就是建构各种各样的模型，当然在建构的过程第一要对现象进行分析，找到他们共同的特点。然后就形成了对应的概念，理论，规律，定律等。这些其实是建立自然界一些共性的东西。这些理论就会知道我们更好的发现，去理解新的现象。如果我们能够很好的将科学的本质，现象的本质讲解清楚，就可使学生对科学的本质观有更好的理解。从三维目标可以看出，模型是什么是知识，过程方法是什么，其实模型建构的过程和方法。在建构模型的过程中，涉及到的思维方法等就是情感态度价值观了。4.四个模块中的模型教学的素材主持人：那您看我们设计的四个模块，很多的概念是不是都是进行模型教学的很好的素材呢？刘克文：我们化学中的模型非常多，比如原子的定义，分子的定义，关于原子分子理论解释化学变化过程，晶体结构的认识，当然这些需要很多的实验证据，比如我们基础的实验，光谱的实验，物理学的实验等等。这些都是模型，随着科学的发展，他们还会继续被完善发展。化学方程式本身就是一个模型，是对化学变化最理想化的解释。赵河林：假说模型这一维度的角度是选修三在过程方法维度最大的贡献。刘克文：在这一维度可以很好的阐释过程方法。化学运动，目前来讲，我们还不是掌握的那么清楚。有人就说，化学还处于一种经验和半经验的科学，不像数学那么精确。化学很多都是利用归纳的方式，通过很多个实验，归纳出共同的特征，这就是定律或者理论。所以我们进行化学教学，物理教学最终就是要建构模型。这就是我对模型的认识，不一定正确，但是如果我们反问的话，教学最终教的是什么啊？真正留下的就是怎样去建构模型。王秀忠：也就是说模型本身可能他的重要不如建构他的过程更重要。主持人：感谢刘老师的讲解。其实科学发展的过程，就是建构模型的过程，这时要让学生去体验这个建构模型的过程。物质结构与性质这个模块，给我们提供很多的素材，我们可以借用这些素材来让学生体验建构模型的过程。刚才我们有原子结构的一个案例展开了讨论，现在我们再回归到原子结构的案例上，原子结构这样的内容，对学生建立模型思想有什么好处呢，氢各位嘉宾针对这一话题展开讨论。5.原子结构内容对学生建立模型思想的好处王秀忠：提到原子结构理论本省就是模型建构，那么我的理解是在当时的环境下，人们能够把比较科学认知抽象出来，以模型的形式建构起来，他抽象的模型可以解释我们当时的认知。但随着人们认识的深入，可能就有些解释不通了，就会出来新的模型。有些这样的认识有时是有意识的，比如说卢瑟福提出a粒子反射实验，他对前面的汤姆逊的模型有质疑，是不是电荷平均分配，有意识的设计一个实验去验证他，结果发现不是。这时一种有意识的行为，但有些不是这样的，比如，玻尔的这个模型，就是出现了光谱，这个光谱要求科学家必须做出解释，而现有的模型解释不了，那怎么办，就要回去重新建构。所以认识过程会由于不同的原因，导致人们模型认识的深化。但每一个阶段当时都是非常伟大的，包括道尔顿提出的原子学说。虽然至今可能里面都是错误的了，但是当时他还是非常伟大的。所以刚才跟刘老师提到了，模型本身的重要性很大，但更重要的是模型变更，建立的过程更重要。刘克文：在教学上，讲原子结构模型，教学的目的，首先要让学生知道原子结构模型是什么，但是有一样，他的背景，就是这个模型是怎么建构起来的。这个也是非常的重要。赵河林：知识的本身是非常重要的，但如果我们知识讲求本身而忽略了知识产生的过程，就没有了知识发展的动力，我们会奉他为真理，不再去创造。而创造的第一点是质疑。学生如果没有这种质疑批判的精神，即使他掌握了很多的知识，今后他的创造性也会缺失。主持人：所以在这些素材当中，还有哪些教育的价值意义是值得我们去挖掘，卢瑟福，玻尔等都是在建构模型，我想在这个过程中最重要的思想就是类比，尽管我们讲，玻尔他对量子力学他是起到一个非常奠基性的作用，但是无法排除他与宏观世界的类比，他把它想象成不同能量的台阶，在不同能量台阶就会吸收或者放出能量。这个规律其实是和宏观规律有非常大的联系之处的。进而他在吧这个能量台阶想象成圆周的运动，与宏观的行星模型相似的。还有薛定谔的波动模型，这个是与宏观的波来进行类比。这些都是借用了类比的思想，类比其实就是在将一个事物