领悟原子结构模型发展的过程与方法---以科学家对核外电子运动的探索单元教学为例

２０１９年第２期教育与装备研究实验教学底层数据的无缝对接，广西需要制订统一的中小学图书馆（室）信息化管理业务规则和统一的数据标准，并在技术上形成统一的数据接口，数据接口对外公开，使符合数据接口的图书管理软件均可进行数据对接上传［１］。（四）开展中小学图书馆工作评估评估是管理的重要环节，把中小学图书馆评估作为中小学图书馆管理工作的重要组成部分，对提高中小学图书馆建设水平和管理水平具有重要意义。围绕中小学图书馆工作职责和业务范围，开展对馆藏建设、文献流通、文献检索能力、图书馆服务范围、自动化程度、图书馆经费、人员、设备、馆舍等的评估，以评促建，是提升中小学图书馆信息化建设，进而提高中小学图书馆服务能力的有效途径。参考文献：［１］陈建淼．中小学云图书馆温州样本［Ｍ］．北京：研究出版社，２０１６：５３－５３．领悟“原子结构模型”发展的过程与方法———以“科学家对核外电子运动的探索”单元教学为例冯品钰　何彩霞摘　要：从高中化学新课标对原子结构的学业要求出发，在梳理原子结构科学发现史实的基础上，揭示科学家建立原子结构模型背后的思维过程与方法（发现问题—获取证据—建立模型……发现问题—获取证据—修正模型／提出新模型……），进而对原子核外电子运动进行知识层级分析及学生认识发展及障碍分析，在此基础上深入探讨发展模型认知的原子核外电子运动教学设计。关键词：原子核外电子运动；原子结构模型；模型认知；单元教学冯品钰，北京市西城区教育学院，高级教师；何彩霞，北京教育学院，教授。本文系北京教育学院“中学化学卓越教师工作室”研究成果。　　《普通高中化学课程标准（２０１７年版）》对选择性必修模块“物质结构与性质”中“原子结构”的学业要求是，“能说明建构思维模型在人类认识原子结构过程中的重要作用，能论证证据与模型建立及其发展之间的关系。”［１］通过分析科学家对核外电子运动的探索过程，从“问题—证据—假设—理论（模型）”的角度，去揭示其所蕴含的思维过程和方法，并以此为载体开展教学，旨在发展学生的模型认知素养。　　一、科学家对核外电子运动的历史探索过程与方法　　（一）科学家对核外电子运动的历史探索过程在科学发展过程中，人们对原子核外电子运动的探索从来没有停止过。其探索过程［２］［３］主要经历了卢瑟福有核模型、玻尔行星模型和—３２—实验教学教育与装备研究２０１９年第２期薛定谔电子云模型。现简述如表１。如表１所述，科学家对原子核外电子运动状态的探索经历了依据前人的实验和假设，提出自己的假设并用实验检验。当遇到困境时，又在新的实验基础上，提出新的假设……就这样不断循环、向前发展。表１　科学家对核外电子运动的历史探索过程时间人物假设与实验困境与进展１９１１年卢瑟福在汤姆逊原子模型基础上，根据α粒子散射实验的基础上，提出原子“有核模型”。按照经典电磁学理论，带负电的电子在原子核的正电场里运动，会不断连续地释放能量，最终坠入原子核！１９１３年玻尔借鉴普朗克能量子假说和爱因斯坦光电效应假说，将量子化条件引入原子结构，提出核外电子运动取一定的轨道（ｏｒｂｉｔ），在此轨道上运动的电子的能量是量子化的，即“行星模型”。据此模型计算出氢原子核外轨道的能量与波长，与实验数据精确吻合。解释多电子原子的光谱实验结果和电子衍射实验现象时，遇到了无法解决的困难。（困难在于对微观粒子运动特性不了解）１９２４年１９２７年德布罗意借鉴光既是波又是粒子的属性，大胆预言电子具有波粒二象性。戴维逊·革未和汤姆逊分别用单晶体、多晶体做实验，发现电子在运动过程中遇到晶体的晶格光栅，会绕过障碍物继续传播，即电子具有波的衍射现象。验证了德布罗意假说，电子不但具有粒子性也具有波动性。１９２７年海森堡测不准原理：电子运动的位置和动量（或速度）不能同时完全准确测定。进一步说明玻尔的固定运动轨道（ｏｒｂｉｔ）概念在微观世界是不存在。１９２６年薛定谔基于电子是波的德布罗意假设，提出描述核外电子空间运动状态的波函数方程。为了得到电子运动状态合理的解，引入三个参数：主量子数、角量子数、磁量子数，并由此提出了“电子云模型”。微观轻质高速运动的电子其原子轨道（ｏｒｂｉｔａｌ）是概率统计的结果，人们不再关心电子如何从一处运动到另一处，而是关心电子在核外空间出现的概率。１９２５年１９２８年泡利狄拉克总结大量光谱实验事实，提出电子自旋理论：一个原子轨道最多容纳两个电子，且自旋反向。电子的自旋有顺时针逆时针两种方向，被称为第四个量子数：自旋量子数。在其建立的相对论电子运动方程中，自然得到电子具有自旋特性的结果。原子核外电子的可能运动状态由四个量子数决定。　　（二）科学家探索过程中所蕴含的思维方法不论是卢瑟福模型、玻尔模型或薛定谔模型，均属于对原子结构刻画的科学模型。学生学习核外电子运动这部分内容，一方面是要形成对原子结构本身的认识，另一方面是领悟“原子结构模型”发展过程中所蕴含的思维过程与方法。后者对学生思维的培养更具有重要意义。纵观科学家对核外电子运动的探索过程，不难发现科学家建立原子结构模型背后的思维过程与方法大致是：发现问题—获取证据—建立模型……发现问题—获取证据—修正模型／提出新模型……如图１中的Ｃ线呈现了薛定谔模型原子模型的产生过程，面对玻尔模型不能解释多电子原子的运动问题（发现问题），基于电子的波动性和微观电子运动特点的理论假说和实验，促使人们基于概率统计结果（获取证据），利用电子云来描述电子的运动行为，将其表达成原子核外笼罩电子云的图式（建立模型）。与此类似，其它原子结构模型产生的背后逻辑（如图１中的Ａ、Ｂ线所示）都是经历了这样一个思维过程与方法：问题—证据—假说—理论（模型）。再沿图１纵向看，从卢瑟福模型到玻尔模型再到薛定谔模型（从上向下），其认识发展水平是在新的研究成果和理论假设的基础上，层层向前推进的：由宏观到微观，定性到定量，孤立到关联。首先，卢瑟福有核模型到玻尔行星轨道模型，玻尔虽然将量子化特征带入到模型中。但仍然是宏观物体运动思维，认为电子会采取固定的圆周轨道饶核运转，还是囿于宏观物体运动有一定轨迹的思考方式。而电子云模型是基于大量电子运动的统计结果，电子运动—４２—２０１９年第２期教育与装备研究实验教学图１　科学家探索原子核外电子运动的思维方法具有波粒二象性特点后建立的，标志着人们的认识水平由宏观进入微观，完成了质性飞跃。其次，卢瑟福有核模型对电子运动做定性描述，而玻尔模型中引入能层概念，电子云模型中引入原子轨道概念，都是定量描述。并且，从四个方面定量描述电子的运动状态，也是相互关联的。正是从不断“发现问题—获取证据—建立假说—建立模型”的过程中，人们的认识才得以深入和向前发展的。　　二、“原子核外电子运动”知识分析（一）原子核外电子运动科学发现史实与相应概念的关系原子核外电子运动涉及的概念有很多，其中与核外电子运动状态相关的概念有：能层、能级、电子云、电子云空间伸展方向、原子轨道、电子自旋等。对原子“核外电子的运动状态”的描述要从能层、能级、电子云空间伸展方向和电子自旋四个方面来描述。在“核外电子的运动状态”概念建立的基础上，可以进行多电子原子的“核外电子排布”，排布遵循能量最低原理、泡利原理、洪特规则。“核外电子排布”的符号表达为电子排布式、电子排布图。原子核外电子运动科学发现史实与相应概念的关系如表２。（二）原子核外电子运动知识层级分析原子核外电子运动知识按照实验事实、模型、概念、主要观点四个层级划分［４］，相关内容之间的关系见图２所示。　　三、原子核外电子运动的学生认识发展及障碍分析　　（一）学生认识发展进阶在义务教育的必修阶段，学生已经学习了原子结构的初步知识，已掌握构成原子结构的微粒种类、微粒间关系、原子结构与元素性质的关系，以及原子核外电子运动初步知识；在选修阶段，要进一步了解核外电子运动的能量状态具有量子化特征，电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述（见表３）。选修阶段通过对原子结构的深入学习，学生要从微观的视角理解原子核外电子的运动特征以及原子核外的电子排布规律，需要在高中必修已掌握的原子结构知识和简单原子结构示意图书写技能的基础上，进一步深化认识原子内核外电子排布的精细结构。以此加深学生对化学反应原理的理解，同时也为学生继续学习元素周期律、化学键等内容打下基础。　　（二）学生的认识障碍学生已经熟悉牛顿经典力学对宏观物体运—５２—实验教学教育与装备研究２０１９年第２期表２　原子核外电子运动科学发现史实与相应概念的关系科学发现史实基本概念上位概念玻尔结构模型氢原子特征光谱及产生机理能层、电子跃迁光谱事实：氢原子、钠原子两根特征谱线间距很小能级德布罗意预言电子的波粒二象性、电子衍射实验、海森堡测不准原理核外电子运动特点薛定谔电子云模型电子云电子云空间伸展方向原子轨道光谱事实：氢原子的电子由２ｐ跃迁到１ｓ时得到两条靠得很近的谱线、泡利原理电子自旋能量最低原理（构造原理）泡利原理洪特规则及特例原子核外电子排布规律核外电子排布式（图）原子核外电子运动状态原子核外电子排布图２　原子核外电子运动知识层级—６２—２０１９年第２期教育与装备研究实验教学表３　原子核外电子运动的学生认识发展进阶原子结构原子核外电子的运动表示方法义务教育阶段［５］［６］原子可以再分，它是由原子核和核外电子构成的。原子核又是由质子与中子构成的。原子核外有很大的空间，电子就在这个空间里做高速的运动。离核近的电子能量低，离核远的电子能量高，核外电子的分层运动又叫分层排布。原子的核外电子层最少有一层，最多有七层。必修阶段［５］［６］原子结构中核电荷数、质子数、原子序数与核外电子数的关系，原子结构与元素性质的关系，原子核外电子排布规律及其与元素周期律的关系，掌握元素、核素、同位素的概念及之间的关系。电子层是核外电子运动的不同区域。各电子层由内至外的序数依次为１、２、３、４等，分别称为Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ等。电子排布规律：由能量低到能量高的层依次排布。各层最多容纳２ｎ２个电子，最外层最多有８个。原子结构示意图选修阶段了解有关核外电子运动模型的历史发展过程，认识核外电子的运动特点。知道电子运动的能量状态具有量子化的特征（能量不连续），电子可以处于不同的能级，在一定条件下会发生激发与跃迁。电子的运动状态（空间分布及能量）可通过原子轨道和电子云模型来描述。电子排布式（图）动状态的描述：运动是有轨迹的，在一定的时间内，总是从起点到终点。同时学生对量子化学及相应数学知识比较欠缺，造成对微观电子运动状态的较难理解。在义务教育阶段原子结构被描述为：以原子核为中心电子在核外绕核运动。因此学生普遍认为电子在核外的运动方式是绕核做圆周运动。中学课本中的原子结构示意图使学生强化了这个思维［７］。在原子结构的学习过程中，需要学生把握核外电子高速运动的能量特征，即核外电子分层运动是按照能量高低及其在一定能量区域出现几率多少来描述的。这是一个思维范式转变的过程，需要实现由“牛顿式思维”向电子运动的“能量式思维”的转变［８］。　　四、发展模型认知的原子核外电子运动单元教学设计　　（一）单元教学整体设计思路以“科学家对核外电子运动的探索”为学习素材，进行高中选修“原子核外电子运动状态”单元教学设计。第１课时：对玻尔模型的学习与质疑（见图３）。学习卢瑟福模型与玻尔模型，学会简单光谱识别，了解能层、能级的划分；通过玻尔模型引入量子化条件摆脱卢瑟福模型的困境，领悟证据推理的过程。图３　“对玻尔模型的学习与质疑（第１课时）”教学思路第２课时：对电子云模型的学习与质疑（见图４）。学习电子云模型，了解从四个方面描述核外电子的运动状态，分析原子结构科学模型建立的过程，领悟其背后所蕴含的思维方法。（二）单元教学主要策略基于本单元的目标定位和内容特点，采取如下教学策略：①概念分散策略。将陌生概念分散在两节课中，沿着原子结构模型发展轨迹，第１课时着重能层、能级等概念，第２课时着重电子云、原子轨道等概念。②证据推理策略。—７２—实验教学教育与装备研究２０１９年第２期选取光谱事实和科学研究史料作为证据进行推理。③讨论反馈策略。让学生充分讨论，不断反馈，测查学生的理解程度，并对学生