從波爾到海森堡

黃謙

摘要：基于化學核心素養“教、學、評”一體化理念，以“核外電子的運動”為教學案例，闡述教學設計的思路、教學過程、設計意圖和教學反思，實施跨學科教學的研究。

關鍵詞：跨學科教學;“教、學、評”一體化;核心素養;核外電子;教學案例

文章編號：1008-0546（2022）08-0033-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.007

一、問題的提出

本學期開始，基于核心素養的高一化學校本課程——《發現不一樣的化學》已經在我校高一年級正式開始實施了。雖然教材的初稿早已出爐，但是真正在課堂上落實還是一件大事。第一節課“原子分子理論”純理論的數據推導讓課堂氣氛非常沉悶，眼看著幾個學生雖然身體坐得還算筆直，可是眼睛已經不自覺地打起了盹，另有幾個皮猴子開始開起了小會。顯然教材推導還是很不錯，但是缺少了具體案例的設計。怎樣把學生的積極性調動起來，這是要好好琢磨的。

以上實際包含了教師的“教”和學生的“學”兩方面的內容。連接這兩方面內容的橋梁就是教學評價。教學評價是高中化學課程實施的重要環節，在課程改革與發展中起著導向與質量監控的關鍵作用?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》指出：化學學習評價是化學教學評價的重要組成部分，對于學生化學學科核心素養具有診斷和發展功能。教師在化學教學與評價中應緊緊圍繞“發展學生化學學科核心素養”這一主旨，優化教學過程，有效提高教學質量，發展素質教育，落實立德樹人根本任務[1]。

基于學科核心素養的高中化學“教、學、評”一體化課堂教學模式，采用“情境—任務”的形式，將化學

日常學習評價滲透入化學教與學的活動中，將化學知識邏輯、學生認知發展、真實情境與問題、任務與活動、表現與評價五個方面交織和融合。

現以“核外電子的運動”跨學科教學設計為例，在真實情境任務中培養和評價學生的化學學科核心素養，打通從知識技能到能力素養的“教、學、評”一體化的通道。

二、教學設計

1.課標和學情分析

本校本課例來源于人教版（2019）化學必修一第四章“物質結構、元素周期律”、化學選擇性必修二“物質結構與性質”模塊和物理選擇性必修第三冊第四章“原子結構和波粒二象性”?；瘜W選擇性必修二學業要求：“能說明微觀粒子的運動狀態與宏觀物體運動特點的差異。”“能說明建構思維模型在人類認識原子結構過程中的重要作用，能論證證據與模型建立及其發展之間的關系?！盵1]

本校本課程面對的對象是部分高一學生。高一學生根據自身需求選擇適合自己的，并且感興趣的校本課程。課程開設目的是根據不同學生的學習能力和學科特長，將必修、選修和活動課程結合，在必修化學的基礎上適度挖掘知識的廣度和深度，滿足學生深層次學習需求，發展學生化學學科核心素養。在前一課時原子結構模型的研究過程中，學生已經了解到光譜研究是探索核外電子運動的重要途徑。因此，本節課將以原子光譜的相關數據為情境，進行譜線解讀、證據推理，由學生自己去發現核外電子運動的特點，理解相應的思維模型?！昂送怆娮拥倪\動”的教學內容和學業要求原來都是針對高二學生，因此在教學中涉及到的“電離能”“光譜實驗”“里德伯方程”等概念為真實情境提供給學生，既不加重高一學生的學習負擔，又開闊了學生的視野，同時通過陌生情境的分析任務的完成達成了核心素養的發展目標。

2.基于跨學科教學的指導思想

本節課與物理學科有很多交集。打破學科之間的壁壘，培養跨學科思維，要找到化學與其它學科特別是物理、生物學科知識的聯結點。在本課中，跨物理學科知識的作用如下：①提供人類對核外電子認識過程的探索歷程為本課知識的邏輯線索;②提供真實又陌生的情境和問題，在任務解決中推動認識一步步深入;③引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其變化的規律，幫助學生拓寬視野，開闊思路。

本課程的重點是培養學生的創造性思維和創新精神。特別注意不要把化學課變成物理課或生物課。必須舍棄那些與化學學科關系不大的量子力學發展史上的人物和事件，突出與原子軌道理論、電子云理論等有更多交集的量子力學內容。人類對核外電子運動的認識過程就是一個不斷創新的過程：從原有認識基礎構建模型→出現新問題→為解決新問題提出新假說→實驗證明→建立新的模型。理清各理論的優、缺點，來龍去脈，讓學生明白我們所有關于核外電子的理論都不是憑空想象出來的。每一種核外電子運動模型都有其產生的科學背景和合理性，并且處在不斷發展之中。

3.基于“教、學、評”一體化的“逆向教學設計”的思路，在教學設計中首先明確本課的核心素養發展目標，其次圍繞核心素養發展目標創設真實且富有價值的問題情境制定評價任務[2]。具體設計流程見圖1。

三、教學過程

1.溫故知新，通過設疑引入新課

原子看不見摸不著，科學家們在宏觀實驗現象的基礎上，進行證據推理，建立了微觀世界的原子結構模型。請同學們根據上一節課學習的內容完成表1：

上面這些結論是同學們在初中或者前面幾節課已經學習過的知識：①通過質量守恒定律、定組成定律、倍比定律推導出“原子”的存在;②通過α粒子散射實驗推導出盧瑟福核式結構模型;③通過電中性原則推導出原子結構中的數量關系。④但是我們憑什么認為核外電子是分層排布的呢？核外電子分層排布的證據究竟是什么？

設計意圖：通過課前提問，達成對學生上一節課知識掌握情況的診斷。通過回顧人類對于原子結構模型建立的證據推理過程，賦予史料證據推理的魅力，促進學生對科學本質的理解。同時，通過提出新的問題，引入本課內容。

2.通過數據分析，尋找核外電子分層排布的證據【情境】元素原子失去一個電子的電離能稱為第一電離能，常用符號 I1表示;在此基礎上再失去一個電子的電離能稱為第二電離能，常用符號 I2表示;依次類推，還有第三、第四電離能等。根據電離能的定義可知，電離能越小，表示在氣態時該元素的原子（或離子）越容易失去電子;反之，電離能越大，表示在氣態時該元素的原子（或離子）越難失去電子。現測定由Na原子到Ar原子的各電離能的數據，得到表2：

【任務】分析表中數據。同種元素的原子從I1到I7數據不斷增大，說明了什么問題？從I1到I7數據不斷增大過程中，有沒有“反?！鼻闆r出現？“反?！鼻闆r的出現該如何解釋？

（學生分組討論后，選派代表發言。有的學生對數字不是很敏感，教師可以借助 EXCEL 表格做出圖像給予學生更加直觀的印象。）

設計意圖：“核外電子是分層排布的?！边@一知識點同學們初中就已經知道。在這里學生們經歷的不是學習知識點的過程，而是正在經歷尋找證據的過程。在這里解決問題的方法比記住這些問題的答案更為重要。通過創設對電離能數據分析的真實情境，發展“證據推理與模型認知”核心素養。

3.通過對光譜學事實的分析，親身經歷波爾氫原子模型的建立歷程

通過對電離能數據的分析，我們找到了核外電子分層排布的證據。但是歷史上科學家們又是如何找到電子分層排布證據的呢？

【情境】氫原子是最輕、最簡單的原子，因它的原子核只有一個質子，核外只有一個電子。由此人們研究核外電子運動的規律就從氫原子入手。

（播放氫原子光譜實驗的介紹視頻。）光譜實驗得到一系列按波長次序排列的不連續的線狀光譜。

1885年瑞士的一位中學教師巴爾末在觀察氫原子的可見光譜數據時，發現譜線的波長符合一個經驗公式，后經過里德伯整理形成里德伯方程：v = = RH （ -）式中v 為波數，即波長（λ）的倒數，RH 為里

德伯常數，n1和n2都是正整數，而且n2> n1。

當n1、n2分別取不同的正整數時，理論推導可以得出氫原子的各條譜線。這些譜線很快在科學上得到了證實。

如何解釋氫原子線狀光譜的實驗事實呢？根據盧瑟福的核式模型和經典的電動力學觀點，圍繞原子核高速運動的電子一定會自動且連續地輻射能量，原子光譜應該是連續的;電子在運動過程中能量逐漸降低，最終一定會坍塌到原子核里。但是事實上，原子并沒有毀滅。氫原子的光譜也不是連續的，而是有很多條譜線。

【任務】在科學研究上，有一種很重要的能力就是數據分析和根據事實進行大膽的臆測。n1和n2只是數學公式上的兩個不同的正整數。但是為什么作為氫原子物理性質的光譜卻會與這樣的兩個正整數如此匹配呢？這只有一種可能性，即n1和n2一定代表著氫原子中的某種物理性質！它們一定不是兩個隨意的數字！

請討論里德伯方程中 n1和 n2都是正整數究竟該如何解釋？正整數都是用來計數“物體的個數”，與實際聯系的“物體的個數”的意義是什么？

（此處情境信息量大，非常復雜。但是由于有了前面尋找核外電子分層排布證據教學環節的鋪墊，學生還是能夠推導出此處的正整數就是電子層序數的結論。）

【情境】波爾的氫原子結構模型正是基于這樣的推理和假設建立起來的。

假設一：核外電子只能在有確定半徑和能量的特定軌道上運動，電子在這些軌道上運動并不輻射能量。

假設二：電子在不同軌道躍遷時，原子會吸收或輻射出光子。吸收或輻射出光子能量的多少決定于躍遷前后的兩個軌道能量之差。

【任務】任務一：請運用波爾氫原子理論結合里德伯方程解釋氫原子光譜不是連續的而是線狀的實驗事實。

任務二：霓虹燈管中充入氖氣，通電后在電場作用下能夠發出紅色光。其發光機制與氫原子光譜形成的機制基本相同。請解釋霓虹燈發光機理。

（新的情境、新的理論連續疊加，學生的認知會出現障礙。此時教師適時投影圖2氫原子能級圖，有的學生立刻豁然開朗。）

設計意圖：在上述對原子結構的討論中，不僅僅在于結論本身，更在于得到這些結論的過程。通過對里德伯方程中n1和n2正整數的大膽分析和推測，輔以實驗事實為驗證，重新經歷科學家的發現歷程，領悟科學模型建立背后的思維方法，發展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養。

4.在對玻爾原子結構模型質疑的基礎上，建立薛定諤量子力學模型

在科學的發展進程中，一個科學理論的形成大多需要經過長時間的經驗積累，以及隨后更長時間的修正完善。波爾的氫原子結構理論只涉及到核外只有一個電子的情況。如果核外有多個電子又會怎樣呢？

【情境】在通常條件下，鈉原子中處于n=4的狀態上的電子躍遷到n=3的狀態時會產生多條譜線;在外磁場存在時，無論是氫原子還是多電子原子的光譜中，原來的一條譜線都可能分裂為多條;在無外磁場的情況下用高分辨光譜儀觀察時還發現，氫原子中的電子由n=2的狀態躍遷到n=1的狀態時得到的是兩條靠得很近的譜線[5]。

顯然，上述問題只用玻爾原子結構模型是無法解釋的。那么，應當如何解釋氫原子的光譜和多電子原子的光譜所產生的復雜現象呢？原子中的電子運動狀態是否還存在玻爾原子結構模型未能描述的其他量子化現象呢？

【任務】（播放量子力學發展簡史視頻）。學生分組討論波爾原子結構模型的局限性究竟是如何產生的？反思原有理論模型的局限，建立新的原子結構模型。

設計意圖：波爾氫原子結構理論是在經典物理的基礎上加進了一些與經典物理不相容的量子化條件，它本身就存在著不能自圓其說的內在矛盾。要解決這一矛盾，必須跳出經典理論的體系，建立新的理論。通過分析波爾原子結構模型的局限性、建立薛定諤量子力學模型的歷史發展脈絡，展示人類對核外電子運動的認識過程就是一個不斷創新的過程，助力學生形成探索未知世界所必備的品格和關鍵能力的養成，發展“科學探究與創新意識”核心素養。

5.在對“不確定性關系”理解的基礎上，推導出“電子云”的概率表示方法

從對波爾原子結構模型局限性的討論人們發現：從宏觀到微觀物質的運動規律發生了深刻的變化，原來適用于宏觀物體的運動規律在處理微觀粒子的時候已經失效。

【情境】1927年，海森堡提出了“測不準原理”，也叫“不確定性原理”。

量子力學理論指出：質量非常小的微觀粒子（如電子）的運動不再服從經典力學規律，而遵循測不準原理。

【任務】理解“不確定性關系”。人類的感知能力從視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等感官來。請完成表5：

用一個通俗的比喻來說明感官是測試的基礎。假設人類沒有視覺，只有觸覺。當我們研究小球運動時，就只能通過“摸”來對小球定位了。當一個很巨大的石球滾動時，我們通過輕輕地觸摸，石球的運動軌跡幾乎不受影響，我們可以準確而連續地測量一個大石球的位置和速度。但是如果改用一個小鋼珠去研究就很困難，因為一旦你摸到了它，它就改變了速度和方向，我們就會“測不準”了。其實用眼睛觀察和用手摸沒有本質區別，光子就是我們伸出去的小手，只是尺度差得比較大而已。[6]

【情境】量子力學理論指出：“不確定性關系”是適用于所有物質的普遍真理。而“不確定性”是物質的內在本質，與測量技術并無必然聯系。宏觀物體也有不確定性，只是相對微小，不易察覺而已。我們對“客觀世界”的所有的理解能力，就來源于我們的感官。當微粒接近電子尺度后，我們形成經典物理概念的感官基礎不復存在，世界開始變得怪異而混沌，不再是清晰穩定而連續，這就超出了經典物理的邊界。

量子力學中軌道的含義與玻爾原子軌道的含義完全不同，它既不是圓周軌道，也不是其他經典意義上的固定軌跡。在這里只是借用了這個名詞。

【任務】討論該如何描述核外電子的運動狀態。（學生分組討論后，選派代表發言，拿出解決方案）

設計意圖：通過對“不確定性關系”的理解和認識，體驗人類理解能力的經典物理的邊界，發展“變化觀念與平衡思想”核心素養。通過討論從經典的物理學運動公式，到運用統計的方法描述電子在核外空間的概率分布規律，提供了新的理論解決的思路和方法，發展“科學探究與創新意識”核心素養。

6.通過了解量子力學在現代生活和技術中的應用，體現學科價值

【任務】閱讀量子力學的應用資料。

量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。借助量子力學，人們深入認識了微觀世界的組成、結構和屬性。

①量子力學推動了核物理和粒子物理的發展。

②量子力學推動了原子、分子物理和光學的發展。

③量子力學推動了固體物理的發展。如大規模集成電路“芯片”。

所有的精密測量，都必定涉及到量子力學。在這種意義上，幾乎所有的現代技術，都多多少少用到了量子力學。

設計意圖：量子力學理論已經誕生一百多年了。從物理角度來說，它在科學家中間引起了最為激烈的爭議和關注;從現實角度來說，它給我們的社會帶來了無與倫比的變化和進步。然而不可思議的是，它的基本觀點和假說至今沒有滲透到大眾的意識中去。通過對量子力學在工程技術上的應用介紹，打通物理和化學的跨學科認知，體現學科價值，發展“科學態度與社會責任”核心素養。

四、結語

開展基于學生化學學科核心素養發展的課堂教學，對化學教師的專業素養提出了更高的要求。教師不僅要深入掌握化學學科知識，還要做好跨學科知識的儲備。主動探索“素養為本”的有效課堂教學模式和策略，加強對化學學科思維方式和方法的理解和運用，將“素養”“情境”“問題”“知識”四個關鍵要素緊緊聯系起來，從重視學科知識學習的角度向重視學生能力與素養的角度進行升級。

最后特別想表達一下這門高一化學校本選修課的核心思想：我們正在經歷的不是學習知識點的過程，而是正在經歷探索知識誕生的過程。在這里研究的方法比具體的知識點更重要。有很多知識在必修課堂沒法講，在選擇性必修課堂又似乎離開高考遠了而不屑于講。可是我又特別想和學生一起分享我的一些想法和心得，做點“低效率”的事，這實在是一件很有意義的事情。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2] 張順清. “教、學、評一致性”與“教、學、評一體化”的起源和含義[J]. 中學化學教學參考，2019（7）：4-5.

[3] 武漢大學，吉林大學.無機化學 上冊（第三版）[M]. 北京：高等教育出版社，1994：111.

[4] 華彤文，楊駿英，陳景祖，劉淑珍. 普通化學原理（第二版）

[M]. 北京：北京大學出版社，1993.

[5] 陳光巨，魏銳，王磊. 普通高中教科書. 化學：物質結構與性質（選擇性必修2）[M]. 濟南：山東科學技術出版社，2019.

[6] 曹天元. 上帝擲骰子嗎？量子物理史話[M]. 北京：北京聯合出版公司，2013.