从波尔到海森堡

黄谦

摘要：基于化学核心素养“教、学、评”一体化理念，以“核外电子的运动”为教学案例，阐述教学设计的思路、教学过程、设计意图和教学反思，实施跨学科教学的研究。

关键词：跨学科教学;“教、学、评”一体化;核心素养;核外电子;教学案例

文章编号：1008-0546（2022）08-0033-05   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.007

一、问题的提出

本学期开始，基于核心素养的高一化学校本课程——《发现不一样的化学》已经在我校高一年级正式开始实施了。虽然教材的初稿早已出炉，但是真正在课堂上落实还是一件大事。第一节课“原子分子理论”纯理论的数据推导让课堂气氛非常沉闷，眼看着几个学生虽然身体坐得還算笔直，可是眼睛已经不自觉地打起了盹，另有几个皮猴子开始开起了小会。显然教材推导还是很不错，但是缺少了具体案例的设计。怎样把学生的积极性调动起来，这是要好好琢磨的。

以上实际包含了教师的“教”和学生的“学”两方面的内容。连接这两方面内容的桥梁就是教学评价。教学评价是高中化学课程实施的重要环节，在课程改革与发展中起着导向与质量监控的关键作用。《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出：化学学习评价是化学教学评价的重要组成部分，对于学生化学学科核心素养具有诊断和发展功能。教师在化学教学与评价中应紧紧围绕“发展学生化学学科核心素养”这一主旨，优化教学过程，有效提高教学质量，发展素质教育，落实立德树人根本任务[1]。

基于学科核心素养的高中化学“教、学、评”一体化课堂教学模式，采用“情境—任务”的形式，将化学

日常学习评价渗透入化学教与学的活动中，将化学知识逻辑、学生认知发展、真实情境与问题、任务与活动、表现与评价五个方面交织和融合。

现以“核外电子的运动”跨学科教学设计为例，在真实情境任务中培养和评价学生的化学学科核心素养，打通从知识技能到能力素养的“教、学、评”一体化的通道。

二、教学设计

1.课标和学情分析

本校本课例来源于人教版（2019）化学必修一第四章“物质结构、元素周期律”、化学选择性必修二“物质结构与性质”模块和物理选择性必修第三册第四章“原子结构和波粒二象性”。化学选择性必修二学业要求：“能说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异。”“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]

本校本课程面对的对象是部分高一学生。高一学生根据自身需求选择适合自己的，并且感兴趣的校本课程。课程开设目的是根据不同学生的学习能力和学科特长，将必修、选修和活动课程结合，在必修化学的基础上适度挖掘知识的广度和深度，满足学生深层次学习需求，发展学生化学学科核心素养。在前一课时原子结构模型的研究过程中，学生已经了解到光谱研究是探索核外电子运动的重要途径。因此，本节课将以原子光谱的相关数据为情境，进行谱线解读、证据推理，由学生自己去发现核外电子运动的特点，理解相应的思维模型。“核外电子的运动”的教学内容和学业要求原来都是针对高二学生，因此在教学中涉及到的“电离能”“光谱实验”“里德伯方程”等概念为真实情境提供给学生，既不加重高一学生的学习负担，又开阔了学生的视野，同时通过陌生情境的分析任务的完成达成了核心素养的发展目标。

2.基于跨学科教学的指导思想

本节课与物理学科有很多交集。打破学科之间的壁垒，培养跨学科思维，要找到化学与其它学科特别是物理、生物学科知识的联结点。在本课中，跨物理学科知识的作用如下：①提供人类对核外电子认识过程的探索历程为本课知识的逻辑线索;②提供真实又陌生的情境和问题，在任务解决中推动认识一步步深入;③引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律，帮助学生拓宽视野，开阔思路。

本课程的重点是培养学生的创造性思维和创新精神。特别注意不要把化学课变成物理课或生物课。必须舍弃那些与化学学科关系不大的量子力学发展史上的人物和事件，突出与原子轨道理论、电子云理论等有更多交集的量子力学内容。人类对核外电子运动的认识过程就是一个不断创新的过程：从原有认识基础构建模型→出现新问题→为解决新问题提出新假说→实验证明→建立新的模型。理清各理论的优、缺点，来龙去脉，让学生明白我们所有关于核外电子的理论都不是凭空想象出来的。每一种核外电子运动模型都有其产生的科学背景和合理性，并且处在不断发展之中。

3.基于“教、学、评”一体化的“逆向教学设计”的思路，在教学设计中首先明确本课的核心素养发展目标，其次围绕核心素养发展目标创设真实且富有价值的问题情境制定评价任务[2]。具体设计流程见图1。

三、教学过程

1.温故知新，通过设疑引入新课

原子看不见摸不着，科学家们在宏观实验现象的基础上，进行证据推理，建立了微观世界的原子结构模型。请同学们根据上一节课学习的内容完成表1：

上面这些结论是同学们在初中或者前面几节课已经学习过的知识：①通过质量守恒定律、定组成定律、倍比定律推导出“原子”的存在;②通过α粒子散射实验推导出卢瑟福核式结构模型;③通过电中性原则推导出原子结构中的数量关系。④但是我们凭什么认为核外电子是分层排布的呢？核外电子分层排布的证据究竟是什么？

设计意图：通过课前提问，达成对学生上一节课知识掌握情况的诊断。通过回顾人类对于原子结构模型建立的证据推理过程，赋予史料证据推理的魅力，促进学生对科学本质的理解。同时，通过提出新的问题，引入本课内容。

2.通过数据分析，寻找核外电子分层排布的证据【情境】元素原子失去一个电子的电离能称为第一电离能，常用符号 I1表示;在此基础上再失去一个电子的电离能称为第二电离能，常用符号 I2表示;依次类推，还有第三、第四电离能等。根据电离能的定义可知，电离能越小，表示在气态时该元素的原子（或离子）越容易失去电子;反之，电离能越大，表示在气态时该元素的原子（或离子）越难失去电子。现测定由Na原子到Ar原子的各电离能的数据，得到表2：

【任务】分析表中数据。同种元素的原子从I1到I7数据不断增大，说明了什么问题？从I1到I7数据不断增大过程中，有没有“反常”情况出现？“反常”情况的出现该如何解释？

（学生分组讨论后，选派代表发言。有的学生对数字不是很敏感，教师可以借助 EXCEL 表格做出图像给予学生更加直观的印象。）

设计意图：“核外电子是分层排布的。”这一知识点同学们初中就已经知道。在这里学生们经历的不是学习知识点的过程，而是正在经历寻找证据的过程。在这里解决问题的方法比记住这些问题的答案更为重要。通过创设对电离能数据分析的真实情境，发展“证据推理与模型认知”核心素养。

3.通过对光谱学事实的分析，亲身经历波尔氢原子模型的建立历程

通过对电离能数据的分析，我们找到了核外电子分层排布的证据。但是历史上科学家们又是如何找到电子分层排布证据的呢？

【情境】氢原子是最轻、最简单的原子，因它的原子核只有一个质子，核外只有一个电子。由此人们研究核外电子运动的规律就从氢原子入手。

（播放氢原子光谱实验的介绍视频。）光谱实验得到一系列按波长次序排列的不连续的线状光谱。

1885年瑞士的一位中学教师巴尔末在观察氢原子的可见光谱数据时，发现谱线的波长符合一个经验公式，后经过里德伯整理形成里德伯方程：v = = RH （ -）式中v 为波数，即波长（λ）的倒数，RH 为里

德伯常数，n1和n2都是正整数，而且n2> n1。

当n1、n2分别取不同的正整数时，理论推导可以得出氢原子的各条谱线。这些谱线很快在科学上得到了证实。

如何解释氢原子线状光谱的实验事实呢？根据卢瑟福的核式模型和经典的电动力学观点，围绕原子核高速运动的电子一定会自动且连续地辐射能量，原子光谱应该是连续的;电子在运动过程中能量逐渐降低，最终一定会坍塌到原子核里。但是事实上，原子并没有毁灭。氢原子的光谱也不是连续的，而是有很多条谱线。

【任务】在科学研究上，有一种很重要的能力就是数据分析和根据事实进行大胆的臆测。n1和n2只是数学公式上的两个不同的正整数。但是为什么作为氢原子物理性质的光谱却会与这样的两个正整数如此匹配呢？这只有一种可能性，即n1和n2一定代表着氢原子中的某种物理性质！它们一定不是两个随意的数字！

请讨论里德伯方程中 n1和 n2都是正整数究竟该如何解释？正整数都是用来计数“物体的个数”，与实际联系的“物体的个数”的意义是什么？

（此处情境信息量大，非常复杂。但是由于有了前面寻找核外电子分层排布证据教学环节的铺垫，学生还是能够推导出此处的正整数就是电子层序数的结论。）

【情境】波尔的氢原子结构模型正是基于这样的推理和假设建立起来的。

假设一：核外电子只能在有确定半径和能量的特定轨道上运动，电子在这些轨道上运动并不辐射能量。

假设二：电子在不同轨道跃迁时，原子会吸收或辐射出光子。吸收或辐射出光子能量的多少决定于跃迁前后的两个轨道能量之差。

【任务】任务一：请运用波尔氢原子理论结合里德伯方程解释氢原子光谱不是连续的而是线状的实验事实。

任务二：霓虹灯管中充入氖气，通电后在电场作用下能够发出红色光。其发光机制与氢原子光谱形成的机制基本相同。请解释霓虹灯发光机理。

（新的情境、新的理论连续叠加，学生的认知会出现障碍。此时教师适时投影图2氢原子能级图，有的学生立刻豁然开朗。）

设计意图：在上述对原子结构的讨论中，不仅仅在于结论本身，更在于得到这些结论的过程。通过对里德伯方程中n1和n2正整数的大胆分析和推测，辅以实验事实为验证，重新经历科学家的发现历程，领悟科学模型建立背后的思维方法，发展“宏观辨识与微观探析”核心素养。

4.在对玻尔原子结构模型质疑的基础上，建立薛定谔量子力学模型

在科学的发展进程中，一个科学理论的形成大多需要经过长时间的经验积累，以及随后更长时间的修正完善。波尔的氢原子结构理论只涉及到核外只有一個电子的情况。如果核外有多个电子又会怎样呢？

【情境】在通常条件下，钠原子中处于n=4的状态上的电子跃迁到n=3的状态时会产生多条谱线;在外磁场存在时，无论是氢原子还是多电子原子的光谱中，原来的一条谱线都可能分裂为多条;在无外磁场的情况下用高分辨光谱仪观察时还发现，氢原子中的电子由n=2的状态跃迁到n=1的状态时得到的是两条靠得很近的谱线[5]。

显然，上述问题只用玻尔原子结构模型是无法解释的。那么，应当如何解释氢原子的光谱和多电子原子的光谱所产生的复杂现象呢？原子中的电子运动状态是否还存在玻尔原子结构模型未能描述的其他量子化现象呢？

【任务】（播放量子力学发展简史视频）。学生分组讨论波尔原子结构模型的局限性究竟是如何产生的？反思原有理论模型的局限，建立新的原子结构模型。

设计意图：波尔氢原子结构理论是在经典物理的基础上加进了一些与经典物理不相容的量子化条件，它本身就存在着不能自圆其说的内在矛盾。要解决这一矛盾，必须跳出经典理论的体系，建立新的理论。通过分析波尔原子结构模型的局限性、建立薛定谔量子力学模型的历史发展脉络，展示人类对核外电子运动的认识过程就是一个不断创新的过程，助力学生形成探索未知世界所必备的品格和关键能力的养成，发展“科学探究与创新意识”核心素养。

5.在对“不确定性关系”理解的基础上，推导出“电子云”的概率表示方法

从对波尔原子结构模型局限性的讨论人们发现：从宏观到微观物质的运动规律发生了深刻的变化，原来适用于宏观物体的运动规律在处理微观粒子的时候已经失效。

【情境】1927年，海森堡提出了“测不准原理”，也叫“不确定性原理”。

量子力学理论指出：质量非常小的微观粒子（如电子）的运动不再服从经典力学规律，而遵循测不准原理。

【任务】理解“不确定性关系”。人类的感知能力从视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等感官来。请完成表5：

用一个通俗的比喻来说明感官是测试的基础。假设人类没有视觉，只有触觉。当我们研究小球运动时，就只能通过“摸”来对小球定位了。当一个很巨大的石球滚动时，我们通过轻轻地触摸，石球的运动轨迹几乎不受影响，我们可以准确而连续地测量一个大石球的位置和速度。但是如果改用一个小钢珠去研究就很困难，因为一旦你摸到了它，它就改变了速度和方向，我们就会“测不准”了。其实用眼睛观察和用手摸没有本质区别，光子就是我们伸出去的小手，只是尺度差得比较大而已。[6]

【情境】量子力学理论指出：“不确定性关系”是适用于所有物质的普遍真理。而“不确定性”是物质的内在本质，与测量技术并无必然联系。宏观物体也有不确定性，只是相对微小，不易察觉而已。我们对“客观世界”的所有的理解能力，就来源于我们的感官。当微粒接近电子尺度后，我们形成经典物理概念的感官基础不复存在，世界开始变得怪异而混沌，不再是清晰稳定而连续，这就超出了经典物理的边界。

量子力学中轨道的含义与玻尔原子轨道的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。在这里只是借用了这个名词。

【任务】讨论该如何描述核外电子的运动状态。（学生分组讨论后，选派代表发言，拿出解决方案）

设计意图：通过对“不确定性关系”的理解和认识，体验人类理解能力的经典物理的边界，发展“变化观念与平衡思想”核心素养。通过讨论从经典的物理学运动公式，到运用统计的方法描述电子在核外空间的概率分布规律，提供了新的理论解决的思路和方法，发展“科学探究与创新意识”核心素养。

6.通过了解量子力学在现代生活和技术中的应用，体现学科价值

【任务】阅读量子力学的应用资料。

量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。

①量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。

②量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。

③量子力学推动了固体物理的发展。如大规模集成电路“芯片”。

所有的精密测量，都必定涉及到量子力学。在这种意义上，几乎所有的现代技术，都多多少少用到了量子力学。

设计意图：量子力学理论已经诞生一百多年了。从物理角度来说，它在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注;从现实角度来说，它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步。然而不可思议的是，它的基本观点和假说至今没有渗透到大众的意识中去。通过对量子力学在工程技术上的应用介绍，打通物理和化学的跨学科认知，体现学科价值，发展“科学态度与社会责任”核心素养。

四、结语

开展基于学生化学学科核心素养发展的课堂教学，对化学教师的专业素养提出了更高的要求。教师不仅要深入掌握化学学科知识，还要做好跨学科知识的储备。主动探索“素养为本”的有效课堂教学模式和策略，加强对化学学科思维方式和方法的理解和运用，将“素养”“情境”“问题”“知识”四个关键要素紧紧联系起来，从重视学科知识学习的角度向重视学生能力与素养的角度进行升级。

最后特别想表达一下这门高一化学校本选修课的核心思想：我们正在经历的不是学习知识点的过程，而是正在经历探索知识诞生的过程。在这里研究的方法比具体的知识点更重要。有很多知识在必修课堂没法讲，在选择性必修课堂又似乎离开高考远了而不屑于讲。可是我又特别想和学生一起分享我的一些想法和心得，做点“低效率”的事，这实在是一件很有意义的事情。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2] 张顺清. “教、学、评一致性”与“教、学、评一体化”的起源和含义[J]. 中学化学教学参考，2019（7）：4-5.

[3] 武汉大学，吉林大学.无机化学 上册（第三版）[M]. 北京：高等教育出版社，1994：111.

[4] 華彤文，杨骏英，陈景祖，刘淑珍. 普通化学原理（第二版）

[M]. 北京：北京大学出版社，1993.

[5] 陈光巨，魏锐，王磊. 普通高中教科书. 化学：物质结构与性质（选择性必修2）[M]. 济南：山东科学技术出版社，2019.

[6] 曹天元. 上帝掷骰子吗？量子物理史话[M]. 北京：北京联合出版公司，2013.