如何用探究方法學習物質結構理論

摘要：本文通過對高中化學物質結構理論的探究式教學的研究，探討適合物質結構理論探究式教學模式，并對物質結構理論探究的范圍、方式方法給以論證。

關鍵詞：物質結構 探究 背景知識

【中圖分類號】G633.8【文獻標識碼】B【文章編號】2095-3089(2012)02-0099-01

探究理論認為，那些過難或過于簡單的問題是不適合探究的，也就是說，探究的內容要與探究者的知識背景和探究能力相適應。筆者認為，那些“過難”的問題應包括以下幾個特征：其一，探究者要探究的內容與其原有的知識背景沒有聯系或無法建立起聯系。其二是要探究的內容屬于未知領域的問題，并沒有一些相應的理論探討和實驗驗證。其三是很難獲得有效的數據或證據的支持。

對于這部分的探究，筆者認為，首先應該了解人類歷史上發現物質組成的過程及物質微觀結構模型的演變。對這些知識的探究，其一，可清晰地再現物質結構理論發展的過程，了解物質結構發展的過去和現在，并能預測物質結構發展的前景，從而對物質結構的歷史發展有個總體的把握。其二，通過對物質結構發展歷史的探究，進一步洞察科學家研究科學的方式，即提出模型（假設）→設計試驗→進行論證→不斷改進并完善模型。同時，在這個過程中要熟悉科學家創造、發明的一系列科學方法，而這些方法使試驗的結論更加趨近真相。更為重要的是，在這個過程中，要讓學生體會到科學并不是一成不變的，它也是一個不斷修正、發展的過程。

其次，通過考察原子微觀結構及其構成微粒的演變歷史，可以為學生后面的繼續學習提供探究的信息，為學生在探究這部分內容時提供更多探究信息和探究資料。毫無疑問，隨著實驗手段的發展，人們會探測到更多的有關物質的內部信息?；蛟S對未來進一步發展的物質微觀結構的探索正是因為有了今天學生充滿好奇心的猜想和探究而實現。所以這一部分內容的探究對學習整個物質結構的內容具有重要作用，是引發他們好奇心和探究欲望的重要步驟。建議學生采用合作的方式，用可行的方法來表現物質結構演變的歷史。

在接下來的內容的學習中，筆者認為整個物質結構理論的探究可分為如下幾個部分進行。對波函數的理解及其對其解的應用；化學鍵理論及晶體結構。其中第一個問題是學習物質結構理論的關鍵，若對這一問題不能很好地解答，往往對后面內容的學習造成很大的障礙。下面我們具體分第一部分內容的探究設計。

習慣上，當描述一件事情時，學生往往喜歡用文字或圖畫來表達，這樣顯然更加通俗易懂。但在科學上，常用方程式的形式來表達一個理論。這一點一些學生常常感到抽象且不容易理解。其實我們在學習運動方程的時候就見識過這種情況，對于給定的坐標系，通過方程式的解我們就可以知道某一物體確切的位置，而如果用語言的方式來描述則很難準確地描述出物體運動的情況，但方程式卻能做到這一點。但我們的目的不是要學生去實際地解方程式，而是要學生了解方程式的含義和對這些解的實際意義的認識。而這恰恰是我們要讓學生了解的重點，也是學生要探究的重點。因此，就像宏觀物體遵循牛頓力學，任何光都服從于麥克斯韋方程，同樣，微觀粒子運動狀態均符合薛定諤方程。因此應用該方程對具體體系求解，就能得到微觀粒子的運動狀態。

對于波函數只有一些確定的取值才有合理解，即波函數具有連續性、單值性和有限性的特點。如要滿足上述條件m(磁量子數)只能取0， 1， 2……等值，上述方程才有確定的解。在研究有關角度部分的波函數時，不但有磁量子數m存在，還有角量子數l存在，滿足波函數合理解的條件l=0、1、2、3……，并且根據取值可以得出磁量子數m和角量子數l的關系；在求解徑向部分的函數時，除了角量子數出現，還有主量子數n出現，而且也必須滿足波函數的解的條件，且n=1、2、3……而且n和l也有確定的關系，除此以外，根據波函數得知，一些量子數還與能量有關。通過上面的分析，學生很有可能得出幾個量子數的關系，比如，主量子數與波函數的徑向部分有關，與能量有關；角量子數與徑向分布和角度分布有關，即與電子云的形狀有關；磁量子數與電子云的空間伸展方向有關。

有了上面所述背景知識，我們知道了波函數的解n、l、m的意義，上述三個量子數實際上為人們提供了描述電子蹤跡的參數。接下來的探究任務就是理解n、l、m的含義及其關系，而這是學生要探究的重點。我們的探究任務其一是用現實生活中所熟悉的情景來類比n、l、m的關系；其二是根據泡利原理、洪特規則以及能級交錯的知識，并得出核外電子排布的規律。

在引導學生探究時，要著重體現出學生對三個量子數的理解和對波函數的解的應用。比如有關n、l、m三個量子數與現實情境的類比中，要著重體現三者的本質聯系。如有人用一座建筑來類比n、l、m的關系，如把n類比于一座大樓的層數，而l是每層的單元號碼，m是單元中的房間號。知道了這三個量子數就能確定某個電子的蹤跡。如n=3就說明是第三層樓，而l=0、1、2說明有三個單元，則m=0， 1， 2說明有五個房間。表示如下：

n=3（第三層樓）

φ3，0，0 φ3，1，1 3，1，0 3，1，-1 φ3，2，2 3，2，1 3，2，0 3，2，-1 φ3，2，-2

l= 0（0單元） l= 1（一單元） l=2（二單元）

m=0（一個房間）m=+1，-1，0（三個房間）m=+2，-2，+1，-1，0（五個房間）

如果學生能抓住某些本質關系，使三個量子數完美地結合起來，則說明學生用自己的方式獲得了對這些知識的理解。同時在對元素周期表中元素核外電子進行排布時的評價，要注重評價學生的合作能力以及是否進一步理解了事物運動的特殊性、多樣性，而不是過分地追求是否“準確地”寫出某一元素核外電子排布情況。

通過上面的論述，我們可以看出該部分內容強調學生的自主學習、自我探究的重要性，強調了背景知識的重要性。這是由于人們認識的特點和物質結構理論知識的抽象性特點所決定的。由于現代原子結構理論突破了傳統經典理論而進行了發展，這種改變突破了人們常規的思維模式，是抽象的，不易為人所理解的，這也為人們理解這些問題提出了挑戰。它不但是問題本身的，還有觀念上的。一般地說人們傾向于用傳統思維模式來思考問題，而改變這種思維模式單純地用說教的方式是很難奏效的，最好的方法就是通過與個人經驗有關的積極主動地探究來達到對問題的理解對觀念的更新。因此該學習模式的積極意義就是調動了學生的積極性，通過自我探究來主動獲得對知識的理解。