如何用探究方法学习物质结构理论

时间：2019-05-24 03:23:27　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　摘要：本文通过对高中化学物质结构理论的探究式教学的研究，探讨适合物质结构理论探究式教学模式，并对物质结构理论探究的范围、方式方法给以论证。　　关键词：物质结构探究背景知识
　　【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089(2012)02-0099-01
　　
　　探究理论认为，那些过难或过于简单的问题是不适合探究的，也就是说，探究的内容要与探究者的知识背景和探究能力相适应。笔者认为，那些“过难”的问题应包括以下几个特征：其一，探究者要探究的内容与其原有的知识背景没有联系或无法建立起联系。其二是要探究的内容属于未知领域的问题，并没有一些相应的理论探讨和实验验证。其三是很难获得有效的数据或证据的支持。
　　对于这部分的探究，笔者认为，首先应该了解人类历史上发现物质组成的过程及物质微观结构模型的演变。对这些知识的探究，其一，可清晰地再现物质结构理论发展的过程，了解物质结构发展的过去和现在，并能预测物质结构发展的前景，从而对物质结构的历史发展有个总体的把握。其二，通过对物质结构发展历史的探究，进一步洞察科学家研究科学的方式，即提出模型（假设）→设计试验→进行论证→不断改进并完善模型。同时，在这个过程中要熟悉科学家创造、发明的一系列科学方法，而这些方法使试验的结论更加趋近真相。更为重要的是，在这个过程中，要让学生体会到科学并不是一成不变的，它也是一个不断修正、发展的过程。
　　其次，通过考察原子微观结构及其构成微粒的演变历史，可以为学生后面的继续学习提供探究的信息，为学生在探究这部分内容时提供更多探究信息和探究资料。毫无疑问，随着实验手段的发展，人们会探测到更多的有关物质的内部信息。或许对未来进一步发展的物质微观结构的探索正是因为有了今天学生充满好奇心的猜想和探究而实现。所以这一部分内容的探究对学习整个物质结构的内容具有重要作用，是引发他们好奇心和探究欲望的重要步骤。建议学生采用合作的方式，用可行的方法来表现物质结构演变的历史。
　　在接下来的内容的学习中，笔者认为整个物质结构理论的探究可分为如下几个部分进行。对波函数的理解及其对其解的应用；化学键理论及晶体结构。其中第一个问题是学习物质结构理论的关键，若对这一问题不能很好地解答，往往对后面内容的学习造成很大的障碍。下面我们具体分第一部分内容的探究设计。
　　习惯上，当描述一件事情时，学生往往喜欢用文字或图画来表达，这样显然更加通俗易懂。但在科学上，常用方程式的形式来表达一个理论。这一点一些学生常常感到抽象且不容易理解。其实我们在学习运动方程的时候就见识过这种情况，对于给定的坐标系，通过方程式的解我们就可以知道某一物体确切的位置，而如果用语言的方式来描述则很难准确地描述出物体运动的情况，但方程式却能做到这一点。但我们的目的不是要学生去实际地解方程式，而是要学生了解方程式的含义和对这些解的实际意义的认识。而这恰恰是我们要让学生了解的重点，也是学生要探究的重点。因此，就像宏观物体遵循牛顿力学，任何光都服从于麦克斯韦方程，同样，微观粒子运动状态均符合薛定谔方程。因此应用该方程对具体体系求解，就能得到微观粒子的运动状态。
　　对于波函数只有一些确定的取值才有合理解，即波函数具有连续性、单值性和有限性的特点。如要满足上述条件m(磁量子数)只能取0， 1， 2……等值，上述方程才有确定的解。在研究有关角度部分的波函数时，不但有磁量子数m存在，还有角量子数l存在，满足波函数合理解的条件l=0、1、2、3……，并且根据取值可以得出磁量子数m和角量子数l的关系；在求解径向部分的函数时，除了角量子数出现，还有主量子数n出现，而且也必须满足波函数的解的条件，且n=1、2、3……而且n和l也有确定的关系，除此以外，根据波函数得知，一些量子数还与能量有关。通过上面的分析，学生很有可能得出几个量子数的关系，比如，主量子数与波函数的径向部分有关，与能量有关；角量子数与径向分布和角度分布有关，即与电子云的形状有关；磁量子数与电子云的空间伸展方向有关。
　　有了上面所述背景知识，我们知道了波函数的解n、l、m的意义，上述三个量子数实际上为人们提供了描述电子踪迹的参数。接下来的探究任务就是理解n、l、m的含义及其关系，而这是学生要探究的重点。我们的探究任务其一是用现实生活中所熟悉的情景来类比n、l、m的关系；其二是根据泡利原理、洪特规则以及能级交错的知识，并得出核外电子排布的规律。
　　在引导学生探究时，要着重体现出学生对三个量子数的理解和对波函数的解的应用。比如有关n、l、m三个量子数与现实情境的类比中，要着重体现三者的本质联系。如有人用一座建筑来类比n、l、m的关系，如把n类比于一座大楼的层数，而l是每层的单元号码，m是单元中的房间号。知道了这三个量子数就能确定某个电子的踪迹。如n=3就说明是第三层楼，而l=0、1、2说明有三个单元，则m=0， 1， 2说明有五个房间。表示如下：
　　n=3（第三层楼）
　　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单元） l= 1（一单元） l=2（二单元）
　　m=0（一个房间）m=+1，-1，0（三个房间）m=+2，-2，+1，-1，0（五个房间）
　　如果学生能抓住某些本质关系，使三个量子数完美地结合起来，则说明学生用自己的方式获得了对这些知识的理解。同时在对元素周期表中元素核外电子进行排布时的评价，要注重评价学生的合作能力以及是否进一步理解了事物运动的特殊性、多样性，而不是过分地追求是否“准确地”写出某一元素核外电子排布情况。
　　通过上面的论述，我们可以看出该部分内容强调学生的自主学习、自我探究的重要性，强调了背景知识的重要性。这是由于人们认识的特点和物质结构理论知识的抽象性特点所决定的。由于现代原子结构理论突破了传统经典理论而进行了发展，这种改变突破了人们常规的思维模式，是抽象的，不易为人所理解的，这也为人们理解这些问题提出了挑战。它不但是问题本身的，还有观念上的。一般地说人们倾向于用传统思维模式来思考问题，而改变这种思维模式单纯地用说教的方式是很难奏效的，最好的方法就是通过与个人经验有关的积极主动地探究来达到对问题的理解对观念的更新。因此该学习模式的积极意义就是调动了学生的积极性，通过自我探究来主动获得对知识的理解。

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