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量子力学原子结构模型
学号：
1309210007
本科毕业论文（设计）
（2015届）
量子力学原子结构模型在中学化学教学中的研究
院系化学与化学工程学院
专业化学（专升本）
姓名刘倩
指导教师汪晓波
职称助教
量子力学原子结构模型在中学化学教学中的研究
摘要
初中教师普遍反映对量子力学的教学模块存在一些困难，本文以《量子力学结构》模块为研究载体，通过阅读与量子力学结构相关的文献以及对中学认知水平的了解，从而探讨出适合中学生认知水平的量子力学模块的授课方式。
希望通过此次研究，能够有利于提高教师的教学水平以及有益于学生更好的理解该模块的内容。
关键词：
中学生量子力学教师
ABSTRACT
Juniorhighschoolteachersgenerallyreflecttheteachingmodules,therearesomedifficultiesofquantummechanics,basedonthestructureofquantummechanicsmoduleforcarrier,byreadingtheliteratureassociatedwiththestructureofquantummechanics,aswellasunderstandingofthecognitivelevelofsecondaryschool,toexploresuitableteachingmethodsofstudents'cognitivelevelmodulesofquantummechanics.Wehopethatthisstudycanhelptoimproveteachers'teachingstandard,aswellasbeneficialtothestudentsabetterunderstandingof
themodule'scontent.
Keywords:
quantummechanicsofmiddleschoolstudentsteachers
目录
一前言1
1.1研究背景1
1.2研究的目的和意义2
1.3研究方法2
二量子力学理论基础4
2.1原子结构模型的发展历程4
2.2量子力学理论4
2.3量子力学在中学化学的地位4
三教学案例与学生认知状况分析5
3.1教学案例分析5
3.2学生认知状况分析5
四不足与展望11
参考文献12
一前言
1.1研究背景
1.1.1教育发展的需要
百年大计，教育为本。
教育的发展水平影响着国民素质,教育水平是一个国家是否强大的重要依据,而教师的学科知识水平是一个与教育发展水平直接相关的重要因素。
建设高素质教师队伍,更好的推进新课程改革,进一步提高教育教学质量,提高教师学科知识水平是现代教育发展的要求,也是趋势[1]。
教师自主的学习和补充学科知识，既是教师应该享有的权利，也是教师必须履行的义务。
新时代的教育需求不仅对在职中学教师提出了新的要求,而且对在校师范生的培养自然也有了新的需求。
培养模式,培养内容等都应针对初高中教育的需求进行及时且适当的调整，才能够使师范生以更短的时间适应新课程背景下中学教育教学工作,教育教学质量也会更高,更快的成长成为一名合格的教师。
从而,更好的满足对基础教育的需求,更好的配合新课程改革的实施,为国家和社会培养出更加优秀和全面的人才。
1.1.2对初中化学教师学科知识调查研究的实际背景
本人在实习期间,曾采用访谈的研究方法对“初中化学教师学科知识”做过初步调查,调查对象是已在中学担任化学教师工作的合肥市第四十七中的老师。
本人对调查结果进行整理分析,发现初中化学教师在新课改后对教学方面存在大量困惑,主要存在困惑的方面集中在新课改后学科知识在教学应用方面的困惑。
笔者总结的教学方面的困惑主要有以下几方面:
1.教学设计方面:
①抓不住本节课的教学重点,不能很好的把握考点,对本节课教学内容,中考如何考查不清楚;②怎样在充实课堂内容的同时突出重点内容；③突破难点成问题,抓不住知识的核心本质,往往越讲可能学生越糊涂；④三维目标如何在课堂上体现,尤其是“过程与方法”,“情感态度价值观”存在迷惑,不知如何进行落实；⑤教案的书写缺乏规范,多数出现“设计意图”不知如何书写。
2.帮助学生学习方面：
①在学生学习结果远远低于教师预期达到的水平时,不太清楚怎样有效的帮助学生学习,绝大多数只是一味的重复,而学生仍然处于不能理解的状态。
②需要学生识记的知识,教师多数称其为“需要死记硬背的知识”,缺乏帮助学生识记的简便有效的方法。
学生死记硬背,感觉化学枯燥乏味,失去兴趣。
3.课堂实施教学方面：
①创设情境时,素材选取不当,另外有些教师素材恰当,但不能够很好的运用创设的情景引导学生。
引入不到位,经常不能够将学生的思考引入到思考本节课的重点内容上,出现教师“生搬硬套”的情况,教学效果不理想。
②时间的控制,包括整堂课时间的控制,具体某一部分时间的控制,比如情境引入部分的时间,重点内容讲解和练习的时间,学生活动的时间等。
③课堂总结往往是简单的重复,效果甚微。
除此之外,在课堂习题选取、了解学生情况的前测设置、开展习题课、如何平衡学案和笔记的使用以及如何系统性的进行教学反思等都存在问题与困惑。
而反映出的缺失的绝大多数素质和能力是在高师学习阶段就应具备的。
1.2研究的目的和意义
1.2.1研究的目的
通过以上研究背景和面临的问题,决定了本论文的研究目的为:
1.调查初中化学教师学科教学知识的掌握现状。
2.为高师学校培养化学学科教师教育专业学生提供有针对性的建议。
1.2.2研究的意义
1.通过对初中化学教师学科知识水平存在问题进行分析，为化学教师学科知识水平的发展提供建议，通过调查初中化学教师在化学学科知识水平方面存在的问题，并给出本人的建议，化学教师提高自身素质，完善自我学科知识水平达到自我发展的目的。
2.通过了解初中化学教师在学科知识水平方面存在的问题，给课程培训专家提供培训的内容和依据。
通过问卷调查和初中化学教师自己提出的方案得到初中化学教师在学科知识方面存在的一系列问题，给出一定的解决方案。
3.通过此次的调查研究我们能够进一步掌握初中化学教师的学科知识水平情况，以便于对于化学教师进行有目的的培训。
这样更能够适应新课改的要求，能够有利于新课改的进一步发展与完善，有利于实现新课改的目标，有利于推动中国教育的改革大计。
1.3研究方法
针对教师可能存在的学科知识上问题的情况，本研究主要采用问卷调查法，并辅助比较分析法。
通过对新课程《质量守恒定律》模块知识进行分析，并根据教师学科知识上可能存在问题的几个方面进行分析，进行了调查问卷的编制、发放、回收和处理。
1.3.1文献分析法
通过查阅相关文献（专业理论书籍、报纸期刊、网络资源等）,对新课改后教师学科知识要求提出的背景,内涵和后续发展进行研究,其中查询了中国知网、重庆维普、万方网等中文数据库和WileyonlineLibrary等外文数据库,了解国内外关于化学学科的学科教学知识的研究情况、研究方法以及焦点问题。
为研究初中化学教师学科教学知识提供可靠的理论依据,并且寻找恰当的研究方法及研究工具,以使研究起点明确、依据扎实、结果有效。
1.3.2问卷调查法
化学教学的统领性观念是教师关于化学教学的信念,是化学教师在学教学实践中对化学的教学过程和教学本质的基本看法[2]。
初中化学教师的学科知识将直接影响到教师在化学教学过程中教学内容和教学方法。
也会影响到教师在课堂教学中的重点和程序。
所以,本研究针对“初中化学教师的学科知识”,依据本研究的研究维度并与一线初中化学教师交流探讨后,编制了《初中化学教师学科知识的调查问卷》。
完成调查问卷初稿后,根据化学教育方面专家提出的意见对调查问卷进行了修改,保证本次调查问卷的效度。
并且,采用重测信度法检验调查问卷的信度。
重测信度分析结果显示,各维度及总问卷的相关系数在0.7537-0.8767之间,均呈显著正相关,充分说明此调查问卷前后两次测试的一致性程度比较高,具有好的重测信度。
确保调查问卷的效度和信度,对个别题目的表述进行修改后,最终定稿成为调查问卷,见附录一。
1.3.3课堂观察法
关于“有关学习者的知识”和“关于某一具体课题的教学策略的知识”的部分,本研究采用课堂观察的方法进行调查研究。
“课堂观察”指研究者抱着明确的研究目的,依靠个人的耳朵、眼睛等感觉器官以及录像、录音、观察表、等有关设备的帮助,主要通过直接的方式从教师的现场课堂教学中获取有用信息,并且凭借已获取的信息去进行有关的科学教育研究的一种方法。
笔者认为教学策略涉及内容广泛并且面对现实课堂教学情况教师往往会做出相应的调整,只有深入课堂现场,才能够领会。
笔者不仅到实际课堂听课,并且,对课堂教学录像,进行近一步深入分析。
二量子力学理论基础
2.1原子结构模型的发展历程
18世纪末，英国化学家道尔顿（Dalion，1766—1844年）通过大量实验与分析，认识到原子是真实存在的，并确信物质是由原子结合而成的。
1904年，英国科学家汤姆孙首先提出葡萄干面包原子模型。
1911年，卢瑟福（1897—1937）和盖革（1882—1945）用α粒子轰击金属箔，并用荧光屏记录粒子散射现象的情况。
玻尔理论的要点是：
第一，卢瑟福的新模型是正确的，问题是应指出原子中电子环绕原子核作高速运动时，只能在特定轨道上运动，电子在这样的轨道上运动时不辐射能量。
这时电子所处的状态叫基态。
第二，当电子从离核较远的轨道跳到离核较近轨道时，原子放出能量，并以电磁波的形式辐射出来，辐射能量的大小决定于电子跳跃前后两个轨道的半径。
2.2量子力学理论
第一部分讲述原子核的结构，用生动形象的比喻说明原子核体积很小。
然后以列表的形式给出构成原子的粒子及其性质。
在初中学习的基础上简洁的加以概括。
根据原子不显电性和电子质量很小，可以忽略不计的事实，归纳出两个关系式。
初步介绍的含义。
第二部分讲述原子核外电子运动的特征，重点阐述了电子的运动与普通宏观物体的运动不同，它没有确定的轨道，因而自然引出电子云的概念，给出在通常状况下氢原子电子云示意图。
电子云的概念是本节的一个难点，学生理解起来有困难，因此教材中提供了一段阅读材料，用形象的语言帮助学生理解抽象的概念。
第三部分是原子核外电子的排布。
教材采用学生讨论填表的形式，培养他们的思维能力和学习的积极性。
最后教材给出关于原子结构模型演变的阅读材料，对学生进行化学史教育，同时使他们体会到人类对客观事物的认识是不断深入，不断发展的。
核外电子排布的教学建议
初中已学过一些原子核外电子的排布规律。
在本节的教学中，教师可指导学生研究教材表“稀有气体元素原子电子层排布”，依次根据课本的讨论题组织课堂讨论，引导学生发现规律，并当堂完成表“核电荷数为1～20的元素原子核外电子层排布”、表“核外电子分层排布的一般规律”的填空内容。
“能量最低原理”一词，课本上没有出现，但内容体现了这层涵义。
教师讲课时虽然不必强调这一名词，可是应当讲清“电子总是尽先排布在能量最低的电子层里”，还可以编一些违背“能量最低原理”的原子结构示意图，组织学生辨认、改正。
例如，钠的原子结构示意图写成
，错在哪里？
关于各电子层最多能容纳多少电子的问题，可首先引导学生回忆l～18号元素的原子结构示意图，完成表“核电荷数为1～20的元素原子核外电子层排布”。
在此基础上，组织学生阅读课本的表“稀有气体元素原子电子层排布”，分析稀有气体元素原子的电子层排布情况，得出每个电子层最多容纳
个电子的结论。
具体分析过程建议采用以下表格形式：
为了巩固这一内容，可以编写一些违反各电子层最多容纳
规律的课堂练习。
例如，氯原子结构示意图写成
是否正确？
说明理由。
对于最外层、次外层、倒数第三层最多容纳电子数的讨论，建议结合课本的表5－2由教师设问：
最外层最多能容纳几个电子？
从哪种元素能判断你的结论是正确的？
次外层不超过几个电子？
从哪种元素能判断你的结论是正确的？
进而作出分析归纳。
也应编写一些违背此规律的课堂练习。
核外电子运动特征的教学建议
这段内容很抽象，建议讲课时尽量用直观教具和形象的比喻使抽象的概念具体化。
教学中应当尽力培养学生的空间想象能力、抽象思维能力和科学的分析推理能力。
建议教师在教学中采用“四步走”的方法：
（l）复习初中化学介绍的原子核外电子的运动特征；
（2）揭示核外电子的运动规律；（3）介绍“电子云”；（4）认识氢原子的电子云。
“电子云”的概念比较抽象。
利用一定的教具或用微机制成三维动画进行研究，是一种很好的方法。
参照教材给氢原子照相的方法，将投影片或幻灯片逐张重叠投影或放映出来，也可以达到理想的效果。
应使学生正确理解课本在通常状况下氢原子电子云示意图中的小黑点只是表示氢原子核外的一个电子曾经在这里出现过的“痕迹”，绝不是无数个电子在核外运动的状态。
正确认识原子的构成
原子是物质进行化学变化的最小微粒。
原子有复杂的结构，要求学生学好原子结构要抓住以下三点：
（1）掌握构成原子的三种微粒：
原子由原子核和核外电子构成，原子核在原子的中心，由带正电的质子与不带电的中子构成，带负电的电子绕核作高速运动。
也就是说，质子、中子和电子是构成原子的三种微粒。
在原子中，原子核带正电荷，其正电荷数由所含质子数决定
核电荷数＝核内质子数（Z）
原子是电中性的，质子数与电子数的关系是：
核内质子数＝核外电子数
电子的质量很小，仅约为质子质量的1/1836，原子的质量集中在原子核上，原子核内质子数与中子数之和叫质量数
质量数（A）＝质子数（Z）＋中子数（N）
质子、中子、电子三种微粒的性质、作用和相互关系，可以列表归纳如下：
（2）掌握原子核外电子的排布规律 核外电子绕核运动的特点，可以用“极小的质量（
）”、“极小的运动范围（直径
）”、“极高的运动速度”、“无确定轨道”这四句话来概括，好象是带负电的云雾笼罩在原子核周围，可以形象地称之为电子云。
在含有多个电子的原子里，电子的能量和距离远近不同，分为不同的电子层，离核最近的叫第一层，又称K层；离核稍远叫第二层，又称L层；第三层叫M层；第四层叫N层。
实验证明核外电子最多分为7层。
符号
K
L
M
N
O
P
Q
层数
1
2
3
4
5
6
7
核外电子分层排布的规律是：
①1—4层各电子层（n）最多容纳的电子数目是
②K层为最外层时，最外层电子数不超过两个；其它层为最外层时，最外层电子数不超过8个。
③次外层电子数目不超过18个，倒数第三层电子数目不超过32个。
④核外电子总是尽先排布在能量最低的电子层，只有当能量最低电子层排满后，才由里往外，依次排布在能量较高的电子层里。
要求学生依据上述规律，能够熟练排出1～18号元素的核外电子排布，并准确画出它们的原子结构示意图。
原子核的教学建议
结合初中的知识复习原子结构的有关内容：
原子的构成、原子的特点、原子核的构成以及质子、中子、电子的质量和电性。
然后组织学生阅读教材中“构成原子的粒子及其性质”的图表，归纳出核电荷数与质子数、电子数之间的关系。
通过研究三种粒子的质量，引出质量数的概念，由于电子的质量很小，可以忽略。
因此导出质量数与中子数、质子数的关系。
最后明确
符号的含义，得出组成原子的粒子间的关系：
2.3量子力学在中学化学中的地位
基于对“学科”与“知识”的辨析，本研究中化学教师的“学科知识”应该理解为：
与除初中化学课程内容相关的全部认知和经验[5]。
这其中应该包括：
化学教材所呈现的学科知识包括基础原理、基础理论；与之紧密联系的化学课程理论；知识体系构建中所涉及到的化学史选论；知识载体中所呈现的化学学科学科思想和研究方法等；与生产和社会生活相关的化学基础知识；化学学科与其他学科之间交融的知识体系。
本单元的编排在化学学习中起到承前启后的作用。
在前两个单元中，学生已经认识到了化学世界物质的精彩纷呈，了解到了研究物质的实验方法的多样性。
在这些知识的基础上，通过本单元的学习将学生从宏观的物质世界带入化学的微观世界。
本单元主要介绍了原子结构模型的演变和原子的构成等内容，系统学习原子核外电子排布和元素周期表的知识。
三教学案例与学生认知状况分析
3.1教学案例分析
第1课时
【提问】化学变化中的最小微粒是什么?
【学生回答】原子是化学变化中的最小微粒。
【引出课题】这一节就从探讨原子的结构开始我们的学习。
【点评】开头简洁，直截了当，由初中相关知识提出问题，过渡到原子结构的学习。
【板书】第一节原子结构
【提出问题】原子是化学变化中的最小微粒。
同种原子的性质和质量都相同。
那么原子能不能再分？
原子又是如何构成的呢?
【学生思考、回答】
【媒体显示】利用Flash动画演示卢瑟福的
粒子散射实验
1.实验示意图
2.现象：
【观察、思考】在教师引导下，学生思考下列问题：
（1）绝大多数
粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，原因是什么？
（2）为什么有少数
粒子却发生了较大的偏转？
（3）极少数的
粒子几乎象是被金箔弹了回来，原因是什么？
【讨论】学生分组讨论：
根据
粒子散射的实验现象，学生提出自己的原子结构模型。
并由代表发言。
【归纳、小结】3.卢瑟福的原子核式模型
原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，位于原子的中心；带负电荷的电子在原子核周围的空间做高速运动。
【点评】通过卢瑟福的
粒子散射实验的介绍,由学生提出自己的原子结构模型，使学生实现一种科学探究的体验；了解假说、模型等科学研究方法和科学研究的历程,培养他们的科学态度和科学精神。
学会一种方法：
通过粒子撞击实验，研究微观世界的规律，使人类获得了一种崭新的研究方法。
认识一个规律：
从实践到认识，再实践、再认识……是人类认识发展的必然规律。
【质疑】我们已经知道原子由原子核和核外电子构成。
那么，原子核的内部结构又是怎样的？
电子在核外空间的运动状态又是怎样的呢?
【板书】一.原子核核素
1.原子核的构成，
【媒体显示】原子结构示意图
【学生阅读】
构成原子的微粒--------电子、质子和中子的基本数据：
微粒
电子
质子
中子
质量（kg）
9.109×10－31
1.673×10－27
1.675×10－27
相对质量
0.005484
1.007
1.008
电量（C）
1.602×10－19
1.602×10－19
0
电荷
-1
+1
0
【思考、讨论并提问】
请根据表中所列数据讨论:
1.在原子中，质子数、核电荷数和核外电子数之间存在着什么关系？
为什么？
2.原子的质量主要由哪些微粒决定？
3.如果忽略电子的质量，质子、中子的相对质量分别取其近似整数值，那么，原子的相对质量在数值上与原子核内的质子数和中子数有什么关系?
【教师引导学生小结】
1、数量关系：
核内质子数＝核外电子数
2、电性关系：
原子核电荷数＝核内质子数＝核外电子数
阳离子核内质子数＞核外电子数
阴离子核内质子数＜核外电子数
3、质量关系：
质量数（A）＝质子数（Z）＋中子数（N）
【归纳小结】
如果用
X的形式表示一个质量数为A、质子数为Z的原子，那么组成原子的粒子间的关系可以表达为:
原子
X
【迁移与应用】
1.在科学研究中，人们常用
Cl符号表示某种原子，请你谈谈图中符号和数字的含义。
2.某二价阳离子含有10个电子,12个中子,求质量数。
3.元素R的一个原子，质量数为a，其阴离子Rn-有b个电子，求中子数。
【回顾】元素的种类是由原子核内的质子数决定的。
元素是具有相同质子数（核电荷数）的同一类原子的总称。
【质疑】同种元素原子的质子数相同，那么，中子数是否也相同呢?
【媒体显示】三种不同的氢原子
【比较】三种氢原子结构的异同。
【质疑】它们是不是同一种元素？
【板书】2.核素
核素：
人们把具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子称为核素。
同位素：
质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互为同位素。
【迁移与应用】1．请你描述构成原子的各种微粒与元素、核素间的关系。
2．请你描述元素、核素、同位素间的关系
【媒体显示】元素、核素、同位素三者之间的关系：
元素
同位素
核素1
核素n
…
【拓展与提高】
1．下列各组物质中，互为同位素的是
（A）O2、、O3、O4（B）H2、D2、T2
（C）H2O、D2O、T2O（D）
Ca和
Ca
2．下列说法正确的是
（A）同种元素的质子数必定相同
（B）不同元素原子的质量数必定不同
（C）原子核都是由质子和中子构成的
（D）凡是核外电子数相同的微粒必定属于同一元素
【交流与研讨】
生物体在生命存续期间保留的一种碳原子----碳-14（
C）会在其死亡后衰变，测量考古遗址中发现的遗物里碳-14的数量，可以推断出它的存在年代。
根据课本内容与网上资料：
阐述
C在考古上的应用；列举核素、同位素在生产和生活中的应用。
【点评】通过上网搜集资料，然后分组讨论，让学生参与学习，以达到提高学生学习的积极性，激发学生学习热情的目的。
【简介】
1．放射性同位素用于疾病的诊断
2．放射性同位素用于疾病的治疗
3．未来的能添一一一核聚变能
【点评】本节教材采用问题推进法进行教学，引导学生发现问题、提出问题以激发学生思考，然后，通过看书、研讨、交流等多种方式，寻求问题的解决，探讨问题的结果。
培养解决问题的能力。
第二课时
【复习提问】
1.构成原子的粒子有哪些,它们之间有何关系?
2.为什么原子不显电性?
....
3.为什么说原子的质量主要集中原子核上?
【引言】我们已经知道，原子是由原子核和电子构成的，原子核的体积很小，仅占原子体积的几千亿分之一，电子在原子内有“广阔”的运动空间。
在这“广阔”的空间里，核外电子是怎样运动的呢?
【点评】通过对上节课内容的复习，过渡到新课的引入；由新的问题的提出，给出将要学习的内容，创设一种探究学习的氛围。
【板书】二、核外电子排布
【讲述】电子的运动具有区别于宏观物体的几大特征:
（1）质量很小（9.109×10-31kg）；
（2）带负电荷；（3）运动空间范围小（直径约10-10m）;（4）运动速度快（接近光速）。
因此，电子的运动特征就与宏观物体的运动有着极大的不同一一它没有确定的轨道。
【质疑】我们如何去描述核外电子的运动呢?
【交流与研讨】根据课前搜集的有关资料：
讨论电子在原子核外是怎样运动的?
【简介】原子结构模型的演变
1.道尔顿原子结构模型：
2.汤姆逊原子结构模型:
3.卢瑟福原子有核模型4.玻尔原子结构模型:
【点评】通过原子模型的历史回顾,让学生体验假说、模型在科学研究中不可替代的作用;尝试运用假说、模型的科学研究方法。
【阅读与讨论】学生阅读课本第六页第三自然段，分小组讨论核外电子排布的有哪些规律？
并派代表回答。
【归纳并
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