专题一原子结构相关概念的学科及教学研讨科学概念与教学设计的时代性

高中化学远程研修专题一:原子结构相关概念的学科及教学研讨——科学概念与教学设计的时代性主持人：魏锐北京师范大学化学教育科学研究所场内嘉宾：李宗和北京师范大学结构化学教授赵河林山西大学附属中学王秀忠山东省实验中学1、引入专题主题主持人：从今天开始，我们就进入物质结构与性质模块的探讨，首先，我们进入专题一原子结构相关概念的学科及教学研讨。在高中化学新课程当中，把物质的结构和性质作为一个单独的模块列入选修课程当中，那我们为什么把物质的结构和性质作为一个单独的模块呢？也就是说在化学科研的发展进程中，有关物质结构和性质的研究对我们学生有哪些意义呢？请李宗和教授谈谈。2、专家谈学科知识的意义及核心概念李宗和：现代化学的任务是发现和制备新物质，发现新性能的物质具有一定的不确定性，即随机性。制备新性能的物质就显得尤为重要。结构化学的基本理论可以帮助预见新性能的物质，例如C60家族是在1985年发现的，但是早在1973年苏联的两位学者以及1980年美国的两位学者先后发表了C60的分子轨道能级，成为发现C60的先导，结构化学的基本理论对于制备新性能的物质具有一定的指导意义。分子设计担当了此任务。结构化学是现代化学的重要组成部分，也是现代无机、现代有机、医学、生命科学、材料科学、环境科学、能源科学以及信息科学的理论基础，中学设立物质结构及性能这门课是非常必要的，有利于他们去攀登科学的高峰，也有利于他们从事各项工作。在现代化学当中，有两个基本的概念，一个是量子，一个是轨道。量子是指什么呢？指的是物理量的变化是不连续的，轨道不是我们平常理解的轨迹，而是一系列连续运动的状态，是粒子运动状态的真实存在。主持人：赵老师你好，你给我们老师一起来介绍一下在化学课程标准当中，对于中学化学学习阶段，需要建立哪些基本概念？赵和林：各位老师，大家好。正如刚才李教授所讲的，物质结构与性质这门课对于中学生来讲是非常重要的。从学科角度来讲，对价层电子对互斥理论做出重要贡献的加拿大化学家著名化学家吉利斯皮（RJGillespie）指出六种化学基本概念为“化学中的主要观念”，构成了现代化学的基础。这六种化学基本概念为：原子、分子、离子；微粒间的相互作用，如化学键，分子间作用力；分子的几何形状；三维化学；动力学理论；化学反应；能和熵。在吉利斯皮指出的六种化学主要观念当中前三条都与我们的物质结构与性质这个模块密切相关，也是出于学科这样的考虑，国家在课程标准里面对物质的结构与性质也有相应的定位。物质结构与性质这个模块有四个主题：原子结构与元素的性质；化学键与物质的性质；分子间作用力与物质的性质；研究物质结构的价值。在主题一中，涉及到的核心概念有：能级、跃迁；原子轨道、电子云；电离能、电负性。在主题二中，涉及到了比较多的概念，比如：离子键、共价键、配位键、金属键；σ键和л键、键参数；分子构型、手性分子、等电子原理；离子晶体、晶格能；金属晶体的基本堆积模型；原子晶体。在主题三中，主要涉及到的是：分子间作用力；氢键；分子晶体。在主题四中，也涉及到了一些核心问题，比如：原子结构与元素周期系；研究物质结构的基本方法和实验手段；探索物质结构的价值。那么应该说，主要的概念主要是从三个角度来划分的，第一个角度也可以叫第一个维度，是微粒水平。第二个角度是微粒间的相互作用，第三个角度是物质的构成方式。那么说这样的基本概念，相对于我们的传统教材应该说有很多的补充，那么有些老师也讲，一些大学的概念下放到了高中化学教材里面，那么是不是这样的下放是不是不合理呢？我想我们大家要从世界课程改革的视角来看待这样的一个问题，从全世界的课程标准或者教材来看，在结构与性质这个模块里面都有最近几年都有较大的发展的确很多大学的化学概念下放到了高中阶段，这也是历史的趋势和必然。比如我介绍美国科学课程的标准涉及到的一些概念，我们来看。比如有，能级、量子数、原子轨道、电子云、构造原理、元素性质、元素周期律和周期表；化学键、氢键和分子间作用力、分子极性、共振结构、偶极距、杂化轨道理论和VSEPR理论；堆积模型、晶胞、离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体等。所以从这样一个角度来考虑，我们应该从世界课程改革的视角来看待我们国家的课程改革。那么这样的一个改革是符合历史的趋势的。主持人：王老师你好。关于这些核心的概念，你还有什么补充的没有？王秀忠：简单说一点。两位老师都从比较高的视角和世界的角度谈了下这个模块出现的必要性。我感觉这些概念非常多，我们需要不需要掌握，需要不需要给学生落实，我谈一点自己的感受，就是按需分配。如果这个东西为我们的认识目标是有需求的，或者是有必要性的，我们要提，而不管这个概念是大学里边讲的还是高中里边讲的。比如说量子力学的结构模型的四个量子数的提出可能会存在一些争议。我想如果出现了这个东西，对我们后续要解决的电子排布问题是不是有一点支撑？如果不学这个，不了解这个，而在认识这些问题，那我们应该怎样去思考，这个比较值得我们去关注。再一个，我们在日产生活中，认识物质的话，我们直接运用的可能是分子层面或者晶体层面。而我们对于晶体层面的认识关键的是它的基本构成微粒以及微粒之间的相互作用，而这种相互作用是不是要考虑到分子层面呢？而这种相互作用，比如说共价键形成问题，是不是必须要用到要讲的原子结构问题，所以我们在引导学生认识问题的时候，我们还是要多考虑下这些概念的必要性，从而来思考它该不该出现，出现到什么一种程度，一种什么层次。主持人：谢谢王老师。感谢刚才的几位嘉宾的介绍，让我们对物质的结构与性质这个模块整体的情况有了一个了解。在这个专题当中，我们就聚焦到一个概念，就是原子结构的问题。我们想它不仅是个基本的概念，还对后续学习有铺垫性的作用。但是在概念教学当中，以及学生的学习当中，会存在很多的困难。不管是哪个版本的教材，通常原子结构都是排在前面的，它为后面的学习搭建一个基础平台。但是在教学过程以及学生的学习过程当中都可能遇到各种各样的问题，我们老师也会存在各种各样的问题和错误认识，由此，就值得我们对这些问题进行反思：到底应该给学生介绍到什么程度，我们教到什么程度。在这些反思之前，我们更核心地关注一个问题，是我们作为老师而言，怎样来理解这些问题，怎么来理解这些概念。如何科学地来看待原子结构模型，如何科学地理解原子结构相关系的科学概念。然后我们自己再去思考怎样去提取对学生发展而言更重要的，再去转化为教学。这个专题我们就从这些基本概念入手，探讨这些概念应该如何理解。请李老师谈下，既然我们都认为原子结构是一个非常重要的概念，原子结构的假说的提出在历史上是十分重要的，你能给我们分享一下它的意义在哪里么？李宗和：有关原子的问题在公元前400年希腊的哲学家就提出了物质的最小微粒是原子，它的提出使人们对事物的认识更深化了一步。在1803年道尔顿把原子的概念引入到化学当中，建立了原子模型，40年后提出了分子学说。这样，原子、分子论就提出来了。这样对事物的认识就出现了三个层次，一个是原子层次，一个是分子层次，最后就是聚集态形式。我们的教材就是从这三个层次来讲这个问题的。在1903年，汤姆逊又发现了电子，1911年卢瑟福用α粒子衍射实验提出了原子结构模型。这些都使人们进一步认识到原子是可以再分的，物质是可以无限再分下去的。人们对事物的认识进一步深化，越来越科学化。原子结构模型的建立应该说在卢瑟福的时候就给我们打下了很好的基础。1913年，玻尔根据氢原子的光谱然后提出了原子核最外层电子排布的模型，这个模型使我们进一步认识原子。到20世纪20年代的时候，又建立了量子力学模型，量子力学模型的建立使我们对原子的认识、电子的认识进入了一个新的阶段，而且是个飞跃的阶段。这样一来，这种化学认识奠定了现代化学的基础，使现代化学进入了用数学来描述的阶段，成为了一个有预见性的科学。这门科学建立以后，原子结构模型建立之后，使人们可以预见一个新物质的发现。比如可以预见新物质的性能、结构、包括键长、键角、二面角，它可以预见在一定条件下发生化学反应的产物以及产率，同时可以设计一个化学反应发生时的条件和催化剂的使用。这门学科还能提供较为合理和产率较高的合成路线。所以现代化学已经进入到了现在从实验逐渐走向数学化的阶段，为人们的预见打下了一个新的基础。这样在化学领域，人们就从必然王国向自由王国迈进，使化学更好地造福于人类。赵和林：正如刚才李教授所讲，20世纪原子结构的发现为现在的化学奠定了非常重要的基础。原子结构的相关内容促进了整个20世纪自然科学的发展，我想我们在学习原子结构的时候，我们各位老师应该有对原子结构学科定位的概括。一般认为原子结构在20世纪的影响主要集中在以下几个方面。第一，原子结构的发现对自然科学研究的思维方法有重大影响；第二，对人类认识微观世界的认识方式和理论的影响；第三，对微观世界的结构的奥秘以及结构与性质关系的揭示；第四，对人类认识微观世界的技术发展的影响等等。主持人：从刚才两位老师的讨论当中，我想值得我们关注的两个关键词，第一个是模型，提到原子结构是一个模型和假说，第二个是模型是逐渐发展的。我想这对于我们的教学是非常有意义的，我们的教学是一个科学学习活动过程，不是直接灌输式地交给学生相应的概念，我们应该让学生了解这些概念是怎么来的。那么对于原子结构模型的发展，其中起到了一个推动性作用的事件就是原子光谱。那么，于是就有老师借助原子光谱的事实进行教学设计。那好，我们一起来分享一个教学案例。3、王丽老师借助原子光谱的教学片断及专家点评老师：漂亮的彩虹和精彩的焰火，这些五颜六色的光都因为科学家揭示了原子结构的一些问题而揭示了它们其中的秘密，这些我们最后都明白了是电子在运动的过程中有能量的变化而使我们看到了五颜六色的光。在电子运动过程中产生的这些光线我们叫光谱，太阳光谱是七色的，彩虹就是太阳光谱，它包含了所有波长对应的光。我们在学习的过程中观察到很多种金属元素在火焰上灼烧的时候会显示出特征焰色。为什么每种金属显示出各种不同的焰色呢？那么除了金属以外，其他元素是否能产生类似的光谱呢？今天我们就从最简单的元素，氢原子的光谱开始了解电子运动的状态。这是一幅氢原子的光谱图，同时我画了一个氢原子的原子结构示意图。在这个光谱图中，它对应的有四条谱线，这四条谱线说明了，根据科学家给我们的观点，说明了氢原子的核外电子的运动时要往外辐射能量的。这个能量是从哪来的？是什么样的过程使它辐射能量？它的能量为什么是一条一条一定波长的光来体现的呢？我们来看下这个演示过程。当电子在固定的轨道上运动的时候是不会向外辐射能量的，如果我给电子一定的能量的话这个时候，电子就会跳到更高的一个能层上，这个过程我们成为电子的跃迁。在这个过程中，电子吸收了能量，所以电子的能量升高了，可是电子在这个高能量状态的时候它不稳定，还会跃迁到这个低能量的状态。那我们看到的这个谱线是电子在高能量状态跃迁回低能量状态时放出的能量。这个能量是对应一定波长的光，所以这一种跃迁就对应了一条谱线。那同学又会产生一个疑问了：氢原子核外只有一个电子，它为什么会产生多条谱线呢？而且我这里截取的还仅仅是氢原子在可见光谱范围内的谱线就已经有四条，结合我刚才说的和这幅图示，看看是不是能想一想，为什么这个氢原子能产生多条谱线。右侧的图里面，标示了n=1,2,3……，这里n代表了电子层，我用红圈标示了四种跃迁，这四种跃迁就是上面可见光区对应的四条谱线，通过这个你是否能看出来，它为什么会产生四条谱线？你来说说。学生：跨越的电子层数不一样。老师：你说下这四条谱线都是怎么跃迁的呢？学生：第一条是从第三层跃迁到第二层，第二条是从第四层跃迁到第二层。老师：所以氢原子只有一个电子，但是在被激发以后它的不同原子的电子可以跳到不同能层上，不同能层再往回跃迁的时候，就辐射不同的能量。科学家玻尔也是依据以上事实和分析，最早提出了原子核外电子是分层排布的。这也就是原子量子化的最初说法。到现在，我们用来描述电子能量大小已经不是这一个量子数了，我们把它称为主量子数，当它取值不同的时候，就具有不同的能层。在我们同学探究和明白了氢原子的光谱以后，我们再选一种大家熟悉的原子。比如说Na原子，大家想想Na原子的光谱应该是怎样的？这幅图上面一幅就是Na的光谱图，看看跟你们想的一样么？那你就对比这个氢原子光谱和Na原子光谱，你看看有哪些异同？同时对于这幅图，你有哪些疑问？主持人：王老师你好，看完刚才的案例，你能不能从教学的角度进行点评。王秀忠：对于这个问题，老师们可能都有自己的看法。比如老师认为教学目的就是玻尔模型的建立，我可以把玻尔模型直接呈现出来，它有三个要点，既快又准，还能够节约时间。像刚才的教学设计当中，王老师设计的一个案例。她是从光谱引出了波尔模型，针对这种情况来说，它会多消耗一些时间。我们静下心来想想，这两种处理方式，哪一种更好呢？更容易在学生那里落实到能力的培养。我么可以直接给出结论，但是孩子们要这个结论有什么用。而在实际教学过程中，我们要让学生知道这些结果是怎样出来的。将来遇到一些陌生问题的时候，他们应该怎样思考。我们可以引导学生，玻尔为什么会提出一种量子化的模型，他实际上是在一种不得以的情况下提出的，他要解释这种光谱现象。这是化学一种非常重要的发展模式和思维模式，这起到了很好的教育意义。赵和林：正如刚才王老师所说的那样，原子结构教学中的确存在一些问题。一方面是直接给知识，不给过程，忽略了原子的能量观。为什么在教学过程中要体现过程和能量观？我应该从这几个方面来认识：第一，作为新课程，要求包含了三维目标，既要有知识技能，又要有过程方法，还要有情感态度价值观，如果我们的教学设计光体现知识的结构，那么这样的话很难展现它的过程方法，和对学生情感态度价值观的教育。原子结构这个知识体现了对学生思维方法的教育，而思维方法最大的敌人是结论，结论如果给得太快或者说不清楚过程而直接给出结论，那么必然成为思维的敌人。从知识的产生角度来讲，任何知识都是动态的，由其产生过程、发展变化过程。我们通常只注意知识的结果，而忽略知识的产生和发展的过程。光有知识的结果而没有知识的过程，学生难以体会到知识的意义和价值，那么不会对化学产生本质的一种兴趣。从教育意义上，我们也无法做到三维目标的意义，也难以培养学生的创新精神，学生也感受不到科学家创造过程，而在创造过程当中体现的是科学方法、科学态度和科学精神。所以，我们非常赞同王老师的课堂设计，她是要展现过程的，不仅仅是告诉玻尔的原子模型。两外一个，在体现光谱教学的过程当中，也体现了原子的能量观，这种能量观对今后的学习是非常有价值和意义的。比如元素的性质、电离能的大小，及其变化规律与原子结构的能量观有密切的关系。化学键的形成，元素周期表的结构也与能量观有密切的关系，再说到物质的宏观结构、晶体结构，比如晶体结构的成因，以及晶体结构的性质，比如晶格能等等，也与能量观密切相关。所以能量观在高中化学3中师很重要的观念。在原子结构这里就开始体现能量观，应该说老师是很有思想的。4、专家释疑主持人：我们接下来把这个讨论进一步拉回到学科概念当中。在这个教学片断当中以及在我们对原子结构教学当中，体现了量子化的思想，对于什么是量子和什么是量子化，我们很多老师是存在许多模糊的认识的。李老师你能不能给我们解释一下什么是量子和什么是量子化？李宗和：微观粒子和宏观粒子的运动是不一样的。微观粒子能够体现出粒子性和波动性，在波粒二象性这个方面体现得很明显。这时候微粒的运动状态和宏观物质的差别很大，它的运动状态的变化伴随着物理量的变化，物理量的变化是不连续的。比如说，微观粒子运动的时候能量的变化是不连续的，角动量的变化是不连续的。这种物理量不连续的变化的最小单位就叫量子。一系列物理量的不连续变化就叫量子化。比如说状态的变化使能量一次次变化，这些变化不连续，那它就是能量量子化；角动量的一系列变化是不连续的，就叫角动量量子化。其实我们现实生活当中，这种不连续的状况是经常变化的，比如说上个台阶，它就是量子化的，每个台阶的高度就是一个量子。再比如说，人民币也有一个最小的单位，这个最小单位是一分钱，这个一分钱就是一个量子。比如太阳光是由一系列光子组成的，每个小的光子的能量都不一样，一个光子就是一个量子。主持人：对于原子结构认识而言，量子化是一个非常重要的概念。在这个模型发展的过程中，通过光谱玻尔提出他的模型，通过光谱的分裂来说明能量的量子化。如何通过玻尔模型进一步发展，如果借助光谱的证据再进一步发展原子结构模型呢？我们来观看一个教学的片段。5、赵和林老师教学片断及专家分析赵和林：玻尔理论只是解决了氢原子光谱的问题，我们不能只拿一个电子的原子光谱来说明它就是完全正确的，还要经受其它实验的考验。我们来看多电子光谱对玻尔理论提出的挑战。看屏幕，对于氢原子电子从n=4的电子层跃迁到n=3的电子层时会有一条谱线，但是，对于多电子而言（如Na）电子从n=4的电子层跃迁到n=3的电子层时会出现多条谱线。玻尔理论能不能解释多电子原子的光谱实验呢？这个光谱多条谱线的背后，又隐藏着什么样的信息呢？我们应该用什么样的手段来探寻这后面的秘密呢？这些都是给我们提出来的问题，我们这节课就要来研究研究这样的问题。我想大家都想知道这谱线背后的秘密。请大家交流：多电子原子中的电子从nx→ny产生多条谱线的可能原因？请提出你的假说。我也希望同学们也走走前面科学家走过的道路。四个同学作为一个小组进行讨论6-7分钟，然后请小组代表发言。学生：我认为时同一层电子之间的能量具有差异，因而产生多条谱线，很有可能电子对电子有影响，假说可能是电子层里面含有小电子层，每一层电子之间具有差异。老师：你们这组来说说。学生:我认为电子与电子存在一定的相互作用，还有就是电子层之间还有小的电子层，3和3,4和4是不一样的。老师：怎么理解3和3,4和4是不一样的？学生：同样是第三层存在能量的要求，第四层也存在能量的差异。老师：你们再来说说。学生：我们跟他们的意见差不多，电子的第三层和第四层可以往下继续细分，比它小的电子层的能量都不一样，所以可以产生很多谱线。第二就是，多电子的电子与电子之间存在相互作用，造成谱线更多。老师：你们再来说说。学生：电子每一层都是不一样的，每个层中的每个电子都是不一样的，具有的能量都是不同的，这可能也是造成谱线多的原因。还有就是，每层中可能有更细的分层。老师：我们来总结下。首先的话，我觉得大家都能找到一个关系，就是谱线和能量的关系，以前我们认识原子核外电子没有能量观，但是经过上节课的学习能够用能量观来认识电子。那也就是说每一条谱线对应一定的能量，一种电子跃迁，这样多条谱线就对应了多种能量差，也反映了电子的多种跃迁。刚才大家都提到了同一电子层中的电子的能量可能不相同，存在能量的细分。还有他们有很贵的一点，还抓住了对比，一个是一个电子还有一个是多个电子，认识到了电子与电子之间相互的影响，可能造成同一电子层里的电子的能量有差异。实际上，这种差异是存在的。玻尔模型之所以能够解释氢原子光谱是不是因为氢原子简单啊？不存在多电子的相互作用。看来多电子原子的确对玻尔模型提出了挑战。我们就来想一个问题，既然电子能级的细分能够来解释多电子的情况，而这种细分也反映了多电子原子中电子的运动的区域。那么我们就要考虑了，用玻尔模型中一个量子数n还能不能很好地表征这种能量的细分。因此，玻尔模型经不起多电子原子的挑战，就退出了历史舞台。20世纪20年代新建立起来的量子力学理论在玻尔模型的理论基础上完全遵循了微观粒子所具备的特点，那就是微观粒子具有波粒二象性。而宏观物体主要表现粒子性。主持人：刚才我们看到了赵老师关于模型进一步发展的教学片断。赵老师，你给我们介绍下你自己是怎样进行教学设计的？你在设计这个教学案例的时候有哪些思考？赵和林：在这么一个教学案例的设计中，我首先考虑了这几个方面。第一就是，在现在的教学中存在一些问题。比如，第一，重结果轻过程，忽视光谱实验在原子结构产生过程中的意义，不能在过程中体现实验、模型的科学方法。我们在众多的教学课例当中可以看到原子结构的课堂教学有时萎缩为1到36号元素基态原子核外电子排布的教学。那么这样的原因，有的老师会想高考不考，那么高考考核什么，我们就讲什么。高考考核的是1到36号元素基态原子核外电子排布或者价电子排布，那么我就只讲这样的排布模型。让学生记住排布模型，就可以完成考试的要求。第二个问题就是有时候对核外电子运动规律的教学有时候过于科普化，这样的科普化不能带来对电子运动的真正理解，使学生无法摆脱学生对原子结构层的认识。这样就容易使学生失去迁移和理解的价值，所以原子结构的教学内容要体现量子化的思想，又在不能介绍波动方程的前提下，要重视实验这条途径，从光谱实验出发，帮助学生揭示电子运动的能量观，提升学生的认识能力和水平。正是基于这样的思想，我设计了从玻尔模型建构到量子力学模型建构的过程，在玻尔模型的建构过程中，有科学实验、假说和模型，那么是光谱实验反映了原子结构的一定特征。有了光谱实验以后，光谱实验反映出核外电子排布的一个模型，那么玻尔是怎样解决的呢？他提出了一个解说，这样的假说是用量子化的假说，并且用一个量子数n来表征能量的量子化。一方面得出了电子量子化的模型，一方面也解释了氢原子光谱问题。但是，玻尔的话呢，他的原子结构模型不能解释多电子光谱实验。多电子原子反映出来的光谱现象更为复杂，这样就促使学生来思考，为什么对多电子原子来讲从一条轨道跃迁到另一条轨道会产生多条谱线。这样的话，是不是也反映着原子的特点，反映着电子运动的特点。那么说光谱实验同样也是在反映原子结构的特征，特别是核外电子运动的特点。这样的话，玻尔的一个量子数就无法圆满地解决这样的问题，这样就引出20世纪20年代量子力学的诞生。那么量子力学的诞生，促使产生更多的量子数。更多的量子数就可以用来表征电子层能量的细分。电子层能量的细分进而解释多电子原子的光谱问题。所以在实验、假说和模型这样三个维度里边，由于实验反映了原子结构，又用假说合理地解释了结构和光谱，那么这个过程就体现了原子结构建构过程中的能量观。这样的能量观是通过实验、假说和模型三维互动来实验的，并不是直接告诉学生能量观。我通过这样的教学设计，让学生的认识能力得到提高，真正认识到能量观的价值和意义。王秀忠：赵老师的这个教学设计，我觉得整个设计充分考虑了学生的认知发展。再一个，确实体现了人类认识原子机构的逻辑顺序。这个地方我们首先是通过光谱发现了问题，比如在玻尔那里也是，他不是主动的提出这个观念，而是遇到了问题，发现氢原子的光谱是线状而不是连续的，而去解释这样的问题，从而提出了假说，这样的假说被证实，形成一种模型。而这种模型只是解释了氢原子光谱是一种线状光谱，而没有去深化解释复杂的，包括氢在内。而这些现象的存在又督促人类对这个问题的认识更进一步的深化，赵老师在这个课上提出来了，也就是量子力学的结构模型。这既遵守了学生的认知发展，又遵循了人类对这个问题的认识顺序。我认为是非常好的。主持人：在刚才的两个案例当中，我们看到证据和假说之间的关系，体现了假说之间的发展，那么在历史发展的当中，也就呈现了课上所说的玻尔模型和量子力学模型。我这里回到学科概念上，想请问李老师，您能不能给我们介绍一下这两种模型在发展前后，它的概念和模型的主要差异是什么呢？李宗和：玻尔模型是从氢原子光谱提出来的，然后为了解释氢原子光谱的事实，提出了这样一个概念。光谱是分级的，是不连续的，就必然要涉及到一种轨道，电子在这样的一个运动状态下是一个能量，在另外一个状态下是另外的能量。能量的不连续性就设计出来了，这种设计完全是认为的。但是这种设计又不能解释很多的原子光谱，比如氢原子光谱的复杂性，也不能解释其他原子的光谱现象。还想按照经典力学的观点去讨论问题，低粒子运动的轨道，任何物质运动都有轨道，还是按照这个想法去走，都有一个轨迹。因此后来就有索末菲的经典理论，又提出来什么椭圆轨道，圆的轨道啊，各种各样的原子轨道，然后再继续解释问题。最后在完全碰壁的情况下，人们才想到走另外一条路，因为科学的发展不是非得直线行进，它有可能从另外一个分支，另外一个思想，另外一个角度来研究和发现这个问题。人们发现了光具有波粒二象性，那么电子也有波粒二象性，是不是在想，在研究物质是不是具有普遍规律，是不是都具有波性和粒子性。有的为什么波性突出，有的粒子性突出，那就再研究一下，所谓的粒子性是指物质本身的重量、体积和其他物质的相互作用，它就体现出了。波性呢，是指在传播的过程中遇到一些小的狭缝出现了干涉现象和衍射现象，绕射等等。研究后人们就发现，比如像电子它具有一定的粒子性，要形成波性就要创造一种条件，这种条件需要一种细小的狭缝。只有一些体积比较小，运动速度比较快的物质通过狭缝的时候才显示波性。原子和分子中的电子，质量比较小，运动速度高，运动的区域也很小，它的粒子性和波动性就完全体现出来了。于是人们从这种思路中建立了量子力学模型。用这种模型虽然没有去研究氢原子光谱，也没有研究多电子光谱，也没研究其他光谱，但是用它却解决了氢原子、多电子光谱。在思维的过程中，可能遇到各种各样的问题，所以不要死走到底。6、学科知识的理解误区及释疑主持人：这样是不是说，科学家的认识经历了一个非常大的变革。从经典的宏观的物体的有规律的有形的行动作为类比，然后又从波动的角度进行思考，它涉及到一种认识方式的转变。我想像刚才李老师所说的，从波动性的角度来理解微观粒子的运动状态，对我们而言是非常困难的，在我们的理解过程当中，也肯定会有很多的困扰，存在一系列认识上的误区。王老师能不能给我们介绍一下，通常我们在理解这个问题上我们存在哪些误区？王秀忠：量子力学中涉及到的轨道跟玻尔模型中的轨道容易混淆，认为是一回事，这些在我们教学活动中可能存在，这些在我们的学生中也可能存在。因为它是一个词表示出来的，可代表的含义可能不一样。比如体现原子结构的电子云问题，电子云中的小黑点到底代表了什么含义？有的老师可能就认为代表了一个电子，还有的进一步的话，认为是电子曾经出现过的位置，等等这些都存在认识上的误区。我们想作为老师来引导学生进行学习的时候，存在如何回避的问题。赵和林：刚才王老师谈到了中学生在认识原子核外电子运动的一些误区，应该说核外电子运动的特点是原子结构教学最核心的部分。而这个最核心的部分是由两部分构成的，一个方面是构建学生的能量观，另一个方面就是学生要用一种微观的、统计的思想、概率的思想来认识核外电子的运动特点。因为是从宏观到微观，所以涉及到了人的认识方式的转变，我们实际上因为微观粒子的运动特点，微观粒子运动特别快，远远又看不见，所以我们通常看到的是宏观物体的运动特点。那我们自然而然的，在学习微观粒子的特点的时候，就用认识宏观物体的方式来认识微观粒子的运动特点。那么这样的话就在轨道、连续等等认识观上存在误差。在一项关于高中生使用教材以后，核外电子运动状态的相关概念的研究中发现，有百分之六十多的学生认为共用电子对就是对特定电子存在于两个原子核之间，它不会到别的地方去。多达百分之七十的学生认为对电子的运动状态有强烈的轨道观念，认为电子总是沿着某种固定轨迹周期性运动的，那么日常生活中，物质的运动总是会形成轨道的经验被广泛运用到微观世界当中。从科学的发展来看，从卢瑟福模型到玻尔模型，到量子力学模型，这样的发展是个革命性的变化。特别是量子化思想的提出，这在当年对许多科学家来说都是难以理解的，因此这样的教学在学生的心目中产生这样或那样的问题，这是正常的。但是我们的教学的核心是什么呢，就是在必修的基础上，在学生错误认识的基础上，转变学生的旧有观念，树立较为科学的观念。主持人：感谢二位给我们分享了教学中常见的一些错误认识，也调查了学生存在的一些错误概念。我们把两个问题分开来讨论，一个是我们应该给学生建立怎样的认识和观念，这可能是存在教学难度的，因为考虑到学生当前的水平，他能接受到什么样的程度。再一个，作为老师，我们自己应该怎样去看待原子的相关概念，我们自己应该怎样去理解。接下来我跟各位老师一起来分享一个调查结果。这个结果很有意思，使我们针对4000多名中学老师做的一个调查，是通过网络的形式的调查，然后它反映出对于原子结构我们自己怎么去理解原子结构，就有很多的有意思的想法和结论。那我么来一起看一下这个调查。我们的问题式这样设置的，给出的第一个问题是：原子的形状是什么样的，是球形对称的吗？A.是（22.07%），B.不是（77.57%）。第二个问题：选择上述选项的理由是？A.电子在核外做圆周运动（7.51%）；B.圆周运动的轨道可以有不同的取向（19.24%）；C.有的电子轨道是正圆的，有的是椭圆的（7.25%）；D.电子运动用波动方程描述，像波一样振动（22.69%）；F.以上皆不对（8.63%）；G.说不清楚（11.62）。针对这个问题，李老师能不能给我们以指导。李宗和：既然在原子当中、分子当中，电子的波动性显得突出，因此我们不能用准确的位置跟动量来描述，我们就用一个函数来表示，这个函数就是波函数，来表达它自己的运动方式。对于任何一个单个粒子的用波函数来表示的就叫轨道。所以说在那么小的范围内，速度又快，又具有波动性，干涉和衍射现象非常强，它不可能在一个小的轨迹上做运动。这种运动情况下，我们用轨道来描述，而不是轨迹。轨迹是指某一个时间就对应一个位置，而轨道呢，是指运动状态是怎样的。是不是把这样两个概念建立起来后，老师们就好了，学生也就慢慢明白了。主持人：那我接着在追问你一个操作性的问题，比如说我们在提到了轨道的能量是量子化的，这样就有各种各样的图示来表示轨道的能量。比如说有的图示里s轨道和p轨道的能量是相同的，有的图里又是不同的，那我们又如何去理解这样的轨道能级图，以及氢原子和多电子原子的能级顺序是完全一样的么？以及能量是完全一样的么？李宗和：不一样，原因在什么地方呢？氢原子一个电子，一个核。它是两个微粒间的相互作用，没有第三者参加。而多电子原子当中，或者分子当中，它就变了，电子之间有相互干扰，和单个电子相比，它就要综合考虑三体问题，这就跟两个不一样了。它的能量肯定会发生变化。原子轨道的定义是这样的，把原子中的每一个电子看成在核和其他电子平均作用下进行运动的。分子轨道也是一样定义的。主持人：刚才您的介绍，我们就可以体会到一些宏观的类比是存在问题的，比如把轨道想象成能量确定的一些台阶，这个就确定了，不同的原子，电子数不同，就依次填充在确定的能量台阶里面，就像我们的楼梯一样，那么这样的理解是存在问题的。李宗和：不管是1s轨道中的电子，还是2s中的电子，还是2p中的电子还是其他层的电子，他们都有可能在整个分子中运动。测不准嘛，只不过是在某个区域内出现的几率大或者小，比如1s在靠核的区域出现的几率大一点，它并不等于在其他位置不出现。比如2p吧，在1s这个位置吧，也出现，在2s、3d的地方也出现。测不准就是只知道它出现的几率，而不知道它确切的位置。任何一个电子的运动都充满了真个空间，不管是在s轨道、p轨道还是d轨道，都是充满了整个空间，仅仅是在某个区域出现的几率大，某个区域出现的几率小而已。主持人：在使用能级的图示的时候，我看到有的图示表示s跟p的能量是一样的，有的又不是一样的。那么这样的图示是针对什么样的原子呢？李宗和：对于氢原子来说，氢原子无论是在什么s轨道、p轨道、d轨道，在n2相同的轨道上它的能量都相同。那也就是说，氢原子的2s、2px、2py、2pz的轨道能量都相同，所以电子出现的几率应该是各自都相同。就氢原子来说3s、3p、3d这样的几个轨道的能量也都相同。主持人：这样我们就不难理解，如果我们讲单电子运动特点，讲氢原子的能级图，如果主量子数n相同，那么这些轨道的能量就是相同的，当引入多电子之后，电子之间的相互影响，能级就会发生裂分。赵和林：所以从实验光谱的角度来看，为什么氢原子光谱非常的简单，而多电子原子的光谱相对就要复杂。而玻尔的研究首先也是从氢原子这样一个简单的光谱入手的。主持人：这样从整个系统来看待原子。尽管我们解析的时候把模型进行简化，把它拆分成各种不同的轨道，每个轨道填充多少电子，但是它实际上是一个整体的体系。王秀忠：这个跟物化上体系和环境类似，我选取这个对象为研究对象的时候，其他的都作为环境来考虑。主持人：既然你谈到体系的问题，我想接着再追问李老师。比如我们在教学中涉及到电离能的问题，涉及到哪个电子先被电离出来，我们会简单的看做是电子填充在不同的能量阶梯上，能量高的就先电离出来。那么电离能就相当于那个轨道的能量。对于这个问题我们应该怎样看呢？李宗和：其实电离能相当于被电离电子所在能量的负值。电离的时候，哪个先电离出来，靠什么呢？靠你外界打它，看你打什么，你用多大能量就能打出相应能级的电子，所以现在有紫外光电谱，还有一个sps光电能谱，我就打2s、2p和1s，不打其他的，电离的就是它。赵和林：李老师，中学教学里边还有这样一个问题。有的老师会认为到，在讲到基态原子电子排布的问题，比如第四周期，我们先排的是4s轨道的电子，然后再排3d轨道的电子，那么这个电子在电离的时候失去，它又是怎样的一个顺序呢？王秀忠：我插一句，刚才魏老师提到了这个问题，对于排布，我们的理解不一定是正确的，这种排布不是人为排布的，但是现在我们的理解是人为的排布。电子在里边存在的每一种状态是客观存在的，不是我们假想的时候，一个个塞进去的，先排1s，再排2s。李宗和：一定要弄清这个问题，它是最外层电子排布，比如说，我有两个电子，排了1s，排了2s，第三个电子排谁呢，先进了两个之后，再说第三个，说的是最外层电子排布。并不是所有电子的排布顺序都是这个顺序。主持人：也就是说假如新的电子之后，整个体系的微粒数增加了，它会对整个顺序产生影响。李宗和：所以你在排布电子的时候试这么来填的。书上一再讲最外层电子的排布顺序是怎么怎么样的，这是根据什么呢？一方面是根据，现在能根据计算，以前都是根据光谱实验来完成的。赵和林：认识这个电子的排布与电离能，都要有一个系统观，不能局部去认识。主持人：在刚才那个题目当中，我去掉了一个选项，我把这个选项补充出来展示给各位老师。刚才那个题目：原子的形状是什么样的，是球形对称的吗？选不是的比是的要多出很多。去掉的选项是这样的，E.p轨道的形状为“哑铃”形，叠在一起不是球对称（22.69%）。我们又做了进一步的调查，对于2p轨道电子，若图中的红色曲线表示电子概率密度（电子出现的机会大小）相等的线（类似于地理上的等高线）。您认为以下图形哪个可能更正确？A17.31%B7.15%C64.23%D.以上皆不对（1.98%）E.说不清楚（8.97%）。针对这个调查，李老师您给我们解析下这三个图形具体表达了什么样的含义，以及p轨道之间是什么样的关系，到底原子是不是球对称的？李宗和：A是就电子分布几率来说的，A图对。B图是角度分布图，是用角函数做出来的，C图是用角函数的平方做出来的。对于一个电子的出现几率来说，应该是一个整体的，包括两部分，一部分是径向部分，一部分是角度部分，而且是整个的平方，即波函数的平方。所以A对。主持人：这样我们看来，我们用这个图形，它其实是有一个界面的。我们来看下是不是可以用其他的模型来表达p轨道之间的关系。在这里，我展示了另外一种表达的方式，请大家看屏幕，左边表达了s轨道是一个球对称的，我们看到它的电子云分布没有一个截然的界面，抽象出来用一个实线表示。右边是p轨道的电子云分布，我们也用实线表示，可以看到在实线的内部出现的机会是比较大的，在线的外部出现的机会会小很多，但是不代表电子只出现在线内部或者沿着线运动。通过这两种电子云的表达方式，我们再把不同的轨道叠加在一起，我们看看它能形成什么样的形状。这个小点的图是1s轨道的电子云的图形表示，可以看出1s轨道是呈球形对称的，然后2s也是球形对称的，但是2s的半径会比1s大很多。我们接着看2p，2p就有取向了，它的半径跟2s比较相近，但是是有取向的。但看一个p轨道是不呈球形对称的。如果把两个p轨道叠加在一起就形成了轮胎的形状。如果垂直与直面还有第三个p轨道，三个p轨道叠加在一起，就是一个球形结构了。我们在接着看，3s也是球形对称的。3p是有取向的，另外一个3p也是有取向的，两个3p加在一起是轮胎形状，如果加上第三个3p轨道，也应该是球形对称的。那么在几个图形当中，我们通过s和p轨道的叠加，都说明了电子在核外的分布是球形分布的。那我再问下李老师，在我们看到的图形当中有d轨道图形，d轨道的花瓣就更多了，而且有5个d轨道，这5个轨道如果我们要让它叠加在一起的话，它也是球形对称的吗？李宗和：肯定是。主持人：那我接着再问您一个问题，在这个模型当中，我们用小点表示了电子云，表示了电子分布的一个情况，这样在我们的教材当中也会给学生呈现电子云的图形，也会呈现电子轨道的图形，那么我们应该如何理解电子云模型呢？它的这个点是什么含义呢？李宗和：什么是电子云呢？原来的概念是这么说的，电子云是几率密度的一种表示方法，几率密度大的地方我们把点弄多点，几率小的地方我们把点弄少点，黑点多是说明电子在这个地方出现的几率密度大，黑点是代表几率密度的，而不是代表电子本身。用黑点表示出电子出现的几率之后，像空中的云，所以人们取名为电子云。赵和林：那李老师，我想提一个问题。现在的教科书上都有电子云图和原子轨道图。这两个图有什么样的物理意义，在今后的使用当中应该如何使用。比如化学键，我们是应该看成原子轨道的组合，还是电子云的重叠？李宗和：好。第一个要讲的，什么是轨道呢，是电子的运动状态，它具有波动性，就不能用位置和动量来描述，用波函数来描述，现在我们画的轨道图，是那个波函数的函数值，是波函数的函数图象，并不是电子运动的函数图象。几率密度也一样，是波函数绝对值的平方的图象，一定把这个问题跟另外的一个问题分开了。第二个要讲的是，在形成化学键的时候，电子是在轨道上运动的，你用什么来描述呢？你得用波函数来描述它。在研究化学键和分子形成的时候，说的是轨道的重叠，这种重叠还有一个特性，如果是相同符号的重叠，它的波动性增加，如果是相反符号的重叠，它的波动性减小或者相互抵消。在波动性增加的地方形成化学键，在波动性减小的地方不能形成化学键。对于两个轨道相互重叠，重叠之后有一个重叠积分，这个重叠积分的绝对值的平方就是电子出现的几率密度。主持人：您提到了不确定性，提到了用波函数来进行描述，我想每位老师都想知道科学发展到今天，到底电子是怎么运动的？现在的科学进展有哪些新的结论么？王秀忠：我们想知道它有没有一个真实的运动的轨迹。能不能表达？李宗和：就现在来说，我们不能准确说有还是没有，今天提出的量子力学模型解决了绝大部分实验事实，不仅能解释实验事实，还能预见实验事实，具有绝大部分的合理性。是不是还有不合理的地方呢？这也有可能，我们算的能量未必就跟实验相符，那还有待于人们新的观察，新的认识，新的探讨。不要以为到了今天，量子理论就非常完备了，是不是还有其它的？是，还有，比如英国有个应变量理论，它说就能找到轨迹。还有多宇宙理论，平行宇宙，哪个对都要靠实验来验证。主持人：这也反映了科学的魅力所在，也是科学教育的魅力所在。科学教育不是告诉学生科学家很伟大，解决了很多问题，而是对一个未知的世界提出各种各样的猜想。这些猜想会遇到各种挑战和问题。我们的孩子如果能知道这些，就会去探索未知的奥秘。在前面分析的案例当中，我们就是从光谱的案例当中来进行引入和讨论，作为认识原子结构的证据，来建立原子结构模型。但是很多老师在教学过程当中，很多老师都会让学生用一个图像来进行分析，图像也是比较的抽象和困难。我们能不能用形象化的手段，实验的手段来表示呢？我们一起来分享一个案例。7、王澜获奖的教学片断及专家分析王澜：欢迎大家进入物质结构与性质模块选修阶段的学习。我们今天上第一节原子结构，在学习这个之前，我们先来复习以前对原子结构有哪些认识。比如说以Na原子为例，我们通常用这种原子结构模型认识图表示Na原子结构认识图，我想问下这个原子结构认识图表示了Na原子怎样的结构？学生：电子层是3层。王澜：也就是说电子是分层排布的。每层的能量是否相同？学生：不同。王澜：离核近的电子能量低，离核远的电子能量高。电子是静止的么？学生：不是。王澜：那是怎么样的呢？学生：绕核高速运动。王澜：那2、8、1是什么意思？学生：每个电子层上的电子数。王澜：必修阶段我们学习过卢瑟福α粒子散射实验，他提出了行星模型，那么现在就有这么一个问题呢，那是什么原因使科学家在卢瑟福模型的基础上提出了电子分层排布的呢？回顾历史我们发现，光对我们研究研究原子结构提供了非常多的信息。19世纪中叶，科学家们发现很多物质喷洒在火焰上会发出不同颜色的光，我今天把三种盐溶解在乙醇溶液当中，然后喷洒在酒精灯上。大家来看下现象，这个是硫酸铜，看下现象，有绿色的火焰；这个是氯化钠的乙醇溶液，应该是黄色的颜色；这个是硝酸锶的乙醇溶液，红色的火焰。这是大家非常熟悉的焰色反应。必修阶段我们就学过焰色反应，我们用焰色反应干什么呢？学生：鉴别物质。王澜：当时科学家却把焰色反应当做是连接宏观物质和微观物质的桥梁，那大家想一想科学家是怎样将这两者建立起联系的呢？大家前后讨论一下。我们请这位女生回答下。学生：不同颜色的光，它的能量是不一样的。王澜：这位女生告诉我们，物理课上已经学过不同颜色的光，能量是不一样的。继续。学生：向外辐射的能量也是不一样的。王澜：也就是说原子发光是向外辐射能量，根据能量守恒，那么它自己的能量应该降低。也就是说它降低的能量是不一样的。连接两者的是能量的不同变化。我们看，从科学上怎样表示这一过程，我们一般认为，原子在通常状况下能量处于能量较低的状态，在火焰中，原子吸收热，进入能量较高的状态，能量高的电子不稳定，会回到能量较低的状态。这个过程中，能量就会以特定颜色光的形式释放出来。既然我们知道光的颜色和能量对应，那我们能不能通过光的颜色来判断二者之间的能量差。平时我们看到的一种颜色的光真的只对应一种能量么？不一定，比如说，太阳光发出的白光，经过三棱镜可以得到七彩的光谱，那我们怎么分析今天焰色反应得到的光呢？现在我给大家介绍一种自制的简易分光镜，大家拿着光盘对着光看的时候会有七彩的光谱，是因为光盘能起到与三棱镜相类似的作用。用这个仪器对着灯光看就可以看到分光之后的图象。通过摄像头，图象就可以显示在电脑里边。用这个装置分析下刚才的焰色反应。先看氯化钠的，大家看到了什么？一条或者两条明亮的黄线。再换一下硝酸锶的溶液，可以看到多条红色的线。大家看看刚才拍摄的图象，图象都是由多条分裂的线构成的。那么一条线就代表一种能量，多条线就代表多条能量，我们就在这里添加多条能量的状态。核外的电子能够处于这几个能量状态，就像是图中的小人，这个小人可以站在任何台阶之上，我们就称为能量的量子化。20世纪初，玻尔认为核外电子在核外以一定半径绕核做圆周运动，当它从一个轨道进入另一个轨道的时候，就会吸收或者释放特定能量的光，这就是著名的玻尔模型。玻尔模型的电子层是用能级来划分的，所以称这些电子层为能层。玻尔模型也有它的问题，它解释的光谱是有限的，它只能解释单电子原子。科学家又提出量子力学的理论，成为我们认识原子模型的工具。它认为电子的运动是不确定的，没有确定的轨迹，只能用电子云来表示。电子云小点密集的地方，电子出现的概率大，小点稀疏的地方，电子出现的概率小。根据量子力学，我们可以解释很多很多的实验现象。但是直到2009年乌克兰科学家才帮助人类检测到单电子原子运动的图象。如果说电子云代表了电子运动的无序性，那么光谱告诉我们电子能量的有序性。光谱是我们做的实验事实，而电子云模型呢，也已经通过实验验证了。那二者之间的矛盾应该如何调和呢？我们类比一下，通过能量量子化，把电子云也拆分成能量不同的能层。能。通过量子力学的计算，比如通过这个电子云可以拆分成这两个能量不同的电子云，这两个能量不同的能层形成的电子云叠加起来就是我们刚才看到的电子云。我们结合现在能层的概念再来理解一下Na原子结构模型，这一个个半径表示的还是能级，但是跟玻尔的却不一样了，它是一个概率分布的。我们来回顾一下刚才的研究过程，焰色反应到线状光谱，再到量子化的猜想，进而建立了玻尔模型，玻尔模型被量子力学模型取代。谢谢。王秀忠：在教学设计当中有些环节是不是需要，应不应该出现，还是取决于它的功能价值。最终的教学目的是有价值的，并且这种操作是比容易实现的，我觉得还是可以尽量采用。如果在教学过程中可以弱化的话，可以归结为一种桥梁作用，迈过去就可以，那么是不是必须采用这种方式，那也是根据老师自己的情况来决定的。赵和林：刚才王澜老师谈到了，对于光谱这样一个素材的使用。对于光谱素材的使用，我想谈论如下几点。第一，原子光谱实验的复杂性，有吸收光谱和发射光谱，电子跃迁有时候还存在跃迁禁阻的问题。中学教材中大都给的是发射光谱，那么我们在教学中应该怎样面对？我觉得，第一，我们不要再给光谱分类，不讨论光谱仪的实验原理和跃迁禁阻的问题，这些问题在教学中都要回避。我们只要求学生了解最核心的部分，即光谱上的线可以表征光的能量，线条的连续则是能量连续，线条不连续则是量子化，那么能量从高能量的轨道跃迁回低能量的轨道而来的。玻尔模型说电子是在能量确定的轨道上运动的，所以说光谱的背后隐藏了原子结构的秘密。在连续光谱和线状光谱中，教材都有出现，我们应该重视线状光谱的解读，得到的是能量的量子化，不用刻意去探讨经典电磁理论和电子稳定与不稳定的情况。在选修这个模块的时候，物理上这个模块还没有进行，所以在选用光谱的时候要尽量简化，体现其最核心的部分。8、学科知识释疑主持人：也就是看我们最核心的教学目标是什么。如果我们期望让学生体会到认识发展过程当中，它是有一个证据的，那我们就把这个证据凸显出来。如果期望学生建立这样的一个概念，并把这个概念当做后续发展的前提，关注这个概念本身就可以弱化光谱。所以我们的讨论是给老师呈现各种各样的教学可能，供老师进行选择。我给各位老师展示一下教学案中的装置，用硬纸做成的盒子，常见的光盘上是有刻痕的，刻痕就起到了光栅作用。把光盘插进盒子里面，可见光透过狭缝，通过视窗就可以看见光谱的图象。这样我们是通过肉眼来查看光谱。这个仪器是能够自制的。把这个装置跟照相机结合就可以接到计算机里面，通过大屏幕展示给学生，可以让效果更加直观。拓展资源里有关于如何制作这些实验装置。我们也可以把这样的教学活动安放到学生的课外探究活动中去，跟其他活动整合。回到核心概念的建构上，很多老师在讲量子化的概念时，很多老师肯定会提量子数。量子数也是一个比较抽象数学的概念，有不同的取值，到底它是什么含义呢？李老师给我们解释一下。李宗和：比如说一个宇航员从北京出发，去发射中心做飞船上天。首先坐汽车去机场，然后坐飞机到发射中心。这样就经过不同的阶段，在做汽车的时候肯定有一个速度，飞机的时候也有，飞船的时候也有。三个速度放在一起，就标志而来宇航员的运动状态。我们把这样的三个数叫量子数。比如表示能量的量子数n表示在不同的运动状态下，n不同，它的能量就不同。角量子数表示电子在不同的运动状态下有不同的角动量。磁量子数呢，就表示角动量在磁场方向上的分量。可以这样简单理解量子数。主持人：那1/2是什么含义呢？李宗和：你说的是自旋量子数。自旋量子数说的是一种运动状态，是在哪里区分开的呢？是在实验当中把它分开的，比如Na原子光谱，经过一个磁场的时候就分开了，左右两边各一个，具有对称性，一个正一个负。正负二分之一是在实践当中总结出来的。磁量子数m有不同的取值，是为了满足数学上某些边界条件而提出的，实际上它也确实是这样的。跟外磁场相互作用的时候，在磁场方向上的角动量大小已经分成了几部分，计算之后跟实际结果一样。所以不要去追问为什么，因为有些是数学结果，有的是实验结果，有些是实验结果和数学结果完全吻合之后确定下来的。主持人：关于量子数在教学的实施过程当中，王老师和赵老师有什么样的观点？以及你们是在教学当中是怎么处理的呢？王秀忠：现在存在一种争议：在