大学化学, 2020, 35(8): 107-110 doi: 10.3866/PKU.DXHX201912031

师生笔谈

“原子结构”教学中引入哲学理念

展树中,

The Introduction of Philosophical Idea to the Teaching of "Atomic Structure"

Zhan Shuzhong,

通讯作者: 展树中,Email: shzhzhan@scut.edu.cn

收稿日期: 2019-12-6   接受日期: 2020-01-7  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  21875074

Received: 2019-12-6   Accepted: 2020-01-7  

摘要

原子的结构发现与认识是人类认知过程的一个缩影,也是唯物辩证法和方法论的具体实践,蕴涵着极为丰富的辨证思想。“原子结构”章(节)是大学一年级学生在无机化学课程学习中较难理解的内容。将哲学理念引入到这一章(节)的教学过程中,不仅有助于他们去学习和掌握化学知识,而且还有助于他们树立正确的世界观和方法论。

关键词: 哲学理念 ; 原子结构 ; 教学改革

Abstract

The structural discovery and understanding of atoms are a microcosm of the process of human cognition and a concrete practice of materialistic dialectics and methodology, which contains a wealth of dialectical thought. The "atomic structure" chapter (section) in inorganic chemistry course is a difficult part for the first-year undergraduates to understand. The introduction of philosophical idea into the teaching process of this chapter (section) will not only help them learn and master chemistry, but also help them establish a correct world view and methodology.

Keywords: Philosophical idea ; Atomic structure ; Teaching reform

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展树中. “原子结构”教学中引入哲学理念. 大学化学[J], 2020, 35(8): 107-110 doi:10.3866/PKU.DXHX201912031

Zhan Shuzhong. The Introduction of Philosophical Idea to the Teaching of "Atomic Structure". University Chemistry[J], 2020, 35(8): 107-110 doi:10.3866/PKU.DXHX201912031

1 前言

世界观是人们对世界的总体看法和根本观点。而方法论是人们认识世界、改造世界的方法,是人们用什么样的方式、方法来观察事物和处理问题。哲学观点是世界观和方法论的结合与有机统一。马克思主义哲学方法论是适用于一切具体科学普遍意义的方法论,是从整体上把握、揭示包括自然界、人类社会和思维在内的整个世界的共同本质和一般规律,它来源于人类的认知,例如自然科学、社会科学和思维科学等具体科学知识,又能为具体科学的进步与发展提供理论依据和方法论方面的指导[1]。“原子结构”章(节)在无机化学或大学化学课程中占有比较重要的地位,它的认识与理解对物质性质的理解和预测等都有着十分重要的作用。同时,原子的结构发现与认知过程还蕴涵着极为丰富的唯物辨证思想。对大学一年级学生来讲,“原子结构”章(节)包含的内容比较抽象,尤其是量子数、波函数、原子轨道和电子云等内容的学习,在这一章(节)的教学过程中,将马克思主义哲学理念引入教学过程中,一方面帮助学生学习和掌握该章知识,另一方面有助于他们树立正确的世界观和方法论,提升大学生的综合素质。如何通过化学课的教学给学生以唯物主义世界观和方法论的教育,将哲学理念融入专业基础教育中,贯穿于人才培养的全过程,是值得探讨的课题。基于“原子结构”章(节)的内容特点,引入马克思主义哲学理念于该教学过程中,也符合现代大学生思政教育的要求。

2 引入哲学理念于教学活动中

鉴于“原子结构”章(节)在无机化学或大学化学课程中占有重要的地位和较难理解,以及学生对新生事物感兴趣,而对传统的教学方法兴趣不高的实际情况,可以通过哲学思想和哲学理念的引入,来提升学生的学习积极性,提高教学质量。

2.1 原子结构模型形成过程中的辩证唯物主义思想——理论与实践相结合

辩证唯物主义认识论认为,人的认知活动是一个从实践到认识和从认识到实践的多次反复、无限循环的辨证发展的过程。认识和实践是相互作用的,人们在实践的基础上产生认识和发展认识,而不断发展的认识又反过来指导实践不断进步。要想正确地反映一个具体事物的本质和规律,必须经过从实践到认识、从认识到实践的多次反复才能完成[1, 2]

“原子结构”章(节)的“中心思想”就是原子的结构发现和理论层面上的描述,使二者有机地结合在一起。基于原子的结构实验发现,人们对此结果进行了理论层面上的探索,使理论与实验结果相互融合,并建立了原子结构的理论体系,这也是人类认知过程的一个缩影。从汤姆森(Thomson)的浸入模型、卢瑟福(Rutherford)的行星模型和波尔(Bohr)原子模型的先后提出,到量子化模型(以波的微粒性为基础的氢原子模型+以微粒的波动性为基础的波动力学模型)的建立,每一个模型的提出都是以实验的结果为起因,新的发现否定了前面的设想,反复进行,建立更为合理的原子结构理论体系,这也符合人类认知的习惯和规律,这就是辩证法唯物主义认识论。

“原子结构”章(节)中的知识点,普遍以逻辑性见长,趣味性不足,不能很好地抓住学生的注意力,对刚刚进入大学的一年级学生来讲有一定的难度[3]。为了使学生能更容易和更好地学习和理解该章(节)的内容,主讲教师可以引入马克思主义哲学理念,引导学生敢于实践,运用自己已学到的知识去理解该章(节)内容。例如,为了从理论层面对电子衍射实验发现的氢原子核外1s电子出现的概率分布图(电子云)进行描述与表征,引入了理论表达式(1)。该表达式是由薛定谔(Schrödinger)方程(2)解析而来。鉴于薛定谔方程的合理解(1)能绘出和电子云相似的图形,做到了理论和实际的有机结合,所以原子结构的量子化模型可以用来描述氢原子核外电子的运动状态。所以,“理论与实践相结合”就是“原子结构”章(节)的“中心思想”。

$\psi _{{\rm{1}}s}^2 = \psi _{{\rm{1, 0, 0}}}^2 = {\left[ {\frac{1}{{\sqrt {\rm{ \mathsf{ π} }} }}{{\left( {\frac{Z}{{{a_{\rm{0}}}}}} \right)}^{\frac{3}{2}}}{e^{ - \frac{{Zr}}{{{a_{\rm{0}}}}}}}} \right]^2}$

$\frac{{{\partial ^2}\psi }}{{\partial {x^2}}} + \frac{{{\partial ^2}\psi }}{{\partial {y^2}}} + \frac{{{\partial ^2}\psi }}{{\partial {z^2}}} = - \frac{{8{{\rm{ \mathsf{ π} }}^2}m}}{{{h^2}}}(E - V)\psi $

2.2 发展观理念与原子结构模型

唯物辩证法关于世界发展的观点告诉我们,世界是永恒发展着的[1, 2]。引导学生用发展的观点去观察、认识世界,也是对其进行哲学理念教育的任务之一。学生误认为,原子结构模型是灵丹妙药,可以解决所有问题;当出现某一模型无法解决的实践问题时,又否定该模型的价值。这种情况下,任课教师要引导学生用科学发展观理念去理解某一原子结构模型产生的背景和应用的局限性。在没有建立“理论”和“思想”的情形下,某一种“模型”是根据一些实验结果总结和设计出来的,进一步用该“模型”从理论层面上认识和描述实验结果。因此,“模型”可以解决某些问题,但不能解决所有问题。例如,汤姆森模型只是说,原子是由均匀分布在整个原子体积中的正电荷和振荡在正电荷之中的电子组成。该原子结构模型过于笼统,无法使人们了解原子结构的真实情况。接下来卢瑟福模型告诉人们,电子在原子核外像行星绕着太阳旋转一样绕核运动。后来,波尔模型提出了能级的概念,并说明了原子结构的稳定性。上述模型的局限性促使人们去发展和建立更为合理的模型,比如,以薛定谔方程为基础建立起来的原子结构量子化模型[46]。因此,发展观理念应该融入人们的学习和工作中。

2.3 用联系和全面的观点来审视和应用原子结构模型

随着系列交叉学科和综合学科的建立、分门别类的学科界限被打破,某一学科的研究会涉及其他学科的研究内容。原子结构量子化模型的建立和应用充分体现了用联系和全面的观点看世界的这一哲学理念。从纯数学角度看,薛定谔方程(式(2))就是一个二阶偏微分方程,和物质结构的探索好像没有太大关系。从联系和全面的角度看,该方程可用于物质结构的探索与研究,是氢原子结构量子化模型建立的基础,因为薛定谔方程合理的解(波函数)能描述氢原子核外电子的运动状态。解析薛定谔方程不仅可以得到氢原子中电子的能量计算公式,而且还导出了三个量子数:主量子数n,角量子数l和磁量子数m。教学过程中,学生常常误认为,这三个量子数的引入是人为规定的,缺乏科学性,解得的“波函数”无法让人信服。为了让学生能真正理解“量子数”引入的背景与意义,可以让他们判定问题1的设计是否正确?从数学角度看,问题1中列举的三组“量子数”都是正确的,所以问题1的设计是错误的。

问题1:下列各组量子数哪些是不正确的,为什么?

1) n = 3 li = 2 mi = −1

2) n = 2 li = 0 mi = −1

3) n = 2 li = 3 mi = +2

薛定谔方程是一个二阶偏微分方程,不同组合三个量子数的引入可以得到无数个解(方程式)。从化学角度考虑,这些方程式中,有我们不需要的,也有我们需要的。我们需要的方程式便是合理的,因为用这种方程式作的图与电子衍射实验发现的原子核外电子出现的概率分布一致,就是教材中常出现的物理意义合理,也就有了常见问题2的设计。为了获得合理的解,人为地制造出三个量子数(n, l, m)之间的游戏规则[47]。引入一定规则取值的三个量子数得到的方程式就是我们常说的波函数,也叫原子轨道。一系列的光谱实验也证明合理n, l, m组合的引入与事实相符,是正确的。这也是不同学科相互联系和相互融合的范例。

问题2:下列各组量子数哪些是不合理的,为什么?

1) n = 3 li = 2 mi = −1

2) n = 2 li = 0 mi = −1

3) n = 2 li = 3 mi = +2

所以,在化学的教学中,教师应本着这一观点,既要讲授化学特有的专门知识,也要强调化学与数学及其他学科的相互渗透,培养大学生从总体上认识、把握世界的能力,引导他们用联系和全面的观点学习无机化学或大学化学,为后续课程的学习打下良好的基础。

2.4 用矛盾普遍性和特殊性观点去理解原子结构模型

唯物辩证法的原理和方法论指出,一切事物都是特殊性和普遍性、个性和共性、个别和一般的辩证统一。“+”和“−”号有其普遍意思,这是人们都知道的。然而,原子结构模型中的“+”和“−”号却有其特殊性,这也是学生经常问的和难以理解的问题。原子轨道角向分布图中的“+”和“−”号,既不是普遍意义数学概念,也不是正电荷和负电荷,而是其对称性的表示形式。例如,由原子轨道形成分子轨道要遵循能量近似、对称性匹配和轨道最大重叠三原则。其中对称性匹配原则要求对称性相同的原子轨道进行重叠,两原子间电子的几率密度增大,才能形成稳定的共价键。原子轨道的重叠只能发生在“+”与“+”或“−”与“−”(对称性一致)之间,而不能发生在“+”与“−”之间(对称性不匹配)。在处理问题的过程中,矛盾的特殊性更应该注意。

3 结语

原子结构从最初的古希腊的猜想与假设,经过人们不断的实验发现和更新原子结构模型的提出过程,使人们逐渐清楚事物认识的过程与本质。原子结构模型的修正和不断完善始终伴随着科学技术的进步与发展,产生于实验发现又服务于人们的实验过程,使该模型拥有可靠的科学依据。在理解原子结构模型真正意义的基础上,引入哲学理念于教学过程中,提升教学质量,使学生不仅能比较容易和有效地掌握有关“原子结构”章(节)的内容与知识,为今后的学习夯实基础,还能培养和提升学生发现和解决问题的能力。

参考文献

赵家祥; 王元明. 马克思主义哲学原理, 北京: 中国人民大学出版社, 2005, 1.

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胡良贵. 马克思主义哲学原理, 成都: 四川民族出版社, 2004, 5.

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宋天佑; 程鹏; 王杏乔. 无机化学, 北京: 高等教育出版社, 2004.

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展树中; 李朴. 无机化学, 北京: 化学工业出版社, 2018, 9.

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DOI:10.3969/j.issn.1003-3807.2008.06.012      [本文引用: 1]

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