化学的原子思维及其教学

摘要： 原子思维是化学思维的一种基本类型。在中学化学思维教学中，必须首先培养学生学会进行原子思维。了解人类原子思维的历史规律，有助于搞好原子思维的教学。“原子是什么样的？原子是怎样构成物质的？原子不可分割吗？原子具有怎样的结构？原子结构跟物质的化学性质有何关系？”等是化学原子思维的基本问题。提出化学原子思维对中学化学的10点启示。认为要重视学生认知困难的诊断与应对，改进学生原子思维的练习与测评。

关键词： 原子思维； 学习障碍； 练习与测评

文章编号： 10056629（2018）8000306 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 研究原子思维的意义

化学是一门探究原子、分子乃至泛分子及其宏观聚集体（实物材料）的内外联系以及实际应用的科学[1]。要让学生获得化学知识，形成有关认识，必须对实物材料进行剖析、探微，思维就是对宏观实物材料进行剖析、探微的重要手段。即使有了对原子、分子等进行观察、操纵的显微镜等高科技仪器，也不能没有思维： 实验思维是实验活动的灵魂[2]；没有原子思维也设计不好对原子、分子等进行观察、操纵的高科技仪器。

化学思维是一种指向性思维，是一组解决问题的内部活动，是由最终目标，即解决问题来指引和控制的[3]。原子思维是化学思维的一种基本类型。所谓原子思维，主要是指发现原子、认识原子运动、认识原子跟物质性质的关联，以及应用这些认识来解决有关问题的思维活动。

分子、泛分子是由原子按照一定方式构成的，没有原子就没有分子、泛分子。不了解原子，就不可能形成化学认识，不可能产生化学科学。正因为如此，恩格斯（Engels F.， 1820～1895，德）说“化学中的新时代是随着原子论开始的”[4]。原子的发现开启了人们发现分子、电子乃至质子、中子、量子等的进程。因此，在中学化学思维教学中，必须首先培养学生学会进行原子思维。此外，原子思维通过对“最小单元”的微观研究使人们得以深入地认识物质，这是具有方法论意义的，对其他领域的研究也不无启示。这意味着，培养学生学会进行原子思维，有利于培养学生的智慧。

化学科学的历史是人类化学认识发生和发展的历史，也是化学思维发生和发展的历史。人类的化学认识是社会（集体）化学思维的结果。“人类的思维是集体的”[5]，既具有继承性、统一性和必然性，又具有离散性、互补性和偶然性。人类的化学认识和化学思维的发生、发展过程在大体上和本质上反映每个人的化学认识和化学思维发生、发展的逻辑过程和一般规律[6]。了解人类原子思维的历史规律，有助于搞好原子思维的教学。因此，本文的讨论就从人类原子思维历史规律的探究开始。

2 近代化学中的原子思维——基本的问题及其解决

在17世纪，欧洲对机械的广泛应用促使人们对机械运动进行研究，开始用机械论观点来解释自然界，认可实物材料是由肉眼看不到的、极其微小的颗粒构成；伽里略（Galileo G.， 1564～1642，意）、伽桑狄（Pierre Gassendi， 1592～1625，法）、波义耳（Boyle R.， 1627～1691，英）、牛顿（Newton I.， 1642～1727，英）、希金斯（William Higgins， 1763～1825，爱尔兰）以及道尔顿（Dalton J.， 1766～1844，英）等人都先后提出自己的原子学说。人们对物质构造的认识进入了新阶段，其特点是以实验事实为根据通过思维得出结论，而不是像古代哲人那样只凭直觉和思辨等作出臆测。其中，道尔顿的原子学说把原子论与元素学说统一起来，赋予化学元素的原子以固定且各不相同的重量（质量），使当时发现的定组成定律、倍比定律、物质不灭定律等化学基本定律得到了统一的解释，揭示了这些定律的内在根据，为后来揭示元素性质变化的内在联系和化学科学的发展提供了理论基础；并且从根本上否定了炼金术，使化学成为科学，开辟了化学科学全面、系统发展的新时期，是最有影响的原子理论并被称为化学原子论。其要点可以概括为[7～10]：

（1） 简单物质（元素）的终极质点（粒子）称为简单原子，它们极其微小，是看不见的；既不能创造也不能毁灭。它们在一切化学变化中保持其本性不变。

（2） 同一种元素的原子的形状、质量以及各种性质（如亲和力）都是相同的；不同元素的原子在形状、质量及各种性质上则各不相同。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。

（3） 不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成了化学中的化合现象。化合物的原子称为复杂原子。复杂原子的质量是其所含各种元素原子质量的总和。同一化合物的复杂原子，其组成、形状、质量和性质相同。化学分解和化学合成只不过是把质点彼此分开，又把它们联合起来而已[11]。

由于機械论和旧观念的影响，以及认识水平和深度的限制，道尔顿的原子论也存在缺点和错误，例如把原子、分子统称为原子，等等。

到了18世纪末，在欧洲，人们已经普遍承认物质由其最小微粒构成。

总结各种原子论及其形成过程，近代的原子思维主要围绕下列问题展开： 物质特别是气体的物理结构是什么？热的本质是什么？化学现象的基础是什么？前两类问题，属于物理原子论的内容，后一类问题属于化学原子论的内容。与此相应，近代原子论的认识模式有物理原子论认识模式和化学原子论认识模式两种类型[12]。

化学原子论的基本问题是： 原子是什么样的？怎样证明原子确实存在？原子是怎样构成物质的？原子不可分割吗？原子具有怎样的结构？原子结构跟物质的化学性质有何联系？后面几个问题是在现代化学时期解决的。

道尔顿提出化学原子论的过程很发人深省。例如，他在1803年提出化学原子论之前，已经从事业余气象学研究16年，对大气的成分、性质做了细致的观察。他对“两种或更多种弹性流体的混合物竟然能在外观上构成一种均匀体，使复合的大气在所有的力学关系上都同简单的大气一样”感到奇怪，就研究了有关蒸汽压、混合气体分压、气体扩散等等问题，其中尤以混合气体的扩散和分压的研究对他提出新的原子论有重要的启示。所以有人说，道尔顿是从观测气象开始，进而研究空气组成，总结出气体分压定律……逐步建立起科学的原子论的。他指出化学元素由非常微小的不可再分的物质粒子——原子组成，原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质，从而使他的原子论成为化学原子论。

1803年，道尔顿根据气体体积热胀冷缩现象把气体微粒间的排斥力明确地解释为热的作用，并对气体微粒（原子）加以形象的描绘。他通过逻辑推理判断同种物质原子的形状、大小、重量必定相同，不同物质原子的形状、大小、重量必不相同。例如他说：“设若水的某些原子（分子）较其他的重，那么，如果某一体积的水偶然恰为此较重的原子所组成，则其比重必然较大，但这与事实不符，因为我们从来没有见过这种水，无论得自哪里的纯水。比重都是相同的”，“其余的物质也是如此”。他还指出：“我认为不同气体的质点的大小必然各不相同，因为1体积氮与1体积氧化合生成2体积的氧化氮，这2体积中氧化氮的原子总数不能多于1体积氮或氧所含有的原子数。因此，氧化氮原子必定比氧、氮原子大”……

测定原子的大小和质量以及化合物的组成可以证明原子的存在。所以，道尔顿在正式提出原子学说的同时，还考虑到这些测定工作。当时一些化学家已经对几种气体化合物的重量组成作了定量分析，但数据的数量和准确度都远远不足以计算各种元素的原子量。道尔顿假定两种元素（例如A、B）化合时遵循最简原则： ①当元素A和B只生成一种化合物时，此化合物为二元化合物，即A1B1，除非有确凿的例外证据。例如，根据这个原则，水的组成为氢1氧1，氨的组成为氢1氮1。②当元素A和B可以生成两种化合物时，则一个是二元的，一个是三元的。例如，碳与氧形成的化合物一个是碳1氧1，另一个是碳1氧2或碳2氧1。③当元素A和B可以生成三种化合物时，则一个是二元的，两个是三元的。例如，氮与氧的化合物为氮1氧1、氮1氧2和氮2氧1。④化合物的比重要比组成它的原子化合前的混合物大一些，因为原子靠得更紧密了。道尔顿规定氢原子量为1作基准，在上述假定基础上，利用当时掌握的分析数据进行了原子量的最早计算。道尔顿的计算结果是： 氮的原子量为4.0，氧的原子量为5.66，碳的原子量为4.5……由于道尔顿的化合物组成假设没有实际根据，是主观、随意和武断的，导致许多化合物的原子组成被弄错，计算出的原子量当然是靠不住的。

原子是怎样构成物质的？在13世纪时，就有人描述过微粒通过亲和力结合在一起。到了17世纪，伽桑狄、波义耳把微粒间的亲和力归结为机械作用： 盐酸的原子是锥形的，有锋利的尖刺，而盐基（碱）的原子是多孔的，酸的锥体或尖刺插入盐基的孔内就成了盐……日夫鲁瓦（Geoffroy E.F.， 1672～1731，法）认为亲和力具有差异性： 每当两种有结合倾向的物质互相结合后，只要加进一种与两者之一具有更强亲和力的第三种物质时，它就会与这一成分结合生成一种新物质，而把另一种离析出来。1718年，他画了一张亲和力表，把能跟酸精、固定碱盐、挥发碱盐、吸收性土质、金属物质发生反应的各种物质分别按照亲和力由强到弱顺序依次排列。到了18世纪后期，牛顿经典力学赢得了普遍的承认，化学家们把亲和力归结为万有引力的一种。牛顿本人就曾对物质微粒间的结合提出了力学解释： 物体的微粒具有某种能力、效能或力量，凭借这些对远离它们的东西发生作用，也能彼此相互作用，引起为数众多的自然现象；微粒间的吸引力只能及于相当小的距离，以致迄今还没有被我们观察到，当物质微粒间非常靠近（即接触）时，这种吸引力就会发生，使它们“以一种加速的运动彼此碰撞”，产生各种化学现象。就在18世纪后期，贝格曼（Bergman T.O.， 1735～1784，瑞典）把亲和力分为同种物质间的“聚集吸引”和异类物之间的“化学吸引”两类，又把后者分为“单向置换反应”和“复分解反应”。但是，随着人们的化合物知识不断增多，编制亲和力表越来越困难，迫切需要新的突破。

随着原子量测定工作的开展，大量无机化合物的组成逐步被弄清楚，不少人发现一种元素的原子与其他元素结合时，在原子数目上有一定的比例关系（定比定律和倍比定律），其中隐含了原子价的概念。但是，由于原子量一度很混亂、有些化合物的组成比较复杂，把这个概念长时间掩盖了起来，直到19世纪中叶才由有机化学家率先挑明： 1852年，弗兰克兰（Frankland E.， 1825～1899，英）发现“氮、磷、锑和砷的化合物体现出这些元素总是倾向与3个或5个其他元素的原子化合。当它们处在这种比例时，它们的化学亲和力得到最好的满足”。他把这类元素称为“三原子元素”或“五原子元素”，并指出“这种倾向或规律是普遍客观存在的”，“元素原子的化合力经常可由同样数目的尽管性质不同的原子来使之得到满足”。1857年，凯库勒（Kekulé F.A.， 1829～1896，德）和库帕（Couper A.S.， 1831～1892，英）以“原子数”或“亲和力单位”来表示各种元素的化合力，指出： 不同元素的原子相化合时总是倾向于亲和力单位数等价，并确定以氢的亲和力单位数为1，奠定了原子价理论的基础。1864年，迈尔（Meyer J.L.， 1830～1859，德）建议以“原子价”代替“原子数”和“亲和力单位”。原子价学说的提出与定型，深化了人们对原子的认识，丰富了原子思维的内容。

总的说来，近代化学对“原子是什么样的”和“原子是怎样构成物质的”这两个基本问题的思维有一定的实验基础，又有较多的想象成分。由于微观粒子的运动情景跟宏观物体运动有很大差别，这种想象有很明显的偏差。直到现代化学时期弄清了原子的结构情况（特别是核外电子排布情况），后一个基本问题才得以近乎完美地解决。

3 现代化学中的原子思维

原先人们一直以为原子是坚硬、实心、不可分割的，后来确定原子有其结构是从发现电子开始的。人类早就发现了电现象以及一些有关规律，并在19世纪后半叶制成了发电机、电动机，进入了电气化时代，尽管亥姆霍茨（von Helmholtz H.， 1821～1894，德）曾经猜想电也和原子一样，是由一些微小的粒子组成的，但是一直不能确定电的本质是什么。直到1873年，克鲁克斯（Crookes W.， 1832～1919，英）在用低压气体放电管进行实验研究时发现阴极射线，断定它是一束带负电的粒子流；1897年，亥姆霍茨的学生汤姆逊（Thomson J.J.， 1856～1940，英）用不同金属作阴极，发现各种阴极材料都可以产生阴极射线，并且阴极射线粒子的性质与阴极材料无关；他还设计实验测定了阴极射线粒子的电荷量与质量之比，发现其荷质比是一个常量，也跟阴极材料无关，而且比已知的氢原子荷质比小一千几百倍，这说明阴极射线粒子比氢原子小得多，跟原子不在一个档次，但却是各种原子中一个共同的组成部分，后来又把这种带负电的粒子命名为“电子”。1911年，密立根（Milliken R.A.， 1868～1953，美）精确测定了电子的电荷和质量，提供了电子比最小的原子——氢原子小得多的直接证据。电子的发现被一些史家誉为“撬开了坚硬不可分的原子”。此后，X射线、铀射线陆续被发现，开启了人们发现原子结构的过程，原子不可再分割的断言被彻底否定。这三大发现也成为化学科学进入现代发展新时期的标志。

现代化学的原子思维回答了近代化学不能圆满回答的基本问题。例如，关于“原子是什么样的”，仅仅知道原子的大小和质量还不足以完整地回答这个问题，还需要确定它的形状，因为这涉及到分子的形状，所以也是一个重要的问题。从古代到近代，不少人把原子想象为小球状，但既没有理论根据也没有实验根据。这个问题只有在现代化学时期才得到解决： 现代的高倍扫描投射电子显微镜的分辨率可达到1.6×10-10m，能看到某些重金属原子的投影图像；1951年发明的场离子显微镜（FIM）具有105～107放大倍数，能直接观察表面原子；1982年研制成功的扫描隧道显微镜（STM）能够实时观察单个原子在物质表面的排列状态。由这些装置获得的“原子照片”能直观地证明原子是真实存在的，使原子不再停留于论说和概念。例如，1999年6月22日《北京日报》曾刊出头条新闻“‘看不见’的原子像拍到了”，报道北京大学研究人员获得精美的热解石墨的碳原子影像。不过，有一些“原子照片”的清晰度受到分辨率制约，原子的形状只是大致为球形。除了实证之外，一些理论物理学家在1950年代之前运用群论（Lie群）成功地对原子光谱作出量子力学的正确解释，从理论上确定稳定的自由原子外形是球对称的[13]，使原子的球形有了“铁证”。

对于“原子是怎样构成物质的”这个问题，近代化学只是用想象的、无法直接测量的“亲和力”解释原子为什么能构成物质，并没有回答“怎样构成物质”；“原子不可分割吗？”“原子具有怎样的结构？”是近代化学时期无法回答的。这些问题只有到了现代化学时期才能够清晰地作出回答。

另一方面，现代化学的原子思维又有了新的内容、新的深度和高度。例如： 原子的核外电子层结构如何影响原子的化学活动性和化合价；原子的核外电子层结构如何通过影响原子的电离能、电子亲和能和电负性来决定其成键类型以及键能、键角等并影响物质的性质；原子的大小如何通过空间效应来影响化学反应等等。

4 中学化学中的原子思维

4.1 初步形成原子思维的标志

原子思维是初学化学者应该首先具备的一种学科思维素养。一个初学化学者初步形成原子思维可以下列各項为标志：

了解原子是什么样的；

能够从原子的角度理解元素概念；

关注物质的原子组成，能够识别和表征不同元素的原子；

了解化合和化分是原子化学运动的基本方式，能够从原子化学运动的角度理解化学变化的本质；

了解原子在化学变化中的基本特点，从化学的角度了解原子的重要性质及其决定因素；

初步了解原子的结构，了解原子跟分子、电子、离子等微粒的联系；

了解原子是怎样构成物质的，等等。

大体上说来，近代化学的原子思维跟初中化学有较多关联，影响也较大；现代化学的原子思维则跟高中化学有较多关联。由于近代化学原子思维跟初中化学的关联常被忽视，下面着重联系近代化学原子思维对初中化学教学进行讨论。

目前，义务教育阶段物理、化学和科学的课程标准关于原子内容的要求如表1所示：

从表1看来，初中物理、化学和科学课程标准关于原子的内容标准有几点值得注意：

它们关于原子内容的要求多属于“知道”水平，但并不全是“知道”水平。化学课程标准要求“能用微粒的观点解释某些常见的现象”，科学课程标准要求“能用物质粒子模型简要解释物质三态的变化”，物理课程标准要求“了解人类探索微观世界的历程，关注人类探索微观世界的新进展”。教师施教时不能采用简单灌输方法，学生学习时不宜采用死记硬背方法。

化学和科学课程标准都有原子化学运动内容，涉及的原子论是化学原子论；科学课程标准对原子知识的应用限定于“简要解释物质三态的变化”，化学课程标准对原子知识的应用没有类似的限定，要求要高一些；化学课程要实现“能用微粒的观点解释某些常见的现象”，需要认真思考对策。

化学和科学课程标准都要求“初步认识核外电子在化学反应中的作用”（不区分外层电子和内层电子），由于初中化学不讲化学键，怎样实现这个要求，需要谨慎对待、妥善处理。

4.2 近代化学原子思维对中学化学教学的启示

近代化学的原子思维对中学化学教学有诸多启示，主要是：

应尽早让学生学会进行原子思维，了解原子，为他们进一步学习化学打好基础。

“原子是什么样的”和“原子是怎样构成物质的”也是中学化学原子思维的两个基本问题。

为了让学生学会进行原子思维，必须让他们有一些物质及其化学变化的知识准备。

通过实验让学生积累必要的事实材料十分重要，还要充分利用学生在先学的物理、科学等课程中获得的初步认识。

由气态物质的性质和化学变化介入学习要比固态物质、液态物质更简便、有利。

要抓住“原子是什么样的”这个基本问题，让学生学会通过对事实材料的思维加工形成对原子及其运动状态的认识并进行微观想象。

对于“原子是什么样的”这个基本问题，原子的质量比原子的大小更为重要。

对于“原子是怎样构成物质的”这个基本问题，不必死板地重复前人的思维过程，可以适当地提前介绍原子的基本结构，由此出发思考、解决问题。

要注意原子理论与元素理论的融合。

要注意应用原子理论解决实际问题，等等。

4.3 重视学生认知困难的诊断与应对

由于对原子分子层次的微观现象缺乏真正的了解，学生常常会用宏观思维、宏观现象来代替微观思维、微观想象，形成错误的前概念干扰原子思维的正确进行，造成认知困难。这种情况甚至到了高中阶段仍然存在[17][18]。

此外，基础事实材料过少、不会或不善于应用基础事实材料进行思维加工获得相应结果、拥有的基础知识存在缺陷、“先行组织者”概念不恰当，以及教师举例不当、知识表征方式不当等等，都会造成对学生原子思维的干扰。

教師可以采用问卷调查、学生自陈、访谈或谈话、学习文档分析、作业分析、心理测验等方法诊断学生原子思维障碍，针对学生的认知障碍采取有效的消除措施。

教师应该注意研究学生原子思维的规律和特点，注意了解并研究学生的前概念，特别是相异构想、迷思概念，关注错误所在，精心设计或寻找有效的应对措施；注意提供有关的背景知识；在适当时机引导学生进行有关知识的联系、综合和提升；引导学生总结和理解有关规则[19]。

4.4 改进学生原子思维的练习与测评

目前，化学原子论测试习题存在着不少问题。主要是：

（1） 测试目的不明；

（2） 思维含量低，多属于简单的记忆层次，有关思维训练的很难见到；

（3） 数量偏少；

（4） 一些题存在错误。例如，网上流行甚广的一道填空题如下（题文括号内为标准答案）：

英国的（道尔顿）和意大利的（阿伏伽德罗）提出了原子论和分子学说： 物质是由（分子）和（原子）构成的；分子中的（不同种类）和（数目的原子）的重新组合是化学变化的基础，即在化学变化中（分子）会破裂，而（原子）不会破裂，但可重新组合成新分子，即原子是参加化学变化的最小粒子。

实际上，提出原子论的不仅是道尔顿一人；（不同种类）和（数目的原子）这两个填空内容跟其他空项都不相称，会引起学生回答困难（笔者不看标准答案就不知道要这样填写）；所谓原子不会破裂不仅用词欠佳，也跟道尔顿原子论不符。

这些问题都是急待改进的。

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