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

第一篇：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（R J Gillespie）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n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

2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？

A 17.31% B 7.15% C 64.23% 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：在高中化学教学中，量子数究竟要不要。在新课改开始的时候，就有过争议。所以老师们要自己取舍，自己做出选择。

赵和林：量子数讲起来会有一定的难度，但是会提升学生的理解力，以及后续概念的理解力。不讲的话会减小学生的学习难度，但是也削弱了学生对原子结构的理解力。对出不出量子数，我是这样认为的。我们先对原子结构的认识层次划分五点。第一，认识到微观粒子的运动状态不同与宏观物质，描述方式也不同，可以用统计概率来认识电子的运动状态，也就是电子云；第二，电子层是电子活动的区域，不是现实中有半径的现实轨道，根据能量电子层还可以细分；第三，量子数标记这电子的运动状态；第四，量子数是由波动方程解得的一组数据，量子数之间存在一定的关系。第五，能够写出波动方程，并利用数学知识求解。对于基础不好的学生，可以不出现量子数，但是要保留量子化的思想，通过通俗易懂的语言让学生接受。区分高中和大学学生应该达到的水平。鲁科版从2010年取消了量子数，但是仍然保持了量子数的物理意义，量子化的思想以及能级这样的概念，这也是一种处理方式。这既降低了学生的学习难度，又和大学所要达到的水平有所区分，又不影响后续教学。

李宗和：你们说的对，应该根据学生的实际情况。看你教学达到的目标来确定。这四个量子数对于化学反应的发生、化学键的形成等等相当有用。比如你想把周期表解释清楚，你就必须把量子数的取值范围解释清楚。一切都看实际情况来确定。

赵和林：所带学生的基础好，就可以讲解量子数。如果学生的基础不好，我们就可以退而求其次。

李宗和：我谈谈主量子数n，在氢原子中，它决定能量。在多电子原子中，n只起标号的作用，能量是由n和l共同决定的。不能把氢原子的情况套到多电子原子上，也不能把多电子原子套到氢原子上，因为里边有多电子的干扰。我再谈谈能级的概念，它是指能量量子化后的能量值。能层是人为的规定方式，把n相同的轨道规定为一个能层。电离能和氧化值容易混淆，比如说一氧化碳，碳的氧化值是+2，并不能说碳的氧化值是+2，它就打掉了2个电子，有些书上把这个的多样性解释为电离能的多样性，这是错误的。氧化值是形式上的一种能量，是人为规定的，必须把电子给电负性强的，并不是把电子真的给了电负性强的。再说亲和能，电离能是等于轨道能量的负值，并不等于说亲和能就是空轨道的能量。对于电负性，很多老师不强调电负性本身的含义，一句带过。要讲清电负性的相对性和使用电负性的环境。

9、专家给教学建议

主持人：最后请王老师给我们提点关于原子结构教学的建议。

王秀忠：在讲这个知识时，我们要首先明确课标的要求，它要求了解核外电子的运动状态，知道电子在一定条件下可以跃迁，了解简单运用。对这几句话，我们要有个解读。对于具体的知识点，学生应该了解原子结构模型的发展过程，不仅仅是知识上的，更是认识思维上的：每个模型为什么会出现，又为什么会被否定？将来我们的认识特点是怎样的？再有一个就关注玻尔模型的基本观点和量子力学模型的基本观点。以原子结构模型的发展历程为背景，结合咱们的一些栏目，引出玻尔的原子模型，这里边很重要的一个就是光谱。光谱就是一个桥梁作用。我的观点是简洁地展示原子结构各种模型产生的背景，和否定以及被改进的原因，简单引入光谱的介绍，通过一个栏目进行设计符合原子结构要求的模型。这个可能是在卢瑟福模型的基础上提出来玻尔模型的。这个观点，我在课上是让学生去思考的，卢瑟福的结构模型是这样的，现在的问题摆出来了，光谱显示不是连续的，而是线状的。让学生先去思考怎样解释，难度可能很大。让学生却体会这个过程，当结果出来时，学生就会有一个对比。我们评价玻尔的原子结构的模型，也可以抛给学生，同时给学生铺设一些台阶。最后引出量子力学的结构。提醒给位老师，这节的知识线索是怎样的，还要充分考虑学生的认识线索，从而形成我们的教学设计。还有深广度的控制，根据我们实际情况进行穿插。

主持人：如何理解和教授这些概念存在各种争议，我们花了这么大的精力来讨论这些问题，并不是经过我们的研讨就把教学给解释清楚了，我想最重要的是发现其中的教学问题，提供给老师可以借鉴的素材。下面的更大的空间就交给老师去设计了，这也是高中选修模块留给老师们的空间。谢谢！附录：

1、作业

选取本专题涉及的一个学科概念，结合视频学习并通过进一步研读大学教材或查找资料，谈谈你对这个概念有哪些新的认识。

2、拓展资源 ①原子结构与假说

②为不同能力倾向学生科学素养的发展奠定基础——高中化学选修课程内容分析及教学建议(续)③为不同能力倾向学生科学素养的发展奠定基础——高中化学选修课程内容分析及教学建议(待续)④乳山一中-基态原子的核外电子排布-教学案例 ⑤简易高分辨分光镜的制作

⑥高中化学新课程《物质结构与性质》选修模块学科问题访谈录——访北京师范大学化学学院结构化学专家李宗和教授

⑦高中化学教材的研究和编制——人教版《物质结构与性质》疑难探析

⑧从促进学生科学素养发展的视角研究高中化学新课程教材——北师大“新世纪”(山东科技版)选修模块教材《物质结构与性质》的分析 ⑨波耳轨道贡献

⑩北京十二中-胡小蒙-原子结构与元素性质-教学案例

第二篇：教学设计的概念

教学设计的概念

一、教学设计的概念 教学设计（，缩写为，也称教学系统设计，是面向

教学系统，解决教学问题的一种特殊的设计活动。它既具有设计的一般性 质，又必须遵循教学的基本规律。教学设计

整合教学和设计的概念，国内外学者对“教学设计”概念的界定做了 深入广泛的探讨，其中，具有代表性的观点有： 布里格斯（）的观点“：教学设计是分析学习需要和目标以 形成满足学习需要的传送系统的全过程。”④

瑞达）的观点：教学设计是“为了便于学习各种大小不 瑞奇（同的学科单元，而对学习情景的发展、评价和保持进行详细规划的科学”。加涅把教学设计分为鉴别教学目标，进行任务分析、鉴别起始行

为特征、建立课程标准，提出教学策略、创设和选择教学材料，执行形成性和 总结性评价几大部分。

乌美娜的观点：教学设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目

标，建立解决教学问题的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和对方案 进行修改的过程。

皮连生的观点：教学设计是运用现代学习与教学心理学、传播学、教学 媒体论等相关的理论与技术，来分析教学中的问题和需要。设计解决方法、试行解决方法、评价试行结果，并在评价基础上改进设计的一个系统过程。它既具有设计的一般性质，又必须遵循教学的基本规律。

徐英俊的观点：教学设计是指在进行教学活动之前，根据教学目的要

求，运用系统方法，对参与教学活动的诸多要素所进行的一种分析和策划的过程。何克抗的观点：教学设计是以传播理论和学习理论为基础，应用系统理 论的观点和方法，调查分析教学中的问题和需求确定目标，建立解决问题的 步骤，选择相应的教学活动和教学资源，分析、评价其结果，使教学效果达到 优化的一种系统研究方法。

刘知新，毕华林等的观点：所谓教学设计是指在教学之前的对教学过程

中的一切，预为筹划，从而安排教学情景，以期达成教学目标的系统性设计。它应包括教学过程的各个基本部分，而不是仅限于课堂教学活动。郑长龙的观点：化学教学设计是指化学教师根据一定的化学教学目的

和化学教学内容，以及学生的实际（包括知识基础、能力发展水平、生理和心 理发展特点等），运用教学设计的一般原理和方法对化学教学方案所做出的

一种规划。

王磊的观点：教学设计是运用系统方法与技术分析、研究教学问题和需

求，确立解决它们的途径和方法，并对教学结果做出评价的系统的计划过

程。

综合上述观点“：教学设计”具有如下特点：

①理论性。教学设计必须依据现代教学理论、学习理论和传播理论等，对教学过程的诸要素进行优化设计，以保证设计的科学性和合理性。

②系统性。教学设计必须运用系统方法，从教学系统的整体功能出发，综合考虑教师、学生、教材、媒体、评价等各个方面在教学中的地位和作用，使之相互联系、相互促进、相互制约，产生整体效应，以保证教学设计中的 “目标、策略、媒体、评价”等诸要素的协调一致。

③差异性。教学设计必须以学习者为出发点，将学习者的特征分析作

为教学设计的依据。它强调充分挖掘学习者的内部潜能，调动学习者的主

动性和积极性，促使学习者内部学习过程的发生和有效进行。它注重学具有明显的差异性。④应用性。教学设计作为一门新兴的教育科学，它不同于一般的教育 理论，它具有极强的应用性，被称为“桥梁学科”，通过教学设计，可以很好地将教学理论与教学实践结合起来。一方面，通过教学设计，可以把已有的教

学理论和研究成果运用于实际教学中，指导教学工作的进行。另一方面，也

可以把教师优秀的教学经验升华为教育科学，进一步充实和完善教学理论。

应该说，在学科教学实践中，通过教学设计，完全可以反映教师的教育教学

理念以及教育教学理论水平。

⑤层次性。教学系统是有层次的，它可以大到一门课程，小到一个课时

甚至一个单元片段（如一个化学实验）。教学设计的对象是教学系统，因此，教学设计也具有层次性，且一般可归纳为三个层次：一是以“产品”为中心的层次；二是以“课堂”为中心的层次；三是以“系统”为中心的由于学层次。

科教学着重于课时教学方案（习惯称教案）的设计，所以，本书也侧重于以 “课堂”为中心层次的教学设计的分析。

基于上述对教学设计特点的分析，本书对化学教学设计的概念做如如下 界定：所谓化学教学设计，就是运用系统方法分析化学教学背景，确定化学 教学目标，建立解决化学教学问题的策略，选择教学媒体，设计并实施教学 方案，评价反思试行结果和对设计方案进行反馈修正的过程。第二节

教学设计的理论基础

从教学设计的概念可以看出，在教学设计过程中，至少有四种理论对其 起了重大作用：学习理论、教学理论、系统理论和传播理论。这些理论不仅 为教学设计提供了理论基础，而且为教学设计提供了方法和技术。下面对 这四种理论在教学设计中的作用做简要的介绍，这将有利于我们更好地理 解和应用教学设计的原理与技术。

一、学习理论

学习理论是研究人类学习的本质及其形成机制的心理学理论，教学设 计正是为了促进学习者有效地进行学习而创立的一门学科。因此，只有了 解学生学习的心理学规律，探明学习的不同类型，以及不同类型学习的过程 和条件，才可能进行有效的教学设计。

在教学设计过程中，无论是学习需要分析、学习目标确定、学习任务分 析，还是教学设计模式的选择，以及教学设计过程中每一步骤的完成，都是 建立在特定的学习理论基础之上。

在众多学习理论中，影响最大的主要有三种学习理论： 行为主义学习理论 行为主义学习理论（，主要解释学习是在既

有行为之上学习新行为的历程，是关于由“行”而学到习惯性行为的看法。行为主义学习理论强调学习是刺激与反应的联结，主张通过强化和模仿来 形成和改变行为。其主要代表有桑代克（）的试误学习理论

和斯金纳（）的操作学习理论等。

行为主义学习理论在教学设计上的应用：

试误学习理论用“试误”来解释简单行为的学习；而操作学习理论则 用“强化原则”解释多种复杂行为。

行为主义学习理论强调外在环境对学习的影响，故而在教育上主张奖励与惩罚。

根据操作学习理论中的强化原则，便产生了对学校教育极有影响的 程序教学、行为矫正、练习强化等多种教学方法。认知主义学习理论

认知主义学习理论（，旨在解释学习是在既

有知识之上学习新知识的历程，这是由“知”而学到知识性行为的看法。认 知主义学习理论强调学习是认知结构的建立与组织的过程，重视新、旧知识）的认知发

结构的“同化”和发现式学习。其主要代表有布鲁纳（）的认知同化学习理论和加涅的累积学 现学习理论、奥苏贝尔（习理论等。

认知主义学习理论在教学设计上的应用：

认知主义学习理论高度重视学生的主观能动性，强调主动学习。

布鲁纳的发现式学习理论强调学习情境结构的构建，奥苏贝尔的同 化式学习理论则强调学生已有的“经验”，这些理论对教学过程的设计具有 重要指导价值。

加涅的累积学习理论对学习结果的划分（详见本书第二章第二部 分）为教学设计中的学习任务分析指明了方向。

建构主义学习理论

建构主义学习理论（）发展了认知主义学习

理论中已有的关于“建构”的思想，强调学生在学习过程中主动建构知识的 意义，并力图在更接近、更符合实际情况的情境性学习活动中，以个人原有 的经验、心理结构和信念为基础来建构新知识，赋予新知识以个人理解的意 义。建构主义学习理论最有代表性的人物是瑞士心理学家皮亚杰（建构主义学习理论在教学设计上的应用：

学习不是对于教师所授予的知识的被动接受，而是学习者以自身已

有的知识和经验为基础的主动的建构活动，且这种建构的途径主要有以下 三种：

支架式建构。指当建构新材料A时，先有同性质的材料B的知识，将有助于A的学习。抛锚式建构。指当建构新材料A时，先呈现一组概念B，从而有助于A的学习。

导引式建构。指为了建构新材料A，可以选用一种材料B的学习来引入A 的学习，使材料A的意义在材料B的基础上更易理解。

学习者以自己的方式建构对于事物的理解，从而不同人看到的是事

物的不同方面，不存在惟一标准的理解。但是，学习者据此展开的合作学习可以使理解更加丰富和全面，因此，建构主义学习理论特别提倡开展合作学习。

建构主义学习理论同样重视原有经验的作用，因此主张情境性教

学，特别强调教学与社会、生活实际的联系。

二、教学理论

教学理论是为解决教学问题而研究教学一般规律的科学。教学理论为

系统的教学设计中，合理安排教学情境，从而达到学校预设的教育目的提供

了理论依据，并且为教学目标的分析、教学策略的运用，以及教学评价方案的制定都提供了依据，因此教学理论是教学设计的基础，同时，教学设计的创新和发展，也大大丰富和充实了教学理论，两者相互影响、相互促进、相得

益彰。

我国教学理论可谓源远流长，古代以孔孟为代表的儒家教学思想至今

在教的方法、学的方法，以及教与学的关系上仍对我们有许多影响。例如：

孔子的“学而知之”“、多闻”“、多见”“、学而不思则罔，思而不学则殆”、“举一反

三、循循善诱”“、因材施教”等。孟子的“自得”“、循序渐进“、专心有恒”等。，《学记》中提出的“教学相长”“、及时施教”“、启发诱导”“、长善救失”等 原则和“讲解法”“、问答法”“、练习法”等教学方法。

近现代时期，一些著名教育家和思想家梁启超、蔡元培、徐特立、陶行 知、陈鹤琴等都倡导教学要重视发展儿童的个性，发挥儿童的主观能动性，从儿童的特点出发，培养他们的独立学习能力，这些观点仍是当今教学设计 中进行学习者分析时必须遵循的原则。

国外教学理论不断推陈出新，精彩纷呈，有的在世界范围内都产生了重 要影响。对于这些先进的教学理论，我们必须认真学习，参考借鉴，并应用 于教学设计之中。

萌芽期。虽然没有形成独立的教育理论体系，但教育家苏格拉底、柏拉图）和昆体良（（）等已提出和使用问

答、对话、练习、模仿等教学方法。

近现代期。有较大影响的教学理论有：捷克教育家夸美纽斯在他的“大

教论”中对教育目的、内容和直观性、自觉性、系统性、巩固性，教学必须适应 儿童年龄特征和接受力等教学原则做了系统阐述；法国的卢梭（）充分肯定儿童的积极性及在教学中的作用，并提出观察法和游戏 法；德国的第斯多惠）提倡发现法，指出不仅要用知识

来充实儿童头脑，而且要发展他们的智力和才能，并提出“一个坏的教师奉送真理，一个好的教师则教人发现真理”。还有德国的赫尔巴特（）在教学活动程序上进行了探索）和瑞士的斐斯泰洛齐（等。

现代发展期。例如，美国杜威反对“教师中心”和“课堂中心”，主张“儿 童中心”和“做中学”；前苏联的凯洛夫强调教师的主导作用，重视系统科学 知识、技能的传授和“五环节”教学法等。

世纪

由于教学设计形成于年代，所以对教学设计影响最大的还是 世纪中期以后建立和发展起来的现代教学理论。例如，加涅的学习结果 分类和信息加工理论，布卢姆的目标分类、掌握学习和形成性评价理论，布 鲁纳的知识结构和发现教学理论，奥苏贝尔的有意义学习和先行组织者理 论，斯金纳的程序教学理论，前苏联维果茨基的“最近发展区理论”，赞科夫 的发展性教学理论和巴班斯基的教学过程最优化理论，以及德国瓦根舍因）的范例教学理论等。

针对我国现阶段基础课程改革的特点和需要，除了学习和掌握上述耳熟能详的现代教学理论外，还必须重点学习以下两种教学理论

建构主义教学观可以概括为如下几个方面。

一是，建构主义认为，在传统教学观中，教学目的是帮助学生了解世界，而不是鼓励学生自己分析他（她）们所观察到的东西。这样做虽然能给教师 的教学带来方便，但却限制了学生创造性思维的发展。建构主义教学就是 要努力创造一个适宜的学习环境，使学习者能积极主动地建构他们自己的

知识。教师的职责是促使学生在“学”的过程中，实现新旧知识的有机结合。建构主义教学更为注重教与学的过程中学生分析问题、解决问题和创造性 思维能力的培养。

二是，建构主义认为，教师不应是知识的灌输者，应该是教学环境的设 计者、学生学习的组织者和指导者、课程的开发者、意义建构的合作者和促 进者、知识的管理者，是学生的学术顾问。教师要从前台退到幕后，要从“演 员”转变为“导演”。但这并不意味着教师的角色不重要了，教师在教学中的 作用降低了，而是意味着教师起作用的方式和方法已不同于传统教师。相 反，在建构主义教学理论中，为了促进学生对知识意义的建构，教师课下所 做的工作更多，对教师能力的要求更高。教师不仅要精通教学内容，更要熟 悉学生，掌握学生的认知规律，掌握现代化的教育技术，充分利用现有学习资源，设计开发有效的教学策略，善于设计教学环境，能够对学生的学习给 予宏观的引导与具体的帮助。因此，教师的新角色较之以往传统的知识讲 演者的角色从深层次的作用上看更为重要。教师只有具备更宽广的心胸、

第三篇：教学设计概念1

教学设计概念、定义及理论基础

一、教学设计的概念和定义

1.教学设计的定义国内学者的界定：

“教学设计是以获得优化的教学效果为目的，以学习理论、教学理论和传播理论为理论基础，运用系统方法分析教学问题、确定教学目标、建立解决教学问题的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和修改方案的过程。”

“所谓教学设计，就是为了达到一定的教学目的，对教什么(课程、内容等)和怎么教(组织、方法、传媒的使用等)进行设计。”

归纳以上的观点，对教学设计的一般定义描述为：以学习论、教学论、教育传播学、信息技术等作为指导思想的理论依据，采用系统方法，分析学习需要、确定学习目标和任务体系，整合教学策略和制定解决方案，开展评价活动和试行解决方案、并在评价基础上改进工作和方案的有序过程。教学设计的目的是实现教与学的最优化。2.教学设计的特点

1.系统教学设计以系统理论与方法作为其方法论基础

系统教学设计的最根本特征是追求教学系统的整体优化。系统理论把事物看成是由相互关联的部分所组成的具有特定功能的整体。它要求人们着眼于整体，从整体与部分、整体与环境之间的相互联系、相互制约中选择解决问题的优化方案。例如相对于一堂课来说，不仅要考虑这堂课中的各个要素，把它本身作为整体来看待，同时，还要考虑这堂课与本单元教学甚至本课程教学的关系。所以，教学系统作为一种“人为系统”，其本身是分层次的，而且由于参照点不同，系统的构成也是灵活多变的。当我们把课堂教学作为一个系统来对待时，系统教学设计主要是从“输入(建立目标)—过程(导向目标)—输出(评价目标)”这一视角来看待其整体优化问题的。系统教学设计有利于保证真正从行动上落实教学系统的整体观念，克服以往的局部改革对旧教学机制触动不大的缺陷。2.系统教学设计更加完整合理地看待学习与教学之间的关系

系统教学设计致力于设计、开发、利用及评价恰当的学习环境、学习资源和学习经验，因而，“为学习设计教学”这一当代杰出教学设计理论家罗伯特·M·加涅提出的名言，正是人们长期以来对学与教关系加深认识的总结。系统教学设计把“学习”看成是学习者认知结构或业绩行为发生的持久变化，这一变化既体现为过程又反映在结果上。“学习过程”遵循着一系列复杂的身心内部加工，诸如产生警觉、知觉选择、复诵强化、编码组织、提取回忆、执行监控、建立期望等；“学习结果”则是身心状态的积极转变，例如认知完善、情感陶冶、态度转变、动作精致、交往和谐等；两者共同构成了学习的内部条件。教学不仅仅体现为教师教与学生学的共同活动(劳动)性质，更重要的是，教学是人们精心创设的环境，通过外部条件的作用方式，激发、支持和推动学习内部过程的有效发生和学习结果的达成。因此，学习的内部条件(学习过程与学习结果)与学习的外部条件(教学)共同决定了学习者的发展潜力。然而，教学本身却是围绕着学习展开的，教是为学服务的。为学习设计教学即意味着不能仅仅考虑教师教得方便、教得精彩、教得舒畅，而是把学习与学习者作为焦点，以教导学、以教促学。

3.系统教学设计重视教学活动的循序操作

系统教学设计中的“系统”一词，既有着眼整体、统揽全局的意思，也包含有条不紊、合理有序的内容。所谓重视教学活动的循序操作，就是要突出教学在促进学习过程中的程序化与计划性。

也就是说，教师在备课、上课、评(价)课、说课等一系列教学工作中都应有相对明确的操作程序和基本要求。这些程序和要求有些是同教师以往的经验积累相吻合的，或者他们在实践摸索中已经知晓；有些则是集学习理论、教学理论与技术、传播理论等多学科数十年研究得出的尝试性结论，它们往往需要广大教师，特别是那些有经验的教师敞开心胸去认真倾听和择善而从。人们不能把循序操作看成是对“教无定法”的否定，当然也不是让人死守教条、刻板行事，而是强调教学外部条件应环环相扣、层层落实。4.系统教学设计致力于提高教师的教学素养

系统教学设计虽然以学习者为焦点但丝毫不意味着教师学素养高低与学习结果无关。恰恰相反，与以往的做法相比较，系统教学设计把教学成功的基础建立在教师教学工作的规范化、合理化、有序化和技术化之上。通过系统教学设计的实践，能够指导帮助教师目标更明确(知道要做什么)、程序更清晰(知道应怎样去做)、针对性更强(知道为什么要这样做)和灵活性更大(知道在什么样的具体情况下该做什么和怎样去做)。从这个意义上说，系统教学设计对于一所学校、一个地区普遍提高教师的教学素养是一条现实合理的途径，也是较为理想富有实效的“名师工程”，由此推出一大批合乎规范、质量稳定的教学新人，缩短从“新手”到“专家”的转换时间，减少失误，少付代价。在这个基础上，每一位教师都可能随着经验积累与个人风格的形成，逐渐达到教学上炉火纯青、出神入化的艺术境界。因而，系统教学设计在提高教师教学素养上具有“雪中送炭”和“锦上添花”双重效能。

5.系统教学设计强调从学习者的需要出发确立教学目标并加以具体化 教学目标是指某一教学活动结束后学生应达到的预期状态。根据系统教学设计的逻辑，教学始于问题，问题则表明现状(教学开始前)与预期状态(教学结束后)之间存在的差距，有差距也就是有学习与教学的需要。因此，教学目标的确定除了要把教学大纲作为依据，认真钻研教科书和教学参考资料之外，更重要的是应对学习者的学习需要进行评估和分析。需要评估是寻找教学起始点与教学终结点之间的差距大小；需要分析则是对已确定的多项需要加以筛选班别，列出一种或几种需要作为优先考虑满足的需要。从需要出发确立目标意味着对学习者进入某一教学活动时的起点行为进行细致分析。当学习处于一个连续环节时，学生的起点行为实际上就体现为对新任务掌握起重要影响的先决知能、情感条件。无论是从认知学派或是主张建构主义的情境学派观点来看，起点行为与教学目标之间的彼此依存关系都是至关重要的，因为起点行为是做出需要评估的基本依据之一。如果人们仅仅以本(教科书)为本、以纲(教学大纲)为纲开展备课和上课，忽略从学习者的需要特别是起点行为出发来确定教学目标那就势必会造成教学效果差强人意，因为教学大纲、教科书和教学参考资料实际上都不能完全确定学习者具体、准确的学习需要。根据学习者的需要确定目标之后，还要考虑将教学目标具体化。实际上，这往往是指把教学目的、意图、范围、领域转化为具体的行为目标或业绩目标。也就是说，应当按照期望学习者身上出现的可观察、可操作、可测量结果的方式对教学目标做出具体说明。这种说明常常包含了行为(做什么?)、条件(在什么具体情况下?)和标准(达到什么样的要求?)三种成分的句子陈述。从系统教学设计的观点看，只有这些具体目标得到事先确认之后并让学习者在教学开始前心中有数，才能凭借教学条件引发与强化预期的行为，才能够保证教师在教学中严格贯彻教学意图，随时对教学活动进行调控。教学目标大而无当、笼统宽泛可以说是以往教学中一直存在的重要缺陷，貌似完美完整的教学目标实际上不能保证教学措施得以有效落实、教学结果得以精确检测。6.系统教学设计要求教师对教学任务进行周密分析

教学任务分析要求把教学活动结束时学生应达到的预期结果，即终点目标分解为若干个过渡目标或从属技能、过渡目标本身之间的关系又怎样、过渡目标又以哪些先决条件习得作为支撑。换句话说，教学任务分析是要查明新学习本身以什么样的逻辑顺序体现层级关系或组成关系，并以哪些原有的知识技能作为先决条件。显然，教学任务分析是以教学目标为依据，“由上而下”地逐级排序，由此对学习过程的开展进行“层级分析”、“程序分析”或“归类分析”，从而确定“可能的教学起点”。将来的实际教学过程遵循着任务分析中确定的路径“由下而上”地逐级达标。两者之间的互逆关系表明教学任务分析通过理清目标序列和层级，为教学过程的设计与实施提供了依据。如果说教学目标是确定“教什么”，那么，任务分析则是把握“先教什么，后教什么”并指明应“怎样去教”。由此可见，任务分析是教学过程的“路线图”，绘好这张图有赖于教师做好以下几项工作: ①首先确定具体清晰的终点目标。

②为了达成终点目标，学生必须先掌握哪一个过渡目标? ③为了掌握这一个过渡目标，必须先知道什么或先会做什么？逐级推演，一直到找出全部过渡目标和先决条件为止。

④按照终点目标—过渡目标—先决条件的层级进行排序。

⑤考虑用什么样的方法途径才能最有效地达成每一项学习任务。

⑥根据学生的起点行为确定“可能的教学起始点”。从以上操作中可以看到，教学任务分析比以往单纯确定教学重点和难点的做法更为周到、详尽和科学。

7.系统教学设计在学习归类的基础上，提出了“分类教学”原则

从“为学习设计教学”这一基本观念出发，系统教学设计确定了“不同的学习需要有不同的教学条件”新思路，亦即“分类教学”的原则。所谓“不同的学习”，主要是指教师根据教学目标和任务分析对学习的类型做出归类。这种学习类型显然不只局限于辨别学科内容或教材内容(诸如语文中的阅读理解或数学中的“二项式定理”等等)，而是在此基础上做出心理学和教育学的抽象。当代认知心理学家和教学设计理论家越来越倾向于将学习任务的类型划分为：

①言语信息(陈述性知识)②智力技能(程序性知识)③认知策略(策略性或情境性知识)④动作技能

⑤情感态度

⑥社会交往等诸种领域

如果在备课中一旦能够确定以教材内容或学科内容为载体学习任务属于哪一种或几种类型，那么，教师就可以据此设计教学过程，有针对性地创设教学环境促使学习有效地发生。没有进行合理的学习归类，就会导致教学无的放矢或失之笼统。强调“学习归类”，既可以改变以往学科间互相隔阂、联系薄弱的缺陷，又可以为不同类型学习结果之间的转化、迁移、渗透提供保障。

8.系统教学设计要求教学目标与检测项目的对应匹配

如何保证全部教学行为都能够不脱离教学目标呢?系统教学设计认为行为目标与教学结果检测项目之间必须有一一对应关系，也就是说，一个行为目标至少应有一项检测项目加以落实，必要时常常用几项检测项目(不同类型、不同形式)检查一个行为目标。再加上讲解实例、课内尝试练习和回家练习作业的心选择，系统教学设计为教学目标的达成建立了可靠的监控调节机制。从这个意义上说，系统教学设计倡导者所津津乐道的一句格言“为检测而教”，就丝毫不带有“应试教学”之嫌，反倒证明这是在教学中运用全面质量管理或全面质量控制思想的生动体现。传统教学(设计)在质量监控方面显得软弱无力，往往只是到了检测实施之前再来考虑检测项目，或者是因为没有明确具体的行为目标，检测项目选择的主观随意性很大。9.系统教学设计以达标度作为评估教学效果的主要依据

传统教学在评估教学效果时往往有两个特点：一是从教师的教出发来考虑效果，例如“教师是否讲透讲完了教材”、“教师是否使用了电化辅助手段”、“教师采用的教学方法是否吸引人或带有新颖性(如发现法)”等等；二是过分强调常模参照比较，热衷于按照百分制、评等制进行横向排队。

系统教学设计则以达标度作为评估教师教学与学生学习的落脚点。由于行为目标事先得到了确认，检测项目又与之对应，因而根据检测结果得到的达标程度(例如将不同测验项目归并为相应的教学目标，据此可以设计表式统计学生个体及群体达标度，用适当的代码对学生出现的测试错误进行归类)能够清楚地反映教学措施的效果究竟如何。这种以“产品”(结果)为导向的评价观，再加上贯彻因人而异的分层达标思想，能够真正激发学习者的积极性，使原有的“少数人掌握大部分目标”变为“绝大部分人都能掌握大部分目标”，使得教学评价真正担负起了解进步状况，检查达标程度、激励付出努力、监控教学实施、调整教学安排等多重功能。

10.系统教学设计强调必须精心安排教学过程

教学过程体现为按照时间流程和空间条件制约的教学环节实际展开的程序。在教学目标的指引下，根据学生的起点行为和学习任务归类，考虑对教学任务所作的周密分析，教师可以对课时分配、教学内容处理，策略、方法、媒体及教学组织形式的选择做出优化决策。当代教学设计理论都一致强调教学过程要依据学习过程的性质与特点，教的步骤要支持推动学习过程的展开与预期学习结果的达成。具体来说系统教学设计所倡导的精心安排教学过程大体包括了：

第一，课时的划分应根据多种因素整体考虑，至少在一堂课的单位时间内包括引入、提取、编码、练习、巩固或迁移等一组“模块”；

第二，教学内容的排序以学习者接受掌握的心理顺序为主，兼顾内容本身的逻辑顺序；

第三，教学策略、方法、媒体的选择应摒弃某种“先验决定论”或“单一优越论”的偏见，提倡合理选择、优化组合；

第四，教学组织形式应着重考虑师生、生生互动的适宜性加强课堂交往的力度并根据需要恰当转换互动方式；

第五，课堂教学活动的展开应遵循学习过程发生的性质，包括引起注意，激发动机，告知目标，回忆相关旧知能，呈现新任务，帮助指导编码以理解意义，为每个学生提供尝试练习、体验结果的机会并给予反馈，精心安排回家作业进一步巩固和迁移。其核心是促进有意义学习和确保在“主动学习时间”内有成功感。

上述对系统教学设计特色的概括，决不是故意贬低、诋毁以往的教学理论与实践，因为它们之间不是简单的“有或无”关系，这样做只是想说明系统教学设计确实能够反映现代教育和心理科学的重要进展，提高课堂教学中新理论与技术的含量，着眼于在原有教学理论与实践的基础上加以改进完善，弥补其不足，尝走出一条扩大内涵发展提高效益、批量化培养“专家”教师(尤其是中青年“专家”教师)的新路子。毋需讳言，“没有最好，只有更好”，从传统教学观到系统教学设计的转变，尚有待于更多的观念碰撞与实践尝试，唯此，人们才会进一步体会到当代教学设计理论的效用并与广大教师分享成功的喜悦。3.教学设计的基本前提

（1）教学设计必须是以帮助每个学习者的学习为目的（2）教学设计必须运用系统方法

（3）系统设计的教学应有利于学习者自身的发展

（4）教学设计必须基于人们如何学习的知识

（5）教学设计层次的选择（根据教学问题的大小和简繁，相应的教学设计也有系统级、课堂级、产品级三种层次）

（6）评价和修改是教学设计不可或缺的重要内容

二、教学设计的理论基础和模式 1.教学设计的理论基础

（1）系统理论

系统理论是作为一种科学的方法论对教学设计产生举足轻重的影响。任何系统都包括五个要素：人、物、过程、外部限制因素和可用资源，这五个要素间有三种联系形式：①过程的时间顺序；②各因素间数据或信息流程；③从一个系统中输入或输出的原材料(人或物)。

（2）传播理论

信息传播是由信息源、信息内容、信息渠道与信息接受者为主要成分的系统。进行信息传播，必须对信息进行编码，考虑信息的结构与顺序是否符合信息接受者的思维与心理顺序。信息不能“超载”，过于密集的信息直接影响传递效果，增加负担。而且不同信息的注意获得特性不同。有些材料宜于以视觉方式呈现，有些则宜于用听觉方式呈现。还可以运用多种暗示技巧来增强这种注意获得特性，更重要的是考虑信息接受者的特性(年龄、性别、偏好等)，激发其内在学习动机等。

（3）学习理论

行为主义理论与教学设计。概括地说，行为主义观点在教学设计中最基本应用是把可观察行为作为教学基础，提出用可观察行为动词界定各类教学目标(包括价值观与态度教学)并依此进行教学传递与评价。

认知理论与教学设计。认知理论探讨学习者内部的认知活动，其中主要是信息加工学习理论和认知建构学习理论。信息加工学习理论把人类的学习过程看成是由一系列信息加工的转换过程，例如，加涅的信息加工的学习与记忆的8个阶段的学习模型。认知建构学习理论是在皮亚杰和维果茨基的学说基础上发展起来的，认知建构学习理论对教学设计指导意义是：建构过程要引导学生发现原有知识结构与新知识之间的不协调性，然后主动去改变它。学习的认知建构发生在具体的情景中，在具体的情景中，能够使学生感受到知识的意义。人本主义学习理论与教学设计。人本主义学习理论对教学设计的意义大都是在观念上，如何发挥人的潜能问题等。

（4）教学理论的概念模式

教学理论的概念模式是教学设计的基础理论，教学的概念模式分为三类：时间中心模式、学习者中心模式与任务中心模式。

时间中心模式的代表性是卡罗尔模式，用理解教学的能力、能力倾向、教学的质量决定所需时间，用毅力与学习机会决定学生实用时间，与学习程度一起组成一个公式：

任务中心模式关注于如何促进学习的过程，例如，布鲁纳模式与加涅模式。布鲁纳认为知识的获得与储存取决于知识的结构方式，提倡编制学科中心的结构化教材，通过学生自我的探究来把握、理解学科结构。加涅模式源于他对认知学习的信息加工观点。他把学习结果(学习领域)分为动作技能、言语信息、智力技能、认知策略与态度五类，形成系统的教学任务分析观和九个事件的教学过程等。

学习者中心模式把有效教学建立在对学习者个体差异的分析上。它的目的不在于要求每个学生接受所有学科规定的内容，而在于强调每个学习者都能得到个体的充分自由发展。依据一般都是采用皮亚杰对儿童认知发展的研究理论。2.教学设计的模式

教学设计过程的一般模式可以用成前期分析、目标、策略和评价四部分进行描述。教学设计系统过程的一般模式中，前期分析是教学设计的依据。目标是对按照学习的分类和学习分类的层次划分学习任务，为设计“教”与“学”的学习经验提供的依据。策略是对教学方法、教学活动程序、教学组织形式、教学媒体等的一体化规划、设计和组合。评价是通过对教学设计成果的试用、检验，发现问题，提供反馈、修正和进行优化。

三、教学设计的前期分析 1.学习需要分析

在教学设计中，学习需要是一个专门的概念，是指学习者学习方面当前的状况与被期望达到的状况之间的距离，或者说，是学习者已经具备的水平与期望学习者达到的水平之间的差距。学习需要分析是界定现实结果和渴望结果之间差距的一般过程。学习需要分析的结果提供“差距”的有效资料和数据，从而帮助确定总的教学目标。研究的系统大小不同，学习需要分析也具有不同的层次，大到对整个教育系统作需要分析，小至对课程单元或一个课时作需要分析。对学生现状的调查在教学中至关重要。具体的调查方法有：与学生正式或非正式交谈、查阅学生的有关试卷和作业、测验，对学生家长或相关教师的调查与交流等等。

学习需要的分析方法包括内部参照分析和外部参照分析。内部参照分析常用的数据收集方法为：设计形成性的座谈会、测验题、问卷或观察表，进行数据收集和试卷、问卷和观察记分析。外部参照分析常用的数据收集方法为：跟踪访谈、问卷调查，并进行数据分析。学习需要的类型划分为六类，这六类学习需要是：标准的需要（通过把一个对象与某种既定标准进行比较所确定的差距）、比较的需要（通过把对象组与其它的被认为是规范的学校或机构相比较而确定的差距）、感到的需要（个人认识或体验到的个体行为或者某个对象行为的差距（或不足）和对改进的要求，或者说，一种现在行为或技能水平与所渴望行为或技能水平之间的差距）、表达的需要（个体要把感到的需要表达出来的一种“需要”）、预期的需要（指将来理想状态的需要）、处理突发事变的需要。

分析学习需要往往是以教学中存在的问题作为起点的，了教学设计主要考虑7个方面的教学问题：教学中是否有不适合学习者的学习目标？教学传送方式所是否有效？教学能否提高学习者的动机、兴趣？是否能够达到学习目标？课程中是否增加了新的学习目标？学习者的组成是否有变化？资源和约束条件的情况？

学习需要分析的四个步骤：规划、收集数据、分析数据、准备最后的报告。2.学习内容的分析

学习内容分析工作主要分为四方面内容：确定教学目标的类型、对教学目标进行信息加工分析和确定学习内容、学习内容组织（或安排）、初步评价。

确定教学目标的类型或称为.学习结果分类可以按布鲁姆等提出的“认知、技能和态度”分成三个领域，也可以按照加涅提出的五种学习结果“言语信息、智力技能、认知策略、动作技能和态度”分成五类。教学设计中，把教学内容划分为课程（单指一门课程）、单元和课堂级（可以是知识点或一项技能等）三个分析层次。对每一个层次，依据言语信息、智力技能、认知策略、动作技能和态度五种学习结果分类，区别学习任务的性质，并为进一步细化提供依据，确定教学目标的类型。教学设计中至少用到两类目标：学习结束时应该达到的目标（即教学目标）和学习过程中必须达到的多个阶段目标。前一种称“终点目标”，后一类称为“使能目标”。学习内容分析采用的步骤是从“终点”目标开始，然后“由上倒下”、“按部就班”分析确定达到终点目标的一系列的前提条件，并把它们作为按分类层次建立起来的、系统的使能目标，或称为单元目标。

信息加工分析又称“过程任务分析”，是以学习需要分析过程中得到的教学目标和学习者分析中得到的学生的起点状态为依据，逐步分析列出一系列的信息加工的内容和单元目标，从教学的终端状态一直延续至学习者的起点状态。信息加工分析采用加涅提出的五种学习结果 “言语信息、智力技能、认知策略、动作技能、态度” 分类，首先将教学目标分解为5类内容的子目标，然后根据各类中的内容相互层次关系进一步分解成为在内容上并列或从属的子单元。对学习内容进行信息加工分析，就是将实现教学目标时，学习者信息加工中涉及的所有心理的和操作的过程揭示出来的分析方法，或者说是确定学习者要达到目标所需要的学习内容。信息加工分析可以揭示两种信息：清楚的描述实现教学目标的信息加工步骤和单元目标，即呈现一系列目标和行为。并且还可以揭示出某些不明显的个别步骤。信息加工分析完成后，学习内容分析的另一项任务就是鉴定从起点到终点之间所必须掌握的先决条件。先决条件包括必要条件和支持性条件两类。必要条件是指决定下一步学习必不可少的条件，也就是使能目标。使能目标是构成高一级能力或倾向的组成成分。缺乏它，学习活动无法进行。

有效的学习除了必要条件之外，还要有一定的支持性的条件。支持性条件则像化学中的“催化剂”，有助于加速或减缓新的学习的进行。例如，认知策略、心智技能、学习动机与态度等则是其支持性条件。

学习内容的组织是依据确定学习内容中具体知识技能的逻辑结构和学习理论，对内容进行科学的安排和组合。学习理论关于学习内容组织的三种重要观点：美国心理学家布鲁纳提出的螺旋式排列教学内容的主张；美国心理学家加涅提出的直线编排教学内容的主张；美国心理学家奥苏贝尔提出的逐渐分化和综合贯通的原则。在编排学习内容时，应根据学科特点对上述三种观点综合运用：由整体到部分，由一般到个别，不断分化；确保从已知到未知由浅入深、由易到难、由具体到抽象，由较简单的先决技能到复杂技能的序列，排成一个有层次或有关联的系统，使前一部分的学习为后一部分的学习提供基础，成为学习的“认知固定点”；按事物发展的规律排列；注意学习内容之间的横向联系，加强概念原理、单元课题之间的联系以及知识、技能、情感各部分内容之间的协调衔接，促进融会贯通和学习的迁移。初步评价是一种形成性评价，用于考察选择和组织的学习内容的效度和对学生的适合性。评价的内容主要有：确定内容对目标的有效性、确定内容组织的科学性、确定内容的教学性和适用性。

3.学习者分析

学习者分析包括学习准备、学习风格和心理发展的年龄特征三项内容。

对学习者学习准备的分析包括三个方面：一是分析学习者从事新学习的预备技能方面。了解学习者是否具备了新的学习所必须掌握的知识与技能，作为从事新学习的基础；二是分析学习者对新学习内容的目标技能的掌握情况，了解学习者是否已经掌握了或部分掌握了教学目标中规定的知识与技能。对那些已经掌握了的内容，显然没有必要再作为继续学习的内容。三是分析学习者对从事特定学科内容学习的认识与态度，检查是否存在偏爱或误解。确定学生起点行为的方法很多。在一般情况下，教师可以利用学生的作业、小测验或课堂提问等方法了解学生原有的基础。教师也可以通过诊断性的单元测验，来确定学生的起点能力或倾向。学习风格是学习者持续一贯的带有个性特征的学习方式，也是学习策略和学习倾向的总和。学习风格的构成有生理、心理和社会三个层面。学习风格的生理要素指个体对外界环境中的生理刺激（与声、光、温度等），对一天的时间节律以及在接受外界信息时对不同感觉通道的偏爱。学习风格的心理要素包括认知、情感和意志动机三方面。认知要素具体表现在认知过程中归类的宽窄、信息的顺序加工与同时加工、场依存性和场独立性、分析与综合、沉思与冲动等方面。情感要素具体表现在理性水平的高低、学习兴趣或好奇心的高低、成就动机的差异、内控与外控以及焦虑性质与水平的差异等方面。意志动机要素则表现为学习坚持性的高低、言语表达力的差异、冒险与谨慎等方面。学习风格的社会要素，包括个体在独立学习与结伴学习、竞争与合作等方面所表现出的特征。

第四篇：教学设计概念以及理解

一、Definitions of Instructional Design 1.ID is interpreted broadly and includes a collection of activities to plan, implement, evaluate, and manage events and environments that are intended to facilitate learning and performance.ID encompasses a set of interdependent and complex activities including situation assessment and problem identification, analysis and design, development and production, evaluation, and management and maintenance of learning process and the ID effort.Instruction design is the systemic process of planning instruction for effective and productive learning.It should lead the learners to reach the required learning stage with full of insights for further learning.Instructional Design is the systematic process of translating general principles of learning and instruction into plans for instructional materials and learning.The term instructional system design was defined with a general description of the design process.Stages of design are often presented as a flow diagram or model to be followed in the design of instructional materials.The instructional system approach is a process of planning and developing instruction that makes use of research and learning theory and employs empirical testing as a means for the improvement of instruction.Instructional System Design(ISD)is an organized procedure that includes the steps of analyzing, designing, developing, implementing, and evaluating instruction.国外的教学设计概念：

Instructional design is the entire process of analysis of learning needs and goals and the development of delivery system(instructional materials and activities)to meet the needs.L.J.Briggs

Instructional design refers to the systematic process of translating principles of learning and instruction into plans for instructional materials and activities.P.L.Smith

Instructional design can be defined as the science of creating detailed specifications for the development, evaluation and maintenance of situations which facilitate the learning of both large and small unite of subject matter.R.Richey

Instructional design is a discipline that is concerned with understanding and improving the process of instruction.The purpose of any design activity is to devise optimal means to achieve desired ends.Therefore the discipline of instructional design is concerned primarily with prescribing optimal methods of instruction to bring desired changes in student’s knowledge and skills.C.M.Reigeluth 国内的教学设计概念：

教学设计是研究教学系统、教学过程和制定教学计划的系统方法。（电教司）教学设计是一种关于获得良好教学效果的方法论。（刘茂森）教学设计是用系统观点和方法，按照教学目标和教学对象的特点，仔细安排和组织各种学习资源，使之系列化。（南国农）

教学设计是应用系统方法分析研究教学问题和需求，确定解决它们的方法和步骤，并对教学结果做出评价的一种计划过程和操作程序。（李克东）

教学系统化设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目标，建立解决教学问题的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和对方案进行修改的过程。（乌美娜，1994）

教学设计是运用系统方法，将学习理论与教学理论的原理转换成对教学目标、教学内容、教学方法和教学策略、教学评价等环节进行具体计划、创设教与学的系统“过程”或“程序”。（何克抗，2002）

ID as a Process: ID is the systematic development of instruction specifications using learning and instructional theory to ensure the quality of instruction.It is the entire process of analysis of learning needs and goals and the development of a delivery system to meet those needs.It includes development of instructional materials and activities;and tryout and evaluation of all instruction of all instruction and learning activities.ID as a Discipline: ID is that branch of knowledge concerned with research and theory about instructional strategies and the process for developing and implementing those strategies.ID as a Science: ID is the science of creating detailed specification for the development, implementation, evaluation, and maintenance of situations that facilitate the learning of both large and small units of subject matter at all levels of complexity.ID as Reality: ID can start at any point in the design process.Often a glimmer of an idea is developed to give the core of an instruction situation.By the time the entire process is done, the designer looks back and he or she checks to see that all parts of the “science” have been taken into account.Then the entire process is written up as if it occurred in a systematic fashion.2.Instructional System Design(ISD)The term instructional system design was defined with a general description of the design process.Stages of design are often presented as a flow diagram or model to be followed in the design of instructional materials.The instructional system approach is a process of planning and developing instruction that makes use of research and learning theory and employs empirical testing as a means for the improvement of instruction.Instructional System Design(ISD)is an organized procedure that includes the steps of analyzing, designing, developing, implementing, and evaluating instruction.

第五篇：物理概念教学设计

物理概念教学设计

▲加涅

将行为主义学习论与认知主义学习论相结合的代表，从两大理论中汲取合理的成分，并且在20世纪70年代之后，引进现代信息论的观点和方法，从而成为认知学习理论流派中强调信息加工模型的代表人物。

◇累积学习说

学习过程是信息的接受和使用的过程，学习是主体和环境相互作用的结果，“个体的先前的学习导致个体的智慧日益发展。”教学上主张给学生最充分的指导，使学生能够沿着仔细规定的学习程序，一步一步地、循序渐进地进行学习。知识学习可以看成动机阶段（预期）—了解阶段（注意和选择性知觉）—获得阶段（编码储存通道）—保持阶段（记忆储备）—回忆阶段（检索）—概括阶段（迁移）－－作业阶段（反应）—反馈阶段（强化）的这样的一条链条。

加涅认为，外部事件可以使用激化、维持、促进或者增强学习的内在过程的种种方式加以计划和执行。这个过程就是教学过程。加涅把与上述学习过程有关的教学过程也划分为8个阶段。

⑴动机阶段：一定的学习情境成为学习行为的诱因，激发个体的学习活动，在这个阶段要引发学生对达到学习目标的心理预期；

⑵了解阶段：在这个阶段中，教学的措施要引起学生的注意，提供刺激，引导注意，使刺激情境的具体特点能被学生有选择地知觉到；

⑶获得阶段：这个阶段起着编码的作用，即对选择的信息进行加工，将短时的记忆转化为长时记忆的持久状态；

⑷保持阶段：获得的信息经过复述、强化之后，以一定的形式（表象或概念）在长时记忆中永久地保存下去；

⑸回忆阶段：这一阶段为检索过程，也就是寻找储存的知识，使其复活的过程； ⑹概括阶段：把已经获得的知识和技能应用于新的情境之中，这一阶段涉及到学习的迁移问题；

⑺作业阶段：在此阶段，教学的大部分是提供应用知识的时机，使学生显示出学习的效果，并且同时为下阶段的反馈做好准备；

⑻反馈阶段：学习者因完成了新的作业并意识到自己已达到了预期目标，从而使学习动机得到强化。加涅认为：“值得注意的是动机的强化主宰着人类的学习，因为学习动机阶段所建立的预期，此刻在反馈阶段得到了证实。”

《基于建构主义理论的中学物理教学设计》

4．1 物理概念教学设计

从哲学角度来定义，概念是反映事物本质属性的思维产物。而物理概念是指客观事物的物理共性和本质特征在人的头脑中的反映，是物理事物的抽象，是物理知识的重要组成部分，学生只有掌握好物理概念，才能理解物理事实。4．1．2物理概念的教学设计

一、教学分析，深钻大纲和教材，确定教学目标

根据大纲的要求，针对物理概念教学，着重理解教材上所出现的物理概念的目的性和科学性，即在物理学中为什么要提出这一概念?概念怎样被科学地表达出来?它在物理学中的地位和作用如何? l、教学内容分析

在进行教学设计时，第一步要明确教师教什么，学生学什么，也就是明确教学内容。因而对物理概念教学内容分析主要包括以下几个方面。

(1)背景分析。(2)功能分析。(3)结构分析。(4)资源分析。

2、教学目标分析。

3、学习者分析。

二、创设情境，注重概念的引入

概念的引入是概念教学中的一个重要环节。引入概念的工作做得好，一开始就能激发学生学习概念的兴趣，使他们的思路纳入正轨。这对正确理解和掌握概念有着直接的影响。

创设一种好的情境，使学生处在一种求知的情境，通过演示实验、分析实际图象和情景再现等，使学生进入一种求知的境界，首先使学生明确为什么要引入某个物理概念，应当朝哪些方面思考问题。如果这样，就能把学生的思维活动调动起来，并通过创设一种易于学生学习物理概念的物理情境使学生沿着正确的轨道主动地思考问题，从而确保概念教学。

创设物理情境方法有四种：

1)演示实验或实际现象及其分析。

2)电脑模拟，创设动画的效果展示及分析。3)复习知识或联系旧概念引入新概念。

4)从实际或理论需要或从思维发展逐步点拨必要趋势引入。

如在《摩擦力》教学设计中：多煤体展示几组画面钻木取火、钳口条纹、滑雪、传送带；结合07年底湖南大冰灾提问：为什么大量的车子会滞留在京珠高速公路上?人们在冰面上行走为什么会跌倒?绑上绳子等后又如何?激起学生学习的欲望、探究的兴趣，从而自然而然引入摩擦力的概念

三、学习策略、教学策略设计，揭示概念的本质

在教学设计中，应尽可能创设一种轻松愉快的学习情境，充分发挥学生的主动性，使学生主动愉悦地投入到概念学习中去，对于相近相似的物理概念，设置情境，引导学生学习，加深对物理概念的内涵与外延的理解。最后设计各种知识“陷阱"，设计不同的情境，尤其是生活实际情境，考察学生对知识的应用：培养学生的分析问题、解决问题的能力。在教学设计中尤其要尽可能的为学生提供较多的感性认识，并且已经触及到概念的核心，当学生有了足够的感性素材，充分意识到了提出概念的必要性，这样再提出概念就是水到渠成了。

在教学设计中要充分认识到方法传授比知识传承更重要。要重视物理概念的建构过程，而不是采取灌输的方法强加给学生，很多概念教学需要采用类比，比值，实验等方法来传授，让学生充分认识到物理概念的必要性，物理概念的重要性，物理概念特点。进行物理概念教学设计时，要着重引导学生对实验现象、问题分析，讨论，动手实验得出，最后在教学设计过程中，区分相似或相近概念，设置知识陷阱，让学生自己动手自己发现问题，从而加深对物理概念的理解，设置各种生活情境，培养学生具体问题具体分析，从而提高学生发现问题，解决问题的能力，从生活中来，回到生活中去解决问题，发展学生的能力，激发学生的学习积极性。针对学生遇到困境，教师适时点拨，组织师生对话、生生对话等方式讨论、点拨，清除困境。教学设计中教师的导向作用还表现在对知识上的处理上、对程序性处理上、对结果的预见上和对方向控制上设计出能适时激发学生参与到学习过程中去的教学策略。

四、加深巩固，逐步提高

在教学设计中对概念的本质揭示得越深刻，就越能使学生牢固的掌握概念的本质。而不致对非本质的东西所迷惑。但是在教学设计中，决不能为突出概念的严密性和科学性，而忽视了概念教学的阶段性。在设计中，要充分认识到一个物理概念的形成，在许多情况下，并不是一次讲课能讲透讲彻底的，在设计中要树立一个观念：概念设计必须是一个由浅入深逐步加深的过程，在设计中要充分认识到学生的知识水平和智力水平，发展物理概念的设计采取直线式与螺旋式相结合的方式，从而帮助学生认识到物理概念。设计中要紧密联系生活实际，做到从生活中去，回到生活中去，让学生体会到物理知识的实用性，让学生通过应用知识解决问题，体会到成功的乐趣，更大地激发学生学习物理的热情。

《网络环境下初中物理概念教学模式>曾伟明

网络环境下的教学不能完全沿袭传统的教学方式，而是要积极引进、采用新思想、新方法。教师的教学设计必须能够充分体现这些新思想、新方法，必须能够支持探索式学习、协作式学习等适合网络学习环境的新教学策略。

一、教学模式的实施(一)创设情境。

激发动机建构主义认为：学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构。也就是说，在建构主义学习环境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生建构意义的情境的创设问题，并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一。

概念的引入是物理概念教学的必经环节，通过这一过程使学生明确“为什么引入这一概念”以及“将如何建立这一概念”，从而使学生明确活动目的，激发学习兴趣，提取有关信息，为建立概念做好准备。初中物理概念教学可能通过生活实例、实验现象、复习旧知识、问题-i，1-沦、学生活动、类比等方法创设情景，从而引入概念。

在网络环境下，充分发挥多媒体和网络技术的作用，将更好地创设情景，从而更好地引入概念。主要表现为：①突破时空限制，把同一类生活实例和现象的教学资源，通过多媒体展现给学生；②对效果不明显的实验进行协助，扩大实验效果，对不能课堂操作的室验进行

模拟；③方便调取旧知识的资源，帮助复习旧知识、类比旧知识；④ 提供学生讨论和学生活动的环境。(二)探究发现，形成概念 1．协作会话，揭露本质 在物理概念的形成中，有两种情况：一种是学生已有相应的感性知识或通过实验提供了足够鲜明生动的感性材料，在这种情况下建立概念一般不会有太大的阻力。另一种是学生存在与新概念相抵触的前概念。在这种情况下必须有足够的强度，以动摇学生的旧观念。

第一步，教师诱导学生暴露原有概念，并提出矛盾，动摇其原有的理论。可以通过师生谈话法，提出假设一实验探究——结论解释法，也可通过网络即时完成诊断性题目。待所有学生的观点充分暴露后，再提出矛盾。

第二步，组织讨论，揭露前概念的不合理性，从而帮助学生自愿放弃旧的观念。

第三步，实验探究(或通过网络资源自主探究)。根据新问题，重新思考，并通过实验探究其内在本质。

第四步，引导学生尝试建立新概念。2．师生协作，明确定义

启发学生将已抽取出的本质特征加以连结。学生相互协作，并通过BBS等方式，用恰当、简洁的文字表达出概念来。教师收集学生的定义，作出评价，并帮助学生概括出概念的最佳定义。同时，明确定义式、符号、单位等。

3．讨论意义，建构概念 从定义出发，师生共同讨论概念的内涵与外延、概念的物理含义以及用途等，从不同角度丰富对概念的认识。从而实现对新概念的意义建构。

(三)巩固深化，运用技能

要使学生牢固、清晰地掌握概念，必须经过概念的巩固、深化阶 段。通过这一阶段可达到以下两个目的：

第一、对易混淆的概念进行辨析，进一步理解其区别与联系。将易混淆的概念加对比、辨析，明确它们的区别与联系，是帮助学生纠正错误概念，理解、巩固和深化概念的有力措施，也是形成清晰概念、层次清楚的认知结构的必然要求。

第二、人机交互进行练习，形成运用概念的技能。教学过程是“由感性的具体上升到抽象的规定”和“再由抽象的规定发展到思维中的具体”这样两个科学抽象的阶段。采用人机交互的形式，创设人人参与的环境，甚至可能将练习内容寓于趣味性的游戏中，使学生始终处于积极的思维状态。通过软件提供的针对性的有梯度的练习，逐步地提高学生的运用概念的技能，不断地发展学生的思维能力。

(四)自我检测，总结评价 根据学习目标，利用多媒体软件即时反馈效果的功能，先让学生进行有目的的测试，再组织进行自我评价和学习小组对个人的学习评价。评价的内容包括是否完成对所学知识的意义建构和对小组合作学习所作的贡献等。

初中物理热学相关概念的教学研究第

初中热学相关概念的教学教学设计课题引入主要有以下几种：由科学史引入新课；由生活中的错误经验引入新课；由生活中熟悉的现象引入新课；由小实验引入新课；由演示实验引入新课；由提出疑问引入新课；通过类比法引入新课。

(一)由生活中熟悉的现象引入新课。。(二)由小实验引入新课。。(三)由演示实验引入新课。。

(四)由生活中的错误经验引入新课。。(五)(五)过类比法引入新课。。

《浅谈新课标背景下物理学科概念课高效课堂的构建》 龚正波龚栋梁曾献智

一、物理概念教学的现状

高中物理教学实践表明物理概念是物理中既不易“教”也不易“学”的内容。平时的教学过程中常出现这样的现象：老师反复地讲学生反复地练，但学生就是不能真正的理解概念所反映的本质，更谈不上准确掌握与之相关的物理规律，教学效率低。究其原因：(1)很多物理概念超脱了现象而说明事物的本质，和学生的实际生活体验远远地脱离，无法直接感知，于是学生学起来感到特别的困难。(2)教师方面，往往是由于怕耽误时间，概念教学往往是直奔主题，仅注意从字面意思讲解，而不注重引导学生形成正确的物理概念：(3)学生方面，往往只注意背定义，记公式、做练习题，而忽视了对物理概念的理解。

二、几条物理概念教学的有效途径

物理概念教学如何才能高效呢?我们只有把握不同概念的特点，选用不同的适用于该概念的教学方法，才能最大限度地让学生充分理解概念的内涵，把握概念的实质，为灵活运用概念打下坚实的基础。不是简单地将概念灌输给学生，而是引导学生积极探索，使学生在探索过程中形成概念、掌握概念，发展学生的多种能力。同时，也能有效地提高物理教学质量。

l、充分利用好学生已有的生活经验 日常生活中，学生可以观察和接触到许许多多物理现象和应用物理知识的事例。生活中的这些现象，平时习以为常，一旦提到课堂上，情况就大不一样了。引入概念时，联系日常生活中与之相关的物理现象，既符合中学生的认知规律，又给学生创设一个较好的物理学习情境，可以激发学生的好奇心与求知欲。教师引导学生在生活经验的基础上，通过分析、对比、归纳、抽象等思维活动，得出某一类事物或现象的共性，找出本质属性，形成正确的物理概念。例如，在学习“摩擦力”的概念时，让学生将手平放在桌面上移动体验摩擦力，让学生推动毛刷在桌面上运动观察毛的弯曲方向来判断摩擦力方向，可以使抽象的物理概念具体化、形象化，有利于学生对摩擦力概念的理解、巩固和深化，又提高了学生学习的热情。在学习“加速度”的概念时，出示预设的课件，展示生活中几种常见交通工具的速度变化快慢。其效果直观，能说明问题，让学生在视觉上感受速度变化的快慢，自己就有了要提出加速度概念的意识，再引导学生对速度、速度的变化、单位时间内速度的变化等相近的概念作对比，使学生从感性到理性对加速度产生了较为深刻的认识。像这样利用学生熟悉的事例来引导探究，学生感到亲切自然。把生活和物理联系起来，有助于培养学生通过观察生活，来探索物理知识的好习惯。

高中阶段有不少像摩擦力、加速度等这些比教抽象较难理解的物理概念都与生活联系得非常紧密，只要教师善于恰当地利用学生已有的生活经验，创设良好的物理情境，那么学生正确建立物理概念也并非难事。

2、充分发挥实验的功能

物理是以实验为基础的学科，发挥学科特色，展现学科魅力，是激发学生学习物理积极性的根本之举。在教学中充分利用实验资源，让实验渗透到学生学习的方方面面，既可激发学生学习的热情，又可提高学生自主学习的能力。在平时的教学中，我们可以非常明显地感受到课堂上，学生对演示实验的兴趣是非常浓厚的。如果进一步，充分发挥学生在实验中的主体作用，学生的观察能力、动手能力，以及分析和解决实际问题的能力就可以进一步的得到锻炼。例如，在学习“静电屏蔽”的概念时，首先播放日常生活中飞机遭雷击的新闻报道，然后让学生对飞机内的乘客和内壁接触的乘客是否安全迸行了一番猜测，最后让学生根据提供的一些实验器材自己设计实验来模拟飞机中的情景，并检验自己的猜想。学生带着悬念通过自己动手探究，自然而然地得出静电屏蔽的概念。像这样让学生亲身经历过实验的设计、现象的观察、分析处理的过程，充分体现学生在探究活动中的主体地位，才会更好的落实学生对“静电屏蔽”这些生僻概念的深入理解以及对科学探究能力的培养。也只有这样才能提高学生的科学素质，使学生从“熟练的解题技术工人”转变为具有创新能力的人才。

3、重视物理学史对学生的感染力

一部物理学史实际上就是物理学基本观念的发展历史，它不仅深刻地记述了物理实验与理论的发展过程，而且也生动地记述了物理学家的活动，因此包含了认知和情感两个领域的多方面的教育因素。通过物理学史的学习就不仅能使学生了物理学的基本概念形成和发展过程，而且还能掌握获得这些基本概念的方法，从而能为进一步深入理解和灵活掌握这些知识打下良好的基础。如果学生对学习物

理的态度不够积极，通过物理学史的学习，能使学生了解卓越物理学家热爱科学和执着追求真理的精神，了解他们成功的经验和失败的教训，从而激发起学生对物理学习的兴趣。例如，在“电场”的概念引入中，向学生介绍了物理学史上的两种作用观点以及法拉第的研究成果，让学生充分了解“场”概念的形成过程。同过这段物理学史可以让学生深刻的理解场的物质性。如果我们只是通过字面意思来强调场的物质性，恐怕学生很难接受。又如“动量”和“动能”是物理学中两个极为重要的概念，它们都和质量、速度这两个概念有关，只让学生记住它们表达式的区别难度不大，但要学生深刻领会这两个概念的物理本质，分析具体问题时正确应用，那就比较困难。关于“动量”和“动能”这两个概念，从17世纪笛卡儿和莱布尼兹等人提出，经过许多科学家半个多世纪的争论，直到19世纪中期才由恩格斯精辟地论述。如果我们让学生了解一下这段物理学史，了解它们在历史上如何产生、形成和发展的过程，让学生经历物理概念的产生过程，那么学生就能更深刻地理解它们的本质。

4、适当对知识进行扩展和深化 物理知识的学习有阶段，学生在学习概念时，往往会提出一些现有知识还解决不了的问题，教师可指出“由于目前所学知识的局限性，现在还不能解答”，避免学生钻牛角尖。但有的概念仅熙本宣科，很难让学生真正理解，若根据概念内容适当对知识进行扩展和深化，向学生展示解释这些问题的思考方向，这样能充分调动学生思维的积极性，拓宽深化他们的思路，有利于培养学生思维的创造性。

例如，在学习“有效值”的概念时，由于教材对“有效值”的引入和定义都缺乏足够的铺垫，通常的教学处理便显得苍白无力，从而给学生在理解概念时带来了不少困难。学生对“有效值”这一突如其来的概念感到难以接受，反映在处理相关问题时，学生往往不能准确地把握有效值与平均值间的差异，出现了用平均值求焦耳热、用有效值求电量的情况。为此，在教学中就需要从一般性的角度出发，向学生展示由“微元法”求解某一交变电流通过__

《物理概念教学的有效策略的探讨》 李秋芬

物理概念是物理学科中的基本构成单元，学好物理的前提就在于牢牢的掌握相关的物理基本概念，在现如今的中学物理课教学中，物理概念的传授也是物理课上的重要内容，与此同时，在实践的过程中我们也总结出了许许多多的物理概念教学方法，期望通过不同的角度与方法来达到物理概念教学的预期目的。

一、兴趣激发

兴趣的激发是一个人认知与探索未知的最大动力源泉所在。因此，一旦激发学生对于物理概念的学习兴趣，他们会不由自主的全身心投入到物理课程的学习中去，因为主观因素的推动，对于概念的掌握也就会达到事半功倍的效果。所以，在物理概念教学的过程中，用当下学生们都比较关注的新闻事实作为引导，来激发他们对于时间原理的探索兴趣。例如，中国载人火箭的成功发射一直就是大家所关注的焦点，可以借此来讲解宇宙第一速度以及地球引力计算等相关概念来为同学们解答火箭发射到预期运行轨道所运用的物理知识。

二、运用类比

类比的方法非常频繁的出现再科学研究的领域，在科学的发展过程中一直都起着很重要的作用。同样在物理学中，许多概念的结论的推倒也是通过类比的方法来得以实现的。因此，依循这类物理概念的结论推倒过程，我们可以有针对性的在物理教学当中用同样的方法来帮助学生来掌握这方面的概念知识。例如，在教授电源的作用时，可保持导体两端的电势差，从而使电路中有持续的电流，这是个非常抽象的物理概念，也没有其他实验或者工具能够直观展示整个过程，单纯讲解、分析，学生听起来非常吃力。但是，如果利用抽水机的工作原理进行类比，就有助于学生理解电源的作用。诸如此类，掌握了其中之一，就能通过类比让另一部分在自己的脑中变得清晰与具体，能很好的帮助学生牢固的掌握知识。

三、设置疑问

在物理概念的教学中适当的设置一些疑问，是有利于激活学生思维的一种方法。通过疑问的提出，思考以及讨论之后，得出一个结论，经历这一过程，让参与其中的人更为深切的体会到这个概念的本质所在。通过这种方式所获得的知识，可以说是那才是真正成为了自己的东西。例如：对摩擦力的概念，我们可以置疑，摩擦力一定阻碍物体的运动吗? 静摩擦力一定是阻力吗? 对加速度的概念，可以设疑，速度变化越大，加速度就越大吗? 加速度减小，速度也减小吗? 加速度为正，速度就增加吗? 这样一个探索的过程，激发学生思维，帮助学生了解概念本质所在，更进一步加强学生对概念的记忆与理解。

四、联结法

物理概念中大部分内容都是前后联系紧密的，是一个完整的系统，所以说在物理概念教学中，一定要重视前后概念的连接，因为在新概念的学习中许多会要运用到过去学到的许多相关的旧的概念知识。例如，力的概念，在后面所要学习的速度加速度，以及电场方面的知识都会有所设计。再比如，在电势的概念进行学习之前，一定要温习一下场强的相关知识，以此来说明在电场中某点，随着检验电荷电量的增大，所受电场力也随之增大，但电场力与电量的比值是确定的，这就是该点的场强。所以说，物理的学习不能分割，必须是以整体来进行，只有在整体的大框架构件清晰明朗的前提下，才能更好的更快的掌握新的内容。

五、实验法

物理研究的意义在于揭示我们生活当中所有客观事物发生的规律与科学依据。因此，最为直观的物理概念教学莫过于实验教学。通过直接可观的实验效果，来验证物理概念的具体含义，而实现的本身也让学生拜托课本内容的束缚，直接具体的体会到物理概念的存在与价值。例如，在讲述超重与失重时，让学生在弹簧秤下挂上钩码，静止时在指针下卡一块小纸片并记下示数，当提着弹簧秤加速上升时指针会把小纸片推到下方，此时发现弹簧秤示数增大了，从而给出超重的概念；同样，在观察弹簧秤加速下降时其读数减小的现象后，建立失重概念。诸如此类，让学生在概念的理解与掌握过程中将其具体化形象化，培养他们的思维能力，进一步提升物理概念教学效果。

六、通过生活举例来实现

物理学来源于生活也服务于生活。可以通过生活中的实力来进行举例说明，介绍物理概念在生活中的具体运用。例如，在讲解质点的概念的时候，可以用地球围绕太阳运动的事实来进一步阐述质点就是忽视物体的大小和形状，只计其质量的点这一概念。让学生了解到一些生活现象的物理本质所在，进一步帮他们理解与运用物理概念知识。

物理概念教学的方法远不止以上几种，这里也只是通过经验总结出来的几种比较有效的方法。毕竟书是死的人是活的，物理概念的教学方法可以根据对象群体的不同而采取不同的具体措施，但目的只有一个，就是通过各式各样的方法来帮助学生完成对物理概念的掌握。因此，在物理概念教学的方法探索中，希望相关从业者也能尽心尽力，探索出更多的有效方式。

高中物理概念课堂教学设计的初步研究

加 涅 教学设计的模式

1.引起注意;2.告知学习者学习目标;3.激活相关的原有知识;4.呈现刺徽材料: 5.提供学习指导;6.引发学为行为;7.提供行为正确与否的反馈;8.评估学习行为: 9.促进记忆与迁移。

以模式建构在信息加工的学习理论基础上，并按其基本思想，为学习者提供了有效学习的基本程序。这些教学事件可用在各种类型的学习过程中，并可根据不同的教学目标进行适当的调整。加涅指出，具体的教学设计主要集中在4、5、6三不上，教师要根据实际情况灵活地应用教学技巧，巧妙的安排教学活动，以优化每一教学事件，保证教学的整体效果。加涅的教学设计模式科学的沟通了学习与教学之间的关系，改变了学生难学，教师难教的状况。