“基于尺度再探原子结构”的教学设计与实施*

教学设计阶段首先进行原子结构学科理解研究,通过阐释如何基于原子核认识原子的构成,如何基于核外电子运动认识原子的结构这2个本原性问题,对主题大概念原子结构模型进行本原性、结构化地理解。继而从教学目标和教学思路设计、教学实施过程、学生收获、教师反思及专家评价等方面,系统地呈现了基于学科理解的“素养为本”“基于尺度再探原子结构”课堂教学的研究过程。     

“原子结构与元素性质”主题模型建构教学的探索

从2003年起至今,北京师范大学化学教育研究团队围绕“原子结构与元素性质”主题开展了跨越初中、高中必修、高中选择性必修的模型建构教学探索,涉及原子的构成微粒及空间分布、核外电子的运动状态、核外电子的排布规律以及元素性质等不同子主题。在这些教学探索中,梳理和还原了科学家解决问题的过程,对科学家所做实验进行再现、模拟,依据科学家在基于实验证据建构原子结构模型时的推理论证过程设计并指导学生开展模型建构活动,使学生理解、评价或参与模型建构的过程,促进学生建模能力和科学本质观的形成与发展。     

论化学学习中的能量观建构

能量观是中学化学学习中的核心观念。能量观的建构有利于学生形成核外电子运动的能量思维方式,了解从能量的角度研究物质及其转化的思维方法等。能量观建构的基本策略是:(1)在物质的微粒性认识学习中形成物质的微粒具有热能的观念;(2)在原子结构学习中形成核外电子运动的能量思维方式;(3)在元素及其化合物学习中发展高能量的最外层电子不稳定的认识;(4)在化学变化现象的积累学习中强化物质转化伴随有能量变化的认识;(5)通过化学键概念及其理论学习理解物质转化过程中伴随有能量变化;(6)在影响化学反应速率的条件讨论中深化理解有效碰撞理论;(7)在化学热力学问题研究中进一步理解能量守恒;(8)利用概念图技术帮助化学能量观的建构。     

无机化学教学中“原子结构”内容怎样突破重点和难点*

基于对“原子结构”内容的科学界定,认为章节定名为“原子与原子结构”较为合理,讲授内容应包含原子的结构和性质、原子结构模型的建立和演变、核外电子的排布、原子核结构模型简介和原子结构与元素周期律的关系等5大模块。提出在系统性中突出“玻尔原子模型、核外电子运动状态的描述、4个量子数、核外电子的排布和原子结构与元素周期律的关系”的教学重点;通过提前举办“量子力学基本概念”专题讲座,有利于“量子化的原子结构模型”这一教学难点的突破,并针对每一难点提出了具体的方法措施。提议讲授采用发散思维为主、收敛思维为辅以及有所为有所不为、张弛有度的哲学方法;目的在于通过本章学习后, 使学生在获得基础知识的同时,能学到些许科学的思想方法、学习方法和研究方法。     

指向“证据推理与模型认知”的教学设计——以“原子结构模型的演变”为例

以“原子结构模型的演变”为例,以化学史实为情境,设计环环相扣的问题,引导学生在分析证据及建构并评价模型的过程中体会实验证据与模型建构及演变之间的关系,认识模型在物质结构理论建立过程中的重要作用及其发展性特征。该教学设计在学生对原子模型的理解上具有显著效果。     

关于“原子核外电子排布”的几点建议

“核外电子的排布规律”是中学化学原子结构的重点内容,也是元素周期律的基础。因此,讲好“原子核外电子排布”这一节内容是至关重要的。     

基于学科理解的认识视角研究——以有机物分子组成与结构主题为例

学科理解对教师教学的主要价值在于凝练学科本原性问题、抽提认识视角、厘清认识思路及建构主题概念层级结构,其中认识视角决定了理解问题的深刻程度,能够指引认识思路的发展,具有学科认识论层面的重要价值。本研究探讨学科理解视域下的认识视角是如何抽提并发展的,以有机物分子组成与结构主题为例。通过理解化学史得出抽提认识视角的过程:(1)追溯化学家本原性思想,分析概念的学科功能;(2)基于学科功能抽提认识视角,纵向体会认识视角的发展性;(3)基于矛盾冲突丰富认识视角,横向体会认识视角的多面性;(4)基于认识视角发展结构化、本原性的理解。     

化学教师微观内容教学设计中关注模型想象问题研究

化学微观认识的表征形态及其解释机制本质上是一种模型想象。研究发现,教师微观内容教学设计中有关模型建构方面存在的主要问题是：没有将模型建构作为显性的教学目标,对宏观事实到微观推论认识形成中的想象思维活动设计精致化程度不高,缺乏引导学生在微观水平上认识物质及其变化的意识,对于微观模型想象内容的教学设计缺乏相应的说明性话语,缺乏模型想象的建构性活动设计。主要原因是,教师对于微观知识内容缺乏认识论的思考,对学生微观认识的建构机理缺乏精致化的了解,课程设计存在一定的问题。解决这些问题的基本策略是：教师养成对知识进行认识论思考的良好习惯,系统设计模型想象建构的认知活动,优化课程设计。     

以“位构性”模型建构和学科能力发展的必修“原子结构 元素周期律”教学设计和实践*

在高中必修阶段“原子结构 元素周期律”主题已有研究的基础上,将“位构性”系统模型与学科能力活动任务相结合,提出了本研究的理论框架,进行了单元整体的教学设计并实施。通过预设学生的表现水平,设计各课时的评价任务,过程性地诊断学生在各个课时中“位构性”模型建构与学科能力的发展水平,描述学生在本章学习过程中的发展变化,促进了学生“证据推理与模型认知”等核心素养的发展。最后,归纳出以“位构性”模型建构和学科能力发展的“原子结构 元素周期律”在教学实践中的有效策略。以期能够对日后开展“原子结构 元素周期律”主题的教学设计与实践能够提供参考和建议。     

光驱动一维活性凝胶自发定向运动

许多生物都具备一种自发响应环境刺激进行自动运动的本能。光照是一种强有力的外部刺激,且对生物系统具有正负驱动的双重效应;本实验设计了一个一维活性BZ凝胶体系,利用钌催化BZ反应的光敏性,控制凝胶振荡频率,驱动凝胶进行定向自发运动。同时,我们修正了V. V. Yashin 提出的BZ响应胶模型活性凝胶光强频率曲线进行模拟,揭示光驱动活性凝胶运动的本质。这有助于研发新型仿生智能机器人来对生物系统响应外部刺激的自发运动进行研究。     

Dissipaton Equation of Motion with Controlled Truncation

This work aims at a priori accuracy controlled truncation to the dissipaton equation of motion formalism for non-perturbative quantum dissipative dynamics. A new truncation scheme is proposed by adopting the Markovian and high-temperature approximation similar to the Caldeira-Leggett master equation made at the termination level. An accuracy criterion to determine the truncation level is put forward via a Markovianicity analysis. Performances of both the new truncation scheme and the control criterion are illustrated via dynamics simulation of electron transfer systems.     

Adiabatic Terminator for Fermionic Hierarchical Equations of Motion

The hierarchical equation of motion method has become one of the most popular numerical methods for describing the dissipative dynamics of open quantum systems linearly coupled to environment. However, its applications to systems with strong electron correlation are largely restrained by the computational cost, which is mainly caused by the high truncation tier \begin{document}$ L $\end{document} required to accurately characterize the strong correlation effect. In this work, we develop an adiabatic terminator by decoupling the principal dissipation mode with the fastest dissipation rate from the slower ones. The adiabatic terminator leads to substantially enhanced convergence with respect to \begin{document}$ L $\end{document} as demonstrated by the numerical tests carried out on a single impurity Anderson model. Moreover, the adiabatic terminator alleviates the numerical instability problems in the long-time dissipative dynamics.     

巧借二氧化碳气体扩散探究微粒运动性

借助于二氧化碳气体的扩散性,选用澄清石灰水、石蕊试纸、燃着的木条、二氧化碳(或氧气)数字传感器等检验物品,设计出多个"探究微粒运动性"的实验,并达到了现象明显、绿色环保、新颖有趣、真实可信等效果。     

量子耗散与量子输运的级联方程组方法

级联方程已成为研究量子开放系统的稳态性质和动力学过程的重要方法。本文旨在系统综述量子耗散和量子输运的级联方程组方法的建立、发展以及在理论、算法和应用方面的一些最新进展。级联方程形式理论的建立以影响泛函路径积分为基础,并具有数值上的高效性和应用上的灵活性,可用于研究分子体系的复杂动力学过程以及强关联电子体系中的量子输运。其级联耦合结构以非微扰的方式揭示了多体相互作用、体系-环境耦合、非马尔可夫记忆等的综合效应。作为应用示例,我们采用级联方程模拟了生物光富集体系的二维相干动力学光谱以及含时电子输运过程中的动态近藤效应。     

Dissipaton Equation of Motion Theory versus Fokker-Planck Quantum Master Equation

The quest of exact and nonperturbative methods on quantum dissipation with nonlinear coupling environments remains in general a great challenge. In this review we present a comprehensive account on two approaches to the entangled system-and-environment dynamics, in the presence of linear-plus-quadratic coupling bath. One is the dissipaton-equation-ofmotion (DEOM) theory that has been extended recently to treat the nonlinear coupling environment. Another is the extended Fokker-Planck quantum master equation (FP-QME) approach that will be constructed in this work, based on its DEOM correspondence. We closely compare these two approaches, with the focus on the underlying quasi-particle picture, physical implications, and implementations.     

微液滴在仿蛛丝结构TiO2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO₂纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO₂纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO₂纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝TiO₂纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

微液滴在仿蛛丝结构TiO_2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO2纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO2纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO2纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝结构TiO2纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

Motion of Enzyme‐Powered Microshell Motors

Microshells are attractive in constructing bubble‐propelled micromotors due to the lower energy consumption for bubbles forming on a concave surface. In this work, enzyme‐powered microshell motors were fabricated on multimetallic (Au/Ag/Au) microshells along with the modification of catalase on its concave surface. The catalase triggered the decomposition of hydrogen peroxide to oxygen gas, hence propelling the autonomous motion of microshell motors. A size‐dependent motion behaviour was observed for the microshell motors in the form of slow tremble and fast translation motion for a size smaller and larger than 5 μm, respectively, according to the size, generation efficiency and ejection mechanism of bubbles and the intensity of Brownian motion. In addition, the effect of fuel concentration on the motion speed of microshells was dependent on whether the bubble generation was affected by the limited mass transfer in the microshell space. These findings play an important role for the design of microshell motors.     

Mixed Quantum Classical Reaction Rates based on the Phase Space Formulation of the Hierarchical Equations of Motion

In a previous work [J. Chem. Phys. 140 , 174105 (2014)], we have shown that a mixed quantum classical (MQC) rate theory can be derived to investigate the quantum tunneling effects in the proton transfer reactions. However, the method is based on the high temperature approximation of the hierarchical equation of motion (HEOM) with the Debye-Drude spectral density, and results in a multi-state Zusman type of equation. We now extend this theory to include quantum effects of the bath degrees of freedom. By writing the full HEOM into a multidimensional partial differential equation in phase space, we can define a new reaction coordinate, and the previous method can be generalized to the full quantum regime. The validity of the new method is demonstrated by using numerical examples, including the spin-Boson model, and the double well model for proton transfer reaction. The new method is found to resolve some key problems of the previous theory based on high temperature approximation, including possible numerical instability in long time simulation and wrong rate constant at low temperatures.