元素周期律沙盤模型

摘? 要 利用彩色的有機玻璃管、亞克力板、LED燈、遙控器、音頻播放器、直流電源和噴繪好的長式元素周期表，通過不同顏色的燈光和聲音，把高中階段常用的元素的性質一目了然地展示出來，實現理論知識趣味化、可視化，可以有效激發學生的學習興趣，提高教學效率。

關鍵詞 元素周期律;沙盤模型;高中化學;第一電離能;原子半徑;元素常見化合價

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）23-0044-03

1 思路來源

沙盤，生活中比較常見的一種模型，如地理教學中的地形圖沙盤模型;在軍事題材的電影、電視作品中，常常看到指揮員們站在地形模型前研究作戰方案;售樓處最常見的就是樓盤沙盤模型;而在城市規劃展覽館中，常常能見到整座城市的規劃沙盤……沙盤，就是用泥沙或其他材料堆制的模型，有利于觀眾理解和快速預覽。

《普通高中課程標準實驗教科書 化學2 必修》第一章第二節“元素周期律”[1]和《普通高中課程標準實驗教科書 化學 選修3 物質結構與性質》第一章第二節“原子結構與元素的性質”[2]中都提到了元素的性質隨著原子序數的遞增而呈現周期性的變化。如何直觀地展示這些性質的遞變規律？教材和相關課件中多用平面的變化或者數據進行表述。僅利用枯燥的數字變化，不利于學生對該知識點的掌握。

受沙盤模型的啟發，筆者將有關內容和沙盤模型結合，采用不同顏色的有機玻璃圓管、有機玻璃板、LED燈、直流電源、聲音模塊（音頻播放器）以及色彩鮮艷的噴繪等組裝元素周期律沙盤模型，用閃爍的燈光和優美的聲音把相關性質變化展現出來。在學生中間展示，讓學生動手操作和傳閱，有效激發了學生的學習興趣，增強了教學效果;特別是為愛好思考的學生提供了借鑒，在其心中埋下創新的種子。

2 數據處理和制作方法

數據處理? 根據教材上的有關數據，把第一電離能、原子半徑、元素常見化合價（正負）用合適的高度表示出來，用不同顏色的有機玻璃管分別表示，得到1號元素氫到18號元素氬的有關數據比例（見圖1）。

1）每種元素框內第一個柱形圖用無色有機玻璃圓管，其高度表示對應原子的第一電離能大小。

第一橫行：1號氫元素131 mm;2號氦元素237 mm。

第二橫行：3號鋰元素52 mm;4號鈹元素90 mm;5號硼元素80 mm;6號碳元素108 mm;7號氮元素140 mm;8號氧元素131 mm;9號氟元素168 mm;10號氖元素208 mm。

第三橫行：11號鈉元素49 mm;12號鎂元素74 mm;13號鋁元素58 mm;14號硅元素79 mm;15號磷元素101 mm;16號硫元素100 mm;17號氯元素125 mm;18號氬元素152 mm。

2）每種元素框內第二個柱形圖用藍色有機玻璃圓管，其高度表示對應原子的半徑大小。

第一橫行：1號氫元素37 mm;2號氦元素（無）。

第二橫行：3號鋰元素152 mm;4號鈹元素89 mm;5號硼元素82 mm;6號碳元素77 mm;7號氮元素75 mm;8號氧元素74 mm;9號氟元素71 mm;10號氖元素（無）。

第三橫行：11號鈉元素186 mm;12號鎂元素160 mm;13號鋁元素143 mm;14號硅元素117 mm;15號磷元素110 mm;

16號硫元素102 mm;17號氯元素99 mm;18號氬元素（無）。

3）每種元素框內第三個柱形圖用紅色有機玻璃圓管，其高度表示對應原子的最高正化合價。

第一橫行：1號氫元素1 mm;2號氦元素（無）。

第二橫行：3號鋰元素1 mm;4號鈹元素2 mm;5號硼元素3 mm;6號碳元素4 mm;7號氮元素5 mm;8號氧元素

（無）;9號氟元素（無）;10號氖元素（無）。

第三橫行：11號鈉元素1 mm;12號鎂元素2 mm;13號鋁元素3 mm;14號硅元素4 mm;15號磷元素5 mm;16號硫元素6 mm;17號氯元素7 mm;18號氬元素（無）。

4）每種元素框內第四個柱形圖用綠色有機玻璃圓管，其高度表示對應原子的最低負化合價。

第一橫行：1號氫元素（無）;2號氦元素（無）。

第二橫行：3號鋰元素（無）;4號鈹元素（無）;5號硼元素（無）;6號碳元素（-）4 mm;7號氮元素（-）

3 mm;8號氧元素（-）2 mm;9號氟元素（-）1 mm;10號氖元素（無）。

第三橫行：11號鈉元素（無）;12號鎂元素（無）;13號鋁元素（無）;14號硅元素（-）4 mm;15號磷元素（-）3 mm;16號硫元素（-）2 mm;17號氯元素（-）1 mm;18號氬元素（無）。

以上提供的只是短周期的18種元素的性質，若繼續提供相應數據，則可以展示全部的118種元素，供高校相關專業師生和科研工作者學習使用。

制作方法? 將噴繪好的元素周期表覆蓋在事先準備好的5 mm厚的亞克力板上，根據LED燈的尺寸（本實驗采用的LED燈直徑為5 mm），在每種元素框內從上而下開四個圓孔;把LED燈從背面插入，背面LED燈的長腳（正極）和短腳（負極）分別朝向不同的方向，便于焊接（見圖2）;而在正面剛好露出頭的LED燈上面，套上不同顏色的有機玻璃圓管（內徑5 mm），然后用專用膠水固定。

按照事先設計的線路圖，短腳都與電源的負極連接起來（采用串聯的方法），長腳部分表示第一電離能、原子半徑、最高正化合價、最低負化合價的并聯，并分別與四個遙控開關連接。這樣既可以步進控制、單獨控制，使得每一種性質單獨展示（只亮一種顏色的LED燈），又可以總體進行控制，即同時展示四種性質（四種顏色的LED燈全亮）。

所述的遙控開關還分別連接事先錄制好元素性質介紹的音頻播放器（見圖3）。該模塊音頻可讓班級普通話好的學生錄音，可以是洪亮的男生聲音，也可以是婉約的女生聲音?？梢远ㄆ诟鼡Q本班不同學生錄音，讓學生有熟悉感，可大大提高學生的學習興趣。

使用方法? 使用時，只需手拿遙控器，分別按壓代表第一電離能、原子半徑、最高正化合價、最低負化合價的A、B、C、D按鈕就可以了（見圖4）。這種模型便于遠程遙控，便于在學生之間傳閱，特別是聲音和彩色光的應用，讓學生印象深刻。

3 研究意義

這只是化學教學中的一個小改進，把枯燥的理論知識可視化呈現，把難記憶的知識用聲音進行強化。實際上，化學中很多知識點都可以進行類似的改進，與現代科技相結合，把深奧的理論知識模型化，把教材中平面的圖形立體化。教材中有數據表述的，如含有氫鍵和范德華力的一些氫化物的沸點也可同樣展示。這樣的改進不僅幫助學生加深了對相關理論知識的理解，還培養了學生的創新思維。

4 改進設想

以上改進是筆者通過網上購買的用品和器材進行的制作，無論是LED燈還是直流電源（電池），其電流電壓都不太匹配，產品比較粗糙，浪費了大量的空間和時間。下一步可以利用3D打印，使模型更加小巧和緊湊，配置匹配的電源和LED燈以及聲音模塊，讓控制按鈕更加完美，成為一體機，這樣更便于運輸和攜帶，便于推廣到各個學校和科技館以及科研機構，以滿足更多學生和科普愛好者學習使用。

參考文獻

[1]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書 化學2 必修[M].北京：人民教育出版社，2017：14-18.

[2]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書 化學 選修3） 物質結構與性質[M].北京：人民教育出版社，2018：16-21.

[3]曹雨晴.元素周期律沙盤模型[J].發明與創新：中學生版，2018（7）：21.

作者：黃雯雯，鄒城市看莊中學，中學二級教師（273502）。