品味元素周期律發(fā)現(xiàn)的樂(lè)趣提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

摘?要：元素周期表（律）是現(xiàn)代科學(xué)中最富成果的思想之一。本文通過(guò)高中化學(xué)教材中對(duì)元素周期律發(fā)現(xiàn)的化學(xué)史回顧，對(duì)新課程改革中化學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成做出了一些思考。

關(guān)鍵詞：元素周期律;元素周期表;學(xué)科核心素養(yǎng);化學(xué)史教學(xué)

高中化學(xué)教學(xué)的基本理念是立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來(lái)發(fā)展的需要，充分發(fā)揮化學(xué)課程的整體育人功能，構(gòu)建全面發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)課程目標(biāo)體系。結(jié)合人類(lèi)探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念;引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類(lèi)面臨的與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力。

一、 問(wèn)題提出的背景

元素周期表（律）是現(xiàn)代科學(xué)中最富成果的思想之一。1869年被認(rèn)為是Dmitri Mendeleev（德米特里·門(mén)捷列夫）發(fā)明元素周期表的一年。150年來(lái)，隨著研究的深入，元素周期表更加成熟，至今仍然保持著最廣泛、最持久、最深入的影響。為了紀(jì)念元素周期表誕生150周年，聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣布2019年是“國(guó)際化學(xué)元素周期表年”。

150年來(lái)圍繞著元素周期律發(fā)明的科學(xué)歷程，無(wú)不體現(xiàn)著包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”這五個(gè)方面的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。高中化學(xué)教師應(yīng)當(dāng)在化學(xué)教材編寫(xiě)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要和教學(xué)思路充分利用這些鮮活的化學(xué)史內(nèi)容，積極推進(jìn)高中化學(xué)核心素養(yǎng)的落地教學(xué)。

二、 關(guān)于知識(shí)講述方式的思考

人教版（2019版）元素周期表（律）的知識(shí)講述偏重于知識(shí)點(diǎn)本身，通過(guò)已知圖表的形式讓學(xué)生歸納總結(jié)并發(fā)現(xiàn)規(guī)律。在教材中間的“科學(xué)史話”專(zhuān)欄給出了“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”和“元素周期表的發(fā)展”兩部分閱讀材料作為補(bǔ)充。在“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”這兩點(diǎn)上做了很好的平衡。但是在人類(lèi)的化學(xué)發(fā)展史上，究竟是如何在紛繁蕪雜的各種元素之間建立聯(lián)系呢？教師可以以元素周期表的發(fā)展史為主線索，從德國(guó)化學(xué)家德貝萊納的“三素組”學(xué)說(shuō)，到法國(guó)地質(zhì)學(xué)家尚古多提出的螺旋圖分類(lèi)，再到英國(guó)化學(xué)家紐蘭茲的“八音律表”，最后到俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫排出元素周期表，講述每一個(gè)學(xué)說(shuō)的來(lái)龍去脈、先進(jìn)性和局限性，以及科學(xué)家面對(duì)難題的困擾和采取的對(duì)策。將簡(jiǎn)單的知識(shí)講述轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的探索發(fā)現(xiàn)歷程，帶著學(xué)生共同品味元素周期律發(fā)明的樂(lè)趣。理論研究和實(shí)際應(yīng)用互相促進(jìn)。“構(gòu)、位、性”的和諧統(tǒng)一推動(dòng)了元素周期表的應(yīng)用。這實(shí)際是與“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”緊密聯(lián)系的。不過(guò)可能由于受篇幅的限制，人教版介紹的比較簡(jiǎn)略。教師可以根據(jù)課時(shí)安排，增加更多STEM（科學(xué)Science、技術(shù)Technology、工程Engineering、數(shù)學(xué)Mathematics）的內(nèi)容。

三、 關(guān)于探索方式的思考

我們的化學(xué)教學(xué)倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)。分別用實(shí)驗(yàn)探究第三周期元素鈉、鎂、鋁金屬性的強(qiáng)弱，用列表格羅列事實(shí)的形式比較硅、磷、硫、氯非金屬性的差異。既有感性的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，又有理性的原子結(jié)構(gòu)的分析，在“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”上達(dá)到了很好的效果。在此基礎(chǔ)上，教師還可以創(chuàng)造一些迷你實(shí)驗(yàn)小問(wèn)題：如預(yù)測(cè)神秘元素的性質(zhì)。按照元素符號(hào)、密度、熔點(diǎn)、原子半徑的順序，提供了一些反映周邊元素性質(zhì)的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算周邊四種元素對(duì)應(yīng)參數(shù)的平均值，來(lái)預(yù)測(cè)未知元素A、B的密度、熔點(diǎn)和原子半徑。這是一個(gè)真實(shí)的體驗(yàn)：門(mén)捷列夫就是在此基礎(chǔ)上預(yù)言了21號(hào)（類(lèi)硼）、31號(hào)（類(lèi)鋁）和32號(hào)（類(lèi)硅）元素的物理和化學(xué)性質(zhì)。讓學(xué)生模仿早期科學(xué)家的探究活動(dòng)，通過(guò)這一活動(dòng)拉近學(xué)生與科學(xué)家的距離，讓學(xué)生嘗試沿著科學(xué)家的足跡去感受發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，更好的理解“結(jié)構(gòu)、位置、性質(zhì)”三者關(guān)系的統(tǒng)一。這是一種非常好的探索方式。

四、 關(guān)于科學(xué)精神的思考

任何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都不是一帆風(fēng)順的，我們需要進(jìn)行挫折教育和科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神的培養(yǎng)。元素周期表的發(fā)明同樣經(jīng)歷過(guò)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。1894～1898年間惰性氣體Ar、Kr、Ne、Xe被相繼發(fā)現(xiàn)。1900年又從放射性礦物中鑒別出鐳射氣——Rn，這都使門(mén)捷列夫的元素周期律理論受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因?yàn)橹芷诒砩险也坏剿麄兊奈恢谩ｉT(mén)捷列夫以其睿智，巧妙地提出在周期表里可以再增添一個(gè)“零族”，從而進(jìn)一步改善了周期表，也構(gòu)成了一次新的認(rèn)識(shí)飛躍，使周期律理論得到了鞏固。在周期律的指導(dǎo)和啟迪下尋找新元素的工作克服了盲目性，增加了自覺(jué)性。

在現(xiàn)代元素周期表中，決定元素排列順序的究竟是相對(duì)原子質(zhì)量還是核電荷數(shù)這個(gè)問(wèn)題，人教版的介紹很簡(jiǎn)略。人教版（2019版）在“科學(xué)史話”中提到“1913年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊發(fā)現(xiàn)并證明了周期表中元素的原子序數(shù)等于原子的核電荷數(shù)”這樣一句話。事實(shí)上，1913年英國(guó)青年科學(xué)家莫斯萊測(cè)定了每種元素的核電荷數(shù)，得出了周期表中元素的排列次序是“核電荷數(shù)”這一著名結(jié)論（莫斯萊定律）。這是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，在理論和實(shí)驗(yàn)方面都有著深遠(yuǎn)的意義。這就解釋了為什么在元素周期表中鉀和氬、鈷和鎳、碲和碘等處，相對(duì)原子質(zhì)量大的反而排在相對(duì)原子質(zhì)量小的元素之前的倒置的現(xiàn)象。

五、 關(guān)于科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)的思考

科學(xué)的本質(zhì)是真理體系，是認(rèn)識(shí)世界的實(shí)踐方法，是積累、批判和創(chuàng)新。學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的掌握依賴(lài)于對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中除了開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)之外，融入科學(xué)史也是一種行之有效的途徑。它不僅可以幫助學(xué)生了解元素周期律的科學(xué)知識(shí)，更重要的是從周期律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中再現(xiàn)科學(xué)家的研究方法，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的諸多方面。從“三素組”學(xué)說(shuō)，到螺旋圖分類(lèi)，再到“八音律表”，最后到元素周期表，體現(xiàn)了科學(xué)的積累性;在關(guān)于元素性質(zhì)描述的眾多數(shù)據(jù)中，門(mén)捷列夫牢牢抓住了化學(xué)性質(zhì)與原子量這兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，終于發(fā)明了元素周期律，體現(xiàn)了科學(xué)的創(chuàng)造性;從最初元素性質(zhì)隨原子量遞增呈現(xiàn)周期性變化到最終修正為元素性質(zhì)隨原子序數(shù)（核電荷數(shù)）遞增而呈周期性變化的規(guī)律，體現(xiàn)了科學(xué)的批判性。

將這段化學(xué)史融入教學(xué)中，學(xué)生們就不至于提到元素周期表就只知道門(mén)捷列夫。他們會(huì)更多的了解到門(mén)捷列夫之前的很多科學(xué)家所作出的貢獻(xiàn)。任何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都不是一蹴而就的，科學(xué)的發(fā)展是一個(gè)不斷積累、不斷批判和不斷創(chuàng)新的過(guò)程。新的觀察發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)舊的理論提出挑戰(zhàn)，在批判的過(guò)程中創(chuàng)立新的理論。

六、 關(guān)于教學(xué)的一點(diǎn)反思

教師要不斷學(xué)習(xí)，這樣教學(xué)才能與時(shí)俱進(jìn)。2016年IUPAC（國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）核準(zhǔn)并發(fā)布4種最新人造元素（113，115，117和118）的英文名稱(chēng)和元素符號(hào)。緊接著，2017年全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)正式確定了這四種元素的中文名稱(chēng)。至此，第七周期元素已經(jīng)排滿(mǎn)。教師千萬(wàn)不能再提人教版（2007版）當(dāng)中的“不完全周期”的概念。

也許是因?yàn)榫幣艜r(shí)間較早，高中化學(xué)教材中缺少最新的科學(xué)研究成果、缺少科學(xué)視野的前瞻性。教材中元素周期表（律）的基本教學(xué)知識(shí)內(nèi)容，大多數(shù)是19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初的人類(lèi)研究的文明成果，僅限于介紹元素周期表（律）的早期探索。科學(xué)的發(fā)展日新月異，教師要密切關(guān)注最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，努力將最前沿的發(fā)展介紹給學(xué)生。

教師可以向?qū)W生介紹元素周期表的三次重要拓展：“天然放射性元素”的發(fā)現(xiàn)、“人工放射性元素”（人造元素）的合成和“錒系后元素”（超重元素）的合成。在“天然放射性元素”的發(fā)現(xiàn)中介紹居里和居里夫人的探索故事等。雖然這三次重要的拓展都是物理學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果，但是學(xué)科沒(méi)有邊界，在這種跨學(xué)科的交流中彰顯“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的核心素養(yǎng)理念。

教師可以向?qū)W生介紹“超重元素穩(wěn)定島”的預(yù)言以及元素周期表的邊界問(wèn)題的探討。如果“核電荷達(dá)到足夠強(qiáng)大，將會(huì)出現(xiàn)最內(nèi)層的K層電子被原子核俘獲，引起整個(gè)電子層結(jié)構(gòu)的崩潰，這樣具有更高Z的原子就不復(fù)存在。”這樣的討論既介紹了前沿科學(xué)讓學(xué)生耳目一新，又聯(lián)系了原子核對(duì)核外電子具有吸引力引起的原子半徑大小問(wèn)題、得失電子的難易程度等諸多高中化學(xué)中學(xué)生已經(jīng)熟悉的討論。但是，微觀世界的實(shí)際情況要更加復(fù)雜，經(jīng)典的牛頓力學(xué)已經(jīng)不適用，必須用現(xiàn)代的量子力學(xué)理論才能解釋清楚。雖然教學(xué)中教師只是寥寥數(shù)語(yǔ)，但量變引起質(zhì)變、“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”卻給學(xué)生打開(kāi)了一扇通向未來(lái)的窗戶(hù)。

七、 結(jié)語(yǔ)

我們的教學(xué)一直在不斷的改革，其目的在于不斷適應(yīng)新的教育理念、新的形勢(shì)發(fā)展的需要。化學(xué)史蘊(yùn)含著豐富的關(guān)于科學(xué)方法、科學(xué)本質(zhì)的廣泛深刻的教育意義，但中學(xué)化學(xué)教學(xué)既不是專(zhuān)業(yè)全面的化學(xué)史課程，也不是浮光掠影的科普節(jié)目，它追求的是一種不斷追求的科學(xué)精神，是撥開(kāi)認(rèn)知迷霧、打破思維禁錮的不斷否定又創(chuàng)新的意識(shí)。我們不僅要把科學(xué)的歷史性和文化性整合在知識(shí)體系中，更要關(guān)注學(xué)生對(duì)科學(xué)的理解。科學(xué)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷有的可以在課堂上重復(fù)再現(xiàn)，那么多的科學(xué)人物和事件也不一定能夠完全記住，但是我們終將在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)體系中應(yīng)有的思想觀念、提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]白建娥，劉聰明.化學(xué)史點(diǎn)亮新課程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：127-128.

[3]蔡善鈺.元素周期表的創(chuàng)立及其三次重要拓展：紀(jì)念門(mén)捷列夫周期表發(fā)表150周年[J].物理，2019（10）：625-632.

作者簡(jiǎn)介：黃謙，江蘇省南京市，南京師范大學(xué)附屬揚(yáng)子中學(xué)。