關注學生思考把握問題深度

喻俊

關鍵詞：元素周期律;元素周期表;公開教學;科學探究;教學反思

一、問題背景

基于化學學科核心素養的化學課程倡導將化學知識學習成為發展批判性思維和問題解決的過程，并在這一過程中逐步形成正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。“元素周期律”作為高中化學課程的核心內容，最常見的教學模式就是直接讓學生尋找短周期元素（3～18號）的原子半徑、元素主要化合價的變化規律。筆者認為，在缺乏背景的情況下，直接讓學生尋找第二、三周期元素的化合價、原子半徑等規律，加之第二周期還存在特例（如O、F無最高正價），以兩個周期為代表拓展到整個元素周期律中，不僅不夠典型，而且缺乏對周期律的深度探究。因此，筆者在進行本節課的試教和正式教學時，為更好地引導學生基于事實證據進行推理和論證，逐步構建基于“元素原子結構一周期表位置一元素性質之間關系”的系統模型，在學習活動的創設和學習問題的設置上給予了學生廣闊的空間，讓學生在探究中逐步構建知識。未曾想到的是，學生在課堂中表現非常活躍，而且對問題思考的深度和廣度值得細細品味。

二、教學與反思

1.元素周期律的表現形式一定是“表”嗎？

在備課過程中了解到，元素周期律有很多表現形式。為了引導學生在課后也能排列出不一樣的圖（表），筆者一開始就在思考應該從什么角度去啟發他們。在一次試講中，當引導學生將元素卡片按照已有信息（卡片上有相應元素的原子半徑、相對原子質量、單質熔沸點與密度、常見化合價等數據和原子結構示意圖、單質狀態、溶解性等信息）進行有規律的排列時，學生卻并未排列出像元素周期表那樣，有的小組甚至不知道排成什么樣。在與學生溝通后，我理解了學生的疑惑，學生認為排列并不一定是排成表格，也可能是某種圖形。換個角度看，排列既可以是平面的，也可能是空間的。可以看出，元素周期“表”中的一字之變，極大地拓展了思維的空間。正是基于這一點，筆者才理解了課本上“元素周期表是元素周期律的具體表現形式”所隱含的深刻思想，即“元素周期表是元素周期律的重要表現形式，但不是唯一形式”。如果在教學活動中一開始就讓學生按照表格形式排列，必然會束縛學生創新思維的發展。

事實上，自1869年門捷列夫給出第一張元素周期表以來，至少已經出現了700多種不同形式的元素周期表。總的來說，人們制作元素周期表的目的是為研究元素周期律提供方便，但研究的側重點不同，給出的元素周期表現形式也就不同。而元素周期表作為最常見的形式被廣泛接受，這與人們的認識方式和使用特點密切相關。一直以來，科學家對某種假說、模型或規律的呈現總是選取一種更容易被接受、更有利于表達觀點的形式。像元素周期表這樣一種二維排列，人們不僅認識、使用起來更為方便，同時也可使規律的表達更為簡潔、系統。

2.稀有氣體元素為什么排在最后一列？

在給元素有規律地排列時，學生利用元素卡片的形式對21種元素（這21種元素是除去H、He、Ne、Ar、Kr的前1～36號主族元素）進行編表，學生排出了表1中的灰色底部分。排列好后，學生會發現這些表格中每一列（行）的化合價和原子結構規律。在此基礎上，增加了He、Ne、Ar、Kr共4種元素的卡片（卡片信息同前），學生對25種元素的排列結果如表1所示。

按照第1種排列的學生認為，四種元素的化合價均為0，可以排在+1價前面;按照第2種排列的學生則提出了不同的意見，如果按第1種排列，就會出現同一行元素原子結構電子層數的差異。如果按照第2種排列，就能同時體現化合價和電子層數的規律，即規律更強。這一小小的差異，也折射出在對大量看似雜亂無章的信息中尋找規律時，一方面要尋找“共同性”，另一方面還要把握“遞變性”，其目的是使“規律最大化”。這正與當年門捷列夫在進行元素排列時“強調依照元素特性的總和以及該元素與其他元素的聯系的思想不謀而合。

3.鐵在認識元素周期表的結構中有何特殊價值？

鐵作為一種過渡金屬元素，幾乎不在元素周期律中有所貢獻。在試教中，學生利用26張元素卡片（卡片信息同前，元素種類與前面相比多了H）的形式對元素進行編表，可以編排出元素周期表的第一、二、三、四周期。為了充分挖掘鐵在元素周期律中的學習價值，筆者設計了鐵元素卡片（信息同前）。學生利用鐵元素的信息排列出兩種形式：一種是直接插在ca和Ga中間，第二、三、四行（此時學生尚未學習周期的概念）其他元素的排列錯位，右側部分排列不再有序，如表2：

另一種是Fe插在ca和Ga中間，但原本的第一、二列和第三列拉開距離，原本整體結構發生了變形。這個活動的目的是將高中階段學過的過渡金屬知識作為認識元素周期表結構的重要載體，激發學生的思維活力，初步構建起元素周期表的雛形。盡管學生此時尚未學習過選修階段的原子結構知識，但一定能體會到現行元素周期表的結構以這樣的方式呈現是有原因的。

顯然，鐵元素的位置排列提升了學生對元素周期表結構的認知水平。兩種排列形式各有理由，但后一種的規律性在表格中表現得更強。結合前述規律性最大化原則，顯然應該采取后者的排列形式。有了這樣的認識基礎，學生在后續深入學習原子結構的有關知識后，不僅能夠從本質上理解表3排列的原因，同時對第五、六周期鑭系元素、錒系元素這樣的排列也就有了更加理性的認識。也就是說，鑭系元素、錒系元素在表中的排列并非一定要像現在常見的元素周期表那樣單獨用兩行列出來，而是就可以放在相應位置并全部展開，但展開后周期表會占用很大的空間，不利于人們的使用。而現行元素周期表將鑭系元素和錒系元素分別放在第6周期和第7周期的同一格內，是為了使元素周期表的結構更緊湊。

4.元素原子半徑比較的反常現象如何解釋？

在講授元素周期律中原子半徑的規律時，筆者給出了目前普遍使用的主族元素的原子半徑圖，如圖1。從該圖中可以比較出同主族、同周期的兩種元素原子半徑的相對大小。此時，有學生提出“為什么圖中沒有稀有氣體原子的半徑？”“如果兩種元素的原子不在同一主族或周期，其大小應該如何比較呢？”，針對前一個問題，在課堂上以“稀有氣體原子半徑大小測量方法不同，故不能放在一起比較”作為回應，而后一個問題則順勢給出了微粒（原子、離子）的半徑比較三規則：①電子層數越多，半徑越大，如r（H）dr（B）

就在筆者認為可以圓滿回答學生的問題時，有學生提出，如果根據規則，r（C1）>r（Li），但是圖中卻顯示r（C1）dr（Li）。結合教材提供的數據，細致對比還可以發現，第三周期的A1、Si、P、S、C1均小于第二周期的Li，P、S、C1均小于Be等，像這樣的反常現象并不少。到底是規則錯誤還是圖片信息錯誤呢？

根據量子力學，核外電子運動沒有固定的運動軌道，沒有明確的界限，只有幾率密度的分布，現代科學技術還無法精確測量一個單獨原子的半徑。而且，不同元素原子有不同的存在形式，就是同一元素的原子也可能形成不同化學鍵的分子和晶體。因而不同元素的原子半徑可能表現形式不同，也就是同一元素的原子半徑也可能有不同形式。目前通常使用的有三種原子半徑，分別是金屬半徑、共價半徑和范式半徑。在比較和使用時，不同元素的原子半徑應該是在同一標準下。然而，對比人教版、蘇教版和魯科版三版教材，所列出的元素原子半徑大小數據均不一樣。

事實上，從半徑比較的三規則可以看出，電子層數、核電荷數、電子數都是影響微粒（原子、離子）半徑的因素，但三個因素在什么條件下分別是主要因素并未說明。以上述問題為例，這是否意味著該規則的應用需要局限在同周期或同主族范圍內呢？即使限定在同周期內，那么哪個因素又是占主導呢？有文獻指出：對于同一周期元素的原子半徑來說，可以認為核電荷數的影響占主導;在同一主族中，電子層數增多起主要作用，但均未討論不同周期或不同主族元素原子半徑比較方法，如不同周期的元素原子半徑是否主要受電子層數的影響。

此外，針對“電子層數相同，核電荷數越小，半徑越大（序小徑大）”學生也提出了想法，即這些原子結構擁有相同的電子層數，如果原子核的大小相差不大，如何體現出原子半徑的大小差別呢？以r（C1）

5.元素周期律的“律”包含了哪些內容？

教材對元素性質的研究，主要包括原子半徑、主要化合價、金屬性和非金屬性，其中金屬性和非金屬性涉及的物質性質范圍大一些，包括置換酸中氫的難易程度、氣態氫化物的穩定性等，但揭示這些規律本身也只是建立在有限的實驗事實基礎上。那么對于其它同一周期或主族元素的同類型化合物的顏色、狀態、毒性、溶解性、酸堿性呢？它們是否也可以被納入進來？無論哪一版教材，都沒有將這些內容納入周期律中，這一方面是基于元素周期律的主要是“解釋事實”，另一方面也反映出元素周期律只是人們在認識事物的過程中歸納、演繹、假設、推理的結果，只能盡可能揭示事物的本質和規律，其正確性體現在與事實的吻合程度上。因此，元素周期律是有一定的適用性的，某些元素所表現出的特殊性難以在周期表中體現，這一點需要學生用批判的思維來看待，并學會尊重客觀事實，創造性地運用科學的思維方式分析問題，解釋事物發展的本質和內在規律。

三、小結與啟示

元素周期律（表）作為化學學習的基礎，對提高學生的化學學習水平具有十分重要的價值。學生在一開始接觸化學時就知道化學書后面有一張元素周期表，甚至在畢業多年后都能記得那張表，但對其中蘊含的思想卻認識不足。在高中化學教材和教學中，雖然會學習部分規律性，但由于這部分知識的過于簡略，或僅靠個別物質的性質就得出元素的性質規律，使學生對這部分知識仍舊難以從本質上理解。在本節公開課中，基于實踐和探究活動的元素周期律認識模型對促進學生理解結構決定性質等科學本質起到了積極作用。從反思中也可以看出，課堂教學應該重視學生提出的每個問題，關注學生學習思考的方向、路徑，保護好學生的好奇心，利用好學生的求知欲。前述幾個問題的討論，使得學生元素周期律認識模型的建構對教師的教學提出新的挑戰，而在克服挑戰的過程中教師本身對元素周期律的模型也會有更深的體會和認識。只有教師不斷發掘元素周期律的奧秘，才能引領學生更好地去發現、感受元素周期律之美！