基于學科理解的元素周期律的教學設計

楊桂榕 鄭長龍

摘要： 通過基于主題的學科理解，抽提元素周期律主題的本原性問題，并在問題解決過程中發現認識視角和認識思路，將學科理解與“素養為本”的化學課堂教學設計有機融合，對元素周期律主題課例進行教學板塊的任務化設計。以元素周期律主題為例的基于學科理解的教學設計表明，學科理解可以有效幫助教師設計培育學生核心素養的化學課堂，從而發展學生的思維方式、方法與能力，在此過程中教師對化學學科的認識和理解也得以提升。

關鍵詞： 學科理解； 元素周期律； 板塊任務化設計

文章編號： 10056629（2022）10003905

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

在長期的教學實踐過程中，盡管教師的教學經驗在不斷地增長，但是對所教學科內容的理解和認識可能會停滯不前，從而出現學科知識和學習能力退化的現象?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》中提到“開展素養為本的課堂教學需要提升教師的學科理解能力”［1］。由此可見，開展基于學生化學學科核心素養發展的課堂教學對化學教師的專業素養提出了更高的要求，需要教師不斷提升化學學科理解。教師對化學學科理解的程度將直接影響課堂教學的價值取向以及學生對化學學科的理解，因此提升教師自身的學科理解對教師的專業成長有著至關重要的作用。

學科理解是教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識。對這個概念進行解讀發現：化學學科理解的對象是化學學科知識及學科特質化的思維方式和方法；理解的方式是結構化和本原化，通過這種方式，使學生不僅知道認識什么（化學科學知識），還知道怎么認識（化學認識思路），以及認識到什么程度（對化學有關的問題或議題提出本原性思考）［2］。

針對具體課例進行學科理解，首先要基于主題在大概念層面對概念及其發展進行本原性理解，結合課程標準、教材要求以及學科知識發展過程凝練本原性問題，進而通過本原性問題的解決抽提出認識視角，最后將認識視角按照一定的邏輯線索組織起來進行結構化，形成認識思路。其中本原性問題蘊含學科觀念或學科思想，認識視角幫助學生建構化學特質化的思維方式和方法，認識思路幫助學生形成穩定的思維模型。對主題課例進行學科理解的具體方法步驟如圖1所示。

1 元素周期律主題內容的學科理解

本文將以元素周期律為例對該主題內容進行學科理解。元素周期律是化學最基本的定律之一，也是高中化學知識體系中的重要內容，同時還是學生需要掌握的基本原理之一。元素周期律的確立是把來自科學的事實知識經過科學的綜合分析而形成了理論，因而起著連接科學事實和科學理論的橋梁作用，其強大的功能在于具備科學理論的預見性和創造性?；谠刂g具有內在聯系的思想，通過對元素性質及其關系的探尋，元素周期律已成為將物質組成、元素性質以及原子結構建立聯系的連接點。在物質組成方面，它將物質組成“質”與“量”的因素辯證地統一起來，并加以系統化和規律化［3］；在元素性質方面，它是宏觀元素性質規律性的體現，并且表明了元素性質發展變化的過程是從量變到質變的過程；在原子結構模型方面，它是原子結構中核外電子的運動和排布所具有的周期性遞變規律的反映，因而起著聯系宏觀元素性質和微觀原子結構的作用。

基于元素周期律主題內容分析，提出以下三個本原性問題：第一個是物質最基本的成分是什么，明晰元素概念的發展過程，加深對物質組成的認識；第二個是元素性質為什么具有周期性，探析元素性質的內在聯系，基于原子結構理論對元素周期律的本質進行認識；第三個是元素性質的周期性如何表達，對元素的周期性進行表征即構建元素周期表。

1.1 物質最基本的成分是什么

化學研究的對象是物質，元素則是物質組成的最基本的成分，因而在對物質的成分進行探究的漫長過程中，元素概念的發展經歷了從古代元素概念到近代元素概念再到現代元素概念的演變歷程。古代元素概念是樸素的、直觀的，往往將某些實物當作元素，如中國的五行說、古希臘的四元素說和煉金家的三元素說等，這些均是哲學物質觀視角的元素概念；波義耳把元素規定為“化學分析所達到的終點”以及拉瓦錫的氧化學說認為元素是化學方法不能再分解的簡單物質，兩者均從化學物質的視角定義元素；道爾頓的原子論和門捷列夫周期表對元素的認識都建立在原子不可分、元素不可變的基礎上：認為元素是具有一定原子量的同種類的原子，進入到了微觀層面研究元素，是基于原子種類認識元素；電子、放射性元素以及同位素的發現使得原子結構得以確定并且認識到原子是可分的、元素是可變的，認為元素是具有相同核電荷數的一類原子的集合，它們在元素周期表中占有同一個位置，它們的原子電子殼層結構是相同的，因此表現出相同的化學行為［4］，是基于原子類別的視角認識元素。從古代基于哲學物質觀的元素概念到現代基于原子類別的元素概念，我們對元素的認識從宏觀深入到微觀，由物質視角發展到原子視角。由此可見，我們對元素的認識在不斷地深化，并可以從元素概念的演變中抽提出不同水平的認識視角，而“物質最基本的成分是什么”這個問題的答案也在不斷地形成，并逐漸接近本質性的認識。具體的認識發展過程如圖2所示［5］。

1.2 元素性質為什么具有周期性

1816年普勞特提出設想，所有元素的原子量實際上都精確地等于氫原子量的整倍數，因此氫原子可能是各種元素的原始物質。這一假想雖然缺乏實驗依據并且后來被斯達精確測定出的原子量很少是整數這一事實所否定，但是其中蘊含的元素之間存在聯系的觀念卻引起了科學家們的關注。對于揭示元素之間的內在聯系，在探索原子量與元素性質變化規律的過程中取得了突破［6］。最早對元素的原子量和化學性質之間的關系進行研究是從性質相似的元素組中尋找原子量的數學關系，顯然這種分類工作只局限于部分元素，沒有把所有元素作為一個整體來考察；1869年門捷列夫對當時已知的63種化學元素進行規律性的排列形成了元素周期表，并于1871年給出了元素周期律的定義：元素（以及由元素所形成的單質或化合物）的性質周期地隨著它們的原子量而改變［7］。門捷列夫是從元素的整體上全面把握了元素性質之間的內在聯系，從原子量的視角揭示了元素性質的周期性，并應用它發揮了理論的預測性和創造性。至此之后，元素不再是彼此孤立的偶然堆積，而是具有系統性和規律性的統一體。隨著人們對元素的深入認識和新元素的發現，門捷列夫當年建立的化學元素周期表也出現了一定的問題，問題之一就是元素“倒置”（鉀氬、鎳鈷、碘碲），伴隨著“原子結構模型”的日臻完善，關于原子在元素周期表中“位置”的依據、隱藏在原子量背后的某種內在依據逐漸浮出水面，元素周期律的微觀本質也逐漸明晰。

1897年湯姆遜發現了電子，原子不可分的傳統觀念徹底破滅了，由此開始了對原子內部結構的探尋。在盧瑟福1911年提出的原子行星模型中，只知道原子核具有正電荷且其數目被稱為核電荷數，核外電子數等于核電荷數，但是核電荷數在不同元素的原子中各有多少還是未知數。元素“倒置”表明原子量不是決定元素排序的內在依據，范登布洛夫提出建議，原子的核電荷數對應于元素在周期表中的排列次序［8］。1913年莫斯萊把元素按特征X射線譜排列的序號稱為原子序數，他發現原子序數與元素在周期表中排列順序具有驚人的一致性，并將原子序數和核電荷數相聯系，認為兩者是相等的。后來盧瑟福在1914年通過陰極射線轟擊氫的實驗中，發現了原子核中存在正電荷并命名為質子，由此開啟了對原子核微觀結構的認識。原子序數的提出及其意義闡明以后，元素周期表中的“倒置”問題就煙消云散了，這說明化學元素周期律并不是元素按原子量由小到大排列的結果，而是按原子序數遞增排列的結果，從而形成了現代對元素周期律的認識，即元素的性質隨著原子序數的遞增呈現周期性遞變。

隨著量子力學的研究和量子化學的發展，深入到微觀結構層面，科學家們都在通過尋找電子的排列和運動規律以解釋元素的化學性質為什么會隨原子序數的增加而發生周期性變化。1913年玻爾結合量子理論提出新的原子結構模型，他認為繞核運動的電子決定元素的一切化學性質，并依據已經發現的元素周期律猜想，原子中的電子可以被分為不同的組，每一組包括的電子數等于按原子序數遞增排列的元素序列的一個周期［9］，結合電子運動的定態和躍遷假設，提出原子的殼層結構以解釋元素性質的周期性遞變。在現代原子結構模型中，電子具有波粒二象性，因而用波函數對電子微觀運動狀態加以描述，通過求解多電子體系的定態薛定諤方程，確定了單電子近似下的空間波函數（即原子軌道）可以由3個量子數n、 l、 m來描述，而原子的電子組態，即量子數n和l都確定的原子核外電子排布，是決定元素性質的一個重要因素，因而元素性質具有周期性實質上是原子的微觀電子組態所具有的周期性遞變規律在宏觀層面的反映［10］。由此可見現代原子結構理論深刻地揭示了元素周期律的本質，現代元素周期律可以表述為：隨著原子序數的遞增，元素性質由于原子的微觀電子組態所形成的周期性遞變規律而呈現周期性變化。對元素性質具有周期性的認識發展過程如圖3所示。

1.3 元素性質的周期性如何表達

元素性質的周期性是用周期和族兩個維度加以表征并形成了元素周期表。在門捷列夫時代，元素的周期是元素性質重復相似的過程，族的概念是與元素的原子價聯結在一起的，形成了以原子量大小為周期，以元素性質相似性為族的元素周期表；在原子結構理論指導下的元素周期律，周期是原子核外電子的建層過程，族的概念則以核外電子排布的共同特征為依據［11］，形成了以原子序數大小為周期，以原子相同的電子結構為族的現代元素周期表?，F代原子結構理論從微觀結構層面對元素周期表中的周期和族進行了本質闡述，主量子數n對應的是能層的概念，表示核外電子運動的主要層次，角量子數l對應的是能級的概念，規定著核外電子運動的各個分層，磁量子數m決定了能級的軌道數，和泡利不相容原理結合，又規定著各個分層的電子數目，同時電子的排布還遵循能量最低原理。元素周期與元素原子殼層結構間的關系并非是主量子數n直接對應于周期，而是通過（n+0.7l）所決定的能級組［ns、 （n-2）f、 （n-1）d、 np］與元素的周期一一對應，因而每周期的元素數目按2、 8、 8、 18、 18、 32、 32的分配原則分布于1～7周期。通過能級組也可以很好說明元素周期表中的族，元素原子相同的電子組態稱為族，由于倒數第三層的f軌道深藏于內部，對元素原子間所形成的化學鍵的貢獻接近于零，因此，與元素的化學性質直接相關的是近似的價軌道能級組［ns、 （n-1）d、 np］。這個近似的價軌道能級組最多可填充18個電子，即有18種電子組態，每一電子組態就代表一個“族”［12］。

1.4 認識視角和認識思路

通過對物質最基本的成分是什么的回答，認識到了元素的類屬性，元素同時具有宏觀性和微觀性；通過對元素性質為什么具有周期性的回答，認識到結構決定性質；通過對元素性質的周期性如何表達的回答，認識到元素周期表中位置的重要性。而在這三個問題的解決過程中也形成了不同的認識視角：第一個問題形成了宏微結合的視角，第二個問題形成了結構視角，第三個問題形成了位置視角，將認識視角結構化形成認識思路即元素“位”“構”“性”的三角關系。在該關系中，原子結構是本體和基礎，性質是表現，位置則是周期律理論體系中的邏輯形式［13］。只要知道三個視角中的一個，就可以推出其他兩個視角，其關系如圖4所示。

其中對位置的研究主要是對元素進行分區，把價電子構型相似的元素分為同一個區。對結構的研究主要集中在對電子運動和排布的研究。對性質的研究可以分為三個層面，宏觀層面是對物質性質的研究，主要關注物質的氧化性和還原性；宏微結合層面是對元素性質的研究，主要關注元素的金屬性以及非金屬性；微觀層面是對原子性質的研究，而原子性質是通過原子結構參數來體現和表征的。原子結構參數可以分為兩類：第一類是和自由原子的性質關聯的參數，例如原子電離能和電子親和能，分別對應于元素的金屬性和非金屬性；第二類是化合物中表征原子性質的參數，例如原子半徑和電負性［14］。

元素周期律的奧妙之處在于客觀地反映了元素原子核外電子排布的微觀規律隨原子序數遞增的周期性變化，這在宏觀上表現為元素原子的性質隨原子序數遞增而呈現周期性遞變。元素周期律承載了兩方面的功能：第一建立了位置、結構、性質之間的聯系；第二建立元素世界與物質世界的聯系，即利用元素在元素周期表中的位置和原子結構，分析、預測、比較元素及其化合物的性質。

2 基于學科理解的教學設計

鄭長龍教授課題組在“‘素養為本的化學課堂教學的設計與實施”中提到對化學課的結構進行“板塊化”設計，對化學課的內容進行“任務化”設計［15］。本文將借鑒板塊任務化的教學設計模式對“元素周期律”主題課例進行“素養為本”的教學設計。

2.1 元素周期律主題課例的板塊設計

板塊起著對化學課堂解構的作用，通過將學科理解中的本原性問題與板塊的設計結合，可以明確板塊以及與板塊連接承載的學科功能和素養功能。基于此，元素周期律主題課的板塊設計如下：

［板塊1］物質最基本的成分是什么？

［板塊2］元素性質為什么具有周期性？

［板塊3］元素性質的周期性如何表達？

這三個板塊的關系如圖5所示：

板塊1的素養功能定位在“宏觀辨識”，元素周期律中最基本的概念為元素，通過元素概念的演變，從宏觀層面對物質的組成進行探尋，從而建立元素周期律與物質組成的內在聯系；板塊2的素養功能定位是“微觀探析”，基于元素之間存在聯系的思想，發現元素性質具有周期性的宏觀理論，在原子結構模型的發展過程中探索元素周期律的微觀本質；板塊3的素養功能定位是“符號表征”，對元素周期律形成以周期和族為維度的二維表征框架，并將其圖示化。板塊之間的連接由宏觀深入到微觀，再到對理論進行表征，從宏觀、微觀和符號三種表征水平上認識元素周期律的主題內容，并建立三者間的有機聯系，反映了化學學科的認識邏輯，體現了“宏微符三重表征”的化學學科思維方式。

2.2 元素周期律主題課例的學習任務設計

化學學習任務是指在化學教學中為實現一定的化學教學目標、落實一定的化學教學內容，由教師和學生共同完成的學習課題［16］?；瘜W學習任務主要是為了呈現化學課堂內容，是板塊的子系統，對板塊中的問題通過學習任務進行分解，從而達到問題解決的目的。通過將認識視角和認識思路與化學學習任務相結合，可以對學習任務進行素養功能設計?；诖?，元素周期律主題課的任務設計如下：

［板塊1］物質最基本的成分是什么？

［學習任務1］基于哲學物質觀認識元素。

［學習任務2］基于化學物質認識元素。

［學習任務3］基于原子種類認識元素。

［學習任務4］基于原子類別認識元素。

學習任務1、 2、 3、 4的素養功能在于通過對元素發展史的梳理，抽提出認識元素的不同視角，在對物質成分是什么的探究過程中，隨著微觀世界大門的打開，元素的認識從宏觀物質過渡到微觀原子，在認識視角變化的過程中，學生認識到了科學的暫定性以及發展了基于“證據推理”的素養。

［板塊2］元素性質為什么具有周期性？

［學習任務1］基于原子量探析元素周期律。

［學習任務2］基于原子序數探析元素周期律。

［學習任務3］基于原子結構理論探析元素周期律的本質。

學習任務1、 2、 3的素養功能在于通過對元素性質為什么具有周期性這個問題的解決，學生建立了不同的認識視角，逐漸由現象到本質，使學生可以由“宏觀現象”到“微觀本質”的視角轉變逐步發展“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養。

［板塊3］元素性質的周期性如何表達？

［學習任務1］基于周期構建元素周期性的表征。

［學習任務2］基于族構建元素周期性的表征。

［學習任務3］基于分區思想構建元素周期表。

學習任務1、 2的素養功能在于通過二維周期表的建立過程，解決元素周期性的表征問題；基于表征的視角，發展學生“符號表征”的另一種形式“圖示表征”的素養，使學生對表征的認識擴大化和延伸化，在遇到表征問題時，可以選擇合適的表征方式。學習任務3的素養功能在于通過分區思想使學生對元素周期表的認識進一步加深，發展學生物質分類的思想。

3 總結與展望

本文通過對“元素周期律”主題內容進行學科理解，梳理得到該主題的本原性問題、認識視角和認識思路，并基于學科理解進行了“素養為本”的化學課堂的板塊任務化設計，將本原性問題與板塊有機融合，將認識視角和認識思路深植于學習任務之中。由此可見，學科理解不僅加深了教師對學科知識的認識，也對教師設計“素養為本”的化學課堂極有幫助，期望通過實施基于學科理解的教學設計發展學生的學科核心素養，提升學生的學科認識水平。

本文只是以某一主題課例為例，探究其基于學科理解的“素養為本”的教學設計。一線教師可以借鑒本文學科理解以及教學設計的思路，嘗試對其他主題進行基于學科理解的化學素養課的設計。本文也只是在理論層面論述了課堂設計，尚未實施于實踐，期待今后通過教學實踐豐富和完善教學設計，發展學生的化學學科核心素養。

參考文獻：

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