基于學科理解的高中化學教學設計

龔賢 顧紅霞

摘要：基于學科理解的視角分析人教版普通高中化學教科書必修第一冊（2019年6月第1版）第四章的“原子結構與元素周期表”和“元素周期律”的內容，以“元素周期表”為例對如何準確把握化學史內涵和價值進行學科理解、教學設計和教學實踐，引導學生逐步建構“位”“構”“性”認識模型，增進對化學學科思維的理解。

關鍵詞：學科理解;元素周期表;化學史;“位”“構”“性”認識模型

文章編號：1008-0546（2022）10-0040-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出“學科理解”概念，學科理解是對化學學科知識及其思維方式方法的一種本原性、結構化的認識。[1]基于學科理解的教學在于提供了具有學科特質的化學認識視角與化學認識思路，從而發展學生的化學學科思維方式。[2]在面向未來的化學課堂教學中，需要促進學教方式的轉變，使學生理解知識的本源，學會學習知識的方法，能在日常生活中應用化學學科知識和技能解決實際問題，因此要在教學中深入貫徹“學科理解”。筆者以人教版普通高中化學教科書必修第一冊（2019年6月第1版）第四章的“原子結構與元素周期表”中的“元素周期表”第一課時為例，嘗試在課堂教學中滲透“學科理解”，促進學生化學學科核心素養落地。

一、學科理解

1.價值分析

本章內容的教學主要促進學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”化學核心素養。“宏觀辨識與微觀探析”的發展重點表現為：深化對原子結構的認識，建立原子結構與元素性質、元素性質與物質性質之間的關系，在此基礎上，能從物質的微觀結構說明同類物質的共性和不同類物質的差異及原因，能解釋某些同類物質的不同物質性質變化的規律;“證據推理與模型認知”的發展重點表現為：構建“位”“構”“性”關系認識模型，從“各類物質的一般性質—氧化性和還原性”二維模型發展到“各類物質的一般性質—氧化性和還原性—相似性和遞變性”三維模型;“科學探究與創新意識”的發展重點表現為：形成實驗探究元素性質遞變規律、比較物質性質的思路方法，發展物質分離提純實驗的設計與實施能力，提高基于理論進行預測、提出假設的能力和基于實驗事實概括、推理得出結論的能力。

2.本原追溯

科學的發展史本質上屬于人類的認識史，是人類對自然科學的逐步探索和認識，它遵循從“表面”到“本質”、從“宏觀”到“微觀”的邏輯順序，排序依據由宏觀的元素性質和相對原子質量到微觀的原子結構和核電荷數，不同時期元素周期表的排序依據和認識角度見圖1。基于元素分類的研究，1829年德貝萊納（J.W.D?bereiner）提出“三元素組”。基于相對原子質量與元素性質之間的周期性變化規律，1866年紐蘭茲??? （J.A.R.Newlands）提出“元素八音律”;1869年門捷列夫（D.Mendeleev）繪制出第一張元素周期表，兩年后發表了第二張元素周期表，提出元素周期律的概念，并利用元素周期律預言了“類鋁”（鎵）、“類硼”（鈧）、“類硅”（鍺），這些元素在不久的將來都被科學家一一發現和證實，同時門捷列夫還在周期表中留下大量“空位”，留給目前未發現的元素。1913年莫塞萊（H.?? G.J.Moseley）證實了用核電荷數排序比用相對原子質量排序更符合元素性質的遞變規律。一直到20世紀30年代，原子結構奧秘的揭示，科學家才從微觀視角研究和完善元素周期表，才有了現在更加完美的元素周期表。

元素周期表的發現過程，體現了科學家的科學研究方法、觀念和科學精神。在教學設計時，教師應根據教學內容和學生素養發展要求選擇合適的化學史情境，利用學生的最近發展區作為知識生長點，設計驅動性問題，引導學生閱讀、分析、提煉或重新演繹科學家的研究方法和思維過程。將教材內容融入到化學史情境中，這樣不僅有助于學生掌握化學知識，還能使他們發現和體會科學家們的研究方法和科學態度。

3.框架梳理

人教版普通高中化學教科書必修第一冊（2019年??? 6月第1版）第四章的“原子結構與元素周期表”和“元素周期律”的內容按照由“微觀”到“宏觀”的邏輯順序來構建該章節內容體系（圖2）。教材先介紹原子結構，然后引導學生從原子結構視角來研究元素周期表中的“結構”“位置”關系，再以典型金屬元素族（堿金屬）和典型非金屬元素族（鹵族元素）為代表總結“構”“性”關系，最后以第三周期元素為代表，總結同周期元素的“位”“構”“性”關系，最終歸納出元素周期律。

二、教學目標

1.素養目標

（1）閱讀周期表的相關化學史料，了解周期表的編制和完善過程，體會化學研究由宏觀到微觀、由表面到本質的過程，感悟科學家的研究方法、觀念和科學精神;

（2）綜合考慮“原子序數”“原子結構”和“元素性質”，自主編排和完善周期表，體會科學研究的方法;

（3）了解周期表的結構，理解原子結構與元素在周期表中的位置之間的關系，形成“結構決定位置，位置反映結構”的基本觀念，發展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養。

2.評價目標

（1）通過學生利用元素性質對元素進行分類的活動，診斷并發展學生元素分類的水平;

（2）通過學生閱讀和分析德貝萊納、紐蘭茲以及門捷列夫編排周期表的化學史的活動，診斷并發展學生“位”“性”認識模型的水平;

（3）通過學生利用原子結構分析和解釋門捷列夫周期表的活動，診斷并發展學生“位”“構”認識模型的水平;

（4）通過學生利用原子結構自主編制周期表的活動，診斷并發展學生“位”“構”“性”認識模型的水平。

三、設計思路

元素周期表的發展史的邏輯順序是從“宏觀”到“微觀”，而教材編寫的邏輯順序是從“微觀”到“宏觀”，那么如何將兩個邏輯順序完全相反的知識融合到一起呢？學生上節課學的“原子結構”知識的利用是關鍵。本節課以德貝萊納“三元素組”中的四組（12種元素）為線索，引導學生根據性質數據對這12種元素進行分類，體驗科學家的分類思想;分析性質相似的“三元素組”元素在紐蘭茲和門捷列夫的表格中的位置特征，總結科學家的排表規律;引導學生分析“三元素組”元素的原子結構具有哪些相似之處，從微觀角度總結排表規律;引導學生綜合考慮“原子序數”“原子結構”和“元素性質”自主編制和完善元素周期表;最后和學生們一起研究教材附錄上的元素周期表的結構，歸納元素位置與原子結構的關系，逐步建構“位置-結構-性質”思維模型。在這個過程中學生不僅可以熟悉元素周期表的結構、加深對元素周期表編排規律的理解、認識原子結構與周期表的關系，還可以體會到科學家的科學研究的方法，教學流程見表1。

四、教學過程

1.環節一：混亂中找規律，引入新課主題

【投影】12種元素的性質表格（見表2）。

【師】首先，我想問大家，看到這張表格的第一感覺是什么？

【生】好多元素，好多性質，好多數據，一片混亂。

【師】到了19世紀，隨著科學的發展，越來越多的元素被發現，科學家面對比表格中更多的元素、更多的性質、更多的數據，他們該如何研究這些元素呢？

【生】找規律、分類。

【師】下面請大家從表格的數據中找找規律，并嘗試對這些元素進行分類。

【生生討論、師生討論】分成2組（金屬元素、非金屬元素）;分成四組（鋰、鈉、鉀;鈣、鍶、鋇;氯、溴、碘;硫、硒、碲）。

【評價】其實，我們剛剛找到的四組性質相似的元素，正是德國化學家德貝萊納在1829年提出的“三元素組”中的四組。

【化學史1】1829年，德國化學家德貝萊納提出了“三元素組”的概念。他對當時發現的44種元素進行了研究，他發現元素中總存在著性質特別相似的3種元素：氯、溴、碘;鋰、鈉、鉀;鈣、鍶、鋇;硫、硒、碲等，且中間元素的相對原子質量約為較輕和較重的兩種元素相對原子質量之和的一半。

2.環節二：研讀化學史料，分析排序規律

【化學史2】1866年，英國化學家紐蘭茲提出了“元素八音律”的觀點。他把當時已知的62種元素按相對原子質量大小順序依次排列，發現從某一元素開始數到第八個元素時，這個元素跟第一個元素具有相似的性質，正像音階里的八度一樣。為了便于觀察，紐蘭茲把當時發現的62種元素全部整理到一張7行8列的表格中（見表3）。

【師】請大家仔細觀察德貝萊納的“三元素組”在紐蘭茲的表格中的位置，看看有什么規律？

【生】三元素組都在同一行。

【總結】紐蘭茲把性質相似的元素排到一橫行中了。

【討論】紐蘭茲是按照什么樣的規律對元素進行排序的？

【總結】按照相對原子質量大小對元素進行編號排序，把性質相似的元素排到同一橫行。

【化學史3】1869年，門捷列夫將元素按照相對原子質量由小到大依次排列，并將化學性質相似的元素放在一起，制出了第一張元素周期表。兩年后，又做了一些調整，發表了第二張元素周期表（見表4）。

【師】請大家仔細觀察德貝萊納的“三元素組”在門捷列夫的表格中的位置，看看有什么規律？

【生】三元素組都在同一列。

【總結】門捷列夫把性質相似的元素排到一列中了。

【討論】門捷列夫是按照什么樣的規律對元素進行排序的？

【總結】按照相對原子質量大小進行排序，把性質相似的元素排到同一縱列。

【討論】仔細觀察門捷列夫和紐蘭茲的表格，它們有哪些異同點？

【生】門捷列夫的周期表中有“空位”和“？”。

【師】門捷列夫為什么要在表格中留“空位”呢？

【生】留給等待發現的新元素。

【點評】門捷列夫周期表中的“？”是他利用元素周期律預言的新元素“類鋁”（鎵）、“類硼”（鈧）、“類硅”（鍺），這些元素在不久的將來都被科學家一一發現和證實。也就是說，門捷列夫的周期表可以用來預言和發現新元素，這正是門捷列夫的周期表的偉大之處。

【師生討論】按照相對原子質量排序，碲應該排在碘的后面，而按照元素性質排序，碲應該排在碘的前面，門捷列夫的周期表為什么會出現這種“原子量倒置”現象呢？

【化學史4】1913年，英國物理學家莫塞萊應用X射線測定了原子核所帶的正電荷的數目，即核電荷數，他證明了元素周期表中原子序數用核電荷數排序比用相對原子質量大小排序更符合元素性質的周期性變化規律。直到20世紀30年代，原子結構奧秘的揭示，科學家才從微觀視角研究和完善元素周期表，才有了現在更加完美的元素周期表。

【總結，點評】原子結構奧秘的揭示，是現代周期表趨于完美的關鍵。現代元素周期表是按照核電荷數大小對原子進行編號得到原子序數、綜合考慮原子結構和元素性質進行排序。

3.環節三：按照排序規律，嘗試自主排表

【生】根據1～20號元素的原子結構示意圖，編制1～20號元素的元素周期表。

【討論】按照什么規律編排周期表？

【生1】把電子層數相同的元素排到一橫行，把最外層電子數相同的元素排到一縱列。

【生2】考慮到元素性質，把氦元素由Be的上方調整到Ne的上方。

【點評】同學們編排時同時考慮到原子序數、原子結構和元素性質，考慮問題很全面，編排的表格很美很有規律！

【討論】依據以上的規律，大家對氫元素在元素周期表中的排列，是否存在多種可能？是什么原因排在那里？

【生】①排在第一列，最外層1個電子;②排在第十七列，得到1個電子即可達到穩定結構;……

【活動】①根據原子結構示意圖，把德貝萊納“三元素組”中的12種元素排進周期表中。

②根據原子結構示意圖，把氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）、Og排進周期表。

③根據原子結構示意圖，把鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl）排進周期表中。

【生】④把21-30號元素鈧（Sc）、鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）排進周期表中。

【討論】我們的周期表中20號元素Ca和31號元素Ga挨在一起，缺少空位，怎么辦呢？

【生】把周期表拉長，20號和31號之間扯開10列的距離。

【評價】把39～48號元素和57～80號元素排進周期表中。

【生】57～80元素之間有24種元素，但是現在只有10列距離，空格又不夠了。

【評價】為了方便使用，同時考慮到原子結構和元素性質，科學家把鑭系元素（57～71號）放到一格中，然后在周期表下方展開，類似的還有錒系元素。在不知不覺間，同學們已經編制出目前使用最廣泛的長式元素周期表的輪廓（見圖3），下面我們來研究元素周期表的結構。

【學生】觀察教材附表元素周期表，總結元素周期表的結構，完成教材89頁思考與討論的表格。

【總結】每一個橫行叫做一個周期，前三周期稱為短周期，其他周期稱為長周期。

【總結】每一個縱列叫做一個族（8、9、10三個縱列共同組成第Ⅷ族），族有主族、副族和0族三種，族序數用羅馬數字表示，主族元素在族序數后標A，副族元素在族序數后標B（除第Ⅷ族）。

【生】觀察自己編排的元素周期表，討論位于同一橫行的元素的原子結構有什么相同之處？位于同一縱列的元素的原子結構有什么相同之處？

【總結】位于同一橫行的元素的電子層數相同，周期數=電子層數;位于同一縱列的元素的最外層電子數相同，主族序數=電子層數。

【練習】根據已知條件填寫表格（見表5）。

【總結】今天我們一起閱讀和分析化學史故事，了解到科學家是如何編制和完善周期表的，并嘗試自主編制元素周期表，研究周期表的結構，對周期表中元素位置與原子結構的關系有所了解。我們知道“結構決定性質”，周期表中元素性質有哪些遞變規律，元素性質與元素位置和原子結構有什么聯系，我們下節課繼續研究。

五、模型構建

通過本節課的教學實施，能清晰地給出基于元素周期表的學習應用方式。學生通過“結構決定位置，位置反映結構;結構決定性質;構位性是一個統一體”學科視角的學習和認識，能對陌生物質學習起到良好的借鑒。本節課的學科視角模型如圖4。

六、教學反思

許多教師在梳理教學目標的基礎上，對“元素周期表”教學設計也呈現許多版本，[3-5]但對于新教材教學內容的重構下，教學設計與現有教材的呈現方式出現差異，特別是在利用化學史，促進學科理解的教學下都需要一種新的學習模型。本節教學設計中將化學史情境和教材內容有效地融入到課堂教學中以使學生能理解“元素周期表”的歷史由來及其學科意義。在本節課的學習中，學生以現代學科視角“原子結構”為主線，去分析“三元素組、八音律、元素周期表”在各自歷史時代的價值和需要改進的方向。學生不僅可以熟悉周期表的結構，構建“位置-結構-性質”認識模型，還可以身臨其境地體會到科學家為什么要編制周期表、科學家是如何編制周期表的、科學家是如何完善周期表的以及周期表有什么用（研究、預測和發現元素），為下節課學習“原子結構與元素的性質”做鋪墊。學生在閱讀、分析、提煉或演繹化學史料中科學家的研究方法的過程中，分類思想得到強化，宏觀辨識與微觀探析和證據推理與模型認知核心素養得到提高。

參與文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]張笑言，鄭長龍.化學教學內容的學科理解研究——— 以“醛的結構與性質探究”為例[J].化學教育，2020，17（41），54-59.

[3]黎卓熹，成燕琴，魏潔書，張鏢，劉盈.國外化學元素周期表教學方式的介紹與啟示——基于 2009-2019 年 Jour-nal of Chemical Education的載文[J].化學教育（中英文），2020，41（11）：107-113.

[4]居鳴富，高翔.基于科學精神培養的高中化學教學實踐——以“元素周期律”為例[J].化學教育（中英文），2020，41（7）：33-37.

[5]張娟，姜建文.基于化學史的“元素周期表”教學設計[J].化學教育（中英文），2017，38（17）：75-81.