新人教版高中化學教材“元素周期律”的進階設計研究與教學建議*

楊艷君 嚴文法 萬盈盈

（1.新疆大學附屬中學 新疆烏魯木齊 830046；2.陜西師范大學化學化工學院 陜西 西安 710119）

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）從不同進階維度對化學學科核心素養和化學學業質量水平進行層級劃分和表現描述，強調“教材內容編排與呈現要根據學生認知的發展性、階段性特征確定內容的深廣度，促進學生不同認知水平的進階發展”［1］。課程標準是教材編寫的依據，教材是課程標準的物化形態。在新課標的指導下，2019版人民教育出版社高中化學教科書（以下簡稱新教材）從學科本質出發優化了教材體系結構，關注從必修到選擇性必修的學習進階，將化學學科邏輯、教師教學邏輯與學生學習邏輯進行有機融合。［2］

元素周期律作為中學化學的重要基礎理論，其教學能夠使學生系統地認識元素和物質性質，［3］獲得“位—構—性”的系統認知，建立“結構決定性質，性質反映結構”的學科觀念，［4］是培養學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養的重要內容載體。

研究教材元素周期律的進階設計，有助于教師準確把握教材的編寫意圖與組織邏輯，開展基于學習進階的教學設計與實施。本文以新教材必修第一冊和選擇性必修2“物質結構與性質”的“元素周期律”內容主題為研究對象，從進階角度剖析核心概念的內容編排和編寫特點，為“元素周期律”的概念教學實踐提供借鑒。

二、“元素周期律”的學習進階構建

學習進階是圍繞核心概念展開的，用于刻畫學生對某一知識主題連續的、逐步深入的認知發展過程。［5］分析核心概念學習進階，能夠準確把握概念體系，理解建構的過程。

隨著研究的不斷深入，在強調描述學生于不同時期學習同一科學領域核心概念的認知發展路徑的同時［6］，關于學習進階的研究逐漸傾向于采用大規模的教育測量構建發展模型。［7］ChemQuery 測量系統將核心概念分成觀念、識別等5個水平，［8］對于測評學生學習每個化學觀念變量具有顯著作用。結合上述系統的層級劃分、新課標的相關要求以及教材概念發展的進階過程，確定了原子結構、元素周期表、元素周期律、電負性、電離能這五個元素周期律主題下的核心概念，選用“全景圖”揭示元素周期律學習進階層級模型如表1所示。

表1 元素周期律學習進階層級模型

三、新教材“元素周期律”進階設計分析

1.新教材“元素周期律”知識進階設計分析

新教材必修第一冊在介紹堿金屬元素鈉、鹵族元素氯以及鐵、鋁等常見金屬元素的基礎上，由“原子結構完善人們對元素周期表的認識”這一化學史引入質量數、電子層、原子核外電子排布等有關原子結構識別層次的內容，幫助學生認識到用原子結構詮釋元素周期表、用元素周期表推測原子結構和分析元素性質的合理性，并據此分析元素周期表的編排結構，發掘元素周期表蘊藏的信息。

“思考與討論”欄目通過堿金屬、鹵族元素的原子結構指引學生探討同主族元素的電子層數、最外層電子數與元素位置以及化合價、金屬性、非金屬性等性質的關系。沿用該方法對第三周期元素進行探析并總結遞變規律，使學生初步認識元素周期律，達到水平3形式化層級。此外，新教材提供了依照元素位置預測化學性質及應用的方法，彰顯了“位—構—性”三者關系的學科價值，為學生在下一章學習硫、氮等非金屬元素提供了方法指導。

選擇性必修模塊在必修第一冊的基礎上結合化學史用構造原理、泡利原理、洪特規則等思維模型描述電子云和原子軌道，介紹核外電子排布的一般規律和電子排布式、電子排布圖等符號表征方式，增進學生對原子結構的微觀認識，體現了新教材基于進階的設計理念。

“探究”欄目促使學生從更深層次思考元素周期表區域劃分與原子結構間的關系，了解不同區域元素的化學通性，預測未知元素的結構與性質，加強對分類觀以及“位—構—性”的理解應用。新教材還在元素周期律的基礎上引入了“電離能”“電負性”的概念，提供具體數據展現元素性質的變化規律并引導學生通過原子結構解釋原因，提升學生應用相關核心概念處理復雜的化學情境的能力，符合知識的自身邏輯與學生的認知發展順序。

參照新教材的編排內容繪制了元素周期律進階層級圖（如圖1所示），闡釋了元素周期律主題下原子結構、元素周期表、元素周期律、電離能、電負性這五個核心概念由低到高的進階邏輯。由內而外呈現出從“觀念”到“生成”的逐層遞進，梳理了基本概念間的進階關系。

圖1 新教材元素周期律進階層級圖

其中原子結構、元素周期表的下位概念以識別、形式化水平為主，其他描述元素性質的下位概念分布在形式化和建構層級。生成層級是對所有概念的綜合運用，因此沒有邊界限制，也沒有與之匹配的具體概念。

同時，元素周期律進階層級圖和“位—構—性”關系模型之間形成對應關系，原子結構可以決定元素在周期表中的位置，也可以用于決定、解釋和預測金屬性、非金屬性以及電離能、電負性等元素的性質。反之，元素性質也可以反映元素在周期表的位置以及原子結構。

表2 新教材元素周期律知識進階水平劃分

2.新教材“元素周期律”思維進階設計分析

必修第一冊元素周期律主題在認識原子結構的基礎上，結合電子層、最外層電子數等基本概念簡單分析元素周期表。利用科學史話“原子結構模型的演變”使學生認識到當前對原子結構的認識有待進一步研究深化。同時提及核外電子排布規律是根據原子光譜與理論分析得出的，為學習選修模塊埋下伏筆。

“方法導引”欄目強調“預測”對化學研究的重要性，采用POE（Predict-Observe-Explain）即“預測—觀察—解釋”策略，［9］以堿金屬和鹵素為代表探析原子結構與元素性質的關聯。以第三周期元素為例，采用預測、實驗比較、信息獲取等手段，經過類比思考總結出元素周期律，搭建“微觀預設→宏觀驗證→類比遷移→總結規律”的淺層認知模型。

選擇性必修模塊同樣以原子結構開篇，在原子軌道理論、構造原理、泡利原理等學習過程中，學生逐步認識到之前對原子結構的認知是不精準的。用能層、能級等下位概念“再探元素周期表”，解釋元素周期表的周期、族、分區等劃分的原因。借助變量關系模型［9］分析元素周期律、電離能、電負性等變化關系。例如：在“探究”環節讓學生以第三周期主族元素、堿金屬元素和鹵族元素作為因變量，電負性作為自變量繪制折線圖，使抽象的概念可視化。進一步發展學生運用“位—構—性”的能力，落實“微觀預設→宏觀驗證→類比遷移→總結規律→理想化加工→解釋論證→模型表征”的認知模型層級進階。

在教材欄目的指導下，學生構建的“位—構—性”認知模型體現出從簡單到復雜、從高度概括到具體凝練、從有模糊意識到有明確認識的發展變化，體現了由低層級到高層級的思維進階。

四、基于學習進階的“元素周期律”教學策略

人教版新教材關于“元素周期律”主題內容的編寫體現了新課標的建議和意見，無論是教學內容還是習題編制都能顯現出學習進階的思路、理念。教師要合理使用新教材組織教學，促進學生認知水平的進階發展。

1.注重認知模型的進階發展

教師應聚焦于新教材內隱的進階邏輯，掌握教學內容與學生已有的經驗、學科能力間的匹配程度，制定相宜的教學目標。借鑒教材的設計思路，在學習必修第一冊第二章鈉、氯以及第三章鐵、鋁等元素時，有意識地啟發學生從原子結構著手分析元素的化學性質，為探究元素周期律埋下伏筆。

在第四章的教學活動中，帶領學生回顧之前所學的內容，從熟悉的鈉、氯元素的性質入手，嵌入新教材“思考與討論”“探究”等多元欄目，總結同周期、同主族元素性質的遞變規律。輔助學生梳理核心概念和基本概念間的進階關系，初步構建認知模型。在后續學習硫、氮等元素性質時，不斷強化對認知模型理解運用，擊破學生割裂地分析單一元素、死記硬背元素性質的認知壁壘。

教授選擇性必修模塊時，教師要制定培養學生“生成層級”能力的教學目標，立足于學科整體，著力于核心概念、基本觀念與學科思維的結構化。要從必修模塊所掌握的“元素周期律”相關概念出發，幫助學生在問題解決過程中建立新舊概念的聯系。利用“問題”“解釋與整理”“討論”等環節，從更深層次理解剖析元素周期表等核心概念，在處理復雜情境的過程中不斷反饋、修正、整合最終構建成熟的認知模型。

在此后的教學中，也要關注核心概念的遷移性，從微觀結構剖析紛繁的無機化學反應現象背后的理論原理，促進對元素觀、微粒觀等化學觀念的深入理解。

2.沿襲科學史實的演進歷程

分析元素周期律主題下的相關概念，可知原子結構、元素周期表、元素周期律、電離能、電負性這五個核心概念，按歷史演進的方式呈進階趨勢，與學生的認知發展規律吻合，與新教材“元素周期律”內容的編制順序一致。

科學史話在新教材中占據重要地位，不能單純地將其視為激發學習興趣的故事情境，而是要認識到學生思維發展路徑與化學史演進的相通之處。應當研讀教材和課標，選擇符合教學活動的科學史實，讓學生沿著歷史發展順序修正錯誤觀念，沿襲科學家建構科學模型的思維路徑逐步建立深層次的認知模型。

教師可以根據學生的認知發展水平對教材內容加以拓展。例如：電負性最初被貝采里烏斯視為原子吸引電子的能力，后被當作第一電離能和第一電子親和能的算數平均值；直到鮑林基于實驗確認電負性的計算尺度并在他人的修正下得到學術界的認可，［10］才形成了教材中關于電負性的描述。通過這段歷史，學生能認識到電負性是一種對元素性質定量解釋的、理想化的思維模型，不僅能更好地理解電負性的本質，還能意識到假想、預測是模型建立的應然路徑，充分發揮化學史承載的科學定律和科學理論功能。［11］

3.發揮課后習題的診斷作用

“練習與應用”“復習與提高”是新教材的重要組成，也是教學評價的重要載體。［12］新教材“元素周期律”主題的課后習題，從必修到選擇性必修顯現出清晰的進階趨勢。

必修模塊原子結構的習題集中在識別層級。元素周期律、元素周期表的習題設計以識別、形式化為主，少數涉及更高水平，如以陌生元素（Ts、Og等）為介質，檢測學生從微觀本質探討宏觀現象、用認知模型處理復雜問題的能力，充分發揮了教學評價的診斷和發展功能。

選擇性必修模塊習題設計綜合性強，體現出從水平3“形式化”到水平5“生成”的進階。要求學生描述陌生元素的原子結構，根據元素周期表預測元素性質，或參照電離能等性質倒推原子結構。綜合主、客觀題對元素性質證明或證偽，采用多種途徑外顯思維過程，借助真實情境從不同維度考查學科核心素養的發展程度。

教師可以將新教材的習題作為診斷工具，在教學過程中實時反饋學習結果，了解學生的認知層次。要鏈接過程性評價和結果性評價，依照診斷結果及時調整教學方案，設置更高水平的教學目標并組織開展教學活動，明確后續訓練的深度和廣度。

在權衡課程標準的要求和學生實際學習的需求之后，要有針對性地篩選適應學生層次的習題，對證據推理與模型認知等核心素養展開多維度的考查，避免機械套用解題模板。圍繞綜合信息設置題目，注重問題情境和測試任務的深度關聯，訓練學生提取、甄別、加工信息的能力，促使學生從被動地接受科學模型轉化為主動地構建認知模型。從而確保對科學本質的培養，實現對化學學科核心素養的培育。