融古貫今，構建“位—構—性”學習模型*
——以“元素周期表”的教學設計與實踐為例

葛蕊干

（江蘇省前黃高級中學國際分校 江蘇 常州 213100）

一、問題提出

“元素周期律和元素周期表”是高中化學必修的重要內容，通過分析原子結構的遞變規律，化學的研究對象可以從單一元素拓展為元素周期表中的不同元素，還可以根據用途和性質需要尋找所需要的元素和化合物。根據對學生的訪談和紙筆測試，發現學生普遍把知識內容拆成片段，缺乏對“位—構—性”相關知識的系統化認識，如何設計合適的學習活動，構建較為完善的“位—構—性”模型需要進一步研究。

《普通高中化學課程標準（2017 版）》規定了五大化學學科核心素養，其中“證據推理與模型認知”是化學核心素養的思維核心，指向“證據推理與模型認知”的課堂教學，有利于學生化學學習方式的轉變和化學學科核心素養的自我構建。［1］本文以“元素周期表”的教學實踐為例，以人類探索未知元素的規律及其應用為主題情境，融古貫今開展教學，發展學生證據推理與模型認知核心素養。

二、設計思路

不管是回望歷史還是立足當下，科學家們的研究往往從實驗事實中發現問題，然后根據分析和推理，提出假設，形成模型；再根據新的實驗事實對模型進行修正……這樣不斷優化模型，直至形成更符合原型特點的模型，元素周期表的發現和應用也是如此。

課堂教學過程中通過化學家發現新元素的視頻引入，創設真實而有價值的問題情境，開展對元素金屬性和非金屬性強弱比較的實驗探究，設置一系列有梯度的問題等方法幫助學生掌握相關知識，發展化學學科核心素養。教學過程中注重教、學、評一體化，通過對學案的反饋、問題的設計、學生實驗方案的設計與交流及課堂點評等多種方式開展評價。具體教學思路見表1。

表1 “元素周期表”的教學思路

（續表1）

三、教學過程

【引入】視頻：人類發現和利用元素的歷史。［2］

【講解】同學們，人類探索未知元素的腳步從未停止，今天我們來一起認識化學家探索未知的“尋寶圖”——元素周期表。

環節一：回望歷史

【講解】時間穿越到1869年……，科學家陸續發現了63元素，但是并沒有系統的研究。此時門捷列夫作為圣彼得堡大學的教授，為了便于學習和研究，便開始探索起這些元素之間的奧秘。

【問題1】元素的性質有何規律可循？已發現的元素能否分類或者有序排列呢？

設計意圖：教師創設歷史情境，從介紹人類發現元素的歷史出發，讓學生感悟化學對人類的巨大作用，激發學習興趣；看到如此多的化學元素，讓學生本能地產生分類研究的欲望，為下一步編排元素周期表埋下伏筆。

【小組討論】將元素卡片按照一定的依據分類或者有序排列。

（教師在課前準備好教具——七張元素卡片鈉、鎂、鋁、氧、硫、氯、溴，見圖1）

圖1 元素卡片

【展示】這位同學將這些元素按照金屬、非金屬的方式進行了分類；另一位同學按照固體、液體、氣體的方式進行了分類；還有同學將元素性質相似的分類在一起，并按照相對原子質量將其排列……

設計意圖：讓學生走進歷史，排列元素卡片，卡片上的元素選擇學生相對比較熟悉的元素，便于學生從熟悉的事實中提取證據，自主建構模型。

【講解】每個人看待世界的方法不一樣，只要能對我們的認識有指導意義，就是好的分類方法！門捷列夫也將已知元素進行了分類和排序，大家看——這就是門捷列夫排列出的元素周期表，如圖2。

圖2 門捷列夫編排的元素周期表

【講解】剛才大家分在一起的O和S，Cl和Br，門捷列夫將其放在了同一列，Na、Mg、Al放在了同一行，他分類和排序的依據是什么呢？

【學生】門捷列夫分類的依據是元素的性質，排序的依據是相對原子質量從小到大。

【過渡】門捷列夫不僅將已知元素進行了分類和排序，他還預留了空位，預測了某些元素的存在。如他預測了原子量68的元素——類鋁。

【問題1】你能預測類鋁的性質嗎？

【學生】化合價+3價，既能與強酸反應，又能與強堿反應……我預測的依據是類鋁在鋁元素位置的下面。

【講解】這個預測在五年后得到了印證——5年后，1875年，法國化學家布瓦博德朗發現了一種新元素——鎵，并公布了他所測得的鎵的主要性質。欣喜之余，奇怪的事發生了，他收到一封來自俄國的信。（請一位同學大聲朗讀）信里這樣說道：“尊敬的布瓦博德朗先生：您所發現的鎵，就是我5年前預測的類鋁，只是它的密度應該是5.9～6.0，并不是4.7。請您重新再提純測定一次吧。圣彼得堡大學教授門捷列夫”。

【數據展示】我們要給門捷列夫點贊，要給同學們點贊，你們作出的預測的確得到了事實印證。

【過渡】布瓦博德朗不禁感慨：門捷列夫的發現太偉大了！

設計意圖：引導學生觀察門捷列夫預留的類鋁的位置，讓學生通過元素周期表模型預測類鋁的性質，再講述（類鋁）鎵的發現史，增強學生的成就感，感受元素周期表模型的巨大魅力，為后面運用元素周期表埋下伏筆。

【轉折】但是門捷列夫也有自己的困惑——Te和I的相對原子質量不符合門捷列夫的排序原則，甚至門捷列夫還想把Te的相對原子質量修改為125，但是化學家經過重新測定，Te的相對原子質量沒有錯，就是128，如何修正？其實，人們認識事物的過程是慢慢由表及里的，只有由宏觀到微觀，我們才能認識到事物的本質。

【講解】近50年之后，1914年，英國科學家莫斯萊通過實驗研究了原子內部結構，終于解決了這個難題——將元素按照核電荷數進行排序！

設計意圖：讓學生走進元素周期表模型的修正歷史過程，發現最初由于實驗事實的有限，提出的模型并不完全符合原型；而通過不斷研究實驗事實，尋找證據，才能夠優化模型。

環節二：立足當下

【講解】經過一代又一代科學家的努力，我們得到了現代的化學元素周期表。化學研究也從零散轉向系統，對當下的科學研究有著巨大的意義。接下來我們就來系統學習元素周期表。

【問題2】初步認識元素周期表，思考下列問題。

（1）初步觀察元素周期表，你能獲得哪些信息？

（2）什么叫原子序數？原子序數與原子結構有什么內在聯系？

（3）元素周期表有幾個橫行？構成幾個周期？周期分為幾類？

（4）元素周期表有幾個縱列？構成幾個族？族分為幾類？

設計意圖：引導學生通過自學課本和小組討論，自主建構認知模型，達到能理解、描述和表示元素周期表模型的水平，發展學生的模型認知核心素養。

【問題3】深入理解元素周期表，思考下列問題。

（1）你能準確描述出氯元素在元素周期表中的位置嗎？

（2）氯元素在元素周期表中的位置與其原子結構有何關系？

（1）石田（Ts）在元素周期表的位置是__________；

（2）Ts可能具有的性質有______________；

（3）我的證據：_______________。

【演示實驗】將少量氯水加入盛有KBr 溶液的試管中，振蕩、靜置。再加入少量四氯化碳，振蕩、靜置。

分組實驗：將少量溴水加入盛有KI 溶液的試管中，振蕩、靜置。再加入少量四氯化碳，振蕩、靜置。

【知識歸納】

通過實驗發現，隨著核電荷數的遞增，鹵素單質的氧化性強弱順序為：_____________。由此可得，鹵族元素非金屬性強弱變化規律是_____________。

設計意圖：通過學生實驗，交流研討，以ⅦA族元素為例，推測同主族元素性質的相似性和遞變性，定性收集證據，推出合理結論。構建“位—構—性”認知模型，從“物質一般性質—氧化還原性”的二維認識模型發展為“物質的一般性質—氧化還原性—相似性和遞變性”的三維認識模型。

環節三：展望未來

【問題5】元素周期表在新元素的發現和新材料的尋找中有非常重要的指導意義。比如當代社會鋰電池用途廣泛，但儲量有限，你能找到未來可能的新材料嗎？

【學生1】鋰位于第2 周期IA 族，可以從位置的角度找到金屬鈉，開發鈉電池。

【學生2】也可以從原子結構的角度思考，鋰原子的核外有2層電子，有1個最外層電子，可以嘗試核外有3層電子，1個最外層電子的鈉電池。

【教師】同學們思考的角度非常好，人們在尋找新元素、新材料的時候總是會把目光投向元素周期表，這是一個非常好的模型。三十年前鋰電池進入商業化，三十年后的今天，我們通過元素周期表把目光聚焦到鈉電池上，未來通過同學們的研究一定還會有更多優異的材料出現！

【課后作業】圍繞元素周期表指導新材料的尋找，查找相關資料，制作一張科學海報。

設計意圖：引導學生利用元素周期表進行新材料的開發，并以科學海報的形式呈現學生的學習成果，學有所用，加深學生對認知模型的理解，提升學生解決真實情境下化學問題的能力。

四、板書設計

板書設計隨著學生的認知不斷完善，主板書呈現“位—構—性”認識模型，副板書從學生編排周期表開始，學生將元素卡片通過磁力貼貼在黑板上，然后學生逐步補充元素周期表的周期和主族符號，最后找到周期表的相似性和遞變性。

主板書：

副板書：

五、教學反思

本節課通過人類發現和利用元素的歷史情境，融古貫今，逐步構建“位置—結構—性質”認識模型，通過歷史證據和實驗證據開展研究，自我建構模型，發展學生證據推理和模型認知素養。元素周期表的提出是在曲折中前進的，科學探究的過程必然包含證據推理，證據推理是模型認知的前提和基礎；而當探究中所提出的假設涉及模型建構時，則涵蓋了模型認知，模型認知是證據推理的進階和高級形式。當學生利用模型解決真實問題時，知識能力和素養水平都得到了提升。