學科融合視野下的探究教學實踐*
——以物質結構與性質模塊“元素周期律”教學為例

朱少嬌

（廣東華僑中學 廣東 廣州 510000）

學科融合是指在承認學科差異的基礎上不斷打破學科邊界，促進學科間相互滲透、交叉的活動。學科融合不僅是學科發展的趨勢，也是學術研究產生重大創新性成果的方式之一。

現實生活中任何有意義的問題都具有綜合性和復雜性，單一的學科知識不能充分解釋或解決這些問題，這要求在分科教學的背景下實施學科融合教學。在教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》［1］中，也明確提出教師應適當融合跨學科知識，拓寬學生知識視野，豐富教學情境，讓學生切身感受化學與科學、技術、社會和環境的密切聯系，以及學習化學的意義，發展學生解決綜合問題的能力。

一、教材分析

“元素周期律”是2019人教版高中化學選擇性必修二物質結構與性質模塊第一章第二節第二課時內容。該課時內容相當豐富，包括原子半徑、第一電離能、電負性共三部分知識，4張數據彩圖，2個“思考與討論”欄目，1個“探究”欄目，1個資料卡片。從教材編排上看，該課時內容出現在學生學習完元素周期表之后，在分子結構與性質、晶體結構與性質之前，承載著整個選擇性必修二模塊編排中承前啟后的功能。一方面，元素周期律是元素周期表的“靈魂”所在，是學生在全面認識了元素周期表構造之后，結合本章第一節所學電子排布的結構知識，對元素性質規律進行全面、系統的解釋與總結，形成“位—構—性”系統的思維方法，可用于解釋和預測一些陌生元素的性質。另一方面，學習完本節內容（電離能和電負性）后，形成了學生分析第二章分子結構與性質、第三章晶體結構與性質的重大的理論基礎和依據。

在教材中，“第一電離能”的周期性變化圖數據信息量極大，很考驗學生讀取信息、分析數據和提取有效信息的能力。面對如此大信息量的數據圖表，很多學生一下子找不到分析的角度和思路。為化解學生學習“第一電離能”的難點，筆者采用了“化整為零”的教學策略。首先利用第一電離能數據，采用數學方法作圖（包括柱狀圖、折線圖、散點圖等），以此作為課堂主要的教學素材，將“第一電離能”的概念及其變化規律分解為三個學生探究活動：同一元素逐級電離能的變化規律、同主族元素第一電離能變化規律、同周期元素第一電離能變化規律。此外，利用教材“探究”欄目，對電負性的變化規律進行第四個探究活動。學生從數據、圖表中分析思考、描點作圖、獲取證據、小組討論、得出規律。課堂中學生在語言描述、師生評價、生生評價等活動中逐步建構認識“原子半徑”“第一電離能”“電負性”的角度和方法，最后“合零為整”，形成元素周期律的周期性變化規律。

二、教學設計

1.教學與評價目標

如表1所示。

表1 “元素周期律”教學與評價目標

2.教學思路設計

以“尋找定量衡量原子吸引電子能力的參數”為探究線索，采用化學與數學學科融合的教學手段，從宏觀到微觀，從定性到定量，從單一指標到綜合指標，讓學生依次探究“原子半徑”“第一電離能”“電負性”作為衡量原子吸引電子的參數的演變過程，逐步構建元素周期律認知模型。教學思路整體設計如圖1所示。

圖1 教學流程圖

三、教學片段

引入：1869年，俄國化學家門捷列夫在總結前人經驗的基礎上，編制出世界上第一張元素周期表。周期表不是一張簡單的表格，它有著豐富的內涵，今天我們一起來挖掘和探討周期表中呈現的規律。

環節一：溫故知新，解釋原子半徑周期性變化規律

【教師】周期表中的原子是按照一定的規律“排好隊”的，請回顧必修模塊所學元素周期律知識，說出周期表中同周期和同主族的原子半徑的大小變化規律，思考原子半徑受哪些因素影響？

【學生】同主族原子從上到下，電子能層數遞增，原子半徑變大；同周期原子從左到右，電子能層數相同，但核電荷數遞增，原子半徑變小。

【教師】同主族從上往下，原子電子能層數增多（導致原子半徑增大）的同時，核電荷數也在變大（導致原子半徑變小）。如何解釋同主族原子半徑逐漸增大呢？同周期從左到右，核電荷數增大的同時，價電子數也在增大，可原子半徑逐漸減小。這又該如何解釋呢？

【學生思考與討論】對原子半徑大小影響程度排序：電子能層數變化＞核電荷數變化＞價電子數變化。

【教師點撥】當多個因素同時產生影響時，應抓住主要矛盾。總的來說，原子半徑隨原子序數的遞增，呈現周期性變化規律，如圖2所示。

圖2 主族元素原子半徑變化的周期性

人們可以定性地根據原子半徑大小來分析元素原子得失電子能力強弱。

環節二：數據探究，剖析第一電離能周期性變化規律

過渡：“得失電子能力強或弱”都是定性的描述，這在科學研究和生產實踐中是不夠的。有沒有具體的、量化的指標，可以定量衡量原子吸引電子能力呢？

探究1：同一元素逐級電離能變化規律探究

【問題1】電離能是基態氣態原子失去電子過程中，克服核電荷對電子的引力所需要的最小能量，單位kJ/mol，符號I。“基態、氣態原子”的界定是為了保證能量最低。以鎂為例，請思考為什么鎂原子的逐級電離能越來越大（如表2所示）？

表2 1 mol氣態基態鎂原子逐級失去電子吸收的能量表

【學生思考與討論1】失去的第二個、第三個、第四個電子距離原子核比較近，原子核對它們的吸引力大，失去所需能量就高。

【學生思考與討論2】每失去一個電子，原子正電性增強，對其余電子的吸引力增大，所以越是失去電子，所需的能量越大。

【問題2】逐級電離能數據和元素化合價有什么關系？（如表3所示）

【教師】以鎂為例，它核外的電子一個一個地失去，失去幾個比較常見呢？為什么？

【學生】鎂原子常見失去兩個電子，因為最外層價電子數是2。

【教師】你能用逐級電離能來解釋為什么失去兩個電子比較常見嗎？

【學生】從逐級電離能的角度看，前兩級電離能比較小，第三電離能開始大很多。

【教師】同學們很細心，觀察到第三電離能跟第二電離能相比大很多，失去第3個電子需要的能量很高，我們稱這個是“突增”點（如圖3所示）。所以，鎂原子一般失去幾個電子，鎂元素化合價是多少？

圖3 1 mol氣態基態鎂原子逐級失去電子吸收的能量圖

【學生】鎂原子一般失去2個電子，鎂元素化合價為+2價。

【教師】同樣道理，鈉和鋁元素的電離能的突增點分別在哪里？一般失去幾個電子？化合價是多少？

【學生】鈉元素的突增點在第一和第二電離能之間，鈉原子一般失去1個電子，鈉元素化合價為+1價。鋁元素的突增點在第三和第四電離能之間，鋁原子一般失去3個電子，鋁元素化合價為+3價。

探究2：同主族元素第一電離能變化規律探究

【預測】根據同主族元素原子半徑變化規律，預測同主族元素第一電離能的變化趨勢。

【觀察】觀察同主族元素第一電離能的變化趨勢（見圖4），思考原因。

圖4 同主族元素（ⅠA、ⅡA、ⅦA）第一電離能變化趨勢

【解釋】原子半徑越大，原子核對價電子吸引力減小，失去一個價電子所需能量變低，元素第一電離能減小。

探究3：同周期元素第一電離能變化規律探究

【預測】根據同周期元素原子半徑變化規律，預測同周期元素第一電離能的變化趨勢。

【觀察】觀察第三周期各元素實際電離能數據（見表4），繪圖分析。［2］

表4 第三周期各元素實際電離能數據

學生活動：分別以元素的原子序數為橫坐標、第一電離能為縱坐標，描點法繪出第三周期元素第一電離能，并連成折線，觀察其變化趨勢。

【解釋】為什么有些元素的電離能“異常高”？

【教師】從繪圖結果（見圖5）可以看出，第三周期元素電離能總體趨勢符不符合我們的預測？全部元素都符合嗎？

【學生】Mg、P元素的第一電離能不符合遞增規律，比預測的偏高。

【教師】同學們觀察到Mg、P元素電離能偏高導致該曲線出現鋸齒形。這條曲線哪個元素電離能最高？為什么最高？

【學生】稀有氣體Ar第一電離能最高，因為它最外層八個電子，結構穩定，不易失電子。

【教師】那我們能不能這樣大膽地作出推斷：Mg、P元素的核外電子排布結構比它們相鄰的元素穩定？

【學生】能！應該是！

【教師】我們做科學研究，大膽推斷完，就要小心求證。請同學們畫出第三周期所有元素價電子軌道式，畫完后我們再來觀察（見圖6）。

圖6 學生作品：第三周期所有元素價電子軌道式

【學生】洪特規則告訴我們，當電子排布為全充滿、半充滿或全空時，結構是比較穩定的。從軌道式中可看出：Mg元素的3p軌道全空、3s軌道全滿，因此結構比較穩定。P元素的3p軌道為半滿，因此結構也比較穩定。因此Mg、P元素的第一電離能比其相鄰元素的高。

【教師】請根據第三周期元素的變化規律，預測第二周期元素從左到右第一電離能的變化趨勢。

【小結】每周期元素總體趨勢：堿金屬第一電離能最小，隨后越來越大，稀有氣體的第一電離能最大（IIA族和VA族異常高，如圖7所示）；同族元素（從上到下）：第一電離能遞減（如圖8所示）。總的來說，元素第一電離能隨原子序數遞增呈現周期性變化規律。

圖7 各周期元素第一電離能與原子序數的關系

圖8 各族元素第一電離能與原子序數的關系（虛線部分）

環節三：對比探究，揭秘元素電負性周期性變化規律

過渡：電離能的提出，能夠解決衡量原子得失電子能力的定量問題，是非常了不起的。但是它過于單一。實際上，原子在得失電子形成化學鍵的過程中，還受到很多因素的影響。1932年，兩次獲得諾貝爾獎的美國化學家——鮑林，他在參考電離能、電子親和能、有效核電荷、原子半徑等數據的基礎上，估算并提出了“電負性”的概念，它能夠綜合地、簡潔地衡量化合物中原子吸引電子的能力。電負性是指原子對鍵合電子吸引力的大小。電負性值越大，吸引鍵合電子能力越強。

探究4：對比探究第三周期、IA族、VIIA族元素的電負性及其第一電離能變化規律

【教師】請完成教材“探究”欄目（元素的電負性變化趨勢）的活動，分別繪制第三周期元素、第ⅠA和ⅦA族元素的電負性變化圖，并找出其變化趨勢。

【學生】繪制變化圖（見圖9），并比較各周期/族元素的電負性與其第一電離能變化趨勢的異同。

圖9 第三周期元素、第ⅣA族元素、第ⅦA族元素電負性與原子序數的關系

環節四：總結歸納，形成元素性質周期性變化的認知模型

四、教學反思與總結

整節課圍繞線索“尋找定量衡量原子吸引電子能力的參數”，通過四個探究活動，從宏觀到微觀，從定性到定量，從單一指標到綜合指標，采用化學與數學學科融合的教學手段，讓學生從數據、圖表中分析、思考、獲取證據、討論交流、得出規律，依次認識和探究了用“原子半徑”“第一電離能”“電負性”作為衡量原子吸引電子的參數的演變過程。通過學生個體思考、小組討論、描點作圖、語言描述、師生評價、生生評價等活動，逐步構建元素周期律認知模型，發展了學生“宏微辨析”“證據推理”“科學探究”等核心素養。

本節課不足之處在于數據量較大，制作數據圖表耗費時間長。此外，本節知識容量較大，建議分為1.5課時來實施，以保證學生有充足的思考時間。