促進學生認識發展的元素周期表教學

摘要：以“2011年日本福島核泄漏事件”為素材創設情境，設計了3個活動環節：從原子結構的角度認識碘元素的性質，從原子結構的角度尋找元素間的關系，以及從元素周期表的角度認識銫元素的結構和性質，由此拓展學生對元素性質的認識角度，促進學生對元素和物質的認識從宏觀到微觀、從熟悉到陌生、從孤立到系統的提升。

關鍵詞：認識發展；元素周期表；教學設計

文章編號：1008-0546（2023）11-0055-06" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.012

一、教學主題內容及教學現狀分析

本節課是蘇教版必修第一冊專題5微觀結構與物質的多樣性第一單元“元素周期律和元素周期表”的第二課時。［1］在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》［2］（以下簡稱“2020修訂版課標”）必修課程主題3中關于元素周期表的要求為“知道元素周期表的結構，以堿金屬和鹵族元素為例，了解同主族元素性質的遞變規律；體會元素周期律（表）在學習元素化合物知識與科學研究中的重要作用”“能用原子結構解釋元素性質及其遞變規律，并能結合實驗及事實進行說明”“能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”。

研究者圍繞元素周期表教學設計的研究主要集中在以下幾類：（1）基于化學史的教學設計；［3，4］（2）聚焦于元素周期表結構的教學實踐；［5～8］（3）基于模型建構的單元復習課的教學研究；［9，10］（4）把元素周期律和元素周期表融合的教學實踐。［11］本節課借鑒已有研究，以“2011年日本福島核泄漏事件”為素材創設情境，選取兩種典型元素“碘”“銫”及其他26種元素（1～20號元素、鍺、砷、銻、溴、銣、鐵），進行原子結構與元素性質的關系（結構→性質）、原子結構與元素在周期表中的位置的關系（結構→位置），元素在周期表中的位置與物質性質的關系（位置→性質）的探究，發展學生對元素與物質的認識。

二、學生已有知識和認識需求

蘇教版教科書中關于元素周期表內容的邏輯順序為：原子核的構成→原子核外電子排布→元素周期律→元素周期表→元素周期表的應用。在元素周期表之前，學生已經掌握了1-18號元素原子的構成、原子核外電子排布運動特點和排布規律，了解元素周期律是元素原子核外電子排布隨著元素核電荷數的遞增發生周期性變化的必然結果，知道最外層電子數與化合價以及得失電子之間的關系。

為了了解學生關于元素周期表的認識需求，課前采用問卷進行了調查，調查結果表明學生對元素周期表感興趣的問題集中在以下方面：

（1）元素周期表的價值：為什么要學元素周期表，元素周期表有什么用？元素周期表對現實生活有什么意義？

（2）元素周期表的發現：門捷列夫是如何發現元素周期表的？元素間是否存在聯系，存在什么樣的聯系？

（3）元素周期表的結構：元素周期表為什么要這么排？行、列之間有什么關系？元素周期表中的元素還能增加嗎？如果發現新元素，如何放進去？為什么第一行只有氫和氦？

要解決以上問題，需要深入分析和挖掘元素周期表的發現、發展過程，元素周期表在科學發展史上的價值，元素周期表的發現對人類認識發展的意義以及元素周期表承載的教學功能。

三、教學設計思想

元素周期表（律）是人類對于元素及物質認識不斷發展的結果，［9］它構筑了元素自然分類的完整體系，［12］為未知元素的認識和發現提供了更多的預測參照指標，對化學學科的發展具有里程碑的意義，為普通化學在近代的蓬勃發展奠定了理論基礎。［13］元素周期表（律）的學科價值決定了它的教學價值。黃鳴春、王磊等認為元素周期表（律）承載的教學價值在于：發展學生對于元素及物質的認識，而不是僅僅記住元素周期律或者元素周期表［9］。胡久華認為原子結構與元素性質的關系是學生學習的難點，是認識發展的關鍵。［13］

本節課以“2011年日本福島核泄漏事件”為素材創設情境，選取兩種典型元素“碘”“銫”承載認識發展的任務，設計3個活動環節：從原子結構的角度認識碘元素的性質，從原子結構的角度尋找元素間的關系，以及從周期表的角度認識銫元素的結構和性質，由此拓展學生對元素性質的認識角度，加深對“位-構-性”三者關系的理解，促進學生對元素和物質的認識從宏觀到微觀、從熟悉到陌生、從孤立到系統的提升。

四、教學目標

（1）通過比較氯、溴、碘原子結構的異同，預測氯、溴、碘的非金屬性強弱，并設計實驗對預測證實或證否，發展學生對原子結構與元素性質的系統認識。

（2）通過分析28種元素的原子結構，尋找元素間的關系，編排、認識元素周期表，促進學生對元素的認識從孤立到系統的提升。

（3）通過對堿金屬和鹵族元素性質的預測、驗證活動，發展學生證據推理與模型認知素養。

（4）通過對情景素材的討論和相關化學史的學習，理解元素周期表在不同領域的價值。

五、教學流程

見表1。

六、教學實錄

【情境引入】播放視頻：2011年3月11日日本福島核電站泄漏，釋放出大量放射性物質碘-131、銫-137。

【教師】看完新聞，你最關心什么問題？

【學生】人的安全問題。

【教師】面對這樣重大的國際公共事件，我們希望每個人要能夠參與有依據的決策和采取適當的行動，保證個人、社會以及環境的健康和協調發展。［14］我們需要了解碘元素和銫元素相關的性質。

環節1：結構→性質

【教師】這兩種元素，你更熟悉哪個？

【學生】碘。

【投影】碘原子的結構示意圖（見圖1）。

【教師】看到這個結構，你能獲取哪些信息？

【學生】碘原子的最外層是7個電子，容易得電子體現非金屬性；最高價為+7價，最低價為-1價。

【教師】我們前面有沒有學過性質和它相似的元素？

【學生】氯

【投影】氯原子、溴原子的結構示意圖（見圖2）。

【教師】氯原子、溴原子最外層都是7個電子，比較它們的結構區別在哪里？相對氯原子、溴原子，碘原子的得電子能力是更強還是更弱？

【學生1】氯、溴、碘原子結構的區別在于電子層數不同。

【學生2】碘原子的電子層數最多，原子核對核外電子的吸引能力就越弱，導致碘原子得電子能力更弱。

【投影】推測：非金屬性強弱Clgt;Brgt;I。

【教師】這是我們的推測，這個推測是否正確，我們還需要尋求證據支撐我們的觀點。

【投影】探究氯、溴、碘的非金屬性強弱的一般思路（圖3）。

【教師】回顧非金屬性強弱的判斷標準，并思考如何根據這些判斷標準設計實驗方案驗證氯、溴、碘非金屬性的強弱？

【學生1】非金屬性強弱的判斷標準有：①單質與氫氣化合的難易或氣態氫化物的熱穩定性；②該元素最高價氧化物的水化物的酸性強弱；③單質的氧化性強弱。

【學生2】根據第一條，可以比較 Cl2、Br2、I2分別與氫氣化合的反應條件，HCl、HBr、HI 的熱穩定性。

【學生3】根據第二條，可以比較 HClO4、HBrO4、 HIO4的酸性強弱。

【學生4】根據第三條，可以比較 Cl2、Br2、I2的氧化性強弱。

【教師】我們如何設計實驗比較 Cl2、Br2、I2的氧化性強弱？

【學生】利用置換反應，氧化性強的單質置換出氧化性弱的單質，往NaI溶液中加入溴水，再加入淀粉溶液，如果溶液變藍，說明生成了碘單質；同樣，可以往溴化鈉溶液中加入氯水，再加入四氯化碳，如果溶液分層且下層是橙色，說明生成了溴單質。

【學生活動】分組進行以下兩個實驗，觀察并匯報實驗現象。

實驗1：往1mLNaBr溶液中加入適量新制氯水，再加入適量四氯化碳，振蕩，觀察現象；

實驗2：往1mL KI 溶液中加入適量溴水，再加入幾滴淀粉溶液，振蕩，觀察現象。

【學生1】第1個實驗中溶液分層，下層是橙色，說明氧化性：Cl2gt;Br2。

【學生2】第2個實驗中溶液變藍，說明氧化性：Br2gt;I2。

【投影】

資料1：表2［15］

資料2：表3［15］

【教師】資料顯示，氯、溴、碘的單質與氫氣化合越來越難，它們的氣態氫化物越來越不穩定，也證明了氯、溴、碘的非金屬性在遞減。不僅僅是物質的化學性質，氯、溴、碘單質的部分物理性質也呈現出一定的遞變規律。

【小結】碘元素性質的認識角度（見圖4）。

【教師】對于氯、溴、碘而言，原子的最外層電子數決定了原子容易得電子以及元素的主要化合價，決定了物質性質的相似性；電子層數決定了原子的得電子能力，決定了物質性質的遞變性。

【過渡】截至2019年，人們已經發現或合成的元素已經有118種，其中絕大多數元素對我們而言幾乎是完全陌生的元素，那我們如何知道它們的結構，從而了解它們的性質呢？

環節2：結構→位置

【學生活動】分組探究：分析28種元素（1～20號元素、鍺、砷、銻、溴、碘、銣、銫、鐵）的原子結構（例：圖5），按照發現的規律進行排列，說出排列依據。

【學生交流成果】

【學生1】我們組的排列依據是：同一橫行，電子層數相等，最外層電子數依次增多；縱行，最外層電子數一樣，電子層數依次增多，我們的困惑是不知道把鐵放在哪里（見圖6）。

【學生2】我們組氦元素的位置和他們組不同，根據性質相似，我們組把氦放在氖上面，我們組的問題也是不知道把鐵放在哪里。

【教師】我們花了幾分鐘時間摸索了28種元素的排布規律。接下來，讓我們一起了解在整個科學發展史上，科學家們是如何探索元素之間的關系的。

【播放視頻】元素周期表的發現、發展（結合相關材料，自己錄制）。

視頻材料：

18世紀初，有很多科學家發現一些元素之間存在某種神秘的關聯。

1829年，德貝萊納等發現鋰鈉鉀、鈣鍶鋇等化學性質非常相似。1864年，紐蘭茲等把元素按照原子量大小的順序排列，發現從任意一種元素算起，每到第八種元素就和第一種元素的性質相近。1869年，門捷列夫絕妙地把元素性質和原子量結合起來，得出了所有元素的普遍知識，橫著看元素的原子量逐漸增加，豎著看元素的性質相似，他還給表中留下4個空格，他認為這是4種應該存在但還沒發現的元素，這四種元素后來被一一發現或合成。1921年，波爾提出電子在原子核外排布規則，揭示了元素性質的周期性變化是由原子的電子層結構的周期性變化決定的。

元素的一切性質（已經知道的已經超過100種）在周期表中都絕對有規律地變化著，元素周期表構筑了元素自然分類的完整體系。［16］

【教師】從1829年到1869年門捷列夫的第一張元素周期表出來，這期間，科學家們尋找元素間的規律花了40年，而后其他的科學家就是在門捷列夫周期表的指導下逐漸完善，并最終形成了我們現在看到的這張元素周期表。

【教師】介紹元素周期表的結構：周期、族、過渡元素、鑭系、錒系。

【學生】找到鈉、氯、鐵在周期表中的位置，根據位置找元素，根據結構找位置。

【教師】元素周期表是元素周期律的具體表現形式，小結金屬性、非金屬性在表中的遞變規律，介紹金屬與非金屬的分界線。

環節3：位置→性質

【教師】元素在周期系統里的位置是元素的一種最重要的特征。［17］請在元素周期表中找到銫的位置，指出銫原子的結構，推測銫元素可能的性質。

【學生】銫位于第6周期第IA族，原子核外有6個電子層，最外層1個電子，容易失電子，體現金屬性，化合價為+1價，金屬性比鈉更強。

【教師】這是通過周期表的位置推測銫可能的性質，還需要尋找證據支撐我們的推測。

探究鈉、鉀、銣、銫的金屬性強弱的一般思路（見圖7）。

【視頻】鈉、鉀、銣、銫分別與水的反應。

【學生得出結論】金屬性：鈉lt;鉀lt;銣lt;銫

【教師】日本核泄漏事件已經過去了10年，碘-131的衰變已經完全，但是銫-137的危害還要持續20年。那么，銫-137為什么會被人體吸收呢？

【資料卡4】

鉀活躍在每一個細胞中，神經與肌肉細胞的活動都離不開它，所以人體會積極攝取鉀元素。銫原子的最外層電子數和鉀相同，人體會誤認為銫就是鉀，加以吸收。［18］

【教師】看完資料卡，結合今天的學習，我們可以采取怎樣的措施保障人的安全？

【學生】我們可以補充鉀元素，這樣銫就不能進入我們的身體。

【資料卡5】

要防止銫在體內沉積，最好的辦法就是多攝入鉀。要是我們人體已經攝入足夠的鉀，身體就會做出判斷“不需要更多的鉀了”，從而降低人體吸收銫的風險。［18］

【教師】元素周期表不僅僅可以幫助我們預測元素的性質，還可以幫助科學家們尋找新的材料，新的催化劑，尋找稀有礦產。

【小結】通過今天的學習，對于了解陌生元素的性質，你又有了什么新的角度？

【學生】通過元素在周期表中的位置，推測陌生元素的結構和性質。

【總結投影】構建原子結構、元素在周期表中的位置、元素性質以及物質性質的認識模型（見圖8）。

七、教學反思

本節課以“日本核泄漏事件”這樣重大的國際公共事件為素材創設情境，從如何保護人的安全的需要出發，在了解碘、銫元素性質的過程中，通過認識模型的不斷建構，促進學生對元素及物質性質的認識發展，幫助學生理解為什么要學習元素周期表，元素周期表在不同領域的價值，引導學生關注人類面臨的與化學相關的社會問題，培養學生積極運用所學知識參與社會公共事務的意識。在之后對學生的訪談中，學生都談到元素周期表反映了元素間的關系，體現了原子結構的規律，說明在“位—構—性”三要素中，學生理解了結構的決定作用……當然，學生的認識方式不是通過一個具體化學知識的學習就能建立的，也不是通過一次學習活動就能形成的，學生認識方式的建立需要長期的學習活動。［19］

參考文獻

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