关注学生思考把握问题深度

喻俊

关键词：元素周期律;元素周期表;公开教学;科学探究;教学反思

一、问题背景

基于化学学科核心素养的化学课程倡导将化学知识学习成为发展批判性思维和问题解决的过程，并在这一过程中逐步形成正确的价值观念、必备品格和关键能力。“元素周期律”作为高中化学课程的核心内容，最常见的教学模式就是直接让学生寻找短周期元素（3～18号）的原子半径、元素主要化合价的变化规律。笔者认为，在缺乏背景的情况下，直接让学生寻找第二、三周期元素的化合价、原子半径等规律，加之第二周期还存在特例（如O、F无最高正价），以两个周期为代表拓展到整个元素周期律中，不仅不够典型，而且缺乏对周期律的深度探究。因此，笔者在进行本节课的试教和正式教学时，为更好地引导学生基于事实证据进行推理和论证，逐步构建基于“元素原子结构一周期表位置一元素性质之间关系”的系统模型，在学习活动的创设和学习问题的设置上给予了学生广阔的空间，让学生在探究中逐步构建知识。未曾想到的是，学生在课堂中表现非常活跃，而且对问题思考的深度和广度值得细细品味。

二、教学与反思

1.元素周期律的表现形式一定是“表”吗？

在备课过程中了解到，元素周期律有很多表现形式。为了引导学生在课后也能排列出不一样的图（表），笔者一开始就在思考应该从什么角度去启发他们。在一次试讲中，当引导学生将元素卡片按照已有信息（卡片上有相应元素的原子半径、相对原子质量、单质熔沸点与密度、常见化合价等数据和原子结构示意图、单质状态、溶解性等信息）进行有规律的排列时，学生却并未排列出像元素周期表那样，有的小组甚至不知道排成什么样。在与学生沟通后，我理解了学生的疑惑，学生认为排列并不一定是排成表格，也可能是某种图形。换个角度看，排列既可以是平面的，也可能是空间的。可以看出，元素周期“表”中的一字之变，极大地拓展了思维的空间。正是基于这一点，笔者才理解了课本上“元素周期表是元素周期律的具体表现形式”所隐含的深刻思想，即“元素周期表是元素周期律的重要表现形式，但不是唯一形式”。如果在教学活动中一开始就让学生按照表格形式排列，必然会束缚学生创新思维的发展。

事实上，自1869年门捷列夫给出第一张元素周期表以来，至少已经出现了700多种不同形式的元素周期表。总的来说，人们制作元素周期表的目的是为研究元素周期律提供方便，但研究的侧重点不同，给出的元素周期表现形式也就不同。而元素周期表作为最常见的形式被广泛接受，这与人们的认识方式和使用特点密切相关。一直以来，科学家对某种假说、模型或规律的呈现总是选取一种更容易被接受、更有利于表达观点的形式。像元素周期表这样一种二维排列，人们不仅认识、使用起来更为方便，同时也可使规律的表达更为简洁、系统。

2.稀有气体元素为什么排在最后一列？

在给元素有规律地排列时，学生利用元素卡片的形式对21种元素（这21种元素是除去H、He、Ne、Ar、Kr的前1～36号主族元素）进行编表，学生排出了表1中的灰色底部分。排列好后，学生会发现这些表格中每一列（行）的化合价和原子结构规律。在此基础上，增加了He、Ne、Ar、Kr共4种元素的卡片（卡片信息同前），学生对25种元素的排列结果如表1所示。

按照第1种排列的学生认为，四种元素的化合价均为0，可以排在+1价前面;按照第2种排列的学生则提出了不同的意见，如果按第1种排列，就会出现同一行元素原子结构电子层数的差异。如果按照第2种排列，就能同时体现化合价和电子层数的规律，即规律更强。这一小小的差异，也折射出在对大量看似杂乱无章的信息中寻找规律时，一方面要寻找“共同性”，另一方面还要把握“递变性”，其目的是使“规律最大化”。这正与当年门捷列夫在进行元素排列时“强调依照元素特性的总和以及该元素与其他元素的联系的思想不谋而合。

3.铁在认识元素周期表的结构中有何特殊价值？

铁作为一种过渡金属元素，几乎不在元素周期律中有所贡献。在试教中，学生利用26张元素卡片（卡片信息同前，元素种类与前面相比多了H）的形式对元素进行编表，可以编排出元素周期表的第一、二、三、四周期。为了充分挖掘铁在元素周期律中的学习价值，笔者设计了铁元素卡片（信息同前）。学生利用铁元素的信息排列出两种形式：一种是直接插在ca和Ga中间，第二、三、四行（此时学生尚未学习周期的概念）其他元素的排列错位，右侧部分排列不再有序，如表2：

另一种是Fe插在ca和Ga中间，但原本的第一、二列和第三列拉开距离，原本整体结构发生了变形。这个活动的目的是将高中阶段学过的过渡金属知识作为认识元素周期表结构的重要载体，激发学生的思维活力，初步构建起元素周期表的雏形。尽管学生此时尚未学习过选修阶段的原子结构知识，但一定能體会到现行元素周期表的结构以这样的方式呈现是有原因的。

显然，铁元素的位置排列提升了学生对元素周期表结构的认知水平。两种排列形式各有理由，但后一种的规律性在表格中表现得更强。结合前述规律性最大化原则，显然应该采取后者的排列形式。有了这样的认识基础，学生在后续深入学习原子结构的有关知识后，不仅能够从本质上理解表3排列的原因，同时对第五、六周期镧系元素、锕系元素这样的排列也就有了更加理性的认识。也就是说，镧系元素、锕系元素在表中的排列并非一定要像现在常见的元素周期表那样单独用两行列出来，而是就可以放在相应位置并全部展开，但展开后周期表会占用很大的空间，不利于人们的使用。而现行元素周期表将镧系元素和锕系元素分别放在第6周期和第7周期的同一格内，是为了使元素周期表的结构更紧凑。

4.元素原子半径比较的反常现象如何解释？

在讲授元素周期律中原子半径的规律时，笔者给出了目前普遍使用的主族元素的原子半径图，如图1。从该图中可以比较出同主族、同周期的两种元素原子半径的相对大小。此时，有学生提出“为什么图中没有稀有气体原子的半径？”“如果两种元素的原子不在同一主族或周期，其大小应该如何比较呢？”，针对前一个问题，在课堂上以“稀有气体原子半径大小测量方法不同，故不能放在一起比较”作为回应，而后一个问题则顺势给出了微粒（原子、离子）的半径比较三规则：①电子层数越多，半径越大，如r（H）dr（B）

就在笔者认为可以圆满回答学生的问题时，有学生提出，如果根据规则，r（C1）>r（Li），但是图中却显示r（C1）dr（Li）。结合教材提供的数据，细致对比还可以发现，第三周期的A1、Si、P、S、C1均小于第二周期的Li，P、S、C1均小于Be等，像这样的反常现象并不少。到底是规则错误还是图片信息错误呢？

根据量子力学，核外电子运动没有固定的运动轨道，没有明确的界限，只有几率密度的分布，现代科学技术还无法精确测量一个单独原子的半径。而且，不同元素原子有不同的存在形式，就是同一元素的原子也可能形成不同化学键的分子和晶体。因而不同元素的原子半径可能表现形式不同，也就是同一元素的原子半径也可能有不同形式。目前通常使用的有三种原子半径，分别是金属半径、共价半径和范式半径。在比较和使用时，不同元素的原子半径应该是在同一标准下。然而，对比人教版、苏教版和鲁科版三版教材，所列出的元素原子半径大小数据均不一样。

事实上，从半径比较的三规则可以看出，电子层数、核电荷数、电子数都是影响微粒（原子、离子）半径的因素，但三个因素在什么条件下分别是主要因素并未说明。以上述问题为例，这是否意味着该规则的应用需要局限在同周期或同主族范围内呢？即使限定在同周期内，那么哪个因素又是占主导呢？有文献指出：对于同一周期元素的原子半径来说，可以认为核电荷数的影响占主导;在同一主族中，电子层数增多起主要作用，但均未讨论不同周期或不同主族元素原子半径比较方法，如不同周期的元素原子半径是否主要受电子层数的影响。

此外，针对“电子层数相同，核电荷数越小，半径越大（序小径大）”学生也提出了想法，即这些原子结构拥有相同的电子层数，如果原子核的大小相差不大，如何体现出原子半径的大小差别呢？以r（C1）

5.元素周期律的“律”包含了哪些内容？

教材对元素性质的研究，主要包括原子半径、主要化合价、金属性和非金属性，其中金属性和非金属性涉及的物质性质范围大一些，包括置换酸中氢的难易程度、气态氢化物的稳定性等，但揭示这些规律本身也只是建立在有限的实验事实基础上。那么对于其它同一周期或主族元素的同类型化合物的颜色、状态、毒性、溶解性、酸碱性呢？它们是否也可以被纳入进来？无论哪一版教材，都没有将这些内容纳入周期律中，这一方面是基于元素周期律的主要是“解释事实”，另一方面也反映出元素周期律只是人们在认识事物的过程中归纳、演绎、假设、推理的结果，只能尽可能揭示事物的本质和规律，其正确性体现在与事实的吻合程度上。因此，元素周期律是有一定的适用性的，某些元素所表现出的特殊性难以在周期表中体现，这一点需要学生用批判的思维来看待，并学会尊重客观事实，创造性地运用科学的思维方式分析问题，解释事物发展的本质和内在规律。

三、小结与启示

元素周期律（表）作为化学学习的基础，对提高学生的化学学习水平具有十分重要的價值。学生在一开始接触化学时就知道化学书后面有一张元素周期表，甚至在毕业多年后都能记得那张表，但对其中蕴含的思想却认识不足。在高中化学教材和教学中，虽然会学习部分规律性，但由于这部分知识的过于简略，或仅靠个别物质的性质就得出元素的性质规律，使学生对这部分知识仍旧难以从本质上理解。在本节公开课中，基于实践和探究活动的元素周期律认识模型对促进学生理解结构决定性质等科学本质起到了积极作用。从反思中也可以看出，课堂教学应该重视学生提出的每个问题，关注学生学习思考的方向、路径，保护好学生的好奇心，利用好学生的求知欲。前述几个问题的讨论，使得学生元素周期律认识模型的建构对教师的教学提出新的挑战，而在克服挑战的过程中教师本身对元素周期律的模型也会有更深的体会和认识。只有教师不断发掘元素周期律的奥秘，才能引领学生更好地去发现、感受元素周期律之美！