基于学科理解的高中化学教学设计

龚贤 顾红霞

摘要：基于学科理解的视角分析人教版普通高中化学教科书必修第一册（2019年6月第1版）第四章的“原子结构与元素周期表”和“元素周期律”的内容，以“元素周期表”为例对如何准确把握化学史内涵和价值进行学科理解、教学设计和教学实践，引导学生逐步建构“位”“构”“性”认识模型，增进对化学学科思维的理解。

关键词：学科理解;元素周期表;化学史;“位”“构”“性”认识模型

文章编号：1008-0546（2022）10-0040-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出“学科理解”概念，学科理解是对化学学科知识及其思维方式方法的一种本原性、结构化的认识。[1]基于学科理解的教学在于提供了具有学科特质的化学认识视角与化学认识思路，从而发展学生的化学学科思维方式。[2]在面向未来的化学课堂教学中，需要促进学教方式的转变，使学生理解知识的本源，学会学习知识的方法，能在日常生活中应用化学学科知识和技能解决实际问题，因此要在教学中深入贯彻“学科理解”。笔者以人教版普通高中化学教科书必修第一册（2019年6月第1版）第四章的“原子结构与元素周期表”中的“元素周期表”第一课时为例，尝试在课堂教学中渗透“学科理解”，促进学生化学学科核心素养落地。

一、学科理解

1.价值分析

本章内容的教学主要促进学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”化学核心素养。“宏观辨识与微观探析”的发展重点表现为：深化对原子结构的认识，建立原子结构与元素性质、元素性质与物质性质之间的关系，在此基础上，能从物质的微观结构说明同类物质的共性和不同类物质的差异及原因，能解释某些同类物质的不同物质性质变化的规律;“证据推理与模型认知”的发展重点表现为：构建“位”“构”“性”关系认识模型，从“各类物质的一般性质—氧化性和还原性”二维模型发展到“各类物质的一般性质—氧化性和还原性—相似性和递变性”三维模型;“科学探究与创新意识”的发展重点表现为：形成实验探究元素性质递变规律、比较物质性质的思路方法，发展物质分离提纯实验的设计与实施能力，提高基于理论进行预测、提出假设的能力和基于实验事实概括、推理得出结论的能力。

2.本原追溯

科学的发展史本质上属于人类的认识史，是人类对自然科学的逐步探索和认识，它遵循从“表面”到“本质”、从“宏观”到“微观”的逻辑顺序，排序依据由宏观的元素性质和相对原子质量到微观的原子结构和核电荷数，不同时期元素周期表的排序依据和认识角度见图1。基于元素分类的研究，1829年德贝莱纳（J.W.D?bereiner）提出“三元素组”。基于相对原子质量与元素性质之间的周期性变化规律，1866年纽兰兹    （J.A.R.Newlands）提出“元素八音律”;1869年门捷列夫（D.Mendeleev）绘制出第一张元素周期表，两年后发表了第二张元素周期表，提出元素周期律的概念，并利用元素周期律预言了“类铝”（镓）、“类硼”（钪）、“类硅”（锗），这些元素在不久的将来都被科学家一一发现和证实，同时门捷列夫还在周期表中留下大量“空位”，留给目前未发现的元素。1913年莫塞莱（H.   G.J.Moseley）证实了用核电荷数排序比用相对原子质量排序更符合元素性质的递变规律。一直到20世纪30年代，原子结构奥秘的揭示，科学家才从微观视角研究和完善元素周期表，才有了现在更加完美的元素周期表。

元素周期表的发现过程，体现了科学家的科学研究方法、观念和科学精神。在教学设计时，教师应根据教学内容和学生素养发展要求选择合适的化学史情境，利用学生的最近发展区作为知识生长点，设计驱动性问题，引导学生阅读、分析、提炼或重新演绎科学家的研究方法和思维过程。将教材内容融入到化学史情境中，这样不仅有助于學生掌握化学知识，还能使他们发现和体会科学家们的研究方法和科学态度。

3.框架梳理

人教版普通高中化学教科书必修第一册（2019年    6月第1版）第四章的“原子结构与元素周期表”和“元素周期律”的内容按照由“微观”到“宏观”的逻辑顺序来构建该章节内容体系（图2）。教材先介绍原子结构，然后引导学生从原子结构视角来研究元素周期表中的“结构”“位置”关系，再以典型金属元素族（碱金属）和典型非金属元素族（卤族元素）为代表总结“构”“性”关系，最后以第三周期元素为代表，总结同周期元素的“位”“构”“性”关系，最终归纳出元素周期律。

二、教学目标

1.素养目标

（1）阅读周期表的相关化学史料，了解周期表的编制和完善过程，体会化学研究由宏观到微观、由表面到本质的过程，感悟科学家的研究方法、观念和科学精神;

（2）综合考虑“原子序数”“原子结构”和“元素性质”，自主编排和完善周期表，体会科学研究的方法;

（3）了解周期表的结构，理解原子结构与元素在周期表中的位置之间的关系，形成“结构决定位置，位置反映结构”的基本观念，发展“宏观辨识与微观探析”核心素养。

2.评价目标

（1）通过学生利用元素性质对元素进行分类的活动，诊断并发展学生元素分类的水平;

（2）通过学生阅读和分析德贝莱纳、纽兰兹以及门捷列夫编排周期表的化学史的活动，诊断并发展学生“位”“性”认识模型的水平;

（3）通过学生利用原子结构分析和解释门捷列夫周期表的活动，诊断并发展学生“位”“构”认识模型的水平;

（4）通过学生利用原子结构自主编制周期表的活动，诊断并发展学生“位”“构”“性”认识模型的水平。

三、设计思路

元素周期表的发展史的逻辑顺序是从“宏观”到“微观”，而教材编写的逻辑顺序是从“微观”到“宏观”，那么如何将两个逻辑顺序完全相反的知识融合到一起呢？学生上节课学的“原子结构”知识的利用是关键。本节课以德贝莱纳“三元素组”中的四组（12种元素）为线索，引导学生根据性质数据对这12种元素进行分类，体验科学家的分类思想;分析性质相似的“三元素组”元素在纽兰兹和门捷列夫的表格中的位置特征，总结科学家的排表规律;引导学生分析“三元素组”元素的原子结构具有哪些相似之处，从微观角度总结排表规律;引导学生综合考虑“原子序数”“原子结构”和“元素性质”自主编制和完善元素周期表;最后和学生们一起研究教材附录上的元素周期表的结构，归纳元素位置与原子结构的关系，逐步建构“位置-结构-性质”思维模型。在这个过程中学生不仅可以熟悉元素周期表的结构、加深对元素周期表编排规律的理解、认识原子结构与周期表的关系，还可以体会到科学家的科学研究的方法，教学流程见表1。

四、教学过程

1.环节一：混乱中找规律，引入新课主题

【投影】12种元素的性质表格（见表2）。

【师】首先，我想问大家，看到这张表格的第一感觉是什么？

【生】好多元素，好多性质，好多数据，一片混乱。

【师】到了19世纪，随着科学的发展，越来越多的元素被发现，科学家面对比表格中更多的元素、更多的性质、更多的数据，他们该如何研究这些元素呢？

【生】找规律、分类。

【师】下面请大家从表格的数据中找找规律，并尝试对这些元素进行分类。

【生生讨论、师生讨论】分成2组（金属元素、非金属元素）;分成四组（锂、钠、钾;钙、锶、钡;氯、溴、碘;硫、硒、碲）。

【评价】其实，我们刚刚找到的四组性质相似的元素，正是德国化学家德贝莱纳在1829年提出的“三元素组”中的四组。

【化学史1】1829年，德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”的概念。他对当时发现的44种元素进行了研究，他发现元素中总存在着性质特别相似的3种元素：氯、溴、碘;锂、钠、钾;钙、锶、钡;硫、硒、碲等，且中间元素的相对原子质量约为较轻和较重的两种元素相对原子质量之和的一半。

2.环节二：研读化学史料，分析排序规律

【化学史2】1866年，英国化学家纽兰兹提出了“元素八音律”的观点。他把当时已知的62种元素按相对原子质量大小顺序依次排列，发现从某一元素开始数到第八个元素时，这个元素跟第一个元素具有相似的性质，正像音阶里的八度一样。为了便于观察，纽兰兹把当时发现的62种元素全部整理到一张7行8列的表格中（见表3）。

【师】请大家仔细观察德贝莱纳的“三元素组”在纽兰兹的表格中的位置，看看有什么规律？

【生】三元素组都在同一行。

【总结】纽兰兹把性质相似的元素排到一横行中了。

【讨论】纽兰兹是按照什么样的规律对元素进行排序的？

【总结】按照相对原子质量大小对元素进行编号排序，把性质相似的元素排到同一横行。

【化学史3】1869年，门捷列夫将元素按照相对原子质量由小到大依次排列，并将化学性质相似的元素放在一起，制出了第一张元素周期表。两年后，又做了一些调整，发表了第二张元素周期表（见表4）。

【师】请大家仔细观察德贝莱纳的“三元素组”在门捷列夫的表格中的位置，看看有什么规律？

【生】三元素组都在同一列。

【总结】门捷列夫把性质相似的元素排到一列中了。

【讨论】门捷列夫是按照什么样的规律对元素进行排序的？

【总结】按照相对原子质量大小进行排序，把性质相似的元素排到同一纵列。

【讨论】仔细观察门捷列夫和纽兰兹的表格，它们有哪些异同点？

【生】门捷列夫的周期表中有“空位”和“？”。

【師】门捷列夫为什么要在表格中留“空位”呢？

【生】留给等待发现的新元素。

【点评】门捷列夫周期表中的“？”是他利用元素周期律预言的新元素“类铝”（镓）、“类硼”（钪）、“类硅”（锗），这些元素在不久的将来都被科学家一一发现和证实。也就是说，门捷列夫的周期表可以用来预言和发现新元素，这正是门捷列夫的周期表的伟大之处。

【师生讨论】按照相对原子质量排序，碲应该排在碘的后面，而按照元素性质排序，碲应该排在碘的前面，门捷列夫的周期表为什么会出现这种“原子量倒置”现象呢？

【化学史4】1913年，英国物理学家莫塞莱应用X射线测定了原子核所带的正电荷的数目，即核电荷数，他证明了元素周期表中原子序数用核电荷数排序比用相对原子质量大小排序更符合元素性质的周期性变化规律。直到20世纪30年代，原子结构奥秘的揭示，科学家才从微观视角研究和完善元素周期表，才有了现在更加完美的元素周期表。

【总结，点评】原子结构奥秘的揭示，是现代周期表趋于完美的关键。现代元素周期表是按照核电荷数大小对原子进行编号得到原子序数、综合考虑原子结构和元素性质进行排序。

3.环节三：按照排序规律，尝试自主排表

【生】根据1～20号元素的原子结构示意图，编制1～20号元素的元素周期表。

【讨论】按照什么规律编排周期表？

【生1】把电子层数相同的元素排到一横行，把最外层电子数相同的元素排到一纵列。

【生2】考虑到元素性质，把氦元素由Be的上方调整到Ne的上方。

【点评】同学们编排时同时考虑到原子序数、原子结构和元素性质，考虑问题很全面，编排的表格很美很有规律！

【讨论】依据以上的规律，大家对氢元素在元素周期表中的排列，是否存在多种可能？是什么原因排在那里？

【生】①排在第一列，最外层1个电子;②排在第十七列，得到1个电子即可达到稳定结构;……

【活动】①根据原子结构示意图，把德贝莱纳“三元素组”中的12种元素排进周期表中。

②根据原子结构示意图，把氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）、Og排进周期表。

③根据原子结构示意图，把镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl）排进周期表中。

【生】④把21-30号元素钪（Sc）、钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）排进周期表中。

【讨论】我们的周期表中20号元素Ca和31号元素Ga挨在一起，缺少空位，怎么办呢？

【生】把周期表拉长，20号和31号之间扯开10列的距离。

【评价】把39～48号元素和57～80号元素排进周期表中。

【生】57～80元素之间有24种元素，但是现在只有10列距离，空格又不够了。

【评价】为了方便使用，同时考虑到原子结构和元素性质，科学家把镧系元素（57～71号）放到一格中，然后在周期表下方展开，类似的还有锕系元素。在不知不觉间，同学们已经编制出目前使用最广泛的长式元素周期表的轮廓（见图3），下面我们来研究元素周期表的结构。

【学生】观察教材附表元素周期表，总结元素周期表的结构，完成教材89页思考与讨论的表格。

【总结】每一个横行叫做一个周期，前三周期称为短周期，其他周期称为长周期。

【总结】每一个纵列叫做一个族（8、9、10三个纵列共同组成第Ⅷ族），族有主族、副族和0族三种，族序数用罗马数字表示，主族元素在族序数后标A，副族元素在族序数后标B（除第Ⅷ族）。

【生】观察自己编排的元素周期表，讨论位于同一横行的元素的原子结构有什么相同之处？位于同一纵列的元素的原子结构有什么相同之处？

【总结】位于同一横行的元素的电子层数相同，周期数=电子层数;位于同一纵列的元素的最外层电子数相同，主族序数=电子层数。

【练习】根据已知条件填写表格（见表5）。

【总结】今天我们一起阅读和分析化学史故事，了解到科学家是如何编制和完善周期表的，并尝试自主编制元素周期表，研究周期表的结构，对周期表中元素位置与原子结构的关系有所了解。我们知道“结构决定性质”，周期表中元素性质有哪些递变规律，元素性质与元素位置和原子结構有什么联系，我们下节课继续研究。

五、模型构建

通过本节课的教学实施，能清晰地给出基于元素周期表的学习应用方式。学生通过“结构决定位置，位置反映结构;结构决定性质;构位性是一个统一体”学科视角的学习和认识，能对陌生物质学习起到良好的借鉴。本节课的学科视角模型如图4。

六、教学反思

许多教师在梳理教学目标的基础上，对“元素周期表”教学设计也呈现许多版本，[3-5]但对于新教材教学内容的重构下，教学设计与现有教材的呈现方式出现差异，特别是在利用化学史，促进学科理解的教学下都需要一种新的学习模型。本节教学设计中将化学史情境和教材内容有效地融入到课堂教学中以使学生能理解“元素周期表”的历史由来及其学科意义。在本节课的学习中，学生以现代学科视角“原子结构”为主线，去分析“三元素组、八音律、元素周期表”在各自历史时代的价值和需要改进的方向。学生不仅可以熟悉周期表的结构，构建“位置-结构-性质”认识模型，还可以身临其境地体会到科学家为什么要编制周期表、科学家是如何编制周期表的、科学家是如何完善周期表的以及周期表有什么用（研究、预测和发现元素），为下节课学习“原子结构与元素的性质”做铺垫。学生在阅读、分析、提炼或演绎化学史料中科学家的研究方法的过程中，分类思想得到强化，宏观辨识与微观探析和证据推理与模型认知核心素养得到提高。

参与文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]张笑言，郑长龙.化学教学内容的学科理解研究——— 以“醛的结构与性质探究”为例[J].化学教育，2020，17（41），54-59.

[3]黎卓熹，成燕琴，魏洁书，张镖，刘盈.国外化学元素周期表教学方式的介绍与启示——基于 2009-2019 年 Jour-nal of Chemical Education的载文[J].化学教育（中英文），2020，41（11）：107-113.

[4]居鸣富，高翔.基于科学精神培养的高中化学教学实践——以“元素周期律”为例[J].化学教育（中英文），2020，41（7）：33-37.

[5]张娟，姜建文.基于化学史的“元素周期表”教学设计[J].化学教育（中英文），2017，38（17）：75-81.