基于模型建构的“元素周期表的应用”教学设计

李昊辰 卢姗姗

摘要：  结合模型建构的一般过程，设计多个探究活动帮助学生建立对元素周期表应用的模型，逐步引导学生形成预测陌生元素及其相应物质性质的基本思路。同时结合寻找材料的学习任务提高学生应用模型解决问题的能力。

关键词：  模型认知； 元素周期表的應用； 半导体材料； 教学设计

文章编号： 1005-6629（2024）05-0049-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  教学主题内容及教学现状分析

元素周期表是化学课程的重要内容，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（简称“课标”）要求学生“了解同周期和主族元素性质的递变规律，体会元素周期律（表）在学习元素化合物知识与科学研究中的重要作用”［1］。当前，该主题的实际教学主要存在两类问题：一是教学目标定位较低，学生停留在“识记”元素递变规律的水平［2］，很难将陌生元素与其熟悉的元素性质联系起来［3］，缺乏解决问题的认知模型［4］；二是教学内容未能体现元素周期表的应用价值，尤其是教材中所编排的对新材料开发的指导作用的内容［5］。在某项测查中显示，仅有3%的学生能够描述元素周期表对于寻找半导体材料的应用价值［6］。

有研究者开展了基于模型建构的“元素周期表”教学，帮助学生建构认识模型。例如，黄鸣春等将元素的“位-构-性”与物质的“构-性-用”进行了分化，构建了元素及相应物质性质相结合的认知视角［7］。焦利燕等引导学生自主创建元素周期表，在不断修正与应用的过程中感受元素周期表的建立过程［8］。然而，对于陌生元素及其对应物质性质的认知模型还有待进一步帮助学生去建立，尤其是针对新型材料对应的元素及其物质性质的探究上。

2  基于模型建构的教学设计思路

模型建构是培养学生模型认知的重要过程，课标对模型认知的要求为：“能根据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。［9］”

国际著名化学教育家吉尔伯特（J.K.Gilbert）曾系统论述过化学教学中模型建构的作用及学生模型建构的四个环节［10］：（1）在陌生情景或者新知识中，学生初步建立模型分析新问题；（2）在其他情境中检验模型的适用性，目的是对模型加以修正和完善；（3）针对一些具体问题和细节丰富模型，此时的模型与第一个环节建立的模型有一些本质的不同，能够解释更加具体的问题和深入的细节，可以看作是对初建模型的发展；（4）将模型应用于解决实际问题，最终建构契合特定问题环境的新模型。参考以上四个环节，明确了基于模型建构的教学设计思路分为四个阶段：初建模型、完善模型、发展模型与应用模型，并以此展开教学。

2.1  教材分析

“元素周期表的应用”一节位于山东省科学技术出版社出版的《化学》必修二第一章“原子结构 元素周期律”第三节，是本章内容的总结与应用。本节内容包括三部分：认识同周期元素性质的递变规律、研究同主族元素的性质以及预测元素及其化合物的性质。本节课的教学设计主要针对“预测元素及其化合物的性质”这一课时内容。

从模型建构的视角分析，前一节内容从“元素位置、原子结构、元素性质”三个方面认识元素周期表，实现某一元素“位-构-性”认知模型的建立。本节内容在探究同周期、同主族元素性质的递变规律后进一步完善模型，根据已知元素与陌生元素在元素周期表中的位置关系，利用元素性质间的相似性和递变性对陌生元素的性质进行预测，充分发挥元素周期表作为科学研究工具的预测功能。

2.2  学情分析

学生在初中阶段已经具备了通过元素周期表获得元素基本信息的能力［11］。在学习本课时内容时，学生初步建构了“位-构-性”认知模型，掌握了同周期、同主族元素的递变规律，部分学生能够将该认知模型和规律应用于探索熟悉的元素及其对应物质的性质，包括元素周期表中金属元素区域或非金属元素区域。

然而，面对陌生元素及其对应物质的性质，尤其是元素周期表中金属和非金属元素分界线上的元素对大多数学生来说是困难的。这一条分界线附近的区域正是寻找新型材料的重要场所。

2.3  教学目标及重难点

（1） 通过寻找促进碳中和新型材料的驱动型任务，应用元素周期表预测分界线上的元素及对应的物质的性质及功能，形成预测物质性质的方法。

（2） 根据熟悉的已知元素预测陌生元素及其对应物质的性质，体会元素周期表作为科学研究工具解决真实问题的应用价值。

教学重点是将元素周期表作为科学研究的工具，依据同周期、同主族、对角线位置元素性质的相似性和递变性，从熟悉的已知元素预测陌生元素及其对应物质的性质。

教学难点是探究元素周期表分界线上的元素及其对应物质的性质，以及应用这些物质开发的新型材料的性质与功能。

2.4  “元素周期表的应用”认知模型与教学设计思路

本课时的模型建构是在学生“位-构-性”认知模型的基础上，经过检验和完善，发展及应用该认知模型。学生建构的认知模型如图1所示。

基于模型建构的教学设计将围绕“探究陌生元素性质、寻找特殊功能半导体材料”的任务展开，确定对分界线上的Si、 Ge、 Ga三个陌生元素进行探究的学习活动，它们都是当前新型材料的重要组成元素。另外，镓元素不仅是当前社会生产中重要的新型材料，而且在门捷列夫对其预言的科学史料中蕴含着展现元素周期表强大应用功能的教育价值。结合图1的模型，考虑模型建构过程的生成性，教学设计思路如图2所示。

3  基于模型建构的教学过程

3.1  初建模型

［社会背景］《国家十四五规划纲要》提出，要在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和。但目前我国的能源结构依旧以化石燃料为主导，这就要求我们积极寻找合适的原料，以减少化石燃料的损耗，同时发展可替代的清洁能源。半导体材料在传输能量的效率方面具有卓越的优势，既能作为燃油冶炼的催化剂，又是清洁能源工作的重要载体。

随着技术的不断发展，科学家们发现以含Si、 Ge、 Ga元素的物质为主的半导体材料在这些方面有着重要的作用，下面应用元素周期表来探究这三种元素及其物质的性质。

探究活动一：预测Si元素的性质

［问题引导］根据元素周期表，你知道有哪些预测陌生元素性质的方法？

［学生预测1］可以从原子结构入手，因为原子结构决定了对应元素的性质。

［学生预测2］元素在元素周期表中的位置也反映了元素的性质。

［板书］元素周期表、周期、族、构（原子）、位（陌生元素）、性（陌生元素）（注：此处及以下板书内容均为关键词，其结构设计皆如图1所示）

教学意图：通过Si、 Ge、 Ga等元素及其对应物质能够有效促进碳中和的社会情境，引出应用元素周期表对陌生元素性质进行预测的探究活动，明确元素周期表作为科学研究工具的重要预测功能。根据所学引导学生自主回顾“位-构-性”认知模型，初步确定预测思路的组成要素。

3.2  完善模型

［问题引导］根据刚刚学习过的同周期、同主族元素性质的变化规律。要想了解Si的性质，还有哪些方法？

［学生预测1］Si与Al元素在同一周期，它们的性质之间存在递变性。根据元素周期表中的位置，预测Si的得电子能力强于Al。

［学生预测2］Si与C元素在同一主族，它们的性质之间存在相似性和递变性。根据元素周期表中的位置，预测Si的得电子能力弱于C。

［板书］位（已知元素）、性（已知元素）、周期、族、同周期、同主族、相似性、递变性

［问题引导］如何根据Si元素对有关物质的化学性质进行预测？

［学生预测1］从物质类别和元素价态两个角度进行预测。Si是非金属元素，形成的二氧化硅（SiO2）属于酸性氧化物，其中硅元素化合价为+4价，使得二氧化硅具有氧化性；形成的最高价氧化物对应的水化物是硅酸（H2SiO3），其中硅元素化合价也是+4价。

［学生预测2］通过已知元素性质间的相似性和递变性进行补充。根据同主族元素性质的相似性，根据C元素预测Si元素形成的二氧化硅是酸性氧化物，硅酸是一种弱酸。根据同主族元素性质的递变性，预测硅酸的酸性弱于碳酸。

［实验现象］取一定量的硅酸钠（Na2SiO3）溶液于烧杯中，随后通入少量CO2气体。可以看见溶液变得浑浊，底部有少量的白色沉淀。

［現象解释］白色沉淀是硅酸，说明CO2溶于水后产生的碳酸置换出了比其酸性更弱的硅酸。

［结论］硅酸的酸性弱于碳酸。

［板书］性（物质）、物质类别、元素价态

［问题引导］与Si相邻的Al、C元素对应的单质都是电的良导体，那硅单质是否可以导电呢？

［学生预测1］Si在Al元素的右侧，是非金属元素，其单质应该不能导电。

［学生预测2］由碳构成的石墨能够导电，且Si处于C元素的正下方，更容易失去电子。因此，推测硅单质虽然是非金属材料但可能具有导电性。

［教师讲授］在物理学中有关电的学习中，大家了解到电是带电微粒的定向移动所形成的。导体能够导电是因为存在自由移动的电子（图3左）。根据硅原子的结构示意图（图3右）可以看出外层电子均被本身和相邻的原子核所紧密吸引，所以在常温下硅单质并不导电。

［呈现材料］通过向硅单质中“掺杂”其他元素，能够使其具有导电性。这是因为加入的其他原子的最外层电子数不同于硅原子，从而打破硅单质中稳定的晶体结构，使得多出的电子可以在晶体中移动，成为可以形成电流的自由电子［12］。

［问题引导］根据上述材料，结合硅的结构示意图，你能想到用哪些原子替代硅原子，使其能导电呢？

［注：图片来自王祖浩等译《化学概念与应用（上册）》第二版第109页］

［学生预测］掺杂最外层电子数较多的非金属元素，提供更多的自由电子。

［教师讲授］向硅晶体中掺进少量P原子（第VA元素），除了一些必要的电子用于维持晶体结构外，多出的电子形成了可以移动的自由电子，从而形成电流（见图4）。

［注：图片来自王祖浩等译《化学概念与应用（上册）》第二版第109页］

［问题引导］硅晶体中掺杂磷原子之后形成的物质存在多余的电子，因此带负电；硅晶体中还可以掺杂哪些元素呢？能不能掺杂某些原子后使得物质带正电？

［教师讲授］另一种是掺杂最外层电子数较少的硼元素（第ⅢA元素），这种最外层电子数少于4个的非金属元素，导致应该存在电子的区域产生空穴，使得电子即可在这些空穴中移动，从而产生电流（见图5）。

（注：图片来自王祖浩等译《化学概念与应用上册》第二版第110页）

［总结］在元素周期表中，像Si这样位于金属与非金属元素交界处的元素称为半导体元素，而半导体材料特指导电能力介于导体与绝缘体之间的一类材料。半导体的导电性可以通过掺入其他元素进行调节，最终得到带正电的P（positive）半导体和带负电的N（negative）型半导体［13］。当两类半导体结合时即可形成电势差，从而可以作为电源使用［14，15］。

教学意图：引导学生根据所学同周期和同主族元素性质的相似性与递变性补充要素，随后引导学生将元素性质迁移至对应物质性质的预测上，完善认知模型。从元素性质的递变规律分析常见物质的性质，深入探究素材中的有关半导体材料的结构与性质成因，在问题解决的过程中不断完善模型，深化对认知模型本质的理解。

3.3  发展模型

探究活动二：预测Ge元素的性质

［社会背景］2023年7月，中华人民共和国商务部、海关总署发布《关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告》，表示为维护国家安全和利益，决定自同年8月1日起对镓、锗相关物项实施出口管制。这是因为该两种元素组成的许多物质都是新兴的战略性矿产，在高新技术产业有很广泛的应用。

［问题引导］刚才我们已经预测了Si元素及其物质的性质。那现在又该如何预测Ge元素的性质？

［学生预测1］Ge与Si都在交界处附近，而且是同主族，预测锗单质可作为半导体材料。

［学生预测2］根据同主族元素性质递变规律，推测Ge的失电子能力强于Si。

［教师］除了同主族位置关系外，你还能利用哪些元素周期表中的已知元素对Ge的性质进行补充？

［提示］处于对角线位置的元素具有相似的化学性质。

［学生预测］Al与Ge处在对角线位置上，可以推测Ge单质与Al单质具有相似的性质。

［教师］根据原子结构解释，为什么处于对角线位置的元素具有相似的化学性质？

［学生预测］处于对角线右下方的元素原子相较于另一方最外层电子数和电子层数均增加，即失电子能力与得电子能力同时增强，因而呈现出相似的性质。

［板书］对角线

［呈现材料］锗作为最早的半导体，应用于第一只晶体管和第一块集成电路中。后来硅逐渐取代锗，并一直被广泛应用到现在。

［问题引导］硅半导体相比于锗半导体有哪些优势？

［学生预测］Si是土壤中含量第二高的元素，原料更易获得。

［教师］从元素周期表来分析物质本身的结构和性质，比如半导体的导电性能和应用范围受哪些因素的影响？

［学生预测1］导电性能上，Si元素与Ge元素同主族，二者最外层电子数相同。即带电微粒数相近，在一定的条件下性能几乎相似。

［学生预测2］但在应用范围上，Ge的最外层电子受原子核束缚较小，导致其物质结构不稳定。

［呈现材料］Ge半导体在实际应用中容易漏电，不耐高温，因而无法制成多种类别的电传输器件［16］。

教学意图：通过探究其他元素与陌生元素位置间的联系，补充“对角线关系”要素，进一步完善模型，并应用认知模型预测Ge元素及其对应物质的性质。同时在活动中呈现多种类型的科学事实，帮助学生基于此对其预测进行验证，进而对初始模型进行修正和完善。

3.4  应用模型

探究活动三：预测Ga元素的性质

［科学史话］人们对于Ga、 Ge的探索过程不同于其他元素，在未真正发现前就已经预测了它的存在和性质。在19世纪70年代，门捷列夫根据元素性质的周期性变化规律，将性质相似的元素排列起来，形成了初始的元素周期表，同时大胆假设了表中余留的空位所对应的尚未发现的元素。例如，他认为世界上还存在着“类铝”与“类硅”元素，并对这些元素的信息进行了预测。随后法国与德国化学家分别得到了“类铝”与“类硅”，也就是我们探究的镓和锗，它们的一些性质与门捷列夫当初的预测十分吻合。

［问题引导］门捷列夫是如何应用元素周期表，预测Ga元素及其物质性质的？

［学生预测］根据同主族已知元素的性质进行预测，包括相应物质的性质，比如氧化物、氯化物的化学式和密度等。

［教师］在后来的生产生活中，人们应用元素周期表发现了更多元素，也创造了更多的新型材料，因而门捷列夫的贡献已远远不止创造了元素周期表这么简单。人们正是利用了科学家这种预测思路和应用方法不断探索新的材料，才真正为生产生活开辟了更为广阔的空间。

［社会背景］上面提到的硅与锗是第一代半导体材料。第二、三、四代半导体材料的主要形式中均存在含镓的化合物。含镓化合物作为半导体，在当今社会太阳能清洁能源的发展中被广泛使用，如砷化镓、氮化镓、氧化镓等。Ga、 As等ⅢA-VA族化合物半导体促进了光纤通讯技术的迅速发展，使人类进入了信息化时代［17］。

［模型解释］你能解释Ga、 As作为半导体材料导电的原理吗？

［学生预测］根据硅作为半导体材料的导电原理，Ga属于ⅢA族元素，能提供空穴，As属于VA族元素，能提供电子，所以它们能够导电。

［问题引导］你还知道哪些含镓化合物的半导体材料？它们有哪些独特的性质？

［学生预测］氮化镓常用于电子设备的充电器中，它的充电速度比常规充电器要快许多。

［教师］这说明电子在氮化镓中的迁移速度更快。课后请大家应用思路模型，继续预测Ga的元素性质，并尝试分析含镓化合物作为半导体有哪些独特的性质？

［总结］元素周期表作为人们认识世界的重要工具，指导着人们预测元素及其化合物的性质、寻找或合成具有特殊性质的新物质等科学研究工作。同学们可以利用好这一工具，寻找具有特定性质的元素及其对应物质，为促进碳中和贡献一份力量。

教学意图：应用认知模型预测陌生的Ga元素及其对应物质性质；围绕碳中和展开的活動中进一步感知元素周期表的价值；促进学生自主应用认知模型，使用元素周期表解决现实问题，进一步培养学生的创新意识和社会责任。

4  教学反思与建议

通过基于模型建构的“元素周期表的应用”一节的教学，几点反思总结如下：

第一，从学生对“元素周期表的应用”掌握情况来看，基于模型建构的教学提升了学生的学习目标，达到了应用水平。该教学设计从学生最为熟悉的短周期主族元素Si入手，通过同周期与同主族等多种位置关系进行系统预测。随后根据Si的元素性质继续深入探究陌生的Ge与Ga元素，不断发展和应用认知模型。教学发现，学生在分析Ga类化合物半导体的性能时也能够做到有意识地应用元素周期表比较Ga与Ge类半导体的共性和差异所在，这说明学生对元素周期表的掌握从识记达到了应用水平。

第二，从探究半导体材料任务的完成情况来看，学生将物理中所学的相关电知识与半导体材料的性质建立了联系，实现了跨学科理解。本节课贯穿寻找半导体材料促进碳中和的大情境，呈现探究Si、 Ge、 Ga三类半导体元素及其对应物质性质的子活动，落实教材中“在金属元素和非金属元素的交界处寻找半导体材料”内容的学习。在解决任务过程中，教师引导学生运用所学的“电的产生”“电子的移动”等跨学科知识综合处理问题。后续学习还可以继续应用元素周期表，探究教材中其他有关航天材料和农作物生长方面的内容。

第三，从模型建构的教学来看，学生在不同阶段的表现是有差异的。初建模型和完善模型对学生来说比较容易，大部分学生能够较为熟练地掌握从“位-构-性”分析单一元素的方法；但对于后两个阶段发展模型和应用模型则较为困难，学生根据已知元素对陌生元素的性质进行预测的能力稍显不足。因而模型认知的核心素养不能停留在初始阶段，其真正认知功能的实现应在不断地完善、发展与应用模型的过程中逐步完成。基于模型建构的教学要引导学生体会不同阶段模型的意义和作用，而不是将模型作为一项独立于概念之外的内容强加给学生。

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