基于學(xué)科理解的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計

龔賢 顧紅霞

摘要：基于學(xué)科理解的視角分析人教版普通高中化學(xué)教科書必修第一冊（2019年6月第1版）第四章的“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”和“元素周期律”的內(nèi)容，以“元素周期表”為例對如何準(zhǔn)確把握化學(xué)史內(nèi)涵和價值進(jìn)行學(xué)科理解、教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)“位”“構(gòu)”“性”認(rèn)識模型，增進(jìn)對化學(xué)學(xué)科思維的理解。

關(guān)鍵詞：學(xué)科理解;元素周期表;化學(xué)史;“位”“構(gòu)”“性”認(rèn)識模型

文章編號：1008-0546（2022）10-0040-06中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出“學(xué)科理解”概念，學(xué)科理解是對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識。[1]基于學(xué)科理解的教學(xué)在于提供了具有學(xué)科特質(zhì)的化學(xué)認(rèn)識視角與化學(xué)認(rèn)識思路，從而發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維方式。[2]在面向未來的化學(xué)課堂教學(xué)中，需要促進(jìn)學(xué)教方式的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生理解知識的本源，學(xué)會學(xué)習(xí)知識的方法，能在日常生活中應(yīng)用化學(xué)學(xué)科知識和技能解決實(shí)際問題，因此要在教學(xué)中深入貫徹“學(xué)科理解”。筆者以人教版普通高中化學(xué)教科書必修第一冊（2019年6月第1版）第四章的“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”中的“元素周期表”第一課時為例，嘗試在課堂教學(xué)中滲透“學(xué)科理解”，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地。

一、學(xué)科理解

1.價值分析

本章內(nèi)容的教學(xué)主要促進(jìn)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”化學(xué)核心素養(yǎng)?！昂暧^辨識與微觀探析”的發(fā)展重點(diǎn)表現(xiàn)為：深化對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，建立原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)、元素性質(zhì)與物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，能從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)說明同類物質(zhì)的共性和不同類物質(zhì)的差異及原因，能解釋某些同類物質(zhì)的不同物質(zhì)性質(zhì)變化的規(guī)律;“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的發(fā)展重點(diǎn)表現(xiàn)為：構(gòu)建“位”“構(gòu)”“性”關(guān)系認(rèn)識模型，從“各類物質(zhì)的一般性質(zhì)—氧化性和還原性”二維模型發(fā)展到“各類物質(zhì)的一般性質(zhì)—氧化性和還原性—相似性和遞變性”三維模型;“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的發(fā)展重點(diǎn)表現(xiàn)為：形成實(shí)驗(yàn)探究元素性質(zhì)遞變規(guī)律、比較物質(zhì)性質(zhì)的思路方法，發(fā)展物質(zhì)分離提純實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與實(shí)施能力，提高基于理論進(jìn)行預(yù)測、提出假設(shè)的能力和基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)概括、推理得出結(jié)論的能力。

2.本原追溯

科學(xué)的發(fā)展史本質(zhì)上屬于人類的認(rèn)識史，是人類對自然科學(xué)的逐步探索和認(rèn)識，它遵循從“表面”到“本質(zhì)”、從“宏觀”到“微觀”的邏輯順序，排序依據(jù)由宏觀的元素性質(zhì)和相對原子質(zhì)量到微觀的原子結(jié)構(gòu)和核電荷數(shù)，不同時期元素周期表的排序依據(jù)和認(rèn)識角度見圖1?；谠胤诸惖难芯?，1829年德貝萊納（J.W.D?bereiner）提出“三元素組”。基于相對原子質(zhì)量與元素性質(zhì)之間的周期性變化規(guī)律，1866年紐蘭茲??? （J.A.R.Newlands）提出“元素八音律”;1869年門捷列夫（D.Mendeleev）繪制出第一張元素周期表，兩年后發(fā)表了第二張元素周期表，提出元素周期律的概念，并利用元素周期律預(yù)言了“類鋁”（鎵）、“類硼”（鈧）、“類硅”（鍺），這些元素在不久的將來都被科學(xué)家一一發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，同時門捷列夫還在周期表中留下大量“空位”，留給目前未發(fā)現(xiàn)的元素。1913年莫塞萊（H.?? G.J.Moseley）證實(shí)了用核電荷數(shù)排序比用相對原子質(zhì)量排序更符合元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。一直到20世紀(jì)30年代，原子結(jié)構(gòu)奧秘的揭示，科學(xué)家才從微觀視角研究和完善元素周期表，才有了現(xiàn)在更加完美的元素周期表。

元素周期表的發(fā)現(xiàn)過程，體現(xiàn)了科學(xué)家的科學(xué)研究方法、觀念和科學(xué)精神。在教學(xué)設(shè)計時，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展要求選擇合適的化學(xué)史情境，利用學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)作為知識生長點(diǎn)，設(shè)計驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生閱讀、分析、提煉或重新演繹科學(xué)家的研究方法和思維過程。將教材內(nèi)容融入到化學(xué)史情境中，這樣不僅有助于學(xué)生掌握化學(xué)知識，還能使他們發(fā)現(xiàn)和體會科學(xué)家們的研究方法和科學(xué)態(tài)度。

3.框架梳理

人教版普通高中化學(xué)教科書必修第一冊（2019年??? 6月第1版）第四章的“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”和“元素周期律”的內(nèi)容按照由“微觀”到“宏觀”的邏輯順序來構(gòu)建該章節(jié)內(nèi)容體系（圖2）。教材先介紹原子結(jié)構(gòu)，然后引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)視角來研究元素周期表中的“結(jié)構(gòu)”“位置”關(guān)系，再以典型金屬元素族（堿金屬）和典型非金屬元素族（鹵族元素）為代表總結(jié)“構(gòu)”“性”關(guān)系，最后以第三周期元素為代表，總結(jié)同周期元素的“位”“構(gòu)”“性”關(guān)系，最終歸納出元素周期律。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.素養(yǎng)目標(biāo)

（1）閱讀周期表的相關(guān)化學(xué)史料，了解周期表的編制和完善過程，體會化學(xué)研究由宏觀到微觀、由表面到本質(zhì)的過程，感悟科學(xué)家的研究方法、觀念和科學(xué)精神;

（2）綜合考慮“原子序數(shù)”“原子結(jié)構(gòu)”和“元素性質(zhì)”，自主編排和完善周期表，體會科學(xué)研究的方法;

（3）了解周期表的結(jié)構(gòu)，理解原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中的位置之間的關(guān)系，形成“結(jié)構(gòu)決定位置，位置反映結(jié)構(gòu)”的基本觀念，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)。

2.評價目標(biāo)

（1）通過學(xué)生利用元素性質(zhì)對元素進(jìn)行分類的活動，診斷并發(fā)展學(xué)生元素分類的水平;

（2）通過學(xué)生閱讀和分析德貝萊納、紐蘭茲以及門捷列夫編排周期表的化學(xué)史的活動，診斷并發(fā)展學(xué)生“位”“性”認(rèn)識模型的水平;

（3）通過學(xué)生利用原子結(jié)構(gòu)分析和解釋門捷列夫周期表的活動，診斷并發(fā)展學(xué)生“位”“構(gòu)”認(rèn)識模型的水平;

（4）通過學(xué)生利用原子結(jié)構(gòu)自主編制周期表的活動，診斷并發(fā)展學(xué)生“位”“構(gòu)”“性”認(rèn)識模型的水平。

三、設(shè)計思路

元素周期表的發(fā)展史的邏輯順序是從“宏觀”到“微觀”，而教材編寫的邏輯順序是從“微觀”到“宏觀”，那么如何將兩個邏輯順序完全相反的知識融合到一起呢？學(xué)生上節(jié)課學(xué)的“原子結(jié)構(gòu)”知識的利用是關(guān)鍵。本節(jié)課以德貝萊納“三元素組”中的四組（12種元素）為線索，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)性質(zhì)數(shù)據(jù)對這12種元素進(jìn)行分類，體驗(yàn)科學(xué)家的分類思想;分析性質(zhì)相似的“三元素組”元素在紐蘭茲和門捷列夫的表格中的位置特征，總結(jié)科學(xué)家的排表規(guī)律;引導(dǎo)學(xué)生分析“三元素組”元素的原子結(jié)構(gòu)具有哪些相似之處，從微觀角度總結(jié)排表規(guī)律;引導(dǎo)學(xué)生綜合考慮“原子序數(shù)”“原子結(jié)構(gòu)”和“元素性質(zhì)”自主編制和完善元素周期表;最后和學(xué)生們一起研究教材附錄上的元素周期表的結(jié)構(gòu)，歸納元素位置與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，逐步建構(gòu)“位置-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)”思維模型。在這個過程中學(xué)生不僅可以熟悉元素周期表的結(jié)構(gòu)、加深對元素周期表編排規(guī)律的理解、認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)與周期表的關(guān)系，還可以體會到科學(xué)家的科學(xué)研究的方法，教學(xué)流程見表1。

四、教學(xué)過程

1.環(huán)節(jié)一：混亂中找規(guī)律，引入新課主題

【投影】12種元素的性質(zhì)表格（見表2）。

【師】首先，我想問大家，看到這張表格的第一感覺是什么？

【生】好多元素，好多性質(zhì)，好多數(shù)據(jù)，一片混亂。

【師】到了19世紀(jì)，隨著科學(xué)的發(fā)展，越來越多的元素被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家面對比表格中更多的元素、更多的性質(zhì)、更多的數(shù)據(jù)，他們該如何研究這些元素呢？

【生】找規(guī)律、分類。

【師】下面請大家從表格的數(shù)據(jù)中找找規(guī)律，并嘗試對這些元素進(jìn)行分類。

【生生討論、師生討論】分成2組（金屬元素、非金屬元素）;分成四組（鋰、鈉、鉀;鈣、鍶、鋇;氯、溴、碘;硫、硒、碲）。

【評價】其實(shí)，我們剛剛找到的四組性質(zhì)相似的元素，正是德國化學(xué)家德貝萊納在1829年提出的“三元素組”中的四組。

【化學(xué)史1】1829年，德國化學(xué)家德貝萊納提出了“三元素組”的概念。他對當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的44種元素進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)元素中總存在著性質(zhì)特別相似的3種元素：氯、溴、碘;鋰、鈉、鉀;鈣、鍶、鋇;硫、硒、碲等，且中間元素的相對原子質(zhì)量約為較輕和較重的兩種元素相對原子質(zhì)量之和的一半。

2.環(huán)節(jié)二：研讀化學(xué)史料，分析排序規(guī)律

【化學(xué)史2】1866年，英國化學(xué)家紐蘭茲提出了“元素八音律”的觀點(diǎn)。他把當(dāng)時已知的62種元素按相對原子質(zhì)量大小順序依次排列，發(fā)現(xiàn)從某一元素開始數(shù)到第八個元素時，這個元素跟第一個元素具有相似的性質(zhì)，正像音階里的八度一樣。為了便于觀察，紐蘭茲把當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的62種元素全部整理到一張7行8列的表格中（見表3）。

【師】請大家仔細(xì)觀察德貝萊納的“三元素組”在紐蘭茲的表格中的位置，看看有什么規(guī)律？

【生】三元素組都在同一行。

【總結(jié)】紐蘭茲把性質(zhì)相似的元素排到一橫行中了。

【討論】紐蘭茲是按照什么樣的規(guī)律對元素進(jìn)行排序的？

【總結(jié)】按照相對原子質(zhì)量大小對元素進(jìn)行編號排序，把性質(zhì)相似的元素排到同一橫行。

【化學(xué)史3】1869年，門捷列夫?qū)⒃匕凑障鄬υ淤|(zhì)量由小到大依次排列，并將化學(xué)性質(zhì)相似的元素放在一起，制出了第一張元素周期表。兩年后，又做了一些調(diào)整，發(fā)表了第二張元素周期表（見表4）。

【師】請大家仔細(xì)觀察德貝萊納的“三元素組”在門捷列夫的表格中的位置，看看有什么規(guī)律？

【生】三元素組都在同一列。

【總結(jié)】門捷列夫把性質(zhì)相似的元素排到一列中了。

【討論】門捷列夫是按照什么樣的規(guī)律對元素進(jìn)行排序的？

【總結(jié)】按照相對原子質(zhì)量大小進(jìn)行排序，把性質(zhì)相似的元素排到同一縱列。

【討論】仔細(xì)觀察門捷列夫和紐蘭茲的表格，它們有哪些異同點(diǎn)？

【生】門捷列夫的周期表中有“空位”和“？”。

【師】門捷列夫?yàn)槭裁匆诒砀裰辛簟翱瘴弧蹦兀?/p>

【生】留給等待發(fā)現(xiàn)的新元素。

【點(diǎn)評】門捷列夫周期表中的“？”是他利用元素周期律預(yù)言的新元素“類鋁”（鎵）、“類硼”（鈧）、“類硅”（鍺），這些元素在不久的將來都被科學(xué)家一一發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。也就是說，門捷列夫的周期表可以用來預(yù)言和發(fā)現(xiàn)新元素，這正是門捷列夫的周期表的偉大之處。

【師生討論】按照相對原子質(zhì)量排序，碲應(yīng)該排在碘的后面，而按照元素性質(zhì)排序，碲應(yīng)該排在碘的前面，門捷列夫的周期表為什么會出現(xiàn)這種“原子量倒置”現(xiàn)象呢？

【化學(xué)史4】1913年，英國物理學(xué)家莫塞萊應(yīng)用X射線測定了原子核所帶的正電荷的數(shù)目，即核電荷數(shù)，他證明了元素周期表中原子序數(shù)用核電荷數(shù)排序比用相對原子質(zhì)量大小排序更符合元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律。直到20世紀(jì)30年代，原子結(jié)構(gòu)奧秘的揭示，科學(xué)家才從微觀視角研究和完善元素周期表，才有了現(xiàn)在更加完美的元素周期表。

【總結(jié)，點(diǎn)評】原子結(jié)構(gòu)奧秘的揭示，是現(xiàn)代周期表趨于完美的關(guān)鍵?，F(xiàn)代元素周期表是按照核電荷數(shù)大小對原子進(jìn)行編號得到原子序數(shù)、綜合考慮原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)進(jìn)行排序。

3.環(huán)節(jié)三：按照排序規(guī)律，嘗試自主排表

【生】根據(jù)1～20號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，編制1～20號元素的元素周期表。

【討論】按照什么規(guī)律編排周期表？

【生1】把電子層數(shù)相同的元素排到一橫行，把最外層電子數(shù)相同的元素排到一縱列。

【生2】考慮到元素性質(zhì)，把氦元素由Be的上方調(diào)整到Ne的上方。

【點(diǎn)評】同學(xué)們編排時同時考慮到原子序數(shù)、原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)，考慮問題很全面，編排的表格很美很有規(guī)律！

【討論】依據(jù)以上的規(guī)律，大家對氫元素在元素周期表中的排列，是否存在多種可能？是什么原因排在那里？

【生】①排在第一列，最外層1個電子;②排在第十七列，得到1個電子即可達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu);……

【活動】①根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖，把德貝萊納“三元素組”中的12種元素排進(jìn)周期表中。

②根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖，把氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）、Og排進(jìn)周期表。

③根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖，把鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl）排進(jìn)周期表中。

【生】④把21-30號元素鈧（Sc）、鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）排進(jìn)周期表中。

【討論】我們的周期表中20號元素Ca和31號元素Ga挨在一起，缺少空位，怎么辦呢？

【生】把周期表拉長，20號和31號之間扯開10列的距離。

【評價】把39～48號元素和57～80號元素排進(jìn)周期表中。

【生】57～80元素之間有24種元素，但是現(xiàn)在只有10列距離，空格又不夠了。

【評價】為了方便使用，同時考慮到原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)，科學(xué)家把鑭系元素（57～71號）放到一格中，然后在周期表下方展開，類似的還有錒系元素。在不知不覺間，同學(xué)們已經(jīng)編制出目前使用最廣泛的長式元素周期表的輪廓（見圖3），下面我們來研究元素周期表的結(jié)構(gòu)。

【學(xué)生】觀察教材附表元素周期表，總結(jié)元素周期表的結(jié)構(gòu)，完成教材89頁思考與討論的表格。

【總結(jié)】每一個橫行叫做一個周期，前三周期稱為短周期，其他周期稱為長周期。

【總結(jié)】每一個縱列叫做一個族（8、9、10三個縱列共同組成第Ⅷ族），族有主族、副族和0族三種，族序數(shù)用羅馬數(shù)字表示，主族元素在族序數(shù)后標(biāo)A，副族元素在族序數(shù)后標(biāo)B（除第Ⅷ族）。

【生】觀察自己編排的元素周期表，討論位于同一橫行的元素的原子結(jié)構(gòu)有什么相同之處？位于同一縱列的元素的原子結(jié)構(gòu)有什么相同之處？

【總結(jié)】位于同一橫行的元素的電子層數(shù)相同，周期數(shù)=電子層數(shù);位于同一縱列的元素的最外層電子數(shù)相同，主族序數(shù)=電子層數(shù)。

【練習(xí)】根據(jù)已知條件填寫表格（見表5）。

【總結(jié)】今天我們一起閱讀和分析化學(xué)史故事，了解到科學(xué)家是如何編制和完善周期表的，并嘗試自主編制元素周期表，研究周期表的結(jié)構(gòu)，對周期表中元素位置與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系有所了解。我們知道“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，周期表中元素性質(zhì)有哪些遞變規(guī)律，元素性質(zhì)與元素位置和原子結(jié)構(gòu)有什么聯(lián)系，我們下節(jié)課繼續(xù)研究。

五、模型構(gòu)建

通過本節(jié)課的教學(xué)實(shí)施，能清晰地給出基于元素周期表的學(xué)習(xí)應(yīng)用方式。學(xué)生通過“結(jié)構(gòu)決定位置，位置反映結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)決定性質(zhì);構(gòu)位性是一個統(tǒng)一體”學(xué)科視角的學(xué)習(xí)和認(rèn)識，能對陌生物質(zhì)學(xué)習(xí)起到良好的借鑒。本節(jié)課的學(xué)科視角模型如圖4。

六、教學(xué)反思

許多教師在梳理教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對“元素周期表”教學(xué)設(shè)計也呈現(xiàn)許多版本，[3-5]但對于新教材教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)下，教學(xué)設(shè)計與現(xiàn)有教材的呈現(xiàn)方式出現(xiàn)差異，特別是在利用化學(xué)史，促進(jìn)學(xué)科理解的教學(xué)下都需要一種新的學(xué)習(xí)模型。本節(jié)教學(xué)設(shè)計中將化學(xué)史情境和教材內(nèi)容有效地融入到課堂教學(xué)中以使學(xué)生能理解“元素周期表”的歷史由來及其學(xué)科意義。在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生以現(xiàn)代學(xué)科視角“原子結(jié)構(gòu)”為主線，去分析“三元素組、八音律、元素周期表”在各自歷史時代的價值和需要改進(jìn)的方向。學(xué)生不僅可以熟悉周期表的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建“位置-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)”認(rèn)識模型，還可以身臨其境地體會到科學(xué)家為什么要編制周期表、科學(xué)家是如何編制周期表的、科學(xué)家是如何完善周期表的以及周期表有什么用（研究、預(yù)測和發(fā)現(xiàn)元素），為下節(jié)課學(xué)習(xí)“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”做鋪墊。學(xué)生在閱讀、分析、提煉或演繹化學(xué)史料中科學(xué)家的研究方法的過程中，分類思想得到強(qiáng)化，宏觀辨識與微觀探析和證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)得到提高。

參與文獻(xiàn)

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