喻俊

關(guān)鍵詞：元素周期律;元素周期表;公開教學(xué);科學(xué)探究;教學(xué)反思

一、問題背景

基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的化學(xué)課程倡導(dǎo)將化學(xué)知識學(xué)習(xí)成為發(fā)展批判性思維和問題解決的過程，并在這一過程中逐步形成正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力?！霸刂芷诼伞弊鳛楦咧谢瘜W(xué)課程的核心內(nèi)容，最常見的教學(xué)模式就是直接讓學(xué)生尋找短周期元素（3～18號）的原子半徑、元素主要化合價的變化規(guī)律。筆者認(rèn)為，在缺乏背景的情況下，直接讓學(xué)生尋找第二、三周期元素的化合價、原子半徑等規(guī)律，加之第二周期還存在特例（如O、F無最高正價），以兩個周期為代表拓展到整個元素周期律中，不僅不夠典型，而且缺乏對周期律的深度探究。因此，筆者在進(jìn)行本節(jié)課的試教和正式教學(xué)時，為更好地引導(dǎo)學(xué)生基于事實證據(jù)進(jìn)行推理和論證，逐步構(gòu)建基于“元素原子結(jié)構(gòu)一周期表位置一元素性質(zhì)之間關(guān)系”的系統(tǒng)模型，在學(xué)習(xí)活動的創(chuàng)設(shè)和學(xué)習(xí)問題的設(shè)置上給予了學(xué)生廣闊的空間，讓學(xué)生在探究中逐步構(gòu)建知識。未曾想到的是，學(xué)生在課堂中表現(xiàn)非常活躍，而且對問題思考的深度和廣度值得細(xì)細(xì)品味。

二、教學(xué)與反思

1.元素周期律的表現(xiàn)形式一定是“表”嗎？

在備課過程中了解到，元素周期律有很多表現(xiàn)形式。為了引導(dǎo)學(xué)生在課后也能排列出不一樣的圖（表），筆者一開始就在思考應(yīng)該從什么角度去啟發(fā)他們。在一次試講中，當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生將元素卡片按照已有信息（卡片上有相應(yīng)元素的原子半徑、相對原子質(zhì)量、單質(zhì)熔沸點與密度、常見化合價等數(shù)據(jù)和原子結(jié)構(gòu)示意圖、單質(zhì)狀態(tài)、溶解性等信息）進(jìn)行有規(guī)律的排列時，學(xué)生卻并未排列出像元素周期表那樣，有的小組甚至不知道排成什么樣。在與學(xué)生溝通后，我理解了學(xué)生的疑惑，學(xué)生認(rèn)為排列并不一定是排成表格，也可能是某種圖形。換個角度看，排列既可以是平面的，也可能是空間的。可以看出，元素周期“表”中的一字之變，極大地拓展了思維的空間。正是基于這一點，筆者才理解了課本上“元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式”所隱含的深刻思想，即“元素周期表是元素周期律的重要表現(xiàn)形式，但不是唯一形式”。如果在教學(xué)活動中一開始就讓學(xué)生按照表格形式排列，必然會束縛學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

事實上，自1869年門捷列夫給出第一張元素周期表以來，至少已經(jīng)出現(xiàn)了700多種不同形式的元素周期表?？偟膩碚f，人們制作元素周期表的目的是為研究元素周期律提供方便，但研究的側(cè)重點不同，給出的元素周期表現(xiàn)形式也就不同。而元素周期表作為最常見的形式被廣泛接受，這與人們的認(rèn)識方式和使用特點密切相關(guān)。一直以來，科學(xué)家對某種假說、模型或規(guī)律的呈現(xiàn)總是選取一種更容易被接受、更有利于表達(dá)觀點的形式。像元素周期表這樣一種二維排列，人們不僅認(rèn)識、使用起來更為方便，同時也可使規(guī)律的表達(dá)更為簡潔、系統(tǒng)。

2.稀有氣體元素為什么排在最后一列？

在給元素有規(guī)律地排列時，學(xué)生利用元素卡片的形式對21種元素（這21種元素是除去H、He、Ne、Ar、Kr的前1～36號主族元素）進(jìn)行編表，學(xué)生排出了表1中的灰色底部分。排列好后，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)這些表格中每一列（行）的化合價和原子結(jié)構(gòu)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，增加了He、Ne、Ar、Kr共4種元素的卡片（卡片信息同前），學(xué)生對25種元素的排列結(jié)果如表1所示。

按照第1種排列的學(xué)生認(rèn)為，四種元素的化合價均為0，可以排在+1價前面;按照第2種排列的學(xué)生則提出了不同的意見，如果按第1種排列，就會出現(xiàn)同一行元素原子結(jié)構(gòu)電子層數(shù)的差異。如果按照第2種排列，就能同時體現(xiàn)化合價和電子層數(shù)的規(guī)律，即規(guī)律更強。這一小小的差異，也折射出在對大量看似雜亂無章的信息中尋找規(guī)律時，一方面要尋找“共同性”，另一方面還要把握“遞變性”，其目的是使“規(guī)律最大化”。這正與當(dāng)年門捷列夫在進(jìn)行元素排列時“強調(diào)依照元素特性的總和以及該元素與其他元素的聯(lián)系的思想不謀而合。

3.鐵在認(rèn)識元素周期表的結(jié)構(gòu)中有何特殊價值？

鐵作為一種過渡金屬元素，幾乎不在元素周期律中有所貢獻(xiàn)。在試教中，學(xué)生利用26張元素卡片（卡片信息同前，元素種類與前面相比多了H）的形式對元素進(jìn)行編表，可以編排出元素周期表的第一、二、三、四周期。為了充分挖掘鐵在元素周期律中的學(xué)習(xí)價值，筆者設(shè)計了鐵元素卡片（信息同前）。學(xué)生利用鐵元素的信息排列出兩種形式：一種是直接插在ca和Ga中間，第二、三、四行（此時學(xué)生尚未學(xué)習(xí)周期的概念）其他元素的排列錯位，右側(cè)部分排列不再有序，如表2：

另一種是Fe插在ca和Ga中間，但原本的第一、二列和第三列拉開距離，原本整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形。這個活動的目的是將高中階段學(xué)過的過渡金屬知識作為認(rèn)識元素周期表結(jié)構(gòu)的重要載體，激發(fā)學(xué)生的思維活力，初步構(gòu)建起元素周期表的雛形。盡管學(xué)生此時尚未學(xué)習(xí)過選修階段的原子結(jié)構(gòu)知識，但一定能體會到現(xiàn)行元素周期表的結(jié)構(gòu)以這樣的方式呈現(xiàn)是有原因的。

顯然，鐵元素的位置排列提升了學(xué)生對元素周期表結(jié)構(gòu)的認(rèn)知水平。兩種排列形式各有理由，但后一種的規(guī)律性在表格中表現(xiàn)得更強。結(jié)合前述規(guī)律性最大化原則，顯然應(yīng)該采取后者的排列形式。有了這樣的認(rèn)識基礎(chǔ)，學(xué)生在后續(xù)深入學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識后，不僅能夠從本質(zhì)上理解表3排列的原因，同時對第五、六周期鑭系元素、錒系元素這樣的排列也就有了更加理性的認(rèn)識。也就是說，鑭系元素、錒系元素在表中的排列并非一定要像現(xiàn)在常見的元素周期表那樣單獨用兩行列出來，而是就可以放在相應(yīng)位置并全部展開，但展開后周期表會占用很大的空間，不利于人們的使用。而現(xiàn)行元素周期表將鑭系元素和錒系元素分別放在第6周期和第7周期的同一格內(nèi)，是為了使元素周期表的結(jié)構(gòu)更緊湊。

4.元素原子半徑比較的反?，F(xiàn)象如何解釋？

在講授元素周期律中原子半徑的規(guī)律時，筆者給出了目前普遍使用的主族元素的原子半徑圖，如圖1。從該圖中可以比較出同主族、同周期的兩種元素原子半徑的相對大小。此時，有學(xué)生提出“為什么圖中沒有稀有氣體原子的半徑？”“如果兩種元素的原子不在同一主族或周期，其大小應(yīng)該如何比較呢？”，針對前一個問題，在課堂上以“稀有氣體原子半徑大小測量方法不同，故不能放在一起比較”作為回應(yīng)，而后一個問題則順勢給出了微粒（原子、離子）的半徑比較三規(guī)則：①電子層數(shù)越多，半徑越大，如r（H）dr（B）

就在筆者認(rèn)為可以圓滿回答學(xué)生的問題時，有學(xué)生提出，如果根據(jù)規(guī)則，r（C1）>r（Li），但是圖中卻顯示r（C1）dr（Li）。結(jié)合教材提供的數(shù)據(jù)，細(xì)致對比還可以發(fā)現(xiàn)，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，像這樣的反常現(xiàn)象并不少。到底是規(guī)則錯誤還是圖片信息錯誤呢？

根據(jù)量子力學(xué)，核外電子運動沒有固定的運動軌道，沒有明確的界限，只有幾率密度的分布，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)還無法精確測量一個單獨原子的半徑。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學(xué)鍵的分子和晶體。因而不同元素的原子半徑可能表現(xiàn)形式不同，也就是同一元素的原子半徑也可能有不同形式。目前通常使用的有三種原子半徑，分別是金屬半徑、共價半徑和范式半徑。在比較和使用時，不同元素的原子半徑應(yīng)該是在同一標(biāo)準(zhǔn)下。然而，對比人教版、蘇教版和魯科版三版教材，所列出的元素原子半徑大小數(shù)據(jù)均不一樣。

事實上，從半徑比較的三規(guī)則可以看出，電子層數(shù)、核電荷數(shù)、電子數(shù)都是影響微粒（原子、離子）半徑的因素，但三個因素在什么條件下分別是主要因素并未說明。以上述問題為例，這是否意味著該規(guī)則的應(yīng)用需要局限在同周期或同主族范圍內(nèi)呢？即使限定在同周期內(nèi)，那么哪個因素又是占主導(dǎo)呢？有文獻(xiàn)指出：對于同一周期元素的原子半徑來說，可以認(rèn)為核電荷數(shù)的影響占主導(dǎo);在同一主族中，電子層數(shù)增多起主要作用，但均未討論不同周期或不同主族元素原子半徑比較方法，如不同周期的元素原子半徑是否主要受電子層數(shù)的影響。

此外，針對“電子層數(shù)相同，核電荷數(shù)越小，半徑越大（序小徑大）”學(xué)生也提出了想法，即這些原子結(jié)構(gòu)擁有相同的電子層數(shù)，如果原子核的大小相差不大，如何體現(xiàn)出原子半徑的大小差別呢？以r（C1）

5.元素周期律的“律”包含了哪些內(nèi)容？

教材對元素性質(zhì)的研究，主要包括原子半徑、主要化合價、金屬性和非金屬性，其中金屬性和非金屬性涉及的物質(zhì)性質(zhì)范圍大一些，包括置換酸中氫的難易程度、氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性等，但揭示這些規(guī)律本身也只是建立在有限的實驗事實基礎(chǔ)上。那么對于其它同一周期或主族元素的同類型化合物的顏色、狀態(tài)、毒性、溶解性、酸堿性呢？它們是否也可以被納入進(jìn)來？無論哪一版教材，都沒有將這些內(nèi)容納入周期律中，這一方面是基于元素周期律的主要是“解釋事實”，另一方面也反映出元素周期律只是人們在認(rèn)識事物的過程中歸納、演繹、假設(shè)、推理的結(jié)果，只能盡可能揭示事物的本質(zhì)和規(guī)律，其正確性體現(xiàn)在與事實的吻合程度上。因此，元素周期律是有一定的適用性的，某些元素所表現(xiàn)出的特殊性難以在周期表中體現(xiàn)，這一點需要學(xué)生用批判的思維來看待，并學(xué)會尊重客觀事實，創(chuàng)造性地運用科學(xué)的思維方式分析問題，解釋事物發(fā)展的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律。

三、小結(jié)與啟示

元素周期律（表）作為化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，對提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)水平具有十分重要的價值。學(xué)生在一開始接觸化學(xué)時就知道化學(xué)書后面有一張元素周期表，甚至在畢業(yè)多年后都能記得那張表，但對其中蘊含的思想?yún)s認(rèn)識不足。在高中化學(xué)教材和教學(xué)中，雖然會學(xué)習(xí)部分規(guī)律性，但由于這部分知識的過于簡略，或僅靠個別物質(zhì)的性質(zhì)就得出元素的性質(zhì)規(guī)律，使學(xué)生對這部分知識仍舊難以從本質(zhì)上理解。在本節(jié)公開課中，基于實踐和探究活動的元素周期律認(rèn)識模型對促進(jìn)學(xué)生理解結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)等科學(xué)本質(zhì)起到了積極作用。從反思中也可以看出，課堂教學(xué)應(yīng)該重視學(xué)生提出的每個問題，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)思考的方向、路徑，保護(hù)好學(xué)生的好奇心，利用好學(xué)生的求知欲。前述幾個問題的討論，使得學(xué)生元素周期律認(rèn)識模型的建構(gòu)對教師的教學(xué)提出新的挑戰(zhàn)，而在克服挑戰(zhàn)的過程中教師本身對元素周期律的模型也會有更深的體會和認(rèn)識。只有教師不斷發(fā)掘元素周期律的奧秘，才能引領(lǐng)學(xué)生更好地去發(fā)現(xiàn)、感受元素周期律之美！