張寶輝

摘要：充分遵循元素周期表發(fā)展史實(shí)，在廣泛查閱分析有關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，精選周期表中典型元素及其化合物，融合生產(chǎn)生活中相關(guān)材料學(xué)的發(fā)展與動向，注重選擇學(xué)生所在地中山市相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，凸出元素周期表的分區(qū)與元素周期律之間的有機(jī)聯(lián)系。在傳統(tǒng)的“位-構(gòu)-性”的三維教學(xué)模式中巧妙滲透時空觀，從而讓整個教學(xué)過程更加立體飽滿;更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，豐富其認(rèn)知視野;讓元素周期表與元素周期律的應(yīng)用不僅停留在紙面上，更體現(xiàn)在相關(guān)材料學(xué)科的應(yīng)用發(fā)展中。

關(guān)鍵詞：化學(xué)史;元素周期律;應(yīng)用;材料學(xué)

文章編號：1008-0546（2022）09-0048-06中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、思考背景

元素周期表和元素周期律的應(yīng)用作為高中化學(xué)新課標(biāo)中一個重要的教學(xué)內(nèi)容和新增學(xué)業(yè)要求，是學(xué)生溫故知新的不可替代的思想武器，是高考評價體系在化學(xué)課中具體獨(dú)有的承載方式之一，是化學(xué)核心素養(yǎng)如何在具體章節(jié)知識中體現(xiàn)的重要素材，是老師靈活落實(shí)新課標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的常用情境、說課或研討的熱點(diǎn)話題?？梢姛o論過去、現(xiàn)在或是將來，針對這部分內(nèi)容的教學(xué)教研活動總會有新意和價值。

自化學(xué)新課標(biāo)頒布和新教材使用以來，從《化學(xué)教育》《化學(xué)教與學(xué)》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》等與中學(xué)化學(xué)教學(xué)相關(guān)的主流媒介與期刊獲知，有關(guān)上述內(nèi)容的教學(xué)研究時有報道，其探究的角度主要集中在以下四個方面。

一是對新舊教材中關(guān)于元素周期表與周期律內(nèi)容的比較與整合研究，如參考文獻(xiàn)[1-7]中的研究，闡釋了不同教材在各水平變化的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短進(jìn)行整合，并獲得重視知識的結(jié)構(gòu)化設(shè)計等方面的教學(xué)啟示，為找到一個合乎學(xué)科邏輯、合乎認(rèn)識規(guī)律、合乎學(xué)生心理發(fā)展水平的最佳教學(xué)方式提供借鑒。

二是對新課標(biāo)中的化學(xué)核心素養(yǎng)提升或?qū)W科思維發(fā)展的教學(xué)實(shí)施與分析，如參考文獻(xiàn)[8-18]中的研究，為使用新教材進(jìn)行核心概念教學(xué)提供參考，探索在高中化學(xué)教學(xué)中如何通過有效設(shè)計課堂教學(xué)活動幫助學(xué)生建立起相應(yīng)的認(rèn)知模型，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)精神。

三是對教材中此內(nèi)容習(xí)題的設(shè)置或高考題中相關(guān)題目的分析以及命題的趨勢把握與預(yù)測，如參考文獻(xiàn)[19-24]報道的研究，通過分析有關(guān)試題對學(xué)生的基礎(chǔ)知識的掌握情況、思維能力和核心素養(yǎng)等命題視角進(jìn)行分析，給出了解題策略及復(fù)習(xí)備考建議。

四是對元素周期表及周期律的相關(guān)概念及歷史的教育功能的闡述與辨析，如參考文獻(xiàn)[25-31]中報道的研究，通過整合核心內(nèi)容及界定重要概念的實(shí)踐研究，概述了化學(xué)史融入高中化學(xué)某些模塊和章節(jié)教學(xué)之中的教育價值。

縱觀以上參考文獻(xiàn)涉及的范圍與特征，有關(guān)化學(xué)史的立意研究少有報道，將相關(guān)材料學(xué)的發(fā)展歷史與地方化學(xué)應(yīng)用特點(diǎn)的事實(shí)及情景融合的相關(guān)探討更是難尋借鑒。筆者在認(rèn)真研讀化學(xué)新課標(biāo)、新教材和教參的基礎(chǔ)上，針對目前有關(guān)元素周期表和周期律應(yīng)用的教學(xué)研究的空白區(qū)域，將化學(xué)史與地方化學(xué)材料的應(yīng)用融合，重構(gòu)元素周期表和周期律應(yīng)用的認(rèn)知并進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，以期能最大限度地革新傳統(tǒng)的重在解題的模式;讓學(xué)生利用已學(xué)基本知識就能解決相關(guān)的實(shí)際問題;在化學(xué)事實(shí)與實(shí)際應(yīng)用情景中體驗(yàn)元素周期律與周期表分區(qū)的意義;在教學(xué)設(shè)置與問題探究中，提升宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、重構(gòu)詳情

1.整體設(shè)計

在重構(gòu)元素周期表和元素周期律的教學(xué)設(shè)計與實(shí)施過程中，筆者采用了總分總的教學(xué)流程，以任務(wù)清單如圖1所示的形式，讓學(xué)生明確這節(jié)課的設(shè)計主題、探討順序和預(yù)期目的。

為了利用好任務(wù)清單，驅(qū)動學(xué)生應(yīng)用元素周期表和元素周期律主干內(nèi)容解決實(shí)際問題，特別是開放類成因解釋類問題，達(dá)成圖1所示的預(yù)期收獲，筆者認(rèn)為結(jié)合數(shù)據(jù)和情境中的文本信息、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和操作、實(shí)驗(yàn)圖表等“證據(jù)”來“推理”一系列化學(xué)問題的成因，并建立思維“模型”可提高對“原因問題”的認(rèn)知，而辯證的“矛盾觀”是“證據(jù)推理”的主要思維方式，為此建構(gòu)了“認(rèn)知模型”的“哲學(xué)體系”如圖2所示。

2.實(shí)施過程

（1）溫故元素周期律：通過對元素周期律具體內(nèi)容和常見表達(dá)的準(zhǔn)確表述的檢測，結(jié)合教材第106頁1、4、5這3道題的課堂回答情況，采用如圖3所示的形式總結(jié)其核心觀點(diǎn)和主要問題，以幫助學(xué)生加深結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的認(rèn)知觀，同時創(chuàng)設(shè)如圖4所示的柱狀圖，引導(dǎo)學(xué)生思考補(bǔ)充坐標(biāo)圖的縱坐標(biāo)的物理含義，以幫助學(xué)生思維的發(fā)散、拓展及創(chuàng)新。同時提問這些性質(zhì)與這些元素在周期表中的位置關(guān)系，過渡到任務(wù)2。

（2）史說元素周期表：以時間為序，用豐富的圖表形式輔以簡要的文字描述，再現(xiàn)1789年至2017年間，科研工作者在原子結(jié)構(gòu)揭秘與元素周期表的探究、總結(jié)、編制和完善工作中的艱難鉆研和孜孜不倦的求真務(wù)實(shí)過程。引導(dǎo)學(xué)生分析不同階段周期表的特征和異同點(diǎn)，從而突出分類思想在化學(xué)學(xué)習(xí)和科研工作中的重要意義（見表1）。

（3）元素周期表再分區(qū)：上述溫故元素周期表的安排目的還在于通過問題引導(dǎo)方式，讓學(xué)生結(jié)合已有知識儲備，對現(xiàn)代長式元素周期表再認(rèn)知。如從元素核外價層電子數(shù)特點(diǎn)、常用元素的單質(zhì)及化合物的重要用途等角度進(jìn)行合理分區(qū)（見圖5），以助其思考范圍和聯(lián)想邊界擴(kuò)大，引發(fā)學(xué)生的好奇心。再輔以必要提示，如金屬與非金屬交界區(qū)的元素、Si的主要物理性質(zhì)和可能用途有哪些？并刻意選擇一些后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)中需要用到的元素，如第四周期部分過渡元素顯示圖中，順利進(jìn)入任務(wù)4環(huán)節(jié)的探討。

（4）閱讀材料的分析：為突出將元素按照一定理化性質(zhì)分區(qū)，以便為生產(chǎn)生活服務(wù)的實(shí)用價值提供指南。筆者選取整合了與學(xué)生生活密切關(guān)聯(lián)的5類（并預(yù)設(shè)按照周期表由左至右，由上到下的順序）材料信息，包括教材和教參中相關(guān)的文本內(nèi)容，并于課件中置入大量豐富的圖片和精簡視頻資源，通過設(shè)置如下3個核心問題以助學(xué)生能把握好課程資源閱讀和理解的方向，從而更好地聚焦教學(xué)的重點(diǎn)——元素周期表和周期律應(yīng)用。

問題1：每一類/一段學(xué)習(xí)材料中涉及主要物質(zhì)及特殊物理或化學(xué)性能是什么？

問題2：與問題1中物質(zhì)相對應(yīng)的元素在周期表中所處區(qū)域或位置在哪里？

問題3：與問題2中元素相對應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)特別是最外層電子數(shù)有何特點(diǎn)？

①第一類元素涉及電池發(fā)展：由于電池涉及人們生活的眾多領(lǐng)域，且學(xué)生都有使用手機(jī)電池的體驗(yàn)，通過設(shè)問“你知道現(xiàn)在人們普遍使用的鋰離子電池歷史上經(jīng)歷了哪些過程才發(fā)展而來的嗎？”，輔以典型電池及應(yīng)用領(lǐng)域的圖片（見圖6）及文本信息，引導(dǎo)學(xué)生徜徉在形形色色、性能各異并不斷得到發(fā)展與改善的電池中。

在小組相互討論基礎(chǔ)上匯報對如下8個典型電池（伏打電堆及Zn-Cu原電池、Zn-MnO2一次性干電池、鎳氫電池/銀鋅紐扣電池、鉛酸蓄電池Pb-PbO2、鋁空氣電池、鋰離子及全固態(tài)鋰/鈉硫電池、燃料電池如氫氧燃料電池、太陽能電池與光伏電池等）的認(rèn)知，初步歸納出電池行業(yè)的發(fā)展規(guī)律：如元素從過渡金屬發(fā)展到主族元素，核心元素的相對原子質(zhì)量減小但比能量值升高的趨勢。而電池成品的性能逐步向質(zhì)量輕、體積小、比能量密度高、充放電次數(shù)高、性能穩(wěn)定、便于攜帶和安全環(huán)保的方向發(fā)展。

還有學(xué)生熟悉的幾個本土與電池相關(guān)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)：如純電動公交的乘車體驗(yàn)（插說新聞：2019年6月18日，中山市本土制造的首批300輛新能源純電動公交車從板芙鎮(zhèn)廣東曉蘭客車有限公司駛出，正式交付市公交集團(tuán)投入營運(yùn)）。又如號稱世界燈都的古鎮(zhèn)生產(chǎn)節(jié)能燈飾在節(jié)約能源和資源持續(xù)利用以及在“碳中和”戰(zhàn)略上力做踐行的排頭兵;還有在“太陽能電池與光伏電池”產(chǎn)業(yè)上一直在不斷耕耘進(jìn)取的總部位于中山市火炬開發(fā)區(qū)的明陽集團(tuán)，以此增強(qiáng)學(xué)生的地方歸屬感以及學(xué)以致用的學(xué)科認(rèn)同感。

②第二類元素涉及半導(dǎo)體材料發(fā)展：以廣東明陽集團(tuán)在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域近20年的探索過程為重要探討背景（見圖7），回顧了在半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷的4個主要階段，簡述了相關(guān)科研工作者的艱難探索過程和追求極致的科學(xué)精神（見表2）。

③第三類元素涉及農(nóng)醫(yī)藥發(fā)展：通過選取農(nóng)藥中殺蟲劑在研發(fā)、試用、使用和調(diào)整中的典型代表物種類別（Ⅰ.我國早已使用雄黃（As4S4）、砒霜（AS2O3）和朱砂（HgS）防治蟲害;Ⅱ.有機(jī)氯殺蟲劑;Ⅲ.有機(jī)磷殺蟲劑;Ⅳ.有機(jī)硫殺蟲劑;Ⅴ.氟蟲腈殺蟲劑;Ⅵ.有機(jī)硫除草劑。）突出其中涉及的典型物種的化學(xué)式或結(jié)構(gòu)簡式的圖片展示（見圖8），關(guān)注所涉及的非金屬元素如Cl，S，N，P等，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心制藥行業(yè)中研發(fā)新藥的方向是高效、低毒、水溶、少殘留。

④第四類元素涉及礦產(chǎn)資源開發(fā)：以圖9形式和說明來引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類賴以生存的地球，從而意識到開采不同類型礦物的選擇方向與可能潛力，并懂得有節(jié)制地進(jìn)行科學(xué)開采對生態(tài)文明建設(shè)與促進(jìn)人與自然和諧共存產(chǎn)生的深遠(yuǎn)意義。

⑤第五類元素涉及催化劑應(yīng)用：引導(dǎo)學(xué)生回顧初中學(xué)習(xí)化學(xué)以來及高中化學(xué)必修教材中涉及的應(yīng)用了催化劑的反應(yīng)如圖10，達(dá)到溫故知新的教學(xué)目的，并關(guān)注所涉及典型元素在周期表中的位置，得出尋找合適催化劑的一般規(guī)律與科研努力方向。

3.課程小結(jié)

通過上述5個方面元素的分區(qū)及應(yīng)用范圍的對應(yīng)關(guān)系的探討分析，學(xué)生在頭腦中基本清晰了“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”三者之間的邏輯聯(lián)系，并認(rèn)識到化學(xué)在能源、醫(yī)農(nóng)藥業(yè)、催化劑及半導(dǎo)體材料等新型科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動向與應(yīng)用價值，可以說化學(xué)是眾多理工農(nóng)等學(xué)科中的一門極具創(chuàng)造性的中心學(xué)科，并通過如圖11所示的形式強(qiáng)調(diào)新型材料的研發(fā)在國家重大科研和民生工程實(shí)施中的重要意義。

選取其中幾個典型事例來詳細(xì)說明，以拓展學(xué)生的認(rèn)知視野，增強(qiáng)其民族自豪感，激發(fā)他們的科研興趣和學(xué)習(xí)熱情。如5G技術(shù)能解決高帶寬、超短波、微基站、高階MIMO、波束賦型等技術(shù)難題中涉及的通訊材料特征：傳輸信號強(qiáng)度較差，傳播材料的介電常數(shù)要小，材料的電磁屏蔽能力要強(qiáng)。從未來發(fā)展趨勢來看，5G通信頻率最高可達(dá)85GHz，是GaN發(fā)揮優(yōu)勢的頻段，使得GaN有望成為5G基站建設(shè)重點(diǎn)材料之一。此外，隨著GaN單晶襯底研究技術(shù)趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料。

又如在港珠澳大橋和深中通道建設(shè)中均已破解的技術(shù)難題——在地質(zhì)水文復(fù)雜、臺風(fēng)頻發(fā)的伶仃洋等海域?qū)⒋髽蚪ㄔO(shè)成擁有百年品質(zhì)保障的平安工程，工程師需要破解高鹽、高濕、高溫作業(yè)環(huán)境帶來的海中鋼筋混凝土防腐難題。除了采用混凝土阻銹劑和環(huán)氧樹脂涂層鋼筋等防腐措施外，工程師還為混凝土外層噴涂上了硅烷浸漬劑?！肮柰榻n劑是混凝土表面專用的防腐劑，防水性能好、抗紫外線能力強(qiáng)，既是結(jié)構(gòu)物阻擋持續(xù)高溫的‘防曬衣，也是防止海水侵蝕的‘防護(hù)服”。

三、總結(jié)反思

筆者以高中化學(xué)新課標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，依托人教版化學(xué)必修一教材有關(guān)元素周期表和元素周期律的內(nèi)容和學(xué)業(yè)水平要求，整合對應(yīng)教材及教師用書中的相關(guān)教學(xué)資源，密切結(jié)合當(dāng)前在半導(dǎo)體工業(yè)、電池電源等能源、農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)、催化劑及材料學(xué)等新型科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動向與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，精選中山市在化學(xué)材料學(xué)上發(fā)展的龍頭企業(yè)和傳統(tǒng)文化特色的事例，圍繞三個核心問題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐，讓學(xué)生學(xué)有所依，研有所據(jù)，歸有所處。拓寬了認(rèn)知視角，讓元素周期表和周期律的應(yīng)用更具有立體感、有血有肉，有其理論本質(zhì)，也有其現(xiàn)實(shí)意義。從而更好地明白教材上呈現(xiàn)的文字內(nèi)容并不是空穴來風(fēng)或空中樓閣，而是歷史事件的經(jīng)典總結(jié)或現(xiàn)實(shí)生活有關(guān)事例的生動寫照。

不可否認(rèn)，當(dāng)前學(xué)生的主要學(xué)習(xí)模式及常規(guī)教師的教都較好地解決了學(xué)生去解答課后相應(yīng)習(xí)題及常規(guī)選擇題，但讓學(xué)生解決情境類和開放類的能凸出學(xué)生應(yīng)用能力的試題時，學(xué)生可能就會看不下去或題意的把握有偏差而導(dǎo)致作答效果嚴(yán)重下降。正所謂見多識廣，只有在平時的教學(xué)中，讓學(xué)生有意識地進(jìn)行情景介入和深度思考，養(yǎng)成思考問題時全面細(xì)致的習(xí)慣，適當(dāng)進(jìn)行學(xué)科融合關(guān)聯(lián)，充分聯(lián)想自己的生活體驗(yàn)與閱歷，方能更好地理解知識，提升解決問題能力。只有用教材中學(xué)習(xí)的“知識”來解決生活中的“問題”，不斷積累“信息儲備”并通過合理取舍與整合才能提高自身的“問題解決”的能力，將“學(xué)”“問”“行”三者融合（如圖12所示），這正是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)對“學(xué)習(xí)”需達(dá)到“合”的境界。

筆者重構(gòu)此節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計時，布置的學(xué)生溫故及預(yù)習(xí)的內(nèi)容是教材上文字材料閱讀類，而實(shí)施教學(xué)過程中更多的是以豐富的圖片、簡要文字說明及經(jīng)典的視頻片段等形式來刺激學(xué)生的感官，觸動他們的神經(jīng);通過聚焦已設(shè)置好的3個核心問題去搜索整合有用信息來作答，整堂課40min顯得略有緊張，這與當(dāng)前主流教學(xué)模式相比，從短期來看似乎時效不高。然而中學(xué)生的能力發(fā)展應(yīng)該放到更高層次上去度量，如對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與能力的持續(xù)性地引導(dǎo)上下功夫，正所謂要看到“破繭成蝶”的驚艷之美，也必須要有“作繭自縛”的痛楚經(jīng)歷。

當(dāng)前正值廣大師生體驗(yàn)和應(yīng)用高中化學(xué)新課標(biāo)和新教材的大好時機(jī)，為更好地應(yīng)對新時代國家選材需要，身處基礎(chǔ)教育一線的教師也需要不斷反思之前的教學(xué)方法，更需要革新自我的勇氣，還需要大膽嘗試新的教學(xué)模式并根據(jù)目標(biāo)達(dá)成度來調(diào)整和完善。

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