張寶輝

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

關鍵詞：化學史;元素周期律;應用;材料學

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

一、思考背景

元素周期表和元素周期律的應用作為高中化學新課標中一個重要的教學內(nèi)容和新增學業(yè)要求，是學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課中具體獨有的承載方式之一，是化學核心素養(yǎng)如何在具體章節(jié)知識中體現(xiàn)的重要素材，是老師靈活落實新課標進行教學設計的常用情境、說課或研討的熱點話題?？梢姛o論過去、現(xiàn)在或是將來，針對這部分內(nèi)容的教學教研活動總會有新意和價值。

自化學新課標頒布和新教材使用以來，從《化學教育》《化學教與學》《中學化學教學參考》等與中學化學教學相關的主流媒介與期刊獲知，有關上述內(nèi)容的教學研究時有報道，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[1-7]中的研究，闡釋了不同教材在各水平變化的特點，取長補短進行整合，并獲得重視知識的結(jié)構(gòu)化設計等方面的教學啟示，為找到一個合乎學科邏輯、合乎認識規(guī)律、合乎學生心理發(fā)展水平的最佳教學方式提供借鑒。

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

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

四是對元素周期表及周期律的相關概念及歷史的教育功能的闡述與辨析，如參考文獻[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踐研究，概述了化學史融入高中化學某些模塊和章節(jié)教學之中的教育價值。

縱觀以上參考文獻涉及的范圍與特征，有關化學史的立意研究少有報道，將相關材料學的發(fā)展歷史與地方化學應用特點的事實及情景融合的相關探討更是難尋借鑒。筆者在認真研讀化學新課標、新教材和教參的基礎上，針對目前有關元素周期表和周期律應用的教學研究的空白區(qū)域，將化學史與地方化學材料的應用融合，重構(gòu)元素周期表和周期律應用的認知并進行教學實施，以期能最大限度地革新傳統(tǒng)的重在解題的模式;讓學生利用已學基本知識就能解決相關的實際問題;在化學事實與實際應用情景中體驗元素周期律與周期表分區(qū)的意義;在教學設置與問題探究中，提升宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知等化學學科核心素養(yǎng)。

二、重構(gòu)詳情

1.整體設計

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

為了利用好任務清單，驅(qū)動學生應用元素周期表和元素周期律主干內(nèi)容解決實際問題，特別是開放類成因解釋類問題，達成圖1所示的預期收獲，筆者認為結(jié)合數(shù)據(jù)和情境中的文本信息、實驗現(xiàn)象和操作、實驗圖表等“證據(jù)”來“推理”一系列化學問題的成因，并建立思維“模型”可提高對“原因問題”的認知，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“認知模型”的“哲學體系”如圖2所示。

2.實施過程

（1）溫故元素周期律：通過對元素周期律具體內(nèi)容和常見表達的準確表述的檢測，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)其核心觀點和主要問題，以幫助學生加深結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的認知觀，同時創(chuàng)設如圖4所示的柱狀圖，引導學生思考補充坐標圖的縱坐標的物理含義，以幫助學生思維的發(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系，過渡到任務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實過程。引導學生分析不同階段周期表的特征和異同點，從而突出分類思想在化學學習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方式，讓學生結(jié)合已有知識儲備，對現(xiàn)代長式元素周期表再認知。如從元素核外價層電子數(shù)特點、常用元素的單質(zhì)及化合物的重要用途等角度進行合理分區(qū)（見圖5），以助其思考范圍和聯(lián)想邊界擴大，引發(fā)學生的好奇心。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，順利進入任務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)生活服務的實用價值提供指南。筆者選取整合了與學生生活密切關聯(lián)的5類（并預設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，通過設置如下3個核心問題以助學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的重點——元素周期表和周期律應用。

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

問題2：與問題1中物質(zhì)相對應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中元素相對應的原子結(jié)構(gòu)特別是最外層電子數(shù)有何特點？

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域，且學生都有使用手機電池的體驗，通過設問“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？”，輔以典型電池及應用領域的圖片（見圖6）及文本信息，引導學生徜徉在形形色色、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。

還有學生熟悉的幾個本土與電池相關優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)：如純電動公交的乘車體驗（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投入營運）。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取的總部位于中山市火炬開發(fā)區(qū)的明陽集團，以此增強學生的地方歸屬感以及學以致用的學科認同感。

②第二類元素涉及半導體材料發(fā)展：以廣東明陽集團在半導體材料領域近20年的探索過程為重要探討背景（見圖7），回顧了在半導體行業(yè)經(jīng)歷的4個主要階段，簡述了相關科研工作者的艱難探索過程和追求極致的科學精神（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.有機氯殺蟲劑;Ⅲ.有機磷殺蟲劑;Ⅳ.有機硫殺蟲劑;Ⅴ.氟蟲腈殺蟲劑;Ⅵ.有機硫除草劑。）突出其中涉及的典型物種的化學式或結(jié)構(gòu)簡式的圖片展示（見圖8），關注所涉及的非金屬元素如Cl，S，N，P等，引導學生關心制藥行業(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形式和說明來引導學生關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)制地進行科學開采對生態(tài)文明建設與促進人與自然和諧共存產(chǎn)生的深遠意義。

⑤第五類元素涉及催化劑應用：引導學生回顧初中學習化學以來及高中化學必修教材中涉及的應用了催化劑的反應如圖10，達到溫故知新的教學目的，并關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)及應用范圍的對應關系的探討分析，學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，并認識到化學在能源、醫(yī)農(nóng)藥業(yè)、催化劑及半導體材料等新型科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動向與應用價值，可以說化學是眾多理工農(nóng)等學科中的一門極具創(chuàng)造性的中心學科，并通過如圖11所示的形式強調(diào)新型材料的研發(fā)在國家重大科研和民生工程實施中的重要意義。

選取其中幾個典型事例來詳細說明，以拓展學生的認知視野，增強其民族自豪感，激發(fā)他們的科研興趣和學習熱情。如5G技術能解決高帶寬、超短波、微基站、高階MIMO、波束賦型等技術難題中涉及的通訊材料特征：傳輸信號強度較差，傳播材料的介電常數(shù)要小，材料的電磁屏蔽能力要強。從未來發(fā)展趨勢來看，5G通信頻率最高可達85GHz，是GaN發(fā)揮優(yōu)勢的頻段，使得GaN有望成為5G基站建設重點材料之一。此外，隨著GaN單晶襯底研究技術趨于成熟，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中均已破解的技術難題——在地質(zhì)水文復雜、臺風頻發(fā)的伶仃洋等海域?qū)⒋髽蚪ㄔO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。“硅烷浸漬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，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‘防護服”。

三、總結(jié)反思

筆者以高中化學新課標為出發(fā)點，依托人教版化學必修一教材有關元素周期表和元素周期律的內(nèi)容和學業(yè)水平要求，整合對應教材及教師用書中的相關教學資源，密切結(jié)合當前在半導體工業(yè)、電池電源等能源、農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)、催化劑及材料學等新型科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動向與應用領域相關產(chǎn)品開發(fā)，精選中山市在化學材料學上發(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行教學設計與實踐，讓學生學有所依，研有所據(jù)，歸有所處。拓寬了認知視角，讓元素周期表和周期律的應用更具有立體感、有血有肉，有其理論本質(zhì)，也有其現(xiàn)實意義。從而更好地明白教材上呈現(xiàn)的文字內(nèi)容并不是空穴來風或空中樓閣，而是歷史事件的經(jīng)典總結(jié)或現(xiàn)實生活有關事例的生動寫照。

不可否認，當前學生的主要學習模式及常規(guī)教師的教都較好地解決了學生去解答課后相應習題及常規(guī)選擇題，但讓學生解決情境類和開放類的能凸出學生應用能力的試題時，學生可能就會看不下去或題意的把握有偏差而導致作答效果嚴重下降。正所謂見多識廣，只有在平時的教學中，讓學生有意識地進行情景介入和深度思考，養(yǎng)成思考問題時全面細致的習慣，適當進行學科融合關聯(lián)，充分聯(lián)想自己的生活體驗與閱歷，方能更好地理解知識，提升解決問題能力。只有用教材中學習的“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”“問”“行”三者融合（如圖12所示），這正是化學學科素養(yǎng)對“學習”需達到“合”的境界。

筆者重構(gòu)此節(jié)內(nèi)容的教學設計時，布置的學生溫故及預習的內(nèi)容是教材上文字材料閱讀類，而實施教學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生的感官，觸動他們的神經(jīng);通過聚焦已設置好的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，這與當前主流教學模式相比，從短期來看似乎時效不高。然而中學生的能力發(fā)展應該放到更高層次上去度量，如對學生學習興趣與能力的持續(xù)性地引導上下功夫，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。

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

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