在有限課堂中實(shí)現(xiàn)自主探究最大化
——“元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)實(shí)踐及思考

許城玉

（金陵中學(xué)河西分校江蘇南京210007）

在有限課堂中實(shí)現(xiàn)自主探究最大化
——“元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)實(shí)踐及思考

許城玉

（金陵中學(xué)河西分校江蘇南京210007）

通過化學(xué)小魔術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，讓學(xué)生在“指鉀為鈉”的心理預(yù)期中實(shí)施對“鈉”的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而在自主探究中發(fā)現(xiàn)矛盾，切入教學(xué)主題并通過“從實(shí)踐到理論、從理論到實(shí)踐”的雙向探究，達(dá)成三維教學(xué)目標(biāo)。

自主探究；元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)；堿金屬元素；鹵素

一、設(shè)計(jì)背景

人教版化學(xué)2第一章第一節(jié)（二）“元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容在初三階段以及高一化學(xué)1中都已經(jīng)有所涉及，在具備“學(xué)生接受難度不大”的有利因素的同時(shí)，如果教學(xué)方案設(shè)計(jì)得比較平淡，將很難激發(fā)起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，所謂“利用本節(jié)教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)合作探究、歸納整理、概括提升能力”等一系列的教學(xué)目標(biāo)極易落空。

二、設(shè)計(jì)思想

將與本節(jié)教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的常用基本教學(xué)素材進(jìn)行組合創(chuàng)新，以學(xué)生意想不到的方式啟動(dòng)課堂教學(xué)程序，以足夠的力度激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為整節(jié)課的教學(xué)創(chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境；變單向的“學(xué)生閱讀→學(xué)生討論→教師小結(jié)”、“演示實(shí)驗(yàn)→學(xué)生討論→教師小結(jié)”程式為雙向的“學(xué)生觀察→學(xué)生預(yù)測→自主設(shè)計(jì)→自主實(shí)踐→自主發(fā)現(xiàn)→自發(fā)討論→探究原本”程式；采用先“從性質(zhì)到結(jié)構(gòu)（從實(shí)踐到理論）”、后“從結(jié)構(gòu)到性質(zhì)（從理論到實(shí)踐）”的雙向探索研究方式，讓學(xué)生自然感悟出“元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)”的基本對應(yīng)關(guān)系及其化學(xué)本質(zhì)，在有限的課堂達(dá)成學(xué)生自主探究主動(dòng)學(xué)習(xí)構(gòu)建知識體系發(fā)展綜合能力的總體教學(xué)目標(biāo)。

三、教學(xué)過程

［教師］小魔術(shù)：能夠燃燒的“茶水”

（1）展示一杯茶水，教師當(dāng)場喝下以證明其確實(shí)是普通茶水；

（2）取茶水加入一支事先準(zhǔn)備好的“空”試管中至滿；

（3）在試管口用火柴點(diǎn)燃，“茶水”著火燃燒、火焰明亮有煙。

［學(xué)生］觀看小魔術(shù)并做出若干猜測。

設(shè)計(jì)意圖：金屬鈉通常保存在煤油中，這一事實(shí)為絕大多數(shù)學(xué)生所熟知，以此為切入點(diǎn)，便于為下一步教學(xué)的“善意誤導(dǎo)”埋下伏筆；本魔術(shù)能極大地激發(fā)起學(xué)生的好奇心，為本節(jié)課的教學(xué)創(chuàng)造出良好的情感氛圍。

魔術(shù)揭密：保存金屬鈉或鉀的煤油通常帶淡黃色，教師事先在一支試管中加入幾滴煤油，然后將該試管置于試卷架上并“強(qiáng)調(diào)”這是一支“空”試管，學(xué)生一般不會(huì)留意到其中有詐；使用茶水有三個(gè)目的，一是為了煤油層上浮，二是使學(xué)生難以發(fā)現(xiàn)隱藏的煤油，三是使用老師飲用的茶水更能激發(fā)學(xué)生的興趣，強(qiáng)化魔術(shù)的演示效果。

［教師］事實(shí)上老師事先在試管底部加了少量煤油，所用煤油取自一瓶保存有某種金屬的試劑瓶（向?qū)W生展示一瓶被有意撕去標(biāo)簽的、保存有金屬鉀的試劑瓶但暫不說明是金屬鉀），哪位同學(xué)能說明本魔術(shù)所涉及的化學(xué)原理？

［學(xué)生］煤油不溶于水、密度比水的小……

［教師］試劑瓶中的固體是何種物質(zhì)？請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)自己的判斷是否正確。

［學(xué)生］是鈉?？梢圆捎檬菇饘兮c燃燒形成黃色火焰、與水反應(yīng)后滴加無色酚酞等方法加以驗(yàn)證。

［教師］有可能！請同學(xué)們按自己的設(shè)想完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中務(wù)必注意安全、留意相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（為確保實(shí)驗(yàn)安全，每組學(xué)生限定供給兩小粒金屬鉀固體）。

［學(xué)生］做好安全防護(hù)工作后、分組實(shí)驗(yàn)。

［教師］同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)過程中有什么重要發(fā)現(xiàn)？

［學(xué)生］（匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、不少學(xué)生能發(fā)現(xiàn)“異?，F(xiàn)象”并產(chǎn)生疑問、自發(fā)交流討論）

［教師］事實(shí)上，剛才瓶中所保存的固體不是金屬鈉、而是金屬鉀！本實(shí)驗(yàn)說明：我們通常要透過現(xiàn)象看本質(zhì)、但本質(zhì)究竟如何，要通過實(shí)踐的檢驗(yàn)才能判斷出是否真理。本實(shí)驗(yàn)說明，金屬鈉與金屬鉀兩者相比，其性質(zhì)有什么特點(diǎn)？

［學(xué)生］既有相似性、又有不同點(diǎn)，其中金屬鉀的化學(xué)性質(zhì)更加活潑一些。

設(shè)計(jì)意圖：金屬鈉通常保存在煤油中，這一事實(shí)為絕大多數(shù)學(xué)生所熟知，所以此處學(xué)生的第一判斷基本都是“金屬鈉”，教師進(jìn)而要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)金屬鈉，在復(fù)習(xí)舊知識的同時(shí)，為學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)“異?，F(xiàn)象”提供了必要的心理?xiàng)l件與物質(zhì)條件，學(xué)生通過誤判感受到鉀與鈉的相似、通過紫色火焰等“異?，F(xiàn)象”強(qiáng)烈感受到鉀與鈉的不同，可謂一舉多得。

［教師］事實(shí)上常溫下能與水發(fā)生反應(yīng)的金屬有多種，如鋰、銣、銫等（播放經(jīng)過剪輯的鋰、銣、銫分別與水反應(yīng)的視頻素材，時(shí)長共約60s）。從錄相中，同學(xué)們有沒有發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

［學(xué)生］這些金屬都能與水反應(yīng)，但反應(yīng)的劇烈程度有所不同，具體來說，按鋰、鈉、鉀、銣、銫的順序逐漸增強(qiáng)。

設(shè)計(jì)意圖：堿金屬包括鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁等6種元素，其中鈁具有放射性在中學(xué)化學(xué)中不做過多介紹，一般中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中沒有鋰、銣、銫的樣品，再考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性，這樣使用相應(yīng)的國外實(shí)驗(yàn)錄相素材是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的選擇，特別是銣、銫分別與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)效果極具震撼力與沖擊力，能將學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情提升到相當(dāng)?shù)母叨?。至此，堿金屬元素的絕大多數(shù)成員已全面呈現(xiàn)，為后續(xù)教學(xué)準(zhǔn)備好了素材。

［教師］事實(shí)上，鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁等6種元素被統(tǒng)稱為堿金屬元素，其中鈁具有放射性、中學(xué)化學(xué)中不做過多介紹。

（1）PPT展示鋰、鈉、鉀、銣、銫樣品圖片并對其物理性質(zhì)做簡單介紹。這組元素的物理性質(zhì)有哪些共同點(diǎn)？有哪些遞變規(guī)律？又有什么特別之處？

（2）能否認(rèn)為這些金屬元素的單質(zhì)都具有堿性？

［學(xué)生］（絕大多數(shù)能正確回答相關(guān)問題，特別是其中的第二點(diǎn)，學(xué)生一般都能指出金屬單質(zhì)本身沒有任何酸堿性、它們的最高價(jià)氧化物對應(yīng)的水化物都是易溶于水的強(qiáng)堿）

［教師］補(bǔ)充說明：LiOH是中強(qiáng)堿，從LiOH到CsOH，堿性逐漸增強(qiáng)。上述金屬與水的反應(yīng)可用通式表示為：2M+2H2O=2MOH+H2↑，試分析反應(yīng)過程中元素化合價(jià)的變化情況、電子轉(zhuǎn)移情況、堿金屬元素的單質(zhì)在氧化還原反應(yīng)中的具體作用。

［學(xué)生］反應(yīng)過程中堿金屬元素的化合價(jià)從0價(jià)升高到+1價(jià)、每一個(gè)堿金屬元素的原子都失去一個(gè)電子、做還原劑。

［教師］請?zhí)顚憠A金屬元素的單質(zhì)的性質(zhì)的表格（表略）。

設(shè)計(jì)意圖：考慮到學(xué)生的知識現(xiàn)狀，此處不對堿金屬元素的物理性質(zhì)做重點(diǎn)分析，而是采用直接呈現(xiàn)、簡單介紹的方式進(jìn)行處置以突出教學(xué)重點(diǎn)；通過對“堿金屬”概念的辨析，幫助學(xué)生弄清“堿金屬”概念的由來，強(qiáng)調(diào)其“都能與水發(fā)生反應(yīng)生成易溶于水的堿”的化學(xué)本質(zhì)，再通過提供相應(yīng)氫氧化物堿性相對強(qiáng)弱的變化規(guī)律，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到單質(zhì)活動(dòng)性變化與氫氧化物堿性相對強(qiáng)弱變化的對應(yīng)關(guān)系；通過元素化合價(jià)、電子轉(zhuǎn)移情況、單質(zhì)在氧化還原反應(yīng)中具體作用的分析，為構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)與元素化學(xué)性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系、金屬的活動(dòng)性與其原子失電子能力、還原性相對強(qiáng)弱之間的對應(yīng)關(guān)系埋下伏筆。

［教師］同學(xué)們有沒有做這樣的思考：堿金屬元素性質(zhì)的共性與差異性與其原子結(jié)構(gòu)的共性與差異性是否存在某種可能的聯(lián)系呢？請打開元素周期表，認(rèn)真閱讀IA并填寫堿金屬元素的原子結(jié)構(gòu)、核電荷數(shù)、最外層電子數(shù)、電子層數(shù)的表格（表略）并研究其中的主要規(guī)律。

［學(xué)生］（在老師的指導(dǎo)下絕大多數(shù)學(xué)生能夠順利完成表格的填寫并揭示出“原子最外層電子數(shù)都為1、從Li到Cs電子層數(shù)逐漸增多、原子半徑逐漸增大”等關(guān)鍵信息，進(jìn)而得出如下結(jié)論：金屬原子核外最外層電子數(shù)都比較少→金屬原子在反應(yīng)過程中只能失去電子→金屬原子電子層數(shù)越多→失電子能力越強(qiáng)→金屬的活動(dòng)性逐漸增強(qiáng)→單質(zhì)的還原性逐漸增強(qiáng)）

［教師］事實(shí)上這一特性在堿金屬與O2的反應(yīng)中也有所體現(xiàn)，從Li到Cs，與O2的反應(yīng)越來越容易、越來越劇烈、越來越復(fù)雜（要求學(xué)生閱讀教材相關(guān)內(nèi)容）。

設(shè)計(jì)意圖：考慮到學(xué)生的知識現(xiàn)狀，此處不對堿金屬單質(zhì)與氧氣的反應(yīng)做重點(diǎn)分析，而是采用簡單介紹、一筆帶過的方式進(jìn)行處置以突出教學(xué)重點(diǎn)。通過這一環(huán)節(jié)的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生思考元素的性質(zhì)可能與其原子結(jié)構(gòu)存在某種必然聯(lián)系，進(jìn)而構(gòu)建原子失電子能力、金屬活動(dòng)性、金屬的還原性之間的對應(yīng)關(guān)系，達(dá)成本節(jié)課教學(xué)的第一階段目標(biāo)。

［教師］對于最外層電子數(shù)較多的非金屬元素（如氯元素）的原子在化學(xué)反應(yīng)過程中的得失電子情況又將如何？其得失電子的能力與電子層數(shù)可能存在何種對應(yīng)關(guān)系？

［學(xué)生］（在老師指導(dǎo)下，絕大多數(shù)學(xué)生能得出如下結(jié)論：非金屬原子核外最外層電子數(shù)都比較多→非金屬原子在反應(yīng)過程中一般得到電子→非金屬原子電子層數(shù)越多→得電子能力越弱→非金屬的活動(dòng)性逐漸減弱→單質(zhì)的氧化性逐漸減弱）。

設(shè)計(jì)意圖：此處將堿金屬元素教學(xué)環(huán)節(jié)中“從性質(zhì)到結(jié)構(gòu)”的探索路徑逆轉(zhuǎn)為“從結(jié)構(gòu)到性質(zhì)、先預(yù)測再驗(yàn)證”的探索路徑，建立起結(jié)構(gòu)性質(zhì)聯(lián)系的雙向通道。

［教師］是不是這樣的呢？讓我們來看一組被稱為鹵族元素的元素，它們分別是氟、氯、溴、碘、砹（其中，砹有放射性，中學(xué)化學(xué)不做過多介紹），分布在元素周期表的第ⅤIIA族。（PPT展示氟氣、氯氣、液溴、碘樣品圖片及后三者的實(shí)物樣品，然后再PPT展示鹵素單質(zhì)的物理性質(zhì)。）這一組物質(zhì)的物理性質(zhì)有什么共同點(diǎn)與不同點(diǎn)？

［學(xué)生］（在老師的指導(dǎo)下絕大多數(shù)學(xué)生都能做出簡單回答。）

［教師］除F2以外的鹵素單質(zhì)能分別溶解于水、CCl4等多種不同的溶劑，形成水溶液、CCl4溶液等，并呈現(xiàn)特殊的顏色（PPT展示圖片、同時(shí)展示實(shí)物樣品）。

設(shè)計(jì)意圖：考慮到學(xué)生的知識現(xiàn)狀，此處對鹵素單質(zhì)的物理性質(zhì)不做詳細(xì)分析、僅做簡單介紹以突出其它教學(xué)重點(diǎn)，但是對其水溶液、CCl4的顏色做具體說明，意在為學(xué)生對鹵素單質(zhì)置換實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探究分析提供理論支撐。

［教師］請打開元素周期表，認(rèn)真閱讀ⅤIIA并填寫鹵素的原子結(jié)構(gòu)、核電荷數(shù)、最外層電子數(shù)、電子層數(shù)的表格（表略）并研究其中的主要規(guī)律。

［學(xué)生］（在老師的指導(dǎo)下絕大多數(shù)學(xué)生能夠順利完成表格的填寫并揭示出“原子最外層電子數(shù)都=7、從F到I電子層數(shù)逐漸增多、原子半徑逐漸增大”等關(guān)鍵信息。

［教師］閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)真填寫鹵素單質(zhì)與氫氣反應(yīng)及其氫化物的穩(wěn)定性表格（表略），用X2代表鹵素分子，寫出鹵素單質(zhì)與氫氣反應(yīng)的通式、分析反應(yīng)過程中元素化合價(jià)的變化情況、電子轉(zhuǎn)移情況、鹵素單質(zhì)在氧化還原反應(yīng)過程中的具體作用、并分析表格中相關(guān)信息所包含的規(guī)律。

［學(xué)生］H2+X2=2HX；反應(yīng)過程中鹵素的化合價(jià)從0價(jià)下降到-1價(jià)、每一個(gè)鹵素的原子都得到一個(gè)電子、做氧化劑。從F2到I2，非金屬元素的活動(dòng)性逐漸減弱，單質(zhì)的氧化性逐漸減弱（F2＞Cl2＞Br2＞I2）。

設(shè)計(jì)意圖：與堿金屬元素教學(xué)環(huán)節(jié)相比，雖然鹵素教學(xué)環(huán)節(jié)的探究路徑進(jìn)行了逆轉(zhuǎn)，但此處仍然采用了“與同種物質(zhì)相互反應(yīng)進(jìn)行比較”的方法作為教學(xué)的切入點(diǎn)，意在利用學(xué)生思維的連續(xù)性、提高學(xué)生的心理接納程度，也為下面的“置換法”提供了一個(gè)參照體系。

［教師］在初中化學(xué)學(xué)習(xí)中，我們曾經(jīng)采用相互置換的方法來比較金屬單質(zhì)活動(dòng)性的相對強(qiáng)弱，那么我們可不可以采用類似的方法對非金屬單質(zhì)活動(dòng)性的相對強(qiáng)弱進(jìn)行比較呢？請閱讀教材，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)（簡介實(shí)驗(yàn)方法與注意事項(xiàng)）并填寫下表：

表鹵素單質(zhì)之間的相互置換實(shí)驗(yàn)

［學(xué)生］（分組實(shí)驗(yàn)、填寫相關(guān)表格。）

［教師］溶液為什么會(huì)變色？CCl4層為什么會(huì)變色？寫出相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式、分析元素的化合價(jià)變化、單質(zhì)在氧化還原反應(yīng)中的具體作用。

［學(xué)生］（絕大多數(shù)學(xué)生能正確回答上述問題）

Cl2+2NaBr=2NaCl+Br2

Cl2+2KI=2KCl+I2

Br2+2KI=2KBr+I2

單質(zhì)在反應(yīng)中做氧化劑。

［教師］你能否根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)給出單質(zhì)氧化性由強(qiáng)到弱的排列順序？

［學(xué)生］Cl2＞Br2＞I2

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)比較系統(tǒng)的掌握了金屬單質(zhì)活動(dòng)性強(qiáng)弱的“置換”比較法，而在堿金屬教學(xué)環(huán)節(jié)中，因?yàn)閴A金屬一般優(yōu)先與水溶液中的水反應(yīng)以及單質(zhì)沸點(diǎn)影響等復(fù)雜因素而沒有展開討論，通過鹵素單質(zhì)之間的依次置換，既彌補(bǔ)了這一教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)又將“置換”比較法引入非金屬單質(zhì)范疇，使知識體系更加完備。當(dāng)然，為了不使知識點(diǎn)過于集中沖淡主題，本環(huán)節(jié)教學(xué)有意回避了F2與水的反應(yīng)。

［師生合作、共同總結(jié)］（PPT展示元素性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的規(guī)律總結(jié)。）

［布置作業(yè)］略。

設(shè)計(jì)意圖：回扣本節(jié)課的主要教學(xué)目標(biāo)，確保學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)能形成清晰思路。

四、教學(xué)反思

（1）本節(jié)課的教學(xué)從一個(gè)化學(xué)小魔術(shù)開始，在第一時(shí)間就牢牢地抓住了學(xué)生的眼球與心靈，緊接著通過對學(xué)生的“善意誤導(dǎo)”，使學(xué)生在自主探究中親身體驗(yàn)“理想與現(xiàn)實(shí)的矛盾”，繼而通過這種矛盾切入同主族元素性質(zhì)的相似性與不同點(diǎn)，并完成從實(shí)踐到理論、再從理論到實(shí)踐的雙向互通，在有限的45min課堂內(nèi)實(shí)現(xiàn)了探究教學(xué)效益的最大化。

（2）通過多種教學(xué)資源（視頻、圖片、實(shí)物、實(shí)驗(yàn)、教材閱讀等等）的調(diào)用與整合，使得整節(jié)課“新奇、驚險(xiǎn)、刺激、快樂”，既輕松活潑、又科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的濃厚興趣，強(qiáng)化了教學(xué)效果，有效地保證了三維教學(xué)目標(biāo)的全面達(dá)成。

（3）從具體授課實(shí)踐看，本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容比較豐富，對學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力要求較高，時(shí)間上也比較吃緊，有待于進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

［1］宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（必修）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［2］宋心琦主編.物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（選修3）［M］.北京：人民教育出版社，2009

［3］王磊，陳光巨主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（必修）.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2004

［4］王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（必修）［M］.南京：江蘇教育出版社，2004

［5］朱慕菊主審.鐘啟泉等主編.普通高中新課程方案導(dǎo)讀［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2003

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