元素概念的演變與化學(xué)元素觀的教學(xué)

吳俊明+吳敏

摘要：討論了化學(xué)元素觀和元素概念的演變及其啟示、化學(xué)元素觀的教學(xué)意義與定位、化學(xué)元素觀的教學(xué)內(nèi)容以及化學(xué)元素觀的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：化學(xué)元素觀；元素概念；演變；啟示；教學(xué)

文章編號(hào)：1005–6629（2014）6–0003–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)元素觀回答“物質(zhì)是由什么組成的”這個(gè)化學(xué)最基本的問題，因而是化學(xué)科學(xué)最基本的觀念之一，其核心概念是“元素”。正如其語詞的字義那樣，“元素”是“基本成分”、“基本要素”的意思。元素概念是化學(xué)科學(xué)的第一個(gè)基本概念，也是化學(xué)科學(xué)最基本的概念之一，被稱為“化學(xué)理論大廈的基石”[1]。所以，化學(xué)元素觀和元素概念歷來被教科書編者和教師所重視。然而，化學(xué)元素觀和元素概念有其發(fā)展和演化過程，國(guó)內(nèi)不少教科書和教師往往忽略了這一點(diǎn)，致使化學(xué)元素觀和元素概念的教學(xué)成了枯燥無味、記憶背誦的過程。要改變這種狀況，需要從了解它們的演變開始。

1 化學(xué)元素觀和元素概念的演變

化學(xué)元素觀和元素概念的演化和發(fā)展，按著時(shí)間順序可以大體上分為古代、近代、現(xiàn)代三個(gè)階段，由抽象上升為具體，由宏觀深入微觀，由元素發(fā)展為核素，由化學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到物理學(xué)和其他領(lǐng)域，由簡(jiǎn)單演變?yōu)閺?fù)雜，發(fā)生了多次革命性的變革。

1.1 古代元素觀和元素概念由抽象原性向?qū)嶓w原性的發(fā)展

早在人類文明的初期，人類觀察到自然界性態(tài)各異的許多物質(zhì)，就開始思考“萬物由什么做成”這個(gè)問題。

出于樸素的直覺，古人自然地把性質(zhì)相同的實(shí)物材料視為同一種物質(zhì)，認(rèn)為它們含有某種（或某些）相同的成分，并逐步發(fā)展到把某些實(shí)物或性質(zhì)當(dāng)作元素來說明萬物的組成，例如古代中國(guó)的金、木、水、火、土五行說；古代印度的地、水、火、風(fēng)說等。古希臘學(xué)者亞里士多德則提出水、火、土、氣四元素說，認(rèn)為各種元素由“干、濕、冷、熱”4種“原性”兩兩組成。但也有人認(rèn)為構(gòu)成世界的本源是理念、道、氣、陰陽等，把世界的本源歸結(jié)為抽象甚至于玄虛的東西。例如，古希臘的畢達(dá)哥拉斯就認(rèn)為數(shù)是構(gòu)成世界的本源。

后來，歐洲的煉金家既承認(rèn)四素說又信奉“原性說”，認(rèn)為物質(zhì)的本原是由冷、熱、干、濕以及金屬性、可燃性、可溶性等抽象“原始性質(zhì)”組合成元素，再由元素生成萬物，把脫離物質(zhì)的抽象性質(zhì)當(dāng)做第一性的東西。瑞士醫(yī)藥化學(xué)家帕拉塞斯（P.A.Paracelsus，1493～1541）提出“三要素”學(xué)說，認(rèn)為萬物均由硫、汞、鹽三要素（分別是可燃性、揮發(fā)性、凝固性的化身）構(gòu)成。三要素說實(shí)質(zhì)上是古老的“原性說”的一個(gè)變種，然而它是通過硫、汞、鹽等實(shí)體物質(zhì)體現(xiàn)出來的，因而就使醫(yī)藥化學(xué)家自覺不自覺地把神秘莫測(cè)的“原性說”向?qū)嶓w化、物質(zhì)化的方向靠近了一步，體現(xiàn)了人們?cè)谠卣J(rèn)識(shí)的發(fā)展上從非實(shí)體的“性質(zhì)”到實(shí)體的“物質(zhì)”階段的過渡[1～2]。

1.2 波義耳基于分析理性和實(shí)驗(yàn)的元素觀與元素概念的提出

在16世紀(jì)醫(yī)藥化學(xué)發(fā)展的同時(shí)，冶金化學(xué)也在興起。被稱為“16世紀(jì)的最高工程師”的德國(guó)治金化學(xué)家阿格里柯拉（G.Agricola，1494～1555）在《古代冶金學(xué)與新冶金學(xué)》（1546年）和《論金屬》（1556年）等著作中論述了金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞、銻、鉍等金屬制備、提純、分離方法的工藝過程，批駁了煉金家們對(duì)金屬的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。冶金化學(xué)所積累的大量的實(shí)際元素知識(shí)從實(shí)踐上為科學(xué)的元素概念的產(chǎn)生提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

17世紀(jì)后半葉至18世紀(jì)末的一個(gè)半世紀(jì)是近代化學(xué)的孕育時(shí)期。這一階段開始的標(biāo)志是英國(guó)化學(xué)家波義耳（Robert Boyle，l627～1691）堅(jiān)決批判了煉金術(shù)士對(duì)物質(zhì)組成的原性說，從理性和實(shí)驗(yàn)出發(fā)為化學(xué)元素作出了科學(xué)的定義。

波義耳在其著作《懷疑的化學(xué)家》中，以一個(gè)“懷疑論者”的身份，用許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)揭露、批駁了信奉“水、土、火、氣四元素說”或“汞、硫、鹽三要素說”的“逍遙學(xué)派人士”及“庸俗化學(xué)家”以感覺為本和隨心所欲。例如他指出：黃金是不怕火的，它既不能被火分解，更不會(huì)在火的作用下產(chǎn)生鹽、硫或汞，也不能從中分離出土和水；有些“元素”，比如“鹽”，卻可被分解成酸和堿等物質(zhì)；金可以和其他金屬一起生成合金，還可以溶解在王水里而隱蔽起來，構(gòu)成在性質(zhì)上既極不同于金，而且彼此之間也不大相同的一些物體，然而這些物體以后又都可以還原成未形成共混合物（commixture）前的、同一數(shù)量的、黃色的、固定的、相當(dāng)重的而且可延展的黃金[4]。他注意到，在冶金和金屬加工工業(yè)中，金屬經(jīng)煅燒以后所得到的灰渣往往比金屬本身還要重，這說明灰渣決不是金屬分解以后留下的什么“土”元素，而是比金屬本身還要復(fù)雜的物質(zhì)。從眾多事實(shí)出發(fā)，他指出：“元素是指某些原始的、簡(jiǎn)單的物體，或者說是完全沒有混雜的物體，它們由于既不能由其他任何物體混成，也不能由它們自身相互混成，所以它們只能是我們所說的完全結(jié)合物的組分，是它們直接復(fù)合成完全結(jié)合物，而完全結(jié)合物最終也將分解成它們?！盵5]這樣，波義耳就給化學(xué)元素下了一個(gè)樸實(shí)的科學(xué)定義。波義耳認(rèn)為，“任何一個(gè)命題，勿論它如何著明，如何重要，只要它尚未為勿容質(zhì)疑的證據(jù)證明為真，那么，從哲學(xué)上講，我就有充足的理由去懷疑它”。因此，他還說：“在所有的那些被說成是元素的物體當(dāng)中，是否總可以找出一種這樣的物體，則是我現(xiàn)在所要懷疑的事情?！睆默F(xiàn)代化學(xué)的觀點(diǎn)看，波義耳所定義的元素實(shí)際上是單質(zhì)。他是以這一定義將單質(zhì)跟化合物及混合物區(qū)別了開來[6]。然而，大多數(shù)人還是把“首先提出科學(xué)的元素概念”的桂冠給了波義耳。

波義耳的元素概念帶有很大程度的主觀經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，對(duì)元素的確認(rèn)往往要憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，在很大程度上取決于化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)的技術(shù)水平。凡是用已知的化學(xué)方法還不能分解的東西，就很可能被人們誤認(rèn)為是元素。當(dāng)時(shí)，即使杰出的化學(xué)家也難免在辨認(rèn)元素工作中發(fā)生經(jīng)驗(yàn)主義的錯(cuò)誤。例如，拉瓦錫在1789年還把光、熱、石灰、氧化鎂等列入正式元素行列；直到1808年，道爾頓的原子量表中還把石灰和鎂土列為元素[7]。

1.3 元素觀與元素概念由宏觀向微觀的發(fā)展

19世紀(jì)初，道爾頓在對(duì)氣體擴(kuò)散和氣體混合現(xiàn)象進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了原子理論，進(jìn)而又把原子概念與化學(xué)分解和化合現(xiàn)象結(jié)合起來建立了化學(xué)原子論，從理論上成功地解釋了定組成定律、定比定律、當(dāng)量定律等反映組成化合物的元素之間定量關(guān)系的一系列規(guī)律。道爾頓認(rèn)為，相同元素的原子相同，不同元素的原子不同，有多少種元素，就有多少種原子。他把元素和原子聯(lián)系在一起，導(dǎo)致最終建立基于原子理論的元素觀念（“元素是相同原子的總稱”）。1860年，康尼查羅（S. Cannizzaro，1826～1910）確立了科學(xué)的分子概念，完滿地闡明了原子理論和分子理論，結(jié)束了分子概念和原子概念混淆不清的局面，使道爾頓的原子概念得以真正確立，原子論的化學(xué)元素觀念令人信服地被普遍接受，化學(xué)元素觀與元素概念實(shí)現(xiàn)了由宏觀向微觀的發(fā)展?！盎瘜W(xué)元素成為科學(xué)概念雖然始自波義耳，但是原子論的化學(xué)元素定義更為重要”[8]。

從波義耳的元素概念到原子分子論元素概念是近代科學(xué)的元素概念產(chǎn)生和確立的過程。這標(biāo)志著化學(xué)作為一門近代基礎(chǔ)科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展，并為發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素周期律準(zhǔn)備了條件[9]。由于分析手段不斷加強(qiáng)，再加上化學(xué)原子論的指導(dǎo)作用，一大批新元素陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，到19世紀(jì)中期，已發(fā)現(xiàn)的各種化學(xué)元素達(dá)到60多種。在18世紀(jì)后半期，有人開始對(duì)元素進(jìn)行分類。例如，1789年拉瓦錫在他的《化學(xué)基礎(chǔ)論》一書中就曾把他自己確認(rèn)為可信的33種元素分為金屬、非金屬、氣體和土質(zhì)4大類[10]。19世紀(jì)60年代，邁爾和門捷列夫等人分別發(fā)現(xiàn)了化學(xué)元素周期律，把各種化學(xué)元素構(gòu)造成一個(gè)互相聯(lián)系的整體。從此，人們認(rèn)識(shí)到化學(xué)元素是一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的完整系列，而不是孤立的、相互間沒有內(nèi)在聯(lián)系的。門捷列夫關(guān)于類鋁（鎵）、類硼（鈧）、類硅（鍺）的預(yù)言的證實(shí)，使化學(xué)元素的理論得到了普遍的承認(rèn)和贊譽(yù)。由于周期律的指導(dǎo)，化學(xué)家們對(duì)各種元素的聯(lián)系有了深入而系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，隨著化學(xué)科學(xué)研究的發(fā)展，元素周期表也不斷得到增補(bǔ)和修定。

1.4 元素觀和元素概念在微觀方向的繼續(xù)深入

從道爾頓到門捷列夫都認(rèn)為元素是不變的，原子是不可分的。19世紀(jì)末X射線、天然放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致人們認(rèn)識(shí)到原子是有其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的，原子不可分、元素永不變的觀念被突破，元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系被揭示。同位素的發(fā)現(xiàn)，沖破了近代科學(xué)的元素與原子等同的舊觀念，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，所謂化學(xué)元素不過是具有相同核電荷的一類原子的集合，它們的原子電子殼層結(jié)構(gòu)是相同的，因此表現(xiàn)出相同的化學(xué)行為，在周期表中占有同一位置。元素概念從此建立在現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，使當(dāng)年人們發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素周期表的4個(gè)突出矛盾：惰性氣體（零族元素）的位置問題；鉀-氬、鎳-鈷、碘-碲3組“元素倒置”問題，鑭系元素和錒系元素的排列問題以及原子量的小數(shù)問題都迎刃而解?，F(xiàn)代元素概念不但能用原子的結(jié)構(gòu)解釋元素的性質(zhì)，比以往的元素概念更豐富、更具體和深刻，更重要的是，它使人們深入到原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的層次來考察元素，認(rèn)識(shí)到元素是可以變化和發(fā)展的，不是彼此獨(dú)立無關(guān)不能互相轉(zhuǎn)化的（例如，1932年，約里奧居里夫婦用Po的α粒子轟擊B、Mg、Al等，發(fā)現(xiàn)人工放射性，開始利用人工核反應(yīng)制備放射性元素，實(shí)現(xiàn)元素間的轉(zhuǎn)變），導(dǎo)致元素概念發(fā)展為更深層次、更加準(zhǔn)確的核素概念。核素是元素（同位素）概念的進(jìn)一步演變，反映了人類從原子系統(tǒng)向核層次的深入認(rèn)識(shí)。自此，元素概念開始由化學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到物理學(xué)領(lǐng)域[11]。

20世紀(jì)30年代后半期，當(dāng)時(shí)周期表中的“缺失元素”锝終于通過人工核反應(yīng)制得，隨后人們又制得了一系列在自然界不存在的人造元素（準(zhǔn)確的說法是“人造核素”）。在對(duì)人造元素的研究中，人們發(fā)現(xiàn)了同核異能態(tài)現(xiàn)象：具有相同質(zhì)子數(shù)和相同中子數(shù)的“相同原子核”卻具有不同的衰變方式及半衰期，其能量也不同。這跟“同分異構(gòu)現(xiàn)象”頗相似，好比是原子核這個(gè)層次的“同分異構(gòu)現(xiàn)象”，只不過這里的“同分”是指質(zhì)子和中子的數(shù)目相同，“異構(gòu)”是指核子構(gòu)成原子核的結(jié)合方式不同。而且，不僅人造原子核有異能態(tài)，天然原子核也有異能態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，己知有異能態(tài)的原子核超過300種。顯然，現(xiàn)代同位素概念和核素概念都不能概括復(fù)雜的同核異能態(tài)現(xiàn)象了。同核異能現(xiàn)象表明，需要對(duì)舊的概念作新的發(fā)展，需要用新的概念來概括。至于人造異常原子和人造反原子核，用人造元素概念就更難概括了[12]。

1.5 元素觀和元素概念在宏觀方向的拓展

在發(fā)現(xiàn)了許多化學(xué)元素，進(jìn)而編制了反映化學(xué)元素周期律的周期表，以及發(fā)現(xiàn)通過核反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)元素間的轉(zhuǎn)化之后，人們很自然地會(huì)產(chǎn)生疑惑：地球上乃至宇宙間的化學(xué)元素是從哪里來的？地球上乃至宇宙間的元素是同時(shí)產(chǎn)生的還是循序產(chǎn)生的？這兩個(gè)問題涉及元素的起源問題和元素的演化問題。

根據(jù)大爆炸宇宙模型，宇宙早期（宇宙年齡在100秒左右）是各種輕元素的形成時(shí)期，此時(shí)宇宙間的質(zhì)子和中子逐步結(jié)合成4He、D、7Li等原子核，所以宇宙早期也稱為核合成時(shí)期。到了宇宙近期（宇宙年齡十萬年以后），元素主要在后來形成的恒星中通過核反應(yīng)演化，由于引力收縮作用體積縮小，溫度逐步升高，恒星內(nèi)部先后發(fā)生氫核燃燒（4個(gè)氫核聚變成一個(gè)氦核）、氦核燃燒（3個(gè)4He聚變成一個(gè)12C，2個(gè)4He聚變成一個(gè)8Be），隨后又發(fā)生碳、氧核燃燒（聚變成20Ne、23Na、 24Mg、32S、31P、28Si等更重的元素，這些反應(yīng)中釋放的高能α粒子進(jìn)而使24Mg生成28Si，32S生成36Ar，36Ar生成40Ca等等），硅核燃燒（28Si發(fā)生聚變，生成56Ni等等），鐵核分解（導(dǎo)致超新星爆發(fā)，發(fā)生連續(xù)俘獲中子反應(yīng)，生成鈾、釷等重核）等等（這些過程有的已經(jīng)獲得元素豐度和實(shí)驗(yàn)等事實(shí)的支持，有的還只是設(shè)想，有待實(shí)驗(yàn)的證明）?？茖W(xué)家們還設(shè)想了其他許多核反應(yīng)過程，可以說明周期表中已知元素和目前尚未合成的超重元素的產(chǎn)生，說明元素和同位素的豐度曲線。在化學(xué)元素的起源和演化問題上，目前還有許多不清楚的地方，需要進(jìn)一步進(jìn)行探索和研究。

原先人們認(rèn)為元素是不變的、是不可轉(zhuǎn)變的，如今人們不僅認(rèn)為元素是可變的、可以轉(zhuǎn)化的，而且認(rèn)為元素也像其他事物一樣，有其自身的起源和演化歷史。這個(gè)事實(shí)說明，隨著科學(xué)的發(fā)展，靜止的、僵化的形而上學(xué)觀點(diǎn)必然要被變化的、發(fā)展的辯證法觀點(diǎn)所代替[13]。

元素的演化經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由無序到有序的漫長(zhǎng)過程。但元素的演化不是單調(diào)的，復(fù)雜元素還可以通過α衰變、β+衰變等過程使其有序性、復(fù)雜性降低，放射性原子的蛻變就是有力的證明。如果把元素由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由無序到有序的演化過程稱為“元素進(jìn)化”的話，它還有一個(gè)相反的過程，即由復(fù)雜到簡(jiǎn)單、由高有序性到低有序性的“元素退化”。這兩個(gè)相反的過程在一定的條件下達(dá)到平衡，所以元素周期表中的元素有所限制，不會(huì)無限增多。而且，在元素周期表中原子的穩(wěn)定性變化是有起有伏的，不是單調(diào)地向一個(gè)方向變化，有所謂“穩(wěn)定島”現(xiàn)象?；瘜W(xué)元素的演化也體現(xiàn)著簡(jiǎn)單與復(fù)雜、有序與無序的辯證運(yùn)動(dòng)與相互轉(zhuǎn)化。

2 化學(xué)元素觀和元素概念演變史的啟示

弗朗西斯·培根說過：“讀史使人明智?！痹诹私饣瘜W(xué)元素觀和元素概念演變歷史后，能得到哪些啟示？筆者認(rèn)為主要是：

（1）從元素只是一個(gè)宏觀概念，到元素概念與原子聯(lián)系起來，再到元素概念與原子結(jié)構(gòu)、原子核結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來；從脫離實(shí)體的、玄虛、神秘、原始、混沌的元素概念到明確“物質(zhì)化學(xué)分解所達(dá)到的終點(diǎn)”，再到“相同種類的原子”、“核電荷數(shù)相同的一類原子”；從波義耳的元素概念到原子分子論元素概念，再到核素概念；從元素是不變的、不可轉(zhuǎn)化的，到元素是可變的、可以轉(zhuǎn)化的，再到元素有其起源、演化過程，人類逐步揭開了元素的神秘面紗，比較清晰地認(rèn)識(shí)了元素概念本體。

（2）人們研究元素，本意是弄清萬物構(gòu)成的基本要素、基本成分或者基礎(chǔ)物質(zhì)、本原，然而結(jié)果是：發(fā)現(xiàn)元素只在一定層次上是“基本”的。這些層次分別是宏觀水平、原子水平、原子結(jié)構(gòu)水平和原子核水平等，它們對(duì)應(yīng)著不同水平的物質(zhì)系統(tǒng)層次。因而可以認(rèn)為，不同層次意義的元素只是該物質(zhì)系統(tǒng)層次上的基本要素、基本成分或者基礎(chǔ)物質(zhì)；其基本性是相對(duì)的，不是絕對(duì)的。換句話說，元素只是在一定層次上才是構(gòu)成物質(zhì)的基本要素、基本成分或者基礎(chǔ)物質(zhì)，它不是絕對(duì)的基礎(chǔ)物質(zhì)和本原；對(duì)元素的認(rèn)識(shí)有著不同的層次。

（3）化學(xué)元素觀和元素概念只有實(shí)體化、微觀化，運(yùn)用科學(xué)理性和實(shí)驗(yàn)來研究，擺脫玄虛的思辨之后才真正進(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域，成為科學(xué)概念。隨著元素概念的發(fā)展，化學(xué)元素觀和元素概念的科學(xué)水平在逐步增強(qiáng)。

（4）人類對(duì)物質(zhì)的組成、對(duì)組成物質(zhì)的基本成分（即元素）的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展、深化的，不會(huì)一直停留在一個(gè)固定的水平上，不能一勞永逸地解決物質(zhì)組成方面的問題。固定、僵化的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的、有害的。

（5）元素觀的方法論意義主要在于：一方面，不同層次的元素概念總是跟相應(yīng)的、不同的研究方法聯(lián)系在一起，例如，波義耳的元素概念跟化學(xué)分解方法聯(lián)系在一起；原子結(jié)構(gòu)水平的元素概念（“核電荷數(shù)相同的一類原子”）跟原子結(jié)構(gòu)研究方法聯(lián)系在一起；核素則跟核反應(yīng)方法聯(lián)系在一起。這些方法有著共同的特質(zhì)——以分析思維為核心，然而這種分析思維不是簡(jiǎn)單的、絕對(duì)的、孤立的，它們包含著綜合。例如，原子結(jié)構(gòu)水平的元素概念綜合了核內(nèi)含有不同中子數(shù)的同位素，核素綜合了不同的同核異能態(tài)。因而這種分析思維是滲透著綜合的分析思維，或者說，是綜合指導(dǎo)下的分析思維。另一方面，元素跟“基本成分”對(duì)應(yīng)，已經(jīng)作為一種思想方法廣泛應(yīng)用、遷移和滲透于包括社會(huì)科學(xué)在內(nèi)的其他學(xué)科以及包括日常生活領(lǐng)域在內(nèi)的幾乎一切領(lǐng)域，例如，“文化元素”、“現(xiàn)代元素”、“結(jié)構(gòu)元素”、“地域元素”……已經(jīng)成為耳熟能詳?shù)脑~匯。

（6）只有不但了解元素概念的定義，而且了解元素概念的發(fā)展和思想方法，了解足夠多的具體元素，了解以元素周期律為代表的元素的有關(guān)規(guī)律，并能應(yīng)用于對(duì)元素的研究……才能確定化學(xué)元素觀形成。換句話說，僅僅知道元素概念的定義只是形成元素觀的開始，絕不是元素觀教和學(xué)的結(jié)束。

3 對(duì)于化學(xué)元素觀教學(xué)的思考

學(xué)生為什么要學(xué)習(xí)化學(xué)元素觀？要學(xué)習(xí)哪些具體內(nèi)容？怎樣才算學(xué)得好？怎樣才能學(xué)習(xí)好？這是化學(xué)元素觀教學(xué)必須認(rèn)真思考、弄清楚的幾個(gè)重要和基本的問題。

3.1 化學(xué)元素觀的教學(xué)意義與定位

一般地說，化學(xué)元素觀概括著對(duì)元素的基本認(rèn)識(shí)，隱含著學(xué)習(xí)元素知識(shí)的基本框架，可以指導(dǎo)元素知識(shí)順利和有效地學(xué)習(xí)，有利于元素理論的建構(gòu)，有利于掌握有關(guān)的研究方法，引領(lǐng)有關(guān)的科學(xué)活動(dòng)，提升思維品質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)[14]。

特殊地說，化學(xué)的基本問題是物質(zhì)的組成問題、結(jié)構(gòu)問題和反應(yīng)問題[15]。解決組成問題是解決結(jié)構(gòu)問題和反應(yīng)問題的前提，組成問題的解決應(yīng)該先于結(jié)構(gòu)問題和反應(yīng)問題，跟物質(zhì)組成問題密切關(guān)聯(lián)的化學(xué)元素觀自然是化學(xué)科學(xué)的基本觀念。恩格斯指出：“波義耳把化學(xué)確立為科學(xué)”[16]，彰顯了波義耳為化學(xué)元素概念做出科學(xué)定義的重要意義。作為化學(xué)科學(xué)的基本觀念和概念，化學(xué)元素觀和化學(xué)元素概念對(duì)于中學(xué)化學(xué)的重要性是不言而喻的，中學(xué)化學(xué)教學(xué)應(yīng)該重視讓學(xué)生理解和掌握化學(xué)元素觀和化學(xué)元素概念，這是無疑的。

然而，化學(xué)元素觀和化學(xué)元素概念在化學(xué)課程中如何定位？它們與化學(xué)課程整體是何關(guān)系？化學(xué)元素觀始終是中學(xué)化學(xué)的核心觀念嗎？它能對(duì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)始終起統(tǒng)領(lǐng)作用嗎？在近代化學(xué)形成時(shí)期，化學(xué)家們著重研究的是物質(zhì)的性質(zhì)和組成；在近代化學(xué)發(fā)展時(shí)期，化學(xué)家們從研究物質(zhì)的組成過渡到研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，進(jìn)而研究化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律性；在現(xiàn)代化學(xué)時(shí)期，化學(xué)家們已經(jīng)深入到原子、分子內(nèi)部研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，物質(zhì)的組成已不是化學(xué)的核心問題[17]。歷史和邏輯是統(tǒng)一的。筆者認(rèn)為，在學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的不同階段有不同的核心問題，最先是物質(zhì)組成問題，然后逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)結(jié)構(gòu)問題和化學(xué)反應(yīng)問題。從總體上看，中學(xué)化學(xué)中的核心觀點(diǎn)不會(huì)只有一個(gè)，在不同學(xué)習(xí)階段會(huì)有不同的核心觀念。在學(xué)習(xí)比較復(fù)雜的化合物時(shí)，化學(xué)元素觀已難以發(fā)揮很大的作用。此外，由于觀念的建構(gòu)需要足夠的事實(shí)材料，要在有關(guān)事實(shí)材料的學(xué)習(xí)之后進(jìn)行，化學(xué)元素觀的學(xué)習(xí)未必要領(lǐng)先。

3.2 化學(xué)元素觀的教學(xué)內(nèi)容

化學(xué)元素概念是化學(xué)元素觀的核心概念，它自然應(yīng)該是化學(xué)元素觀的重要成分，但需要妥善地確定在什么層次上界定并且通過什么樣的路徑建構(gòu)，需要用適合中學(xué)生（特別是初中生）的語言來表述，需要注意它跟物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)的關(guān)聯(lián)、與物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)知識(shí)的關(guān)聯(lián)，最終使中學(xué)生形成：

3.2.1 關(guān)于元素以及物質(zhì)的元素組成的基本事實(shí)知識(shí)

（1）元素是具有相同核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)相同）的一類原子的總稱。

（2）物質(zhì)是由元素組成的，由同種元素也可以組成不同的物質(zhì)。

（3）物質(zhì)的元素組成包括種類、含量?jī)蓚€(gè)方面，可以用化學(xué)式方便地表示或計(jì)算。

（4）物質(zhì)的性質(zhì)與其組成元素有關(guān)，組成情況不同，物質(zhì)的性質(zhì)不同。

（5）物質(zhì)可以按照元素組成分為單質(zhì)和化合物兩大類，還可以根據(jù)特定組成元素劃分出特殊的化合物類型。

（6）可以根據(jù)某些特點(diǎn)對(duì)元素進(jìn)行分類，各類元素中既有共性也有個(gè)性。

（7）化學(xué)分解和原子核電荷數(shù)的考察都是確定元素（單質(zhì)）的基本方法。

3.2.2 元素與物質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系的觀念

（1）能應(yīng)用元素性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)關(guān)系的規(guī)律解釋有關(guān)現(xiàn)象。

（2）能應(yīng)用元素性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)關(guān)系的規(guī)律解決有關(guān)問題。

3.2.3 元素與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的觀念

（1）能應(yīng)用“化學(xué)反應(yīng)中元素原子重新組合生成新物質(zhì)，元素種類不變”這一規(guī)律解釋、解決有關(guān)問題。

（2）元素價(jià)態(tài)的變化涉及氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)。

（3）能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變，通過實(shí)驗(yàn)確定物質(zhì)的元素組成。

3.2.4 了解重要元素的知識(shí)

包括它們的結(jié)構(gòu)、位置、性質(zhì)（反應(yīng)）和特點(diǎn)等等，并應(yīng)用化學(xué)元素觀解釋、解決有關(guān)的問題，等等。

3.3 化學(xué)元素觀的教學(xué)策略

筆者認(rèn)為，在中學(xué)階段，化學(xué)元素觀的教學(xué)應(yīng)注意采用下列策略：

3.3.1 利用生活經(jīng)驗(yàn)，引發(fā)對(duì)物質(zhì)組成的關(guān)注

初中學(xué)生的抽象思維能力不是太強(qiáng)，剛開始學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)對(duì)“同一類原子總稱為元素”頗感費(fèi)解，對(duì)“具有相同核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)相同）的一類原子總稱為元素”的理解就更覺困難了。對(duì)此，利用他們的日常經(jīng)驗(yàn)，把他們很容易理解的“基本成分”作為學(xué)習(xí)元素概念的“圖式”，用“基本成分”先對(duì)元素概念做初步解釋，以后再深化認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)的難度就會(huì)下降。如果再結(jié)合由于材料成分不同而導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)迥異的種種生活經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)，還有可能使學(xué)習(xí)興趣大增。

目前，一些教材把元素概念放在“構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒”之后緊接著學(xué)習(xí)，淡化了對(duì)物質(zhì)組成問題和元素概念的關(guān)注及意義領(lǐng)悟，也容易造成原子、分子、元素等概念集中出現(xiàn)而導(dǎo)致混淆，這對(duì)化學(xué)元素概念和化學(xué)元素觀的學(xué)習(xí)是不利的。

3.3.2 打好形成化學(xué)元素觀的概念基礎(chǔ)

元素概念是化學(xué)元素觀的核心概念。沒有清晰、深刻的元素概念，就不可能形成科學(xué)的化學(xué)元素觀。但是，學(xué)生的化學(xué)元素觀的形成還需要物質(zhì)、性質(zhì)、原子、單質(zhì)、化合物、分解反應(yīng)等概念的支持。在教學(xué)中，要有計(jì)劃地幫助學(xué)生準(zhǔn)備好這些概念，打好形成化學(xué)元素觀的概念基礎(chǔ)。

3.3.3 逐步充實(shí)，逐步強(qiáng)化，不急于求成

化學(xué)元素觀與化學(xué)元素概念不是一回事，化學(xué)元素觀的形成要晚于化學(xué)元素概念，它們不應(yīng)該同步形成。由于化學(xué)元素觀的基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念是分散安排的，化學(xué)元素觀的形成應(yīng)該是逐步充實(shí)，逐步強(qiáng)化的，切忌急于求成，一步到位。

3.3.4 注意開發(fā)利用化學(xué)史中的有關(guān)資源

化學(xué)發(fā)展史中蘊(yùn)藏著建構(gòu)化學(xué)元素觀的豐富資源，要注意開發(fā)、利用。

3.3.5 廣泛應(yīng)用，正誤對(duì)比，深化理解

怎樣才算學(xué)好了化學(xué)元素觀，關(guān)鍵在于能不能正確地應(yīng)用，包括用來解釋有關(guān)的現(xiàn)象、解決有關(guān)的問題。在教學(xué)中注意應(yīng)用化學(xué)元素觀來使元素知識(shí)結(jié)構(gòu)化并鞏固記憶，注意廣泛應(yīng)用化學(xué)元素觀來解決實(shí)際問題，注意通過比較來深化理解、強(qiáng)化體驗(yàn)、修正錯(cuò)誤，提升對(duì)化學(xué)元素觀的認(rèn)識(shí)，已被實(shí)踐證明是行之有效的辦法。注意在總結(jié)和推廣這些經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積極探索，改進(jìn)教學(xué)，就能促進(jìn)化學(xué)元素觀教學(xué)上升到新的水平。

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