品味元素周期律發(fā)現(xiàn)的樂趣提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

摘?要：元素周期表（律）是現(xiàn)代科學(xué)中最富成果的思想之一。本文通過高中化學(xué)教材中對元素周期律發(fā)現(xiàn)的化學(xué)史回顧，對新課程改革中化學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成做出了一些思考。

關(guān)鍵詞：元素周期律;元素周期表;學(xué)科核心素養(yǎng);化學(xué)史教學(xué)

高中化學(xué)教學(xué)的基本理念是立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來發(fā)展的需要，充分發(fā)揮化學(xué)課程的整體育人功能，構(gòu)建全面發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)課程目標體系。結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢，引導(dǎo)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念;引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類面臨的與化學(xué)有關(guān)的社會問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責任感、參與意識和決策能力。

一、 問題提出的背景

元素周期表（律）是現(xiàn)代科學(xué)中最富成果的思想之一。1869年被認為是Dmitri Mendeleev（德米特里·門捷列夫）發(fā)明元素周期表的一年。150年來，隨著研究的深入，元素周期表更加成熟，至今仍然保持著最廣泛、最持久、最深入的影響。為了紀念元素周期表誕生150周年，聯(lián)合國大會宣布2019年是“國際化學(xué)元素周期表年”。

150年來圍繞著元素周期律發(fā)明的科學(xué)歷程，無不體現(xiàn)著包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責任”這五個方面的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。高中化學(xué)教師應(yīng)當在化學(xué)教材編寫的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際教學(xué)需要和教學(xué)思路充分利用這些鮮活的化學(xué)史內(nèi)容，積極推進高中化學(xué)核心素養(yǎng)的落地教學(xué)。

二、 關(guān)于知識講述方式的思考

人教版（2019版）元素周期表（律）的知識講述偏重于知識點本身，通過已知圖表的形式讓學(xué)生歸納總結(jié)并發(fā)現(xiàn)規(guī)律。在教材中間的“科學(xué)史話”專欄給出了“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”和“元素周期表的發(fā)展”兩部分閱讀材料作為補充。在“證據(jù)推理與模型認知”和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”這兩點上做了很好的平衡。但是在人類的化學(xué)發(fā)展史上，究竟是如何在紛繁蕪雜的各種元素之間建立聯(lián)系呢？教師可以以元素周期表的發(fā)展史為主線索，從德國化學(xué)家德貝萊納的“三素組”學(xué)說，到法國地質(zhì)學(xué)家尚古多提出的螺旋圖分類，再到英國化學(xué)家紐蘭茲的“八音律表”，最后到俄國化學(xué)家門捷列夫排出元素周期表，講述每一個學(xué)說的來龍去脈、先進性和局限性，以及科學(xué)家面對難題的困擾和采取的對策。將簡單的知識講述轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦拥奶剿靼l(fā)現(xiàn)歷程，帶著學(xué)生共同品味元素周期律發(fā)明的樂趣。理論研究和實際應(yīng)用互相促進?！皹?gòu)、位、性”的和諧統(tǒng)一推動了元素周期表的應(yīng)用。這實際是與“科學(xué)態(tài)度與社會責任”緊密聯(lián)系的。不過可能由于受篇幅的限制，人教版介紹的比較簡略。教師可以根據(jù)課時安排，增加更多STEM（科學(xué)Science、技術(shù)Technology、工程Engineering、數(shù)學(xué)Mathematics）的內(nèi)容。

三、 關(guān)于探索方式的思考

我們的化學(xué)教學(xué)倡導(dǎo)真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動。分別用實驗探究第三周期元素鈉、鎂、鋁金屬性的強弱，用列表格羅列事實的形式比較硅、磷、硫、氯非金屬性的差異。既有感性的實驗事實，又有理性的原子結(jié)構(gòu)的分析，在“證據(jù)推理與模型認知”上達到了很好的效果。在此基礎(chǔ)上，教師還可以創(chuàng)造一些迷你實驗小問題：如預(yù)測神秘元素的性質(zhì)。按照元素符號、密度、熔點、原子半徑的順序，提供了一些反映周邊元素性質(zhì)的數(shù)據(jù)，通過計算周邊四種元素對應(yīng)參數(shù)的平均值，來預(yù)測未知元素A、B的密度、熔點和原子半徑。這是一個真實的體驗：門捷列夫就是在此基礎(chǔ)上預(yù)言了21號（類硼）、31號（類鋁）和32號（類硅）元素的物理和化學(xué)性質(zhì)。讓學(xué)生模仿早期科學(xué)家的探究活動，通過這一活動拉近學(xué)生與科學(xué)家的距離，讓學(xué)生嘗試沿著科學(xué)家的足跡去感受發(fā)現(xiàn)的過程，更好的理解“結(jié)構(gòu)、位置、性質(zhì)”三者關(guān)系的統(tǒng)一。這是一種非常好的探索方式。

四、 關(guān)于科學(xué)精神的思考

任何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都不是一帆風順的，我們需要進行挫折教育和科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神的培養(yǎng)。元素周期表的發(fā)明同樣經(jīng)歷過嚴峻的挑戰(zhàn)和考驗。1894～1898年間惰性氣體Ar、Kr、Ne、Xe被相繼發(fā)現(xiàn)。1900年又從放射性礦物中鑒別出鐳射氣——Rn，這都使門捷列夫的元素周期律理論受到了嚴峻的挑戰(zhàn)。因為周期表上找不到他們的位置。門捷列夫以其睿智，巧妙地提出在周期表里可以再增添一個“零族”，從而進一步改善了周期表，也構(gòu)成了一次新的認識飛躍，使周期律理論得到了鞏固。在周期律的指導(dǎo)和啟迪下尋找新元素的工作克服了盲目性，增加了自覺性。

在現(xiàn)代元素周期表中，決定元素排列順序的究竟是相對原子質(zhì)量還是核電荷數(shù)這個問題，人教版的介紹很簡略。人教版（2019版）在“科學(xué)史話”中提到“1913年，英國物理學(xué)家莫塞萊發(fā)現(xiàn)并證明了周期表中元素的原子序數(shù)等于原子的核電荷數(shù)”這樣一句話。事實上，1913年英國青年科學(xué)家莫斯萊測定了每種元素的核電荷數(shù)，得出了周期表中元素的排列次序是“核電荷數(shù)”這一著名結(jié)論（莫斯萊定律）。這是一個偉大的發(fā)現(xiàn)，在理論和實驗方面都有著深遠的意義。這就解釋了為什么在元素周期表中鉀和氬、鈷和鎳、碲和碘等處，相對原子質(zhì)量大的反而排在相對原子質(zhì)量小的元素之前的倒置的現(xiàn)象。

五、 關(guān)于科學(xué)本質(zhì)認識的思考

科學(xué)的本質(zhì)是真理體系，是認識世界的實踐方法，是積累、批判和創(chuàng)新。學(xué)生對科學(xué)概念的掌握依賴于對科學(xué)本質(zhì)的認識。在教學(xué)中除了開展科學(xué)探究活動之外，融入科學(xué)史也是一種行之有效的途徑。它不僅可以幫助學(xué)生了解元素周期律的科學(xué)知識，更重要的是從周期律的發(fā)現(xiàn)過程中再現(xiàn)科學(xué)家的研究方法，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的諸多方面。從“三素組”學(xué)說，到螺旋圖分類，再到“八音律表”，最后到元素周期表，體現(xiàn)了科學(xué)的積累性;在關(guān)于元素性質(zhì)描述的眾多數(shù)據(jù)中，門捷列夫牢牢抓住了化學(xué)性質(zhì)與原子量這兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行研究，終于發(fā)明了元素周期律，體現(xiàn)了科學(xué)的創(chuàng)造性;從最初元素性質(zhì)隨原子量遞增呈現(xiàn)周期性變化到最終修正為元素性質(zhì)隨原子序數(shù)（核電荷數(shù)）遞增而呈周期性變化的規(guī)律，體現(xiàn)了科學(xué)的批判性。

將這段化學(xué)史融入教學(xué)中，學(xué)生們就不至于提到元素周期表就只知道門捷列夫。他們會更多的了解到門捷列夫之前的很多科學(xué)家所作出的貢獻。任何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都不是一蹴而就的，科學(xué)的發(fā)展是一個不斷積累、不斷批判和不斷創(chuàng)新的過程。新的觀察發(fā)現(xiàn)可能會對舊的理論提出挑戰(zhàn)，在批判的過程中創(chuàng)立新的理論。

六、 關(guān)于教學(xué)的一點反思

教師要不斷學(xué)習(xí)，這樣教學(xué)才能與時俱進。2016年IUPAC（國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會）核準并發(fā)布4種最新人造元素（113，115，117和118）的英文名稱和元素符號。緊接著，2017年全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會正式確定了這四種元素的中文名稱。至此，第七周期元素已經(jīng)排滿。教師千萬不能再提人教版（2007版）當中的“不完全周期”的概念。

也許是因為編排時間較早，高中化學(xué)教材中缺少最新的科學(xué)研究成果、缺少科學(xué)視野的前瞻性。教材中元素周期表（律）的基本教學(xué)知識內(nèi)容，大多數(shù)是19世紀中葉至20世紀初的人類研究的文明成果，僅限于介紹元素周期表（律）的早期探索?？茖W(xué)的發(fā)展日新月異，教師要密切關(guān)注最新的發(fā)展動態(tài)，努力將最前沿的發(fā)展介紹給學(xué)生。

教師可以向?qū)W生介紹元素周期表的三次重要拓展：“天然放射性元素”的發(fā)現(xiàn)、“人工放射性元素”（人造元素）的合成和“錒系后元素”（超重元素）的合成。在“天然放射性元素”的發(fā)現(xiàn)中介紹居里和居里夫人的探索故事等。雖然這三次重要的拓展都是物理學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果，但是學(xué)科沒有邊界，在這種跨學(xué)科的交流中彰顯“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)理念。

教師可以向?qū)W生介紹“超重元素穩(wěn)定島”的預(yù)言以及元素周期表的邊界問題的探討。如果“核電荷達到足夠強大，將會出現(xiàn)最內(nèi)層的K層電子被原子核俘獲，引起整個電子層結(jié)構(gòu)的崩潰，這樣具有更高Z的原子就不復(fù)存在?！边@樣的討論既介紹了前沿科學(xué)讓學(xué)生耳目一新，又聯(lián)系了原子核對核外電子具有吸引力引起的原子半徑大小問題、得失電子的難易程度等諸多高中化學(xué)中學(xué)生已經(jīng)熟悉的討論。但是，微觀世界的實際情況要更加復(fù)雜，經(jīng)典的牛頓力學(xué)已經(jīng)不適用，必須用現(xiàn)代的量子力學(xué)理論才能解釋清楚。雖然教學(xué)中教師只是寥寥數(shù)語，但量變引起質(zhì)變、“科學(xué)態(tài)度與社會責任”卻給學(xué)生打開了一扇通向未來的窗戶。

七、 結(jié)語

我們的教學(xué)一直在不斷的改革，其目的在于不斷適應(yīng)新的教育理念、新的形勢發(fā)展的需要?；瘜W(xué)史蘊含著豐富的關(guān)于科學(xué)方法、科學(xué)本質(zhì)的廣泛深刻的教育意義，但中學(xué)化學(xué)教學(xué)既不是專業(yè)全面的化學(xué)史課程，也不是浮光掠影的科普節(jié)目，它追求的是一種不斷追求的科學(xué)精神，是撥開認知迷霧、打破思維禁錮的不斷否定又創(chuàng)新的意識。我們不僅要把科學(xué)的歷史性和文化性整合在知識體系中，更要關(guān)注學(xué)生對科學(xué)的理解。科學(xué)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷有的可以在課堂上重復(fù)再現(xiàn)，那么多的科學(xué)人物和事件也不一定能夠完全記住，但是我們終將在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)體系中應(yīng)有的思想觀念、提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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作者簡介：黃謙，江蘇省南京市，南京師范大學(xué)附屬揚子中學(xué)。