三版高中化學(xué)教科書中“元素周期律”模型建構(gòu)比較研究

劉巖 季春陽

摘要： 元素周期律對(duì)元素及其化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)具有重要的指導(dǎo)作用。以三版高中化學(xué)教科書（人教版、魯科版、蘇教版）為載體，從模型位置、模型建構(gòu)思路、模型建構(gòu)方法、模型示例圖四個(gè)方面探究元素周期律的模型建構(gòu)過程，探索“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)在元素周期律中的培養(yǎng)方法，為一線教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)元素周期律模型以及培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)教科書; 元素周期律; 模型建構(gòu)

文章編號(hào)： 10056629（2022）02003006

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）提出了五維學(xué)科核心素養(yǎng)，其中“模型認(rèn)知”為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要維度，并將其表述為： 知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[1]。簡(jiǎn)而言之，在教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)化學(xué)模型并不斷理解、應(yīng)用模型的能力。

元素周期律作為高中化學(xué)學(xué)習(xí)中重要而又基礎(chǔ)的核心概念，對(duì)學(xué)生的元素觀、微粒觀及周期性的認(rèn)識(shí)方式起到核心聯(lián)結(jié)和整合作用。元素周期律知識(shí)和基本能力的核心是“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”（以下簡(jiǎn)稱“位—構(gòu)—性”）的系統(tǒng)框架，而“位—構(gòu)—性”三者的關(guān)系框架是元素周期律的模型化表達(dá)。通過建構(gòu)“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型，學(xué)生將知識(shí)體系中零散、繁亂的元素知識(shí)結(jié)構(gòu)化，是促進(jìn)知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的重要工具。元素周期律模型的有效建構(gòu)需要教師充分解讀課程標(biāo)準(zhǔn)和二次開發(fā)教科書，有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行元素知識(shí)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“位—構(gòu)—性”模型以促進(jìn)對(duì)元素知識(shí)的階段性認(rèn)識(shí)發(fā)展。通過對(duì)比分析人教版、魯科版、蘇教版三版高中化學(xué)教科書（以下簡(jiǎn)稱三版教科書）中元素周期律模型建構(gòu)過程的共同之處和差異所在，以期為教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“位—構(gòu)—性”模型和培養(yǎng)“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)提供參考。

2 三版教科書中元素周期律模型建構(gòu)比較研究

基于元素周期律模型建構(gòu)的教學(xué)價(jià)值與意義，從三版教科書中存在明顯差異的四個(gè)角度即模型位置、模型建構(gòu)思路、模型建構(gòu)方法、模型示例圖對(duì)比分析元素周期律的模型建構(gòu)過程，具體分析如下。

2.1 元素周期律模型建構(gòu)的位置分析

三版教科書中元素周期律模型建構(gòu)所處的位置存在差異，其中人教版與蘇教版所處位置類似（如圖1、圖2所示）。兩版教科書在元素周期律前后都有以“單章”的形式學(xué)習(xí)元素知識(shí)，體現(xiàn)著“典型→理論→非典型”的編寫特點(diǎn)。這既有利于元素知識(shí)的掌握，也有利于元素知識(shí)的分散記憶。而魯科版則是將課程標(biāo)準(zhǔn)中要求掌握的主要元素內(nèi)容集中編排在元素周期律模型建構(gòu)之前（如圖3所示）。

由圖1、圖2可知，人教版與蘇教版位置編排上雖整體相似，但也存在差異性。人教版在學(xué)習(xí)元素周期律前，編排了主族典型元素鈉和氯作為研究對(duì)象，幫助學(xué)生掌握研究物質(zhì)的一般思路和方法;接著通過對(duì)副族典型元素鐵及其化合物的學(xué)習(xí)，初步形成“價(jià)—類”認(rèn)識(shí)元素性質(zhì)的方法。在學(xué)生已有元素知識(shí)的基礎(chǔ)上建構(gòu)元素周期律模型，后續(xù)章節(jié)中學(xué)生將完成對(duì)非金屬硫、氮等元素知識(shí)的學(xué)習(xí)，教材中以明確的文字信息提醒學(xué)生從“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”認(rèn)識(shí)新元素，加深對(duì)“位—構(gòu)—性”模型的理解與應(yīng)用。蘇教版在建構(gòu)元素周期律模型前，也編排了鈉、氯元素知識(shí)的學(xué)習(xí)，接著通過對(duì)硫及其化合物的學(xué)習(xí)，探索元素的性質(zhì)以及同一元素不同化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系，為元素周期律模型的建構(gòu)奠定“轉(zhuǎn)化”思想。在元素周期律的后續(xù)章節(jié)中將學(xué)習(xí)氮、鐵及其化合物，在編排此部分內(nèi)容時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)“位—構(gòu)—性”模型的理解與應(yīng)用，但教材中未體現(xiàn)從“位置”的角度認(rèn)識(shí)新元素。

由圖3可知，魯科版對(duì)元素知識(shí)的編排順序如下：

通過對(duì)鈉、氯及其化合物的學(xué)習(xí)，鞏固和發(fā)展具體物質(zhì)類比的認(rèn)識(shí)方式;通過集中編排鐵、硫、氮及其化合物，促進(jìn)學(xué)生形成“價(jià)—類”二維認(rèn)識(shí)方式[2]。在此基礎(chǔ)上建構(gòu)元素周期律模型，促進(jìn)學(xué)生形成“位—構(gòu)—性”三維認(rèn)識(shí)方式，實(shí)現(xiàn)從“價(jià)—類”二維認(rèn)識(shí)到“位—構(gòu)—性”三維認(rèn)識(shí)的進(jìn)階，建構(gòu)完整的元素知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

2.2 元素周期律模型建構(gòu)的思路分析

由圖1、圖2、圖3所呈現(xiàn)的邏輯思路可知三版教科書建構(gòu)與應(yīng)用“位—構(gòu)—性”模型的思路存在差異。其中人教版的整體思路為： 原子結(jié)構(gòu)→探究原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系（探究同主族即堿金屬、鹵族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律）→探究核外電子排布、原子半徑、化合價(jià)的變化規(guī)律→以第三周期元素為例探究元素金屬性、非金屬性的遞變規(guī)律→元素周期律→應(yīng)用“位—構(gòu)—性”關(guān)系（發(fā)現(xiàn)新元素，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）。

蘇教版的整體思路為： 原子結(jié)構(gòu)→探究核外電子排布、原子半徑、化合價(jià)的變化規(guī)律→以第三周期元素為例探究元素金屬性、非金屬性的遞變規(guī)律→元素周期律→應(yīng)用“位—構(gòu)—性”關(guān)系（探究同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律、尋找新材料）。

魯科版的整體思路為： 原子結(jié)構(gòu)→探究原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系（比較鈉、鎂、鉀元素原子的失電子能力）→探究核外電子排布、原子半徑、化合價(jià)的遞變規(guī)律→元素周期律→應(yīng)用“位—構(gòu)—性”關(guān)系（探究同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律、預(yù)測(cè)元素及其化合物性質(zhì)）。

通過上述梳理發(fā)現(xiàn)，三版教科書中模型建構(gòu)思路的主要差異點(diǎn)集中在探究同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律上，而這也是解決模型中所涉及的“結(jié)構(gòu)”與“性質(zhì)”關(guān)系這一難點(diǎn)的關(guān)鍵。人教版和蘇教版將探究同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律采取了分散處理，如人教版通過認(rèn)識(shí)同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，初步探究“結(jié)構(gòu)”與“性質(zhì)”的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建構(gòu)元素周期律模型，應(yīng)用這種關(guān)系和分析解決問題的思路，建立同周期元素性質(zhì)遞變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，由此向?qū)W生講述該規(guī)律同樣適用于其他周期、其他主族元素，這符合從個(gè)別到一般的認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律。而魯科版則是在元素周期律后集中編排了探究同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，將難點(diǎn)集中處理，但在元素周期律的上一節(jié)“原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)”中，通過比較鈉、鎂、鉀失電子能力的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，幫助學(xué)生初步建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的問題解決模型，該探究活動(dòng)僅在魯科版教科書中出現(xiàn)。

2.3 元素周期律模型建構(gòu)的方法分析

三版教科書在建構(gòu)元素周期律模型時(shí)通過引入一些“方法導(dǎo)引”，如“變量關(guān)系法”“預(yù)測(cè)法”以幫助學(xué)生更有效地建構(gòu)“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型，下面是三版教科書中方法引入的具體分析。

2.3.1 “變量關(guān)系法”的引入

三版教科書在建構(gòu)“位—構(gòu)—性”模型時(shí)，均以1～18號(hào)元素為例探究元素位置（原子序數(shù)）、原子結(jié)構(gòu)（原子核外電子排布）、元素性質(zhì)（元素化合價(jià)、原子半徑）的關(guān)系。人教版是通過表格的形式填寫前三周期原子序數(shù)、最外層電子數(shù)、原子半徑變化以及主要化合價(jià)的變化過程，思考并討論后得出結(jié)論： 隨著原子序數(shù)的遞增，元素原子的核外電子排布、原子半徑和化合價(jià)都呈現(xiàn)周期性的變化，進(jìn)而得到元素周期律。

而魯科版和蘇教版都采用了“變量關(guān)系模型”的方法，即引導(dǎo)學(xué)生用折線圖或柱狀圖的形式表征“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”的關(guān)系，其中蘇教版將變量關(guān)系圖直接呈現(xiàn)在教材上，如以核電荷數(shù)為因變量、最外層電子數(shù)為自變量繪制折線圖（如圖4所示[3]），清晰明了地得出隨著元素核電荷數(shù)的遞增，原子最外層電子數(shù)呈現(xiàn)周期性變化，構(gòu)建“位置”與“結(jié)構(gòu)”的邏輯關(guān)系。而魯科版中雖然沒有給出直觀的變量關(guān)系坐標(biāo)圖，但通過“方法引導(dǎo)”的欄目提出“如何構(gòu)建變量關(guān)系模型”以幫助學(xué)生從變量關(guān)系的角度，借助柱狀圖或折線圖探究“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”之間的關(guān)系（如圖5所示[4]），具? 體地闡述了學(xué)生構(gòu)建變量關(guān)系的思路和方法。這種直觀的方式更容易在學(xué)生頭腦中建構(gòu)“位—構(gòu)—性”模型，同時(shí)可以提高學(xué)生對(duì)所收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理的能力以及培養(yǎng)學(xué)生將變量關(guān)系融入化學(xué)學(xué)習(xí)的思維。

2.3.2 “預(yù)測(cè)”方法的引入

對(duì)元素“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”三者的關(guān)系，從學(xué)科本原可進(jìn)一步概括出“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”這一化學(xué)學(xué)科的統(tǒng)攝性觀念[5]，在實(shí)際的教學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生雖然也知道“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，但對(duì)該觀念的理解僅停留在表面上，研究物質(zhì)性質(zhì)的方法基本只是借助于物質(zhì)分類和記憶，預(yù)測(cè)未知物依賴于事實(shí)或位置，忽視結(jié)構(gòu)[6]?！拔弧獦?gòu)—性”模型建構(gòu)的一個(gè)重要任務(wù)就是引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的問題解決模型，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從原子結(jié)構(gòu)入手分析、解釋元素的各種性質(zhì)呈周期性變化的原因。人教版在處理此難題時(shí)通過“方法導(dǎo)引”欄目引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“預(yù)測(cè)”的方法認(rèn)識(shí)“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”之間的關(guān)系（如圖6所示[7]），也就是將POE策略即“預(yù)測(cè)—觀察—解釋”（Predict-Observe-Explain）運(yùn)用到化學(xué)模型建構(gòu)中，這種策略要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前借助原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，并說明預(yù)測(cè)理由，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行解釋[8]。

三版教科書在探究金屬性和非金屬性的周期性變化以構(gòu)建“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的推理關(guān)系時(shí)，均以第三周期元素為例。其中人教版和魯科版在編排此部分內(nèi)容時(shí)皆采用了“預(yù)測(cè)”的方法，即引導(dǎo)學(xué)生用原子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)該周期元素金屬性和非金屬性的遞變規(guī)律;通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或科學(xué)事實(shí)論證，得到結(jié)論： 同周期，元素原子的金屬性逐漸減弱、非金屬性逐漸增強(qiáng);最后再次引導(dǎo)學(xué)生用原子結(jié)構(gòu)解釋金屬性、非金屬性遞變規(guī)律的原因，反復(fù)形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的推理關(guān)系。而蘇教版的設(shè)計(jì)思路是“實(shí)驗(yàn)探究（或事實(shí)論證）→結(jié)構(gòu)解釋”，沒有在探究前引導(dǎo)學(xué)生從“結(jié)構(gòu)”的角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4 構(gòu)建元素周期律模型的示例圖分析

三版教科書在編排元素周期律的知識(shí)內(nèi)容、欄目設(shè)置時(shí)都在有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”三者關(guān)系，其中魯科版、人教版在節(jié)末或章末的位置以直觀示例圖引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型，而蘇教版并未給出直觀的關(guān)系圖示。

魯科版在“元素周期律”這一節(jié)末尾處給出元素的“位—構(gòu)—性”模型示例圖[如圖7（a）[9]所示]，在“原子結(jié)構(gòu) 元素周期律”這一章末尾處給出元素的“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型、物質(zhì)的性質(zhì)模型以及二者之間關(guān)系的示例圖[如圖7（b）[10]所示]，模型示例圖的進(jìn)階性體現(xiàn)了學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的進(jìn)階性。人教版給出的模型示例圖較為簡(jiǎn)單[如圖8（a）[11]所示]，只有元素的“位—構(gòu)—性”模型，且模型中沒有給出三者之間的推理關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用該模型分析元素鉀的位置和結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)元素鉀的性質(zhì)[如圖8（b）[12]所示]，進(jìn)而形成“建構(gòu)模型到應(yīng)用模型”的學(xué)習(xí)過程。由此可見人教版、魯科版兩版教科書在不斷通過直觀的圖示設(shè)計(jì)和外顯化的語言有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)元素周期律模型，這有利于學(xué)生系統(tǒng)思維的發(fā)展和模型認(rèn)知素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3 教學(xué)建議

通過三版教科書中元素周期律模型建構(gòu)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，三版教科書都是通過知識(shí)內(nèi)容的層層遞進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型的。教師在教學(xué)中應(yīng)注意對(duì)教科書的二次開發(fā)，將元素周期律的模型建構(gòu)落在實(shí)處。

3.1 注重元素知識(shí)的連貫性

元素周期律作為一個(gè)綜合性、總結(jié)性、結(jié)構(gòu)性的概念，教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)突出元素周期律對(duì)元素知識(shí)的指導(dǎo)作用，形成建構(gòu)模型到應(yīng)用模型的連貫性教學(xué)思路。人教版和蘇教版將元素周期律的模型建構(gòu)穿插在元素之間，將元素知識(shí)分散處理，基于典型元素建構(gòu)“位—構(gòu)—性”模型，同時(shí)應(yīng)通過后續(xù)元素知識(shí)的學(xué)習(xí)加深對(duì)模型的理解與應(yīng)用。學(xué)生學(xué)習(xí)是一個(gè)連貫性的過程，教師在頭腦中要對(duì)所教的內(nèi)容有一個(gè)清晰的思路脈絡(luò)，在講授元素鈉、氯時(shí)該如何為元素周期律的模型建構(gòu)奠定基礎(chǔ)，在元素周期律的基礎(chǔ)上，教師講授后續(xù)元素時(shí)要如何引導(dǎo)學(xué)生理解和應(yīng)用模型。

使用魯科版教材的教師應(yīng)注意后續(xù)章節(jié)中不再涉及元素知識(shí)的學(xué)習(xí)，因此需要通過元素周期律的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)學(xué)生元素知識(shí)認(rèn)識(shí)方式的轉(zhuǎn)變即從“價(jià)—類”二維發(fā)展到“位—構(gòu)—性”三維系統(tǒng)認(rèn)識(shí)方式，并在后續(xù)復(fù)習(xí)中不斷加深對(duì)“位—構(gòu)—性”模型的理解。

3.2 適當(dāng)調(diào)整教學(xué)活動(dòng)

根據(jù)已有教學(xué)實(shí)踐研究表明“結(jié)構(gòu)”與“性質(zhì)”的關(guān)系是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，是認(rèn)識(shí)發(fā)展和模型建構(gòu)的關(guān)鍵，需要通過教學(xué)活動(dòng)幫助學(xué)生建立相對(duì)應(yīng)的問題解決模型，即“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”。三版教科書對(duì)此問題的解決總體上都是通過探究同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，人教版、蘇教版兩版教材將此部分內(nèi)容分散編排即分散了教學(xué)難點(diǎn)，逐漸建立認(rèn)識(shí)發(fā)展;魯科版則是采取集中處理，認(rèn)識(shí)結(jié)果更為系統(tǒng)。在教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況合理地調(diào)整教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)可根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生情況適當(dāng)進(jìn)行增添或刪減。

3.3 重視方法的使用

三版教科書中在構(gòu)建“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”三者關(guān)系時(shí)或外顯或內(nèi)隱地使用了一些方法策略。如“變量關(guān)系模型法”，在課堂上，由學(xué)生自主收集數(shù)據(jù)并將其變量關(guān)系化耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，但卻能讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”之間的關(guān)系，同時(shí)提高學(xué)生信息收集、加工、處理的能力，使用人教版教材的教師可以借鑒使用。

上述提到“結(jié)構(gòu)”與“性質(zhì)”的關(guān)系是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，“預(yù)測(cè)”方法的使用可有力地幫助學(xué)生解決這一難題。人教版在教材中更是以“方法導(dǎo)引”的欄目設(shè)計(jì)突出此方法的重要性和必要性，因此教師在教材開發(fā)時(shí)，要將“預(yù)測(cè)法”切實(shí)地應(yīng)用到性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)中以幫助學(xué)生反復(fù)認(rèn)識(shí)“結(jié)構(gòu)”與“性質(zhì)”的關(guān)系，因此建議在教學(xué)中，橫向?qū)Ρ热娼炭茣械姆椒☉?yīng)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使用更符合學(xué)生實(shí)際情況的方法突破教學(xué)難點(diǎn)。

3.4 引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“位—構(gòu)—性”模型圖

整章課程學(xué)習(xí)完畢后，學(xué)生已經(jīng)能夠意識(shí)到“位置”“結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)”存在著一定的邏輯關(guān)系，這時(shí)教師應(yīng)以教材中給出的模型示例圖為基礎(chǔ)，有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生梳理三者的關(guān)系，自主構(gòu)建“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型圖。如使用人教版教材的教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)元素的“位—構(gòu)—性”模型的基礎(chǔ)上延伸至物質(zhì)的性質(zhì)模型上，同時(shí)將元素與物質(zhì)的關(guān)系聯(lián)系起來，再通過探究陌生元素性質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生理解、應(yīng)用模型，明確“位—構(gòu)—性”模型在化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要價(jià)值即基于模型解決實(shí)際問題。

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