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    基于學(xué)科理解的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計

    2022-05-30 10:48:04龔賢顧紅霞
    化學(xué)教與學(xué) 2022年19期
    關(guān)鍵詞:化學(xué)史

    龔賢 顧紅霞

    摘要:基于學(xué)科理解的視角分析人教版普通高中化學(xué)教科書必修第一冊(2019年6月第1版)第四章的“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”和“元素周期律”的內(nèi)容,以“元素周期表”為例對如何準(zhǔn)確把握化學(xué)史內(nèi)涵和價值進(jìn)行學(xué)科理解、教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)踐,引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)“位”“構(gòu)”“性”認(rèn)識模型,增進(jìn)對化學(xué)學(xué)科思維的理解。

    關(guān)鍵詞:學(xué)科理解;元素周期表;化學(xué)史;“位”“構(gòu)”“性”認(rèn)識模型

    文章編號:1008-0546(2022)10-0040-06中圖分類號:G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

    《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》提出“學(xué)科理解”概念,學(xué)科理解是對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識。[1]基于學(xué)科理解的教學(xué)在于提供了具有學(xué)科特質(zhì)的化學(xué)認(rèn)識視角與化學(xué)認(rèn)識思路,從而發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維方式。[2]在面向未來的化學(xué)課堂教學(xué)中,需要促進(jìn)學(xué)教方式的轉(zhuǎn)變,使學(xué)生理解知識的本源,學(xué)會學(xué)習(xí)知識的方法,能在日常生活中應(yīng)用化學(xué)學(xué)科知識和技能解決實(shí)際問題,因此要在教學(xué)中深入貫徹“學(xué)科理解”。筆者以人教版普通高中化學(xué)教科書必修第一冊(2019年6月第1版)第四章的“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”中的“元素周期表”第一課時為例,嘗試在課堂教學(xué)中滲透“學(xué)科理解”,促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地。

    一、學(xué)科理解

    1.價值分析

    本章內(nèi)容的教學(xué)主要促進(jìn)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”化學(xué)核心素養(yǎng)?!昂暧^辨識與微觀探析”的發(fā)展重點(diǎn)表現(xiàn)為:深化對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,建立原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)、元素性質(zhì)與物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,能從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)說明同類物質(zhì)的共性和不同類物質(zhì)的差異及原因,能解釋某些同類物質(zhì)的不同物質(zhì)性質(zhì)變化的規(guī)律;“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的發(fā)展重點(diǎn)表現(xiàn)為:構(gòu)建“位”“構(gòu)”“性”關(guān)系認(rèn)識模型,從“各類物質(zhì)的一般性質(zhì)—氧化性和還原性”二維模型發(fā)展到“各類物質(zhì)的一般性質(zhì)—氧化性和還原性—相似性和遞變性”三維模型;“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的發(fā)展重點(diǎn)表現(xiàn)為:形成實(shí)驗(yàn)探究元素性質(zhì)遞變規(guī)律、比較物質(zhì)性質(zhì)的思路方法,發(fā)展物質(zhì)分離提純實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與實(shí)施能力,提高基于理論進(jìn)行預(yù)測、提出假設(shè)的能力和基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)概括、推理得出結(jié)論的能力。

    2.本原追溯

    科學(xué)的發(fā)展史本質(zhì)上屬于人類的認(rèn)識史,是人類對自然科學(xué)的逐步探索和認(rèn)識,它遵循從“表面”到“本質(zhì)”、從“宏觀”到“微觀”的邏輯順序,排序依據(jù)由宏觀的元素性質(zhì)和相對原子質(zhì)量到微觀的原子結(jié)構(gòu)和核電荷數(shù),不同時期元素周期表的排序依據(jù)和認(rèn)識角度見圖1?;谠胤诸惖难芯?,1829年德貝萊納(J.W.D?bereiner)提出“三元素組”。基于相對原子質(zhì)量與元素性質(zhì)之間的周期性變化規(guī)律,1866年紐蘭茲??? (J.A.R.Newlands)提出“元素八音律”;1869年門捷列夫(D.Mendeleev)繪制出第一張元素周期表,兩年后發(fā)表了第二張元素周期表,提出元素周期律的概念,并利用元素周期律預(yù)言了“類鋁”(鎵)、“類硼”(鈧)、“類硅”(鍺),這些元素在不久的將來都被科學(xué)家一一發(fā)現(xiàn)和證實(shí),同時門捷列夫還在周期表中留下大量“空位”,留給目前未發(fā)現(xiàn)的元素。1913年莫塞萊(H.?? G.J.Moseley)證實(shí)了用核電荷數(shù)排序比用相對原子質(zhì)量排序更符合元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。一直到20世紀(jì)30年代,原子結(jié)構(gòu)奧秘的揭示,科學(xué)家才從微觀視角研究和完善元素周期表,才有了現(xiàn)在更加完美的元素周期表。

    元素周期表的發(fā)現(xiàn)過程,體現(xiàn)了科學(xué)家的科學(xué)研究方法、觀念和科學(xué)精神。在教學(xué)設(shè)計時,教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展要求選擇合適的化學(xué)史情境,利用學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)作為知識生長點(diǎn),設(shè)計驅(qū)動性問題,引導(dǎo)學(xué)生閱讀、分析、提煉或重新演繹科學(xué)家的研究方法和思維過程。將教材內(nèi)容融入到化學(xué)史情境中,這樣不僅有助于學(xué)生掌握化學(xué)知識,還能使他們發(fā)現(xiàn)和體會科學(xué)家們的研究方法和科學(xué)態(tài)度。

    3.框架梳理

    人教版普通高中化學(xué)教科書必修第一冊(2019年??? 6月第1版)第四章的“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”和“元素周期律”的內(nèi)容按照由“微觀”到“宏觀”的邏輯順序來構(gòu)建該章節(jié)內(nèi)容體系(圖2)。教材先介紹原子結(jié)構(gòu),然后引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)視角來研究元素周期表中的“結(jié)構(gòu)”“位置”關(guān)系,再以典型金屬元素族(堿金屬)和典型非金屬元素族(鹵族元素)為代表總結(jié)“構(gòu)”“性”關(guān)系,最后以第三周期元素為代表,總結(jié)同周期元素的“位”“構(gòu)”“性”關(guān)系,最終歸納出元素周期律。

    二、教學(xué)目標(biāo)

    1.素養(yǎng)目標(biāo)

    (1)閱讀周期表的相關(guān)化學(xué)史料,了解周期表的編制和完善過程,體會化學(xué)研究由宏觀到微觀、由表面到本質(zhì)的過程,感悟科學(xué)家的研究方法、觀念和科學(xué)精神;

    (2)綜合考慮“原子序數(shù)”“原子結(jié)構(gòu)”和“元素性質(zhì)”,自主編排和完善周期表,體會科學(xué)研究的方法;

    (3)了解周期表的結(jié)構(gòu),理解原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中的位置之間的關(guān)系,形成“結(jié)構(gòu)決定位置,位置反映結(jié)構(gòu)”的基本觀念,發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)。

    2.評價目標(biāo)

    (1)通過學(xué)生利用元素性質(zhì)對元素進(jìn)行分類的活動,診斷并發(fā)展學(xué)生元素分類的水平;

    (2)通過學(xué)生閱讀和分析德貝萊納、紐蘭茲以及門捷列夫編排周期表的化學(xué)史的活動,診斷并發(fā)展學(xué)生“位”“性”認(rèn)識模型的水平;

    (3)通過學(xué)生利用原子結(jié)構(gòu)分析和解釋門捷列夫周期表的活動,診斷并發(fā)展學(xué)生“位”“構(gòu)”認(rèn)識模型的水平;

    (4)通過學(xué)生利用原子結(jié)構(gòu)自主編制周期表的活動,診斷并發(fā)展學(xué)生“位”“構(gòu)”“性”認(rèn)識模型的水平。

    三、設(shè)計思路

    元素周期表的發(fā)展史的邏輯順序是從“宏觀”到“微觀”,而教材編寫的邏輯順序是從“微觀”到“宏觀”,那么如何將兩個邏輯順序完全相反的知識融合到一起呢?學(xué)生上節(jié)課學(xué)的“原子結(jié)構(gòu)”知識的利用是關(guān)鍵。本節(jié)課以德貝萊納“三元素組”中的四組(12種元素)為線索,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)性質(zhì)數(shù)據(jù)對這12種元素進(jìn)行分類,體驗(yàn)科學(xué)家的分類思想;分析性質(zhì)相似的“三元素組”元素在紐蘭茲和門捷列夫的表格中的位置特征,總結(jié)科學(xué)家的排表規(guī)律;引導(dǎo)學(xué)生分析“三元素組”元素的原子結(jié)構(gòu)具有哪些相似之處,從微觀角度總結(jié)排表規(guī)律;引導(dǎo)學(xué)生綜合考慮“原子序數(shù)”“原子結(jié)構(gòu)”和“元素性質(zhì)”自主編制和完善元素周期表;最后和學(xué)生們一起研究教材附錄上的元素周期表的結(jié)構(gòu),歸納元素位置與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系,逐步建構(gòu)“位置-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)”思維模型。在這個過程中學(xué)生不僅可以熟悉元素周期表的結(jié)構(gòu)、加深對元素周期表編排規(guī)律的理解、認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)與周期表的關(guān)系,還可以體會到科學(xué)家的科學(xué)研究的方法,教學(xué)流程見表1。

    四、教學(xué)過程

    1.環(huán)節(jié)一:混亂中找規(guī)律,引入新課主題

    【投影】12種元素的性質(zhì)表格(見表2)。

    【師】首先,我想問大家,看到這張表格的第一感覺是什么?

    【生】好多元素,好多性質(zhì),好多數(shù)據(jù),一片混亂。

    【師】到了19世紀(jì),隨著科學(xué)的發(fā)展,越來越多的元素被發(fā)現(xiàn),科學(xué)家面對比表格中更多的元素、更多的性質(zhì)、更多的數(shù)據(jù),他們該如何研究這些元素呢?

    【生】找規(guī)律、分類。

    【師】下面請大家從表格的數(shù)據(jù)中找找規(guī)律,并嘗試對這些元素進(jìn)行分類。

    【生生討論、師生討論】分成2組(金屬元素、非金屬元素);分成四組(鋰、鈉、鉀;鈣、鍶、鋇;氯、溴、碘;硫、硒、碲)。

    【評價】其實(shí),我們剛剛找到的四組性質(zhì)相似的元素,正是德國化學(xué)家德貝萊納在1829年提出的“三元素組”中的四組。

    【化學(xué)史1】1829年,德國化學(xué)家德貝萊納提出了“三元素組”的概念。他對當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的44種元素進(jìn)行了研究,他發(fā)現(xiàn)元素中總存在著性質(zhì)特別相似的3種元素:氯、溴、碘;鋰、鈉、鉀;鈣、鍶、鋇;硫、硒、碲等,且中間元素的相對原子質(zhì)量約為較輕和較重的兩種元素相對原子質(zhì)量之和的一半。

    2.環(huán)節(jié)二:研讀化學(xué)史料,分析排序規(guī)律

    【化學(xué)史2】1866年,英國化學(xué)家紐蘭茲提出了“元素八音律”的觀點(diǎn)。他把當(dāng)時已知的62種元素按相對原子質(zhì)量大小順序依次排列,發(fā)現(xiàn)從某一元素開始數(shù)到第八個元素時,這個元素跟第一個元素具有相似的性質(zhì),正像音階里的八度一樣。為了便于觀察,紐蘭茲把當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的62種元素全部整理到一張7行8列的表格中(見表3)。

    【師】請大家仔細(xì)觀察德貝萊納的“三元素組”在紐蘭茲的表格中的位置,看看有什么規(guī)律?

    【生】三元素組都在同一行。

    【總結(jié)】紐蘭茲把性質(zhì)相似的元素排到一橫行中了。

    【討論】紐蘭茲是按照什么樣的規(guī)律對元素進(jìn)行排序的?

    【總結(jié)】按照相對原子質(zhì)量大小對元素進(jìn)行編號排序,把性質(zhì)相似的元素排到同一橫行。

    【化學(xué)史3】1869年,門捷列夫?qū)⒃匕凑障鄬υ淤|(zhì)量由小到大依次排列,并將化學(xué)性質(zhì)相似的元素放在一起,制出了第一張元素周期表。兩年后,又做了一些調(diào)整,發(fā)表了第二張元素周期表(見表4)。

    【師】請大家仔細(xì)觀察德貝萊納的“三元素組”在門捷列夫的表格中的位置,看看有什么規(guī)律?

    【生】三元素組都在同一列。

    【總結(jié)】門捷列夫把性質(zhì)相似的元素排到一列中了。

    【討論】門捷列夫是按照什么樣的規(guī)律對元素進(jìn)行排序的?

    【總結(jié)】按照相對原子質(zhì)量大小進(jìn)行排序,把性質(zhì)相似的元素排到同一縱列。

    【討論】仔細(xì)觀察門捷列夫和紐蘭茲的表格,它們有哪些異同點(diǎn)?

    【生】門捷列夫的周期表中有“空位”和“?”。

    【師】門捷列夫?yàn)槭裁匆诒砀裰辛簟翱瘴弧蹦兀?/p>

    【生】留給等待發(fā)現(xiàn)的新元素。

    【點(diǎn)評】門捷列夫周期表中的“?”是他利用元素周期律預(yù)言的新元素“類鋁”(鎵)、“類硼”(鈧)、“類硅”(鍺),這些元素在不久的將來都被科學(xué)家一一發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。也就是說,門捷列夫的周期表可以用來預(yù)言和發(fā)現(xiàn)新元素,這正是門捷列夫的周期表的偉大之處。

    【師生討論】按照相對原子質(zhì)量排序,碲應(yīng)該排在碘的后面,而按照元素性質(zhì)排序,碲應(yīng)該排在碘的前面,門捷列夫的周期表為什么會出現(xiàn)這種“原子量倒置”現(xiàn)象呢?

    【化學(xué)史4】1913年,英國物理學(xué)家莫塞萊應(yīng)用X射線測定了原子核所帶的正電荷的數(shù)目,即核電荷數(shù),他證明了元素周期表中原子序數(shù)用核電荷數(shù)排序比用相對原子質(zhì)量大小排序更符合元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律。直到20世紀(jì)30年代,原子結(jié)構(gòu)奧秘的揭示,科學(xué)家才從微觀視角研究和完善元素周期表,才有了現(xiàn)在更加完美的元素周期表。

    【總結(jié),點(diǎn)評】原子結(jié)構(gòu)奧秘的揭示,是現(xiàn)代周期表趨于完美的關(guān)鍵?,F(xiàn)代元素周期表是按照核電荷數(shù)大小對原子進(jìn)行編號得到原子序數(shù)、綜合考慮原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)進(jìn)行排序。

    3.環(huán)節(jié)三:按照排序規(guī)律,嘗試自主排表

    【生】根據(jù)1~20號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖,編制1~20號元素的元素周期表。

    【討論】按照什么規(guī)律編排周期表?

    【生1】把電子層數(shù)相同的元素排到一橫行,把最外層電子數(shù)相同的元素排到一縱列。

    【生2】考慮到元素性質(zhì),把氦元素由Be的上方調(diào)整到Ne的上方。

    【點(diǎn)評】同學(xué)們編排時同時考慮到原子序數(shù)、原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì),考慮問題很全面,編排的表格很美很有規(guī)律!

    【討論】依據(jù)以上的規(guī)律,大家對氫元素在元素周期表中的排列,是否存在多種可能?是什么原因排在那里?

    【生】①排在第一列,最外層1個電子;②排在第十七列,得到1個電子即可達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu);……

    【活動】①根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖,把德貝萊納“三元素組”中的12種元素排進(jìn)周期表中。

    ②根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖,把氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)、Og排進(jìn)周期表。

    ③根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖,把鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)排進(jìn)周期表中。

    【生】④把21-30號元素鈧(Sc)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)排進(jìn)周期表中。

    【討論】我們的周期表中20號元素Ca和31號元素Ga挨在一起,缺少空位,怎么辦呢?

    【生】把周期表拉長,20號和31號之間扯開10列的距離。

    【評價】把39~48號元素和57~80號元素排進(jìn)周期表中。

    【生】57~80元素之間有24種元素,但是現(xiàn)在只有10列距離,空格又不夠了。

    【評價】為了方便使用,同時考慮到原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì),科學(xué)家把鑭系元素(57~71號)放到一格中,然后在周期表下方展開,類似的還有錒系元素。在不知不覺間,同學(xué)們已經(jīng)編制出目前使用最廣泛的長式元素周期表的輪廓(見圖3),下面我們來研究元素周期表的結(jié)構(gòu)。

    【學(xué)生】觀察教材附表元素周期表,總結(jié)元素周期表的結(jié)構(gòu),完成教材89頁思考與討論的表格。

    【總結(jié)】每一個橫行叫做一個周期,前三周期稱為短周期,其他周期稱為長周期。

    【總結(jié)】每一個縱列叫做一個族(8、9、10三個縱列共同組成第Ⅷ族),族有主族、副族和0族三種,族序數(shù)用羅馬數(shù)字表示,主族元素在族序數(shù)后標(biāo)A,副族元素在族序數(shù)后標(biāo)B(除第Ⅷ族)。

    【生】觀察自己編排的元素周期表,討論位于同一橫行的元素的原子結(jié)構(gòu)有什么相同之處?位于同一縱列的元素的原子結(jié)構(gòu)有什么相同之處?

    【總結(jié)】位于同一橫行的元素的電子層數(shù)相同,周期數(shù)=電子層數(shù);位于同一縱列的元素的最外層電子數(shù)相同,主族序數(shù)=電子層數(shù)。

    【練習(xí)】根據(jù)已知條件填寫表格(見表5)。

    【總結(jié)】今天我們一起閱讀和分析化學(xué)史故事,了解到科學(xué)家是如何編制和完善周期表的,并嘗試自主編制元素周期表,研究周期表的結(jié)構(gòu),對周期表中元素位置與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系有所了解。我們知道“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”,周期表中元素性質(zhì)有哪些遞變規(guī)律,元素性質(zhì)與元素位置和原子結(jié)構(gòu)有什么聯(lián)系,我們下節(jié)課繼續(xù)研究。

    五、模型構(gòu)建

    通過本節(jié)課的教學(xué)實(shí)施,能清晰地給出基于元素周期表的學(xué)習(xí)應(yīng)用方式。學(xué)生通過“結(jié)構(gòu)決定位置,位置反映結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)決定性質(zhì);構(gòu)位性是一個統(tǒng)一體”學(xué)科視角的學(xué)習(xí)和認(rèn)識,能對陌生物質(zhì)學(xué)習(xí)起到良好的借鑒。本節(jié)課的學(xué)科視角模型如圖4。

    六、教學(xué)反思

    許多教師在梳理教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上,對“元素周期表”教學(xué)設(shè)計也呈現(xiàn)許多版本,[3-5]但對于新教材教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)下,教學(xué)設(shè)計與現(xiàn)有教材的呈現(xiàn)方式出現(xiàn)差異,特別是在利用化學(xué)史,促進(jìn)學(xué)科理解的教學(xué)下都需要一種新的學(xué)習(xí)模型。本節(jié)教學(xué)設(shè)計中將化學(xué)史情境和教材內(nèi)容有效地融入到課堂教學(xué)中以使學(xué)生能理解“元素周期表”的歷史由來及其學(xué)科意義。在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中,學(xué)生以現(xiàn)代學(xué)科視角“原子結(jié)構(gòu)”為主線,去分析“三元素組、八音律、元素周期表”在各自歷史時代的價值和需要改進(jìn)的方向。學(xué)生不僅可以熟悉周期表的結(jié)構(gòu),構(gòu)建“位置-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)”認(rèn)識模型,還可以身臨其境地體會到科學(xué)家為什么要編制周期表、科學(xué)家是如何編制周期表的、科學(xué)家是如何完善周期表的以及周期表有什么用(研究、預(yù)測和發(fā)現(xiàn)元素),為下節(jié)課學(xué)習(xí)“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”做鋪墊。學(xué)生在閱讀、分析、提煉或演繹化學(xué)史料中科學(xué)家的研究方法的過程中,分類思想得到強(qiáng)化,宏觀辨識與微觀探析和證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)得到提高。

    參與文獻(xiàn)

    [1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)[S].北京:人民教育出版社,2020.

    [2]張笑言,鄭長龍.化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科理解研究——— 以“醛的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)探究”為例[J].化學(xué)教育,2020,17(41),54-59.

    [3]黎卓熹,成燕琴,魏潔書,張鏢,劉盈.國外化學(xué)元素周期表教學(xué)方式的介紹與啟示——基于 2009-2019 年 Jour-nal of Chemical Education的載文[J].化學(xué)教育(中英文),2020,41(11):107-113.

    [4]居鳴富,高翔.基于科學(xué)精神培養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐——以“元素周期律”為例[J].化學(xué)教育(中英文),2020,41(7):33-37.

    [5]張娟,姜建文.基于化學(xué)史的“元素周期表”教學(xué)設(shè)計[J].化學(xué)教育(中英文),2017,38(17):75-81.

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