新人教版高中化學教材“元素周期律”的進階設(shè)計研究與教學建議*

楊艷君 嚴文法 萬盈盈

（1.新疆大學附屬中學 新疆烏魯木齊 830046；2.陜西師范大學化學化工學院 陜西 西安 710119）

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）從不同進階維度對化學學科核心素養(yǎng)和化學學業(yè)質(zhì)量水平進行層級劃分和表現(xiàn)描述，強調(diào)“教材內(nèi)容編排與呈現(xiàn)要根據(jù)學生認知的發(fā)展性、階段性特征確定內(nèi)容的深廣度，促進學生不同認知水平的進階發(fā)展”［1］。課程標準是教材編寫的依據(jù)，教材是課程標準的物化形態(tài)。在新課標的指導下，2019版人民教育出版社高中化學教科書（以下簡稱新教材）從學科本質(zhì)出發(fā)優(yōu)化了教材體系結(jié)構(gòu)，關(guān)注從必修到選擇性必修的學習進階，將化學學科邏輯、教師教學邏輯與學生學習邏輯進行有機融合。［2］

元素周期律作為中學化學的重要基礎(chǔ)理論，其教學能夠使學生系統(tǒng)地認識元素和物質(zhì)性質(zhì)，［3］獲得“位—構(gòu)—性”的系統(tǒng)認知，建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的學科觀念，［4］是培養(yǎng)學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”等化學學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容載體。

研究教材元素周期律的進階設(shè)計，有助于教師準確把握教材的編寫意圖與組織邏輯，開展基于學習進階的教學設(shè)計與實施。本文以新教材必修第一冊和選擇性必修2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的“元素周期律”內(nèi)容主題為研究對象，從進階角度剖析核心概念的內(nèi)容編排和編寫特點，為“元素周期律”的概念教學實踐提供借鑒。

二、“元素周期律”的學習進階構(gòu)建

學習進階是圍繞核心概念展開的，用于刻畫學生對某一知識主題連續(xù)的、逐步深入的認知發(fā)展過程。［5］分析核心概念學習進階，能夠準確把握概念體系，理解建構(gòu)的過程。

隨著研究的不斷深入，在強調(diào)描述學生于不同時期學習同一科學領(lǐng)域核心概念的認知發(fā)展路徑的同時［6］，關(guān)于學習進階的研究逐漸傾向于采用大規(guī)模的教育測量構(gòu)建發(fā)展模型。［7］ChemQuery 測量系統(tǒng)將核心概念分成觀念、識別等5個水平，［8］對于測評學生學習每個化學觀念變量具有顯著作用。結(jié)合上述系統(tǒng)的層級劃分、新課標的相關(guān)要求以及教材概念發(fā)展的進階過程，確定了原子結(jié)構(gòu)、元素周期表、元素周期律、電負性、電離能這五個元素周期律主題下的核心概念，選用“全景圖”揭示元素周期律學習進階層級模型如表1所示。

表1 元素周期律學習進階層級模型

三、新教材“元素周期律”進階設(shè)計分析

1.新教材“元素周期律”知識進階設(shè)計分析

新教材必修第一冊在介紹堿金屬元素鈉、鹵族元素氯以及鐵、鋁等常見金屬元素的基礎(chǔ)上，由“原子結(jié)構(gòu)完善人們對元素周期表的認識”這一化學史引入質(zhì)量數(shù)、電子層、原子核外電子排布等有關(guān)原子結(jié)構(gòu)識別層次的內(nèi)容，幫助學生認識到用原子結(jié)構(gòu)詮釋元素周期表、用元素周期表推測原子結(jié)構(gòu)和分析元素性質(zhì)的合理性，并據(jù)此分析元素周期表的編排結(jié)構(gòu)，發(fā)掘元素周期表蘊藏的信息。

“思考與討論”欄目通過堿金屬、鹵族元素的原子結(jié)構(gòu)指引學生探討同主族元素的電子層數(shù)、最外層電子數(shù)與元素位置以及化合價、金屬性、非金屬性等性質(zhì)的關(guān)系。沿用該方法對第三周期元素進行探析并總結(jié)遞變規(guī)律，使學生初步認識元素周期律，達到水平3形式化層級。此外，新教材提供了依照元素位置預測化學性質(zhì)及應(yīng)用的方法，彰顯了“位—構(gòu)—性”三者關(guān)系的學科價值，為學生在下一章學習硫、氮等非金屬元素提供了方法指導。

選擇性必修模塊在必修第一冊的基礎(chǔ)上結(jié)合化學史用構(gòu)造原理、泡利原理、洪特規(guī)則等思維模型描述電子云和原子軌道，介紹核外電子排布的一般規(guī)律和電子排布式、電子排布圖等符號表征方式，增進學生對原子結(jié)構(gòu)的微觀認識，體現(xiàn)了新教材基于進階的設(shè)計理念。

“探究”欄目促使學生從更深層次思考元素周期表區(qū)域劃分與原子結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，了解不同區(qū)域元素的化學通性，預測未知元素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，加強對分類觀以及“位—構(gòu)—性”的理解應(yīng)用。新教材還在元素周期律的基礎(chǔ)上引入了“電離能”“電負性”的概念，提供具體數(shù)據(jù)展現(xiàn)元素性質(zhì)的變化規(guī)律并引導學生通過原子結(jié)構(gòu)解釋原因，提升學生應(yīng)用相關(guān)核心概念處理復雜的化學情境的能力，符合知識的自身邏輯與學生的認知發(fā)展順序。

參照新教材的編排內(nèi)容繪制了元素周期律進階層級圖（如圖1所示），闡釋了元素周期律主題下原子結(jié)構(gòu)、元素周期表、元素周期律、電離能、電負性這五個核心概念由低到高的進階邏輯。由內(nèi)而外呈現(xiàn)出從“觀念”到“生成”的逐層遞進，梳理了基本概念間的進階關(guān)系。

圖1 新教材元素周期律進階層級圖

其中原子結(jié)構(gòu)、元素周期表的下位概念以識別、形式化水平為主，其他描述元素性質(zhì)的下位概念分布在形式化和建構(gòu)層級。生成層級是對所有概念的綜合運用，因此沒有邊界限制，也沒有與之匹配的具體概念。

同時，元素周期律進階層級圖和“位—構(gòu)—性”關(guān)系模型之間形成對應(yīng)關(guān)系，原子結(jié)構(gòu)可以決定元素在周期表中的位置，也可以用于決定、解釋和預測金屬性、非金屬性以及電離能、電負性等元素的性質(zhì)。反之，元素性質(zhì)也可以反映元素在周期表的位置以及原子結(jié)構(gòu)。

表2 新教材元素周期律知識進階水平劃分

2.新教材“元素周期律”思維進階設(shè)計分析

必修第一冊元素周期律主題在認識原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子層、最外層電子數(shù)等基本概念簡單分析元素周期表。利用科學史話“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”使學生認識到當前對原子結(jié)構(gòu)的認識有待進一步研究深化。同時提及核外電子排布規(guī)律是根據(jù)原子光譜與理論分析得出的，為學習選修模塊埋下伏筆。

“方法導引”欄目強調(diào)“預測”對化學研究的重要性，采用POE（Predict-Observe-Explain）即“預測—觀察—解釋”策略，［9］以堿金屬和鹵素為代表探析原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。以第三周期元素為例，采用預測、實驗比較、信息獲取等手段，經(jīng)過類比思考總結(jié)出元素周期律，搭建“微觀預設(shè)→宏觀驗證→類比遷移→總結(jié)規(guī)律”的淺層認知模型。

選擇性必修模塊同樣以原子結(jié)構(gòu)開篇，在原子軌道理論、構(gòu)造原理、泡利原理等學習過程中，學生逐步認識到之前對原子結(jié)構(gòu)的認知是不精準的。用能層、能級等下位概念“再探元素周期表”，解釋元素周期表的周期、族、分區(qū)等劃分的原因。借助變量關(guān)系模型［9］分析元素周期律、電離能、電負性等變化關(guān)系。例如：在“探究”環(huán)節(jié)讓學生以第三周期主族元素、堿金屬元素和鹵族元素作為因變量，電負性作為自變量繪制折線圖，使抽象的概念可視化。進一步發(fā)展學生運用“位—構(gòu)—性”的能力，落實“微觀預設(shè)→宏觀驗證→類比遷移→總結(jié)規(guī)律→理想化加工→解釋論證→模型表征”的認知模型層級進階。

在教材欄目的指導下，學生構(gòu)建的“位—構(gòu)—性”認知模型體現(xiàn)出從簡單到復雜、從高度概括到具體凝練、從有模糊意識到有明確認識的發(fā)展變化，體現(xiàn)了由低層級到高層級的思維進階。

四、基于學習進階的“元素周期律”教學策略

人教版新教材關(guān)于“元素周期律”主題內(nèi)容的編寫體現(xiàn)了新課標的建議和意見，無論是教學內(nèi)容還是習題編制都能顯現(xiàn)出學習進階的思路、理念。教師要合理使用新教材組織教學，促進學生認知水平的進階發(fā)展。

1.注重認知模型的進階發(fā)展

教師應(yīng)聚焦于新教材內(nèi)隱的進階邏輯，掌握教學內(nèi)容與學生已有的經(jīng)驗、學科能力間的匹配程度，制定相宜的教學目標。借鑒教材的設(shè)計思路，在學習必修第一冊第二章鈉、氯以及第三章鐵、鋁等元素時，有意識地啟發(fā)學生從原子結(jié)構(gòu)著手分析元素的化學性質(zhì)，為探究元素周期律埋下伏筆。

在第四章的教學活動中，帶領(lǐng)學生回顧之前所學的內(nèi)容，從熟悉的鈉、氯元素的性質(zhì)入手，嵌入新教材“思考與討論”“探究”等多元欄目，總結(jié)同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。輔助學生梳理核心概念和基本概念間的進階關(guān)系，初步構(gòu)建認知模型。在后續(xù)學習硫、氮等元素性質(zhì)時，不斷強化對認知模型理解運用，擊破學生割裂地分析單一元素、死記硬背元素性質(zhì)的認知壁壘。

教授選擇性必修模塊時，教師要制定培養(yǎng)學生“生成層級”能力的教學目標，立足于學科整體，著力于核心概念、基本觀念與學科思維的結(jié)構(gòu)化。要從必修模塊所掌握的“元素周期律”相關(guān)概念出發(fā)，幫助學生在問題解決過程中建立新舊概念的聯(lián)系。利用“問題”“解釋與整理”“討論”等環(huán)節(jié)，從更深層次理解剖析元素周期表等核心概念，在處理復雜情境的過程中不斷反饋、修正、整合最終構(gòu)建成熟的認知模型。

在此后的教學中，也要關(guān)注核心概念的遷移性，從微觀結(jié)構(gòu)剖析紛繁的無機化學反應(yīng)現(xiàn)象背后的理論原理，促進對元素觀、微粒觀等化學觀念的深入理解。

2.沿襲科學史實的演進歷程

分析元素周期律主題下的相關(guān)概念，可知原子結(jié)構(gòu)、元素周期表、元素周期律、電離能、電負性這五個核心概念，按歷史演進的方式呈進階趨勢，與學生的認知發(fā)展規(guī)律吻合，與新教材“元素周期律”內(nèi)容的編制順序一致。

科學史話在新教材中占據(jù)重要地位，不能單純地將其視為激發(fā)學習興趣的故事情境，而是要認識到學生思維發(fā)展路徑與化學史演進的相通之處。應(yīng)當研讀教材和課標，選擇符合教學活動的科學史實，讓學生沿著歷史發(fā)展順序修正錯誤觀念，沿襲科學家建構(gòu)科學模型的思維路徑逐步建立深層次的認知模型。

教師可以根據(jù)學生的認知發(fā)展水平對教材內(nèi)容加以拓展。例如：電負性最初被貝采里烏斯視為原子吸引電子的能力，后被當作第一電離能和第一電子親和能的算數(shù)平均值；直到鮑林基于實驗確認電負性的計算尺度并在他人的修正下得到學術(shù)界的認可，［10］才形成了教材中關(guān)于電負性的描述。通過這段歷史，學生能認識到電負性是一種對元素性質(zhì)定量解釋的、理想化的思維模型，不僅能更好地理解電負性的本質(zhì)，還能意識到假想、預測是模型建立的應(yīng)然路徑，充分發(fā)揮化學史承載的科學定律和科學理論功能。［11］

3.發(fā)揮課后習題的診斷作用

“練習與應(yīng)用”“復習與提高”是新教材的重要組成，也是教學評價的重要載體。［12］新教材“元素周期律”主題的課后習題，從必修到選擇性必修顯現(xiàn)出清晰的進階趨勢。

必修模塊原子結(jié)構(gòu)的習題集中在識別層級。元素周期律、元素周期表的習題設(shè)計以識別、形式化為主，少數(shù)涉及更高水平，如以陌生元素（Ts、Og等）為介質(zhì)，檢測學生從微觀本質(zhì)探討宏觀現(xiàn)象、用認知模型處理復雜問題的能力，充分發(fā)揮了教學評價的診斷和發(fā)展功能。

選擇性必修模塊習題設(shè)計綜合性強，體現(xiàn)出從水平3“形式化”到水平5“生成”的進階。要求學生描述陌生元素的原子結(jié)構(gòu)，根據(jù)元素周期表預測元素性質(zhì)，或參照電離能等性質(zhì)倒推原子結(jié)構(gòu)。綜合主、客觀題對元素性質(zhì)證明或證偽，采用多種途徑外顯思維過程，借助真實情境從不同維度考查學科核心素養(yǎng)的發(fā)展程度。

教師可以將新教材的習題作為診斷工具，在教學過程中實時反饋學習結(jié)果，了解學生的認知層次。要鏈接過程性評價和結(jié)果性評價，依照診斷結(jié)果及時調(diào)整教學方案，設(shè)置更高水平的教學目標并組織開展教學活動，明確后續(xù)訓練的深度和廣度。

在權(quán)衡課程標準的要求和學生實際學習的需求之后，要有針對性地篩選適應(yīng)學生層次的習題，對證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)展開多維度的考查，避免機械套用解題模板。圍繞綜合信息設(shè)置題目，注重問題情境和測試任務(wù)的深度關(guān)聯(lián)，訓練學生提取、甄別、加工信息的能力，促使學生從被動地接受科學模型轉(zhuǎn)化為主動地構(gòu)建認知模型。從而確保對科學本質(zhì)的培養(yǎng)，實現(xiàn)對化學學科核心素養(yǎng)的培育。