"元素周期表结构"探究方案的构建

作者：张新宇

新课程研究：基础教育 2009年09期

　　在进行“元素周期表结构”的教学时，教师一般均会描述元素周期表的编制历史，尤其突出门捷列夫的贡献。其中不少教师还会借鉴门捷列夫编制元素周期表的过程，在提供元素信息的基础上，引导学生分析资料中的规律，进而编制出元素周期表。然而，教学后教师们常常感叹编制过程流于形式，并未真正达到探究的目的。本文试图在剖析已有方案、深入认识造成探究低效的原因的基础上，分析影响探究效果的关键因素，进而构建有效的探究方案。

　　一、已有方案分析

　　我们调查了部分教师，请他们描述具体方案设计及教学过程中遇到的问题。结果发现，教师们一般按照“提供信息→学生编制→全班讨论→达成共识”的顺序设计教学过程。至于不同方案的差别，主要体现在提供元素信息的多寡上。几乎所有教师均会提供1～18号元素的原子序数、名称、符号、原子结构示意图等内容（或要求学生回忆并书写），有些教师还提供相对原子质量、化合价、单质的重要物理性质（如密度和熔沸点）及化学性质（如与水反应、与酸反应、与氢气反应、与氧气反应）等信息。

　　由于提供的信息极为丰富，学生很难区分有用信息和无用信息，因而不易构建有效的编制思路，故需耗费较长的时间才能完成探究。然而实际情况却是，学生普遍能极其迅速地“编制”出标准元素周期表，但却很少有学生能够准确说明编制依据及所编制的周期表中隐含的规律。原来，学生普遍采用了如下编制思路：首先找出某元素的名称与符号，然后回忆该元素在周期表中的位置，并写在纸上，待所有元素均纳入相应位置后，就得到了标准的元素周期表。这样的学习过程与其说是“编制”，不如说是“回忆”，探究也就自然沦为了“伪”探究。

　　为什么模拟历史史实所设计的探究过程却未能取得预期的结果呢？主要是因为学生在学习该内容之前对周期表并非一无所知。事实上，自从学习化学以来，学生已经多次接触到周期表，甚至记忆了1～18号元素在周期表中的位置，形成了较为深刻的印象。当他们看到元素名称与符号时，就会从长时记忆中提取有关元素周期表结构的表象，并回顾元素在周期表中的位置。即使在教学过程中要求学生不去回忆元素周期表，学生的已有知识结构仍然会潜移默化地起作用，从而极大地影响了探究效果。

　　二、解决方案构建

　　要避免学生依靠回忆周期表来解决问题，教师提供的相关资料中就不能出现明显的提示元素位置的信息。那么，提供哪些信息更有利于学生形成对元素周期表的认识呢？选择1～18号元素是否恰当呢？在此分别加以讨论。

　　1.信息类别的选择。已有方案中提供的信息非常全面，但这些信息的作用却不尽相同，需要在深入认识的基础上做出选择。在此从元素基本信息、元素化合价、单质性质等三个方面进行探讨。

　　(1)元素基本信息。元素基本信息包括原子序数、名称、符号、结构示意图、相对原子质量等内容。学生根据元素的原子序数、名称与符号可以轻易确定元素在周期表中的位置，因此需要删除这些信息。根据原子结构示意图，学生可以推断出元素的原子序数、名称及符号，进而推断出元素在周期表中的位置，因此同样不能提供该信息。至于相对原子质量，虽然学生根据此信息可能会推断出部分元素的名称与符号，但若删去，整个信息中也就不包含递变性的成分，学生也就失去了按顺序排列的依据。而且，当初门捷列夫编制元素周期表时，也正是依据相对原子质量排列的，保留相对原子质量在一定程度上也可以使探究更为贴近历史事实，从而增强了情境的真实性。因此，可以保留元素的相对原子质量的信息。

　　(2)元素的化合价。元素的化合价是元素的重要性质，同族元素的化合价存在很强的相似性，具体表现为：不仅最高正价相同，而且最低负价也相同。学生依据此信息可以有效地区分同族元素，进而顺利地编制出元素周期表。同时，由于不同元素可能具有相同的化合价，学生无法根据化合价推断出具体元素，自然也就无法直接回忆出元素在周期表中的位置。可见，该信息既是有效信息，又不具有明显的提示作用，属于重要的促进学生探究的信息，应保留。

　　(3)单质的性质。单质的性质包括物理性质及化学性质。物理性质主要包括密度、熔沸点等内容，化学性质则体现在与氢气、氧气、水、酸反应等方面。同族元素单质的物理性质主要表现为递变性，学生不易从信息中找出相似之处，当然就无法有效地依据此信息区分同族元素。可见，该信息对学生的探究没有显著作用，可以删除。同族元素的单质在化学性质上既具有相似性，又具有递变性。若几种元素的单质在与氢气、氧气、水、酸反应等方面均非常相似，则基本可以确定为同族元素。可见，提供该信息能够促进学生探究活动的顺序进行，可以保留。

　　综上分析，提供的信息至少应包括元素的相对原子质量（用于排序）及主要化合价（用于区分同族元素），最好加上单质的化学性质（用于区分同族元素），可以加上单质的物理性质（无明显作用，可能会干扰探究），不宜出现元素的原子序数、名称、符号、原子结构示意图等信息（直接提示元素在周期表中的位置）。

　　2.元素的选择。在删除了提示信息及干扰信息后，学生的探究是不是就不会受 到原有知识基础的影响了呢？答案显然还是否定的，因为已有方案中提供了前3周期所有元素（即1～18号元素）的主要信息，学生只要清楚这3个周期中元素的数目，就可以轻松地按相对原子质量递增的顺序进行编排，自然也就无法达到探究的效果。

　　如何解决这个问题呢？门捷列夫的研究方法也许可以给我们以启示。在门捷列夫进行研究时，有些元素尚未被发现，他编制元素周期表时的创新之处就在于并未将已知元素依次填满，而是预留了空位，并预测了新元素的性质，后来这些新元素均得到了证实。据此，只要剔除1～18号元素中的部分元素（如镁、硅、磷等，最好位于第3周期），就可以依据不同排布结果推断学生编排过程中的思维活动。如果学生依次编排，则说明是根据已有的对周期表的记忆机械地进行排布；如果学生能合理排布各族元素，则说明学生在努力寻找不同元素之间内在的相似性。当然，为了保持元素总数的不变，可以再补充几种学生比较熟悉的元素，如钾、溴、氪等（最好位于第4周期）。

　　三、探究过程设计

　　在确定所选择的元素种类及信息的类别后，就可以按照学生思考、小组讨论、全班交流的思路设计探究方案。具体过程如图1所示。

　　

　　图1 “元素周期表的编制”教学过程

　　在阶段1，教师提供部分1～18号元素及钾、溴、氪等元素的信息，包括相对原子质量、化合价、主要化学性质等内容，学生在阅读思考的基础上初步探寻其中的规律，并据此编排元素周期表。

　　在阶段2，学生分组讨论编制元素周期表，并着重思考编制依据。由于提供的信息已经经过了精心筛选，学生很难直接确定具体元素，也就无法通过回忆的方式编制出周期表，此时学生编制的结果也就呈现多样化的趋势，明显地体现出创造性。表1列举了几种常见的编制结果，并分析了其中所隐含的具体思路。

　　表1 学生编制结果及隐含的思路

　　结果 主要内容 编制思路

　　 将元素按相对原子质量

　　结果1 由低到高的顺序排列，不 没有明确的编制思路

　　 分周期

　　 将18种元素按相对原子凭借对周期表中各周

　　 质量递增的顺序依次填 期元素数目的记忆依

　　结果2 入前3周期，各周期元素

　　次排布，没有考虑同

　　 数目分别为2、8、8族元素的相似性

　　(1)按相对原子质量

　　 在排布周期表的过程中 由低到高排列；

　　结果3 留出相应空缺，共排布4

　　(2)具有相似性质（化

　　 个周期

　　合价及化学性质）的

　　元素安排在同一纵行

　　在阶段3，教师在收集典型案例的基础上，引导学生依次讨论结果1、结果2及结果3，以逐步深入地认识元素周期表的排布规律，最后指出现在的元素周期表实际上是按照元素的原子序数（即核电荷数）由低到高的顺序排列。

作者介绍：张新宇，华东师范大学化学系。