“元素周期表結(jié)構(gòu)”探究方案的構(gòu)建

張新宇

【摘 要】本文分析了當前“元素周期表結(jié)構(gòu)”的探究過程常常流于形式的原因，從歷史的角度研究了元素周期表發(fā)現(xiàn)過程并獲取一定的啟示，在此基礎上構(gòu)建并改進了促進學生有效探究的教學方案。

【關鍵詞】元素周期表 結(jié)構(gòu) 探究

在進行“元素周期表結(jié)構(gòu)”的教學時，教師一般均會描述元素周期表的編制歷史，尤其突出門捷列夫的貢獻。其中不少教師還會借鑒門捷列夫編制元素周期表的過程，在提供元素信息的基礎上，引導學生分析資料中的規(guī)律，進而編制出元素周期表。然而，教學后教師們常常感嘆編制過程流于形式，并未真正達到探究的目的。本文試圖在剖析已有方案、深入認識造成探究低效的原因的基礎上，分析影響探究效果的關鍵因素，進而構(gòu)建有效的探究方案。

一、已有方案分析

我們調(diào)查了部分教師，請他們描述具體方案設計及教學過程中遇到的問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，教師們一般按照“提供信息→學生編制→全班討論→達成共識”的順序設計教學過程。至于不同方案的差別，主要體現(xiàn)在提供元素信息的多寡上。幾乎所有教師均會提供1-18號元素的原子序數(shù)、名稱、符號、原子結(jié)構(gòu)示意圖等內(nèi)容（或要求學生回憶并書寫），有些教師還提供相對原子質(zhì)量、化合價、單質(zhì)的重要物理性質(zhì)（如密度和熔沸點）及化學性質(zhì)（如與水反應、與酸反應、與氫氣反應、與氧氣反應）等信息。

由于提供的信息極為豐富，學生很難區(qū)分有用信息和無用信息，因而不易構(gòu)建有效的編制思路，故需耗費較長的時間才能完成探究。然而實際情況卻是，學生普遍能極其迅速地“編制”出標準元素周期表，但卻很少有學生能夠準確說明編制依據(jù)及所編制的周期表中隱含的規(guī)律。原來，學生普遍采用了如下編制思路：首先找出某元素的名稱與符號，然后回憶該元素在周期表中的位置，并寫在紙上，待所有元素均納入相應位置后，就得到了標準的元素周期表。這樣的學習過程與其說是“編制”，不如說是“回憶”，探究也就自然淪為了“偽”探究。

為什么模擬歷史史實所設計的探究過程卻未能取得預期的結(jié)果呢？主要是因為學生在學習該內(nèi)容之前對周期表并非一無所知。事實上，自從學習化學以來，學生已經(jīng)多次接觸到周期表，甚至記憶了1-18號元素在周期表中的位置，形成了較為深刻的印象。當他們看到元素名稱與符號時，就會從長時記憶中提取有關元素周期表結(jié)構(gòu)的表象，并回顧元素在周期表中的位置。即使在教學過程中要求學生不去回憶元素周期表，學生的已有知識結(jié)構(gòu)仍然會潛移默化地起作用，從而極大地影響了探究效果。

二、解決方案構(gòu)建

要避免學生依靠回憶周期表來解決問題，教師提供的相關資料中就不能出現(xiàn)明顯的提示元素位置的信息。那么，提供哪些信息更有利于學生形成對元素周期表的認識呢？選擇1-18號元素是否恰當呢？在此分別加以討論。

1.信息類別的選擇。已有方案中提供的信息非常全面，但這些信息的作用卻不盡相同，需要在深入認識的基礎上做出選擇。在此從元素基本信息、元素化合價、單質(zhì)性質(zhì)等三個方面進行探討。

（1）元素基本信息。元素基本信息包括原子序數(shù)、名稱、符號、結(jié)構(gòu)示意圖、相對原子質(zhì)量等內(nèi)容。學生根據(jù)元素的原子序數(shù)、名稱與符號可以輕易確定元素在周期表中的位置，因此需要刪除這些信息。根據(jù)原子結(jié)構(gòu)示意圖，學生可以推斷出元素的原子序數(shù)、名稱及符號，進而推斷出元素在周期表中的位置，因此同樣不能提供該信息。至于相對原子質(zhì)量，雖然學生根據(jù)此信息可能會推斷出部分元素的名稱與符號，但若刪去，整個信息中也就不包含遞變性的成分，學生也就失去了按順序排列的依據(jù)。而且，當初門捷列夫編制元素周期表時，也正是依據(jù)相對原子質(zhì)量排列的，保留相對原子質(zhì)量在一定程度上也可以使探究更為貼近歷史事實，從而增強了情境的真實性。因此，可以保留元素的相對原子質(zhì)量的信息。

（2）元素的化合價。元素的化合價是元素的重要性質(zhì)，同族元素的化合價存在很強的相似性，具體表現(xiàn)為：不僅最高正價相同，而且最低負價也相同。學生依據(jù)此信息可以有效地區(qū)分同族元素，進而順利地編制出元素周期表。同時，由于不同元素可能具有相同的化合價，學生無法根據(jù)化合價推斷出具體元素，自然也就無法直接回憶出元素在周期表中的位置?？梢姡撔畔⒓仁怯行畔?，又不具有明顯的提示作用，屬于重要的促進學生探究的信息，應保留。

（3）單質(zhì)的性質(zhì)。單質(zhì)的性質(zhì)包括物理性質(zhì)及化學性質(zhì)。物理性質(zhì)主要包括密度、熔沸點等內(nèi)容，化學性質(zhì)則體現(xiàn)在與氫氣、氧氣、水、酸反應等方面。同族元素單質(zhì)的物理性質(zhì)主要表現(xiàn)為遞變性，學生不易從信息中找出相似之處，當然就無法有效地依據(jù)此信息區(qū)分同族元素。可見，該信息對學生的探究沒有顯著作用，可以刪除。同族元素的單質(zhì)在化學性質(zhì)上既具有相似性，又具有遞變性。若幾種元素的單質(zhì)在與氫氣、氧氣、水、酸反應等方面均非常相似，則基本可以確定為同族元素?？梢?，提供該信息能夠促進學生探究活動的順序進行，可以保留。

綜上分析，提供的信息至少應包括元素的相對原子質(zhì)量（用于排序）及主要化合價（用于區(qū)分同族元素），最好加上單質(zhì)的化學性質(zhì)（用于區(qū)分同族元素），可以加上單質(zhì)的物理性質(zhì)（無明顯作用，可能會干擾探究），不宜出現(xiàn)元素的原子序數(shù)、名稱、符號、原子結(jié)構(gòu)示意圖等信息（直接提示元素在周期表中的位置）。

2.元素的選擇。在刪除了提示信息及干擾信息后，學生的探究是不是就不會受到原有知識基礎的影響了呢？答案顯然還是否定的，因為已有方案中提供了前3周期所有元素（即1-18號元素）的主要信息，學生只要清楚這3個周期中元素的數(shù)目，就可以輕松地按相對原子質(zhì)量遞增的順序進行編排，自然也就無法達到探究的效果。

如何解決這個問題呢？門捷列夫的研究方法也許可以給我們以啟示。在門捷列夫進行研究時，有些元素尚未被發(fā)現(xiàn)，他編制元素周期表時的創(chuàng)新之處就在于并未將已知元素依次填滿，而是預留了空位，并預測了新元素的性質(zhì)，后來這些新元素均得到了證實。據(jù)此，只要剔除1-18號元素中的部分元素（如鎂、硅、磷等，最好位于第3周期），就可以依據(jù)不同排布結(jié)果推斷學生編排過程中的思維活動。如果學生依次編排，則說明是根據(jù)已有的對周期表的記憶機械地進行排布；如果學生能合理排布各族元素，則說明學生在努力尋找不同元素之間內(nèi)在的相似性。當然，為了保持元素總數(shù)的不變，可以再補充幾種學生比較熟悉的元素，如鉀、溴、氪等（最好位于第4周期）。

三、探究過程設計

在確定所選擇的元素種類及信息的類別后，就可以按照學生思考、小組討論、全班交流的思路設計探究方案。具體過程如圖1所示。

在階段1，教師提供部分1-18號元素及鉀、溴、氪等元素的信息，包括相對原子質(zhì)量、化合價、主要化學性質(zhì)等內(nèi)容，學生在閱讀思考的基礎上初步探尋其中的規(guī)律，并據(jù)此編排元素周期表。

在階段2，學生分組討論編制元素周期表，并著重思考編制依據(jù)。由于提供的信息已經(jīng)經(jīng)過了精心篩選，學生很難直接確定具體元素，也就無法通過回憶的方式編制出周期表，此時學生編制的結(jié)果也就呈現(xiàn)多樣化的趨勢，明顯地體現(xiàn)出創(chuàng)造性。表1列舉了幾種常見的編制結(jié)果，并分析了其中所隱含的具體思路。

在階段3，教師在收集典型案例的基礎上，引導學生依次討論結(jié)果1、結(jié)果2及結(jié)果3，以逐步深入地認識元素周期表的排布規(guī)律，最后指出現(xiàn)在的元素周期表實際上是按照元素的原子序數(shù)（即核電荷數(shù)）由低到高的順序排列?！?/p>