基于科学本质观培养的元素周期律教学及反思

王振芳　张贤金　吴新建

摘 要 科学本质观是科学素养的重要内容，如何有效培养学生的科学本质观是当前高中化学教育工作者需要深入实践研究的问题。本文选取鲁科版高中化学《必修2》第一章第2节“元素周期律和元素周期表”第一课时为研究对象，从学生课前查阅化学史资料、课中体验科学探究的过程与方法、教师利用“历史回眸”总结等三个教学板块探寻课堂教学中学生科学本质观培养的途径与方法，并基于教学实践进行教学反思。

关键词 科学本质观 元素周期律 化学史 反思

随着社会的不断发展，科学素养越来越受到各国基础教育改革的重视，科学本质则是近二十年来世界科学教育改革所关注的热点问题之一。尤其是美国制定的“科学素养基准”（1993年）和“美国国家课程标准”（1996年）就明确指出：科学素养的重要组成部分就是对科学本质的理解[1]。而我国制定并实施的《全民科学素质行动计划纲要》（2006～2010～2020年）也明确提出：“初步认识科学本质”将成为我国未成年人科学素质教育的主要任务。但是，我国的基础教育由于深受高考指挥棒的影响，相当一部分教师对科学本质的研究重视不够。因此，目前对科学本质研究较多的只是针对教材的编排，而在课堂设计和课堂教学中涉及的较少。可以说，在科学本质观问题上，出现了国家层面上的重视与现实教育教学工作中的缺失之间的巨大反差。

针对这一现状，我们在高中化学教学实践中进行了一些实践探索，在一些课程教学内容中引入了科学本质观培养的内容。由于元素周期律的发现、发展的整个历程都蕴含着科学本质的探究，本文选取鲁科版高中化学《必修2》第一章第2节“元素周期律和元素周期表”第一课时为研究对象，在化学课堂教学设计和课堂教学过程中充分体现出科学本质观的理念，通过课堂教学有意识地培养和发展学生的科学本质观。

一、通过“课前预习课中点拨”帮助学生初步认识科学本质内涵

传统的教学方法，一般是教师简单利用教材中“联想·质疑”栏目，过渡到元素周期律的教学。而本节课课前教师安排学生按学习小组上网查阅资料，使学生在查阅相关资料的过程中对元素周期表的发展史有一定的了解，课堂上利用5～8分钟让完成较好的学生到讲台上展示自己的成果并讲解，教师对学生的成果中蕴含着的科学本质内容进行分析、点评，通过学生课前预习、课中教师点拔的教学过程初步让学生对科学本质有以下认识。

1.认识科学的发展需要经历一个漫长的过程

以往对化学史的介绍，大都采用教师讲故事、学生听故事的方式进行。因此，即使教师讲得再生动，学生听到再入神，许多学生还是不能体会科学探索的漫长性。现在，改为先由学生自己查阅资料，再由学生代表上台讲解，教师只需要略加点拨，导引学生注意时间发展：从1789年首开元素分类先河的拉瓦锡，到1869年提出人类历史上第一张化学元素周期表的俄国化学家门捷列夫，最后到1913年应用x射线测定原子核所带的正电荷数目的英国物理学家莫斯莱，人类社会才对元素周期律的实质有了真正的认识[2]。从1789年到1913年经历了124年的时间，学生能体会到科学的发展经过一个漫长的过程。在这过程中体现出各国科学家的聪明才智，这对学生初步认识、理解科学本质极具价值。

2.认识科学知识具有局限性

通过课前预习，学生发现元素周期表有很多版本，比如德贝莱纳的四个元素组，尚古尔多的圆柱形螺旋图，迈尔制作的六元素表，牛兰兹的八音律元素表，门捷列夫的元素周期表。学生们提出质疑：为什么元素周期表在不同时期有不同的表现？教师答疑点拨：因为从道尔顿到门捷列夫，各国科学家都认为原子是不可再分的，人们认为，随着原子量的递增而呈现周期性的变化这一元素性质的观点，在当时是正确的；但是，随着科学家对原子结构的深入探索，人类逐步认识到元素周期律是按原子序数排列而成，并非都按门捷列夫的原子量排列；当然，随着先进的科学实验手段的持续运用，各领域科学研究的持续深入，这一观点也可能会发生改变，所以，科学知识具有主观性和局限性。

3.认识科学知识的发展具有创造性

从研究方法看，从道尔顿的原子学说开始到1869年门捷列夫的元素周期表，科学家都认为元素周期表是按元素的原子量进行排列的，直到1913年，莫斯莱测定了一系列元素的特征x射线后指出：核电荷才是元素周期表中元素排列顺序的真正依据，1913年到1925年洪特规则和泡利不相容原理的出现，才完全发现了元素周期律的本质。伴随着对元素周期表本质的揭示，元素周期表被赋予了真正的灵魂，这说明科学知识的发展具有创造性，也让学生充分明白科学知识的形成依赖细致的观察、科学的实验证据、合理的论证以及大胆怀疑的态度。

通过学生的课前预习，课中学生的讲解、质疑，教师的解疑点拨，学生才能充分理解元素周期表的产生、发展和趋向完善，是经历了一个多世纪、多代科学家接力赛般努力探索的过程，推动着现代物质结构理论的建立和发展，尤其是促进了现代化学诸多分支的建立和发展。

二、利用“活动·探究”栏目帮助学生体验科学探究本质

在了解元素周期表的发展史的基础上，再利用教材的“活动·探究”栏目中“元素周期律初探”，让学生亲身体验科学探究的过程，活动问题：（1）学生完成表中所缺内容。（2）学生按学习小组对表中的各项内容进行比较、分析，绘出三张对应的柱状图和折线图，寻找其中的规律。通过“活动·探究”栏目让学生深入体会科学家的科学探究过程，掌握科学研究的一般方法。

1.学会掌握科学研究的一般过程

科学研究过程一般包括发现问题、提出假设、实验验证、数据分析、得出结论等。本节先让学生完成教材的表格所缺内容，然后学生依据表格数据分析并作图，进行相关规律的探索。从而让学生更深入理解科学研究就是人们探索事物真相、性质或规律，以便获得新信息的活动，由此为学生今后从事科学研究打下基础。

2.学会分析实验数据总结规律

科学上对数据分析常用的一种方法是把定量的数字问题转化为图像处理，通过研究变化趋势从而更加简洁直观地找到其变化规律，而元素周期律的教学重点是让学生会利用各种图表处理数据，使学生了解科学研究的方法。本节让学生以小组合作形式合作完成教材的“活动·探究”栏目中元素周期律初探，学生以元素的原子序数为横坐标、原子的最外层电子数为纵坐标，绘出柱状图。同样方法让学生绘出其他两张折线图，让学生观察图表，通过观察得出元素核外电子排布的周期性决定了元素性质的周期性。通过这一活动让学生明白数据分析是科学研究的基本手段，图表是整理数据、发现规律的重要工具。

三、利用“历史回眸”栏目，帮助学生领悟科学理论建构本质

本节先让学生课前预习化学史，初步认识科学本质内涵，再通过教材的“活动·探究”栏目，让学生体验科学探究的过程和方法，最后学生阅读“人类对元素周期律的认识”，师生共同总结，帮助学生领悟科学理论建构的本质。

1.理解科学理论的建构是“实验-观察-推理”的过程

在“历史回眸”栏目中提到，到19世纪中叶已经获得60多种元素的原子量，人们对元素周期律的早期认识是从门捷列夫（D.L.Mendeleev）和迈尔（J.L.Meyer）等科学家依据原子量的大小对元素进行分类排列，并发现元素性质随着原子量的递增呈现明显的周期性变化得出的。学生初步认识到了科学理论的建构遵循“实验-观察-推理”的过程。

2.理解科学知识具有暂时性、动态性

在“历史回眸”栏目中提到，根据元素周期律门捷列夫（D.L.Mendeleev）就预测出三种新元素及其性质。随着科学家的努力，元素镓（Ga）、钪（Sc）、锗（Ge）在十五年内相继被发现，它们的原子量、密度和有关性质都与门捷列夫的预言惊人的相符，这时元素周期表才逐渐被人们承认。但是，一直到1913年英国物理学家莫斯莱利用x射线对原子核所带的正电荷数目进行了测定后，人类社会对元素周期律的实质才有了真正的认识[3]。通过师生交流，学生理解了科学家建立起的科学知识体系，都必须经过人们长期的质疑、验证或重新修改，其合理性才会被接受。可见，科学知识具有暂时性、动态性，即对于科学知识来说，只有相对的真理，没有绝对的真理。

四、基于科学本质观培养的教学实践反思

由于受高考指挥棒的影响，加之教师和学生对科学本质的理解程度不同，教材中出现的化学史大多不会得到教师的重视。为了培养学生的科学本质观，本节“元素周期律”的教学设计及课堂教学重点就放在“化学史”的认识及其后面所揭示的科学本质，以培养学生对科学本质的理解。通过教学实践，笔者有以下几点反思。

1.化学史是学生理解科学本质的重要途径

化学史可以直接传达科学本质，以达到科学本质教育的教学目标，因此如何用好化学史就显得非常重要。目前教师讲化学史的形式是讲故事或简单介绍化学家的重要贡献，对化学家研究经历和如何得出重要贡献没有认真分析、点拨，所以在教学中无法挖掘隐含在化学史后面的科学本质要素。本节试图从元素周期律和元素周期表的发展史多角度去诠释科学本质。课前教师布置学生独立完成有关元素周期律和元素周期表发展史资料的查阅，让学生个体对有关史料有一个概述性了解；课中教师首先让学生分学习小组合作讨论，补充、完善资料；随后请学生代表上讲台归纳讲解，教师点拨归纳提高；最后学生对本堂课学习所得进行总结分享。有的学生总结说：“元素周期表的发现、发展、完善的历史，只是科学发现的一个缩影，它让我知道了任何科学的发现都需要长期不懈地努力才能获得成功，在这个过程中，科学不是一帆风顺的，而是力尽艰辛、充满挫折、失败、猜想、顿悟的不断探索的过程。”学生的这种理解，已经远远超越了对化学史的掌握，而反映出他们对科学本质有了更深入的领悟。

2.设计模仿科学家探索的活动，帮助学生体验科学探究过程

为了帮助学生更好地理解科学本质，教师在课堂教学中设计模仿科学家探索的活动，让学生分学习小组讨论，分析原子序数1～18号的元素其原子序数与元素性质之间的关系并作出图表。学生通过观察、推论，发现随着原子序数的递增呈周期性变化规律这一元素的性质。并让学生通过这一探究活动体验到科学家的科学探究过程，理解科学研究中图表是整理数据、发现科学规律的有效手段，同时领悟科学理论的建构是从观察到推论的过程，科学也是一种不断“探究”的过程。

3.充分利用教材资源“历史回眸”总结科学本质特征

“历史回眸”栏目中全面介绍了人类对元素周期律的认识，从道尔顿的原子学说和原子量概念的提出，到俄国著名化学家门捷列夫和德国化学家迈尔等分别利用已发现的60多种元素原子量数据，开始研究原子量与元素性质间的关系，门捷列夫的第一张元素周期表是按原子量排序，并根据元素周期律修正了9种元素的原子量，还预言和发现了三种新元素及其特性。最后到1925年量子力学的产生，人类才明确元素原子核外电子排布规律，最终发现元素周期律的本质，这个过程历经一个多世纪。这充分说明科学知识的发展都要经历一个漫长的过程，科学知识的发展具有暂时性、动态性、创新性、发展性的特征，教师必须充分利用此资源让学生对科学本质的理解更具体、更全面。

总之，“元素周期律”的教学，让我们深入认识到对教材中体现科学本质要素的挖掘，必须由教师巧妙设计，多角度、多维度去思考，并把这些设计和思考融入到学生自主学习和合作探究的整个学习过程之中，让学生不仅仅学到“元素周期律”的知识，更重要的是领悟到人类社会科学发展过程中一代代科学家接力赛般进行着科学的研究和发现，真正把科学本质根植于学生的脑海。

参考文献

[1] 刘克文.试论科学的本质及其在科学教育中的价值[J].教育科学，2003（4）.

[2] 毕华林，刘冰.基于科学本质教育的化学教科书设计[J].化学教育，2007（5）.

[3] 王磊.普通高中课程标准实验教科书·化学2[M].济南：山东科技出版社，2007.

【责任编辑 郭振玲】