化学学科核心素养导向的教学设计

朱鹏飞　陈敏　孙逸明

摘要： 根据《普通高中化学课程标准（2017年版）》“四个注重”的要求，在“元素周期律”教学设计中，创设真实的问题情境——电池材料的选择，设置三个学习任务——探究元素排序依据的选择、元素性质与原子结构的关系、两者发生关系的原因以实现知识的结构化。借助微型实验、金属性非金属性强弱比较的三维模型等手段帮助学生开展探究活动，注重运用提问、点评等方式开展日常学习评价，实现“教、学、评”一体化。上述教学设计和实践实现了元素周期律知识对学生学科核心素养发展的价值。

关键词： 化学學科核心素养; 元素周期律; 元素性质与原子结构; 教学设计

文章编号： 10056629（2019）10003706中图分类号： G633.8文献标识码： B

课堂教学是发展学生化学学科核心素养的主阵地，开展相应的教学设计研究及实践是落实核心素养培养要求的重要途径。《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称17版课标）在“附录2教学与评价案例”中提出的“四个注重”为教师开展教学设计研究指明了方向： 注重真实问题情境的创设、注重基于“学习任务”开展“素养为本”的教学、注重认识思路的结构化和显性化、注重“教、学、评”一体化[1]。在课堂教学中，如何根据上述要求进行教学设计？下面以必修课程中“元素周期律”课题为例阐述相应的教学设计与实践。

1 学科核心素养导向的教学设计思路

如图1所示，学科核心素养导向的教学设计可以按照如下的思路展开：

首先，分析17版课标要求和教科书编写意图，挖掘教学内容对学生

学科核心素养发展的价值;其次，围绕素养发展价值设计多个学习任务并确定教学和评价目标，学习任务的设计本质上是在将知识和认识思路结构化;第三，围绕学习任务和教学、评价目标创设真

实问题情境，设计课堂提问和学习活动。在整个教学过程中注重运用提问、点评等方式开展日常学习评价，贯穿“教、学、评”一体化。

1.1 挖掘教学内容对学生学科核心素养发展的价值

挖掘教学内容的素养发展价值是教学设计的起点。元素周期律是中学化学重要的基础理论知识，其认识发展功能在于揭示不同元素之间的联系，帮助学生形成认识元素和物质性质的新视角和系统思维框架。基于元素周期律学生可以比较、解释和论证不同元素性质的差异，可以由已知元素和物质推知和研究未知元素和物质[2]。元素周期律的学习实际上是以元素的核电荷数为自变量，元素的各种属性（原子半径、最外层电子数、化合价、金属性和非金属性）为因变量，探究两者之间的关系，进而得出结论。而这些均需要基于物质性质的实验和其他数据、事实证据等进行推理和论证，因此，该部分教学内容着重发展学生“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”两方面的核心素养。

1.2 制定教学与评价目标，注重教学评一体化

在目前的化学教学与学习评价中，教师更多的是关注教学，往往把评价与化学知识的建构过程相脱离，而核心素养导向的化学教学设计需要注重教学目标与评价目标、学习任务与评价任务的一致性。本节课设置的教学与评价目标列于表1，并在此基础上形成教学与评价思路。

1.3 设计“学习任务”，实现知识结构化

学习任务是连接核心知识与具体知识点的桥梁和纽带，是实现知识结构化的重要环节[3]。基于教学内容素养发展价值分析的研究，本节课设计了解决3个核心问题“为什么选择核电荷数作为自变量”、“元素的性质（因变量）与元素的核电荷数（自变量）的关系是什么”“为什么会发生这样的关系（元素性质周期性变化的原因）”的3个主要学习任务（见图2）。3个学习任务的设置不探究自变量的选择（核电荷数）  探究自变量与因变量的关系（元素性质周期性变化）  探究自变量、因变量发生关系的原因（元素原子核外电子排布）仅实现了知识关联的结构化，还实现了认识思路的结构化。“学习任务1”强调化学史研究，体现元素排序依据从“原子量”到“核电荷数”的变化历程;“学习任务2”突出实验探究、证据推理，通过模型建构和实验探究等多种方式帮助学生认识元素周期律;“学习任务3”注重学科本原，体现元素周期律的认识进阶。

1.4 创设真实且富有价值的问题情境

真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会[4]。本节课设置了如下问题情境：“科学家为什么能从锂电池联想到钠、镁、铝电池？”“为什么可以通过元素周期表检索适合做电池电极材料的新元素？”“为什么新型电池另外一极经常选择氧气、硫作为参与反应的物质？”这些真实的问题情境，不仅能够激发学生研究元素周期律的兴趣，更关键的是其具有丰富的素养发展价值，能够引导学生更深入地认识元素周期律，帮助其体会化学学科的社会价值。

2 “元素周期律”的教学过程

2.1 环节一： 情境引入

[情境]锂电池在我们日常生活中的应用比较广泛，然而锂资源的储存量是有限的，科学家希望能够寻找到可以替代锂的电池材料，近年来相继研发了钠、镁、铝电池。科学家为什么能从锂电池联想到开发这些电池？

[学生]锂、钠、镁、铝化学性质都比较活泼，容易失电子。

[提供素材]美国西北大学研究电池材料的团队如是说： 我们通过高通量计算检索元素周期表，寻找合适的新元素[5]。

[过渡]可以发现： 锂、钠、镁、铝在元素周期表中排列在相近的位置，为什么这四种元素位置相近？它们之间的关系是什么？这就涉及到元素周期律的学习了。

2.2 环节二： 探讨元素周期律中“周期”的含义和元素排序依据的确定

[问题]元素周期律含有“周期”这一关键词，你能否通过列举生活中常见的周期谈谈如何理解“周期”？

[学生]一个月30天是一个周期，一天24个小时也是周期，周期的特征是重复、周而复始。

[教师补充]音乐中的音阶： dol re mi fa sol la si dol，请一位学生唱一下。大家可以发现第二个dol比第一个dol音高要高，这说明周期不一定是单调的重复，也有可能是向前发展的。

[问题]了解了“周期”的含义后，从字面上对元素周期律就可以理解为： 元素的某个量伴随着另一种量的递增而呈现重复的有可能是向前发展的变化。因此我们研究的第一个问题是： 如何对元素进行排序？

[过渡]根据前面所学知识，你认为周期表按照什么对元素编号排序呢？（学生： 核电荷数即质子数。）但是化学家找到这个自变量却经历了漫长的历程。

[化学史实1]1869年门捷列夫提出元素周期律的时候是按原子量（现称为相对原子质量）大小排序的。展示门捷列夫当年的手稿（见图3）。

[问题]可以发现他在一些元素比如Te的原子量后面打了个“？”，为什么呢？

[学生讨论]因为如果按原子量排序，Te（128）应该在I（127）的后面，可是若考虑到性质的相似性，Te应该在I的前面。

[过渡]因此“？”说明门捷列夫怀疑Te的原子量可能测定错了。实际上没有测错，这说明按原子量排序还不够准确。

[化学史实2]19世纪末X射线的发现为物质微观结构的探索提供了强有力的手段[7]。1911年，卢瑟福提出带核的原子结构模型，指出原子由原子核和核外电子构成。1913年，卢瑟福的学生莫斯莱用高能电子束轰击50多种元素的单质，发现各种元素原子发射出的X射线频率不同，他认为这体现了元素的特性，并把X射线频率从小到大排了个队，还给它们编号（称之为原子序数）[8]。

[问题]莫斯莱发现按原子序数对元素进行排序，竟与门捷列夫元素周期律中元素排列的次序基本相同，而且其进一步绘出了X射线频率平方根对原子序数的图像（见图4），从数学函数角度看这两者之间是呈什么关系呢？

[学生]横纵坐标之间呈正比例关系。

[追问]纵坐标体现了元素的特性，横坐标和纵坐标成对应关系，这意味着横坐标有什么样的含义呢？

[学生]横坐标“原子序数”应该也体现了元素原子的特性。

[教师]原子序数是整数，这意味着它一定对应原子内部某种微粒个数，结合卢瑟福的实验，莫斯莱推导得出原子序数等于核电荷数。

[总结]莫斯莱的研究工作消除了门捷列夫周期律中出现的多处类似Te和I位置颠倒的矛盾，若按照核电荷数排序，核电荷数为52的Te应该排在核电荷数为53的I的前面，更重要的是它给元素在周期表中的排列提供了新的更准确的排序依据。

设计意图： 对元素周期律的认识首先需要对“周期”一词准确理解，因此环节二教学的开始围绕“周期”一词展开讨论，通过多个例子帮助学生认识周期的特征是周而复始、重复变化，同时这种变化还有可能是向前发展的。通过对门捷列夫、莫斯莱研究工作的分析帮助学生认识到选择“核电荷数”作为元素排序依据的研究历程，体会科学研究的理性。化学史的分析过程中并非简单介绍相关材料，而是通过绘图、提问、诊断并发展学生基于证据推理的水平。

2.3 环节三： 探讨元素性质发生何种周期性变化

[问题]按照核电荷数进行排序，可是为什么Na没有和Ne排在同一周期呢，而是排在它的下一周期？

[学生讨论]Li和Na的性质相似，容易失电子。

[教师]金属性和非金属性是元素的重要性质，其随核电荷数的递增是否有周期性变化规律呢？

[学习活动]请大家围绕金属性强弱的判断方法和提供的相关试剂，设计实验方案，探究第三周期钠、镁、铝元素金属性强弱。

提供的试剂： 金属钠（切成小块）、镁条、铝片、铝粉、蒸馏水、酚酞、盐酸（3mol·L-1）、 MgCl2溶液（1mol·L-1）、 AlCl3溶液（1mol·L-1）、 NaOH溶液（3mol·L-1）

[方案设计、点评]见表2。

[学生实验]

（1） 用砂纸打磨镁条，向一支试管中加入镁条，滴加1mL水，并滴入2滴酚酞溶液，观察实验现象。然后加热试管，观察并记录实验现象。

（2） 用砂纸打磨铝片，用剪刀剪成约1cm长的铝片，向点滴板的两孔中分别放入一小段镁条和一小块铝片，再向试管中各加入5滴3mol·L-1稀盐酸，观察并记录实验现象。

[演示实验]分别向1mol·L-1氯化镁和氯化铝溶液中逐滴加入3mol·L-1氢氧化钠溶液至过量。

[教师]引导学生分析实验现象，比较Mg（OH）2、 Al（OH）3的碱性强弱，进而得出镁的金属性比铝强。

[学习活动]我们继续研究第三周期元素Si、 P、 S、 Cl的非金属性强弱。请同学们通过阅读表3相关材料，观察教师演示实验，从中获取证据，得出结论。

[演示实验]向1mol·L-1硅酸鈉溶液中逐滴加入磷酸;利用pH传感器测定0.1mol·L-1硫酸、磷酸pH。

[教师]引导学生分析实验现象，进而得出从Si到Cl非金属性逐渐增强。

[过渡]由此我们就会发现，第三周期随着核电荷数的递增，元素金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。对其他周期元素进行同样的研究，也能得到类似的结论。例如在第二周期中，由活泼的金属元素Li逐渐过渡到非金属元素O、 F等，如此周而复始、循环往复。

[问题]那么这种周而复始仅仅是单调的重复吗？以第一主族为例，钠与水常温下可以反应，其他的金属能与水反应吗？反应的剧烈程度有差异吗？

[教师]播放K、 Rb、 Cs与水反应视频。可以发现： 这些金属单质与水反应越来越剧烈，说明金属性越来越强，因此元素性质的周期性变化是向前发展、螺旋式上升的。

[展示]三维立体元素周期表模型（见图5），我们不仅可以从定性的层面判断元素金属非金属性强弱，科学家还采用了一套数据在一定程度上进行衡量，模型中每个元素上面有一个数字，比如F是4.0，数值越大，高度越高，意味着元素的非金属性越强。可以发现： 同一周期，从左到右，数值逐渐增大，非金属性越强;同一主族，由上往下，数值逐渐减小，金属性越强。这与我们刚才通过实验探究得出的结论是基本一致的。

[问题]新型电池材料的研制经常会用到元素性质变化这一规律，电池两极参与反应的物质得失电子的能力差异越大，理论上能给出高的能量，钠镁容易失电子，什么元素原子容易得电子呢，能否结合模型分析从周期表什么位置寻找呢？

[学生]从周期表右上角的元素来寻找。通常另外一极选择氧气、硫作为参与反应的物质。

[学习活动]除了元素的金属性、非金属性发生周期性变化外，元素的主要化合价、原子半徑是否也呈现周期性的变化呢？请大家根据相关数据比较分析，总结规律。

[总结]元素的性质随着元素核电荷数的递增而呈现周期性变化的规律叫做元素周期律。

设计意图： 元素性质的周期性变化认识需要基于相关实验事实、数据等证据进行推理和论证。这部分教学过程在传统教学的基础上丰富了证据的来源，不仅增加了基于实验事实的证据，还在必修课程中创新地引入电负性相关数据，制作了三维立体元素周期表模型，学生表现出了极大的兴趣。借助微型实验、金属性非金属性强弱比较的三维模型等手段帮助学生开展实验探究活动。根据学生在实验探究、方案设计等活动中的表现，运用提问、点评等方式发展学生探究物质性质的能力和水平。此外，元素的性质变化与电池两极材料选择的关联性帮助学生感受元素周期律的应用价值。

2.4 环节四： 探究元素性质发生周期性变化的原因

[过渡]回到19世纪，还有一个与周期律有关的问题没有解决： 那就是元素的性质为什么会随着核电荷数的递增成周期性变化呢？在当时，人们很难去解释这样的规律，以至于门捷列夫晚年时将自己提出的元素周期律称之为神秘现象。直到20世纪上半叶，科学家们运用多种方法揭示了原子核外电子的排布规律，才解决了这一问题。

[学习活动]请大家根据1～20号元素的原子结构示意图分析： ①随着核电荷数的递增，元素原子核外电子的排布有什么规律;②从原子结构的角度分析同一周期、同一主族元素金属性、非金属性递变规律的原因。

[学生]从核电荷数、电子层数和最外层电子数的角度予以讨论，教师进行点评。

[教师]元素周期律的形成原因终于被大家揭示了，原来，元素周期律是元素原子核外电子排布随着核电荷数的递增发生周期性变化的必然结果。

2.5 环节五： 总结提升

[教师]我们不仅可以从物质类别、氧化还原反应等角度研究物质，还可以从元素周期律的角度认识物质性质。例如通过本节课的学习，你能否对上学期学过的溴、碘元素及其化合物性质进行再研究，看看能获得哪些新认识？

[学生]学生1： 与以前的认识相比，我知道了为什么氧化性Cl2>Br2>I2。

学生2： 稳定性： HCl>HBr>HI;酸性： HClO4>HBrO4>HIO4。

学生3： 氯气可以与水、碱等物质反应，那溴、碘单质也可以与这些物质反应。

学生4： （紧接着学生3回答）虽然都可以反应，但I2的氧化性比较弱了，与铁生成的是碘化亚铁。

教师对上述回答予以点评。

[总结]元素周期律不仅可以帮助我们预测未知元素的性质、寻找合适的电池材料，还能够帮助科学家寻找或合成具有特殊性质的新物质。例如人们可以在金属和非金属的分界线附近寻找半导体材料（如硅、锗等）;在过渡元素中寻找优良的催化剂（如铂、镍等）和耐高温、耐腐蚀的合金材料（如钛等）。元素周期律还能够帮助科学家发现新元素，从2014年开始人们陆续发现113号等元素，到今天元素周期表中第七周期已经排满。此时回望1869年门捷列夫首次提出的元素周期律，已经过去了150年，因此，联合国宣布2019年为“国际化学元素周期表年”。可见，未来我们对元素周期律的学习还将继续。

设计意图： 通过对溴、碘等元素及其化合物性质的提问和点评，诊断并发展学生对元素化合物性质的认识水平。引导学生从基于物质类别、元素价态预测物质性质，到基于物质类别、元素价态和元素周期律的综合视角预测元素性质，感受元素周期律在学习元素及其化合物知识及科学研究中的重要作用。

3 教学反思

本节课的教学设计与实践是在2018年江苏省高中化学优质课评比中完成的。经过多轮试讲、修改，该设计的教学取得了很好的教学效果，达成了相应的目标，使学生的学科核心素养发展水平（主要是证据推理与模型认知、科学探究与创新意识）得到一定程度的提升。尤其是学生对溴、碘元素及相应物质性质的回答表明其能够从物质类别、元素价态和元素周期律的综合视角预测元素性质，对元素化合物性质的认识水平得到提高。但在以下方面还值得进一步思考和改进： 第一，本教学设计是单课时，在知识和认识思路的结构化处理方面并没有将元素周期表和元素周期律有机地整合起来，如果能够从单元设计的角度来开展教学研究，则更有利于学生素养的发展和提升，学生能够更好地建构“位—构—性”的系统认识模型;第二，本教学设计关注到了学习评价，但学习任务与评价任务、学习方式和评价方式的整体性、一致性设计方面有待加强，特别是需要探索常态课教学中如何更有效地开展化学日常学习评价、如何更好地发挥“点评、提问”等对学生化学学科核心素养发展的促进功能。我们将在后续教学过程中深入研究，尽力弥补这两方面的不足。

参考文献：

[1][3][4]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]普通高中化学课程标准修订组. 普通高中化学课程标准（2017年版）解读[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 109.

[5]研究预言稳定大容量锂电池的材料[EB/OL]. [20180701]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1604776592950518359&wfr=spider&for=pc.

[6][7][8]张学方， 王少亭. 元素周期律与周期表的研究[M]. 北京： 北京教育出版社， 1997： 52～56.

[9]华彤文， 王颖霞等. 普通化学原理（第4版）[M]. 北京： 北京大学出版社， 2013： 228.