品味元素周期律发现的乐趣提升化学学科核心素养

摘 要：元素周期表（律）是现代科学中最富成果的思想之一。本文通过高中化学教材中对元素周期律发现的化学史回顾，对新课程改革中化学核心素养的养成做出了一些思考。

关键词：元素周期律;元素周期表;学科核心素养;化学史教学

高中化学教学的基本理念是立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，充分发挥化学课程的整体育人功能，构建全面发展学生化学学科核心素养的高中化学课程目标体系。结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念;引导学生关注人类面临的与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。

一、 问题提出的背景

元素周期表（律）是现代科学中最富成果的思想之一。1869年被认为是Dmitri Mendeleev（德米特里·门捷列夫）发明元素周期表的一年。150年来，随着研究的深入，元素周期表更加成熟，至今仍然保持着最广泛、最持久、最深入的影响。为了纪念元素周期表诞生150周年，联合国大会宣布2019年是“国际化学元素周期表年”。

150年来围绕着元素周期律发明的科学历程，无不体现着包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”这五个方面的化学学科核心素养。高中化学教师应当在化学教材编写的基础上，根据实际教学需要和教学思路充分利用这些鲜活的化学史内容，积极推进高中化学核心素养的落地教学。

二、 关于知识讲述方式的思考

人教版（2019版）元素周期表（律）的知识讲述偏重于知识点本身，通过已知图表的形式让学生归纳总结并发现规律。在教材中间的“科学史话”专栏给出了“原子结构模型的演变”和“元素周期表的发展”两部分阅读材料作为补充。在“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新意识”这两点上做了很好的平衡。但是在人类的化学发展史上，究竟是如何在纷繁芜杂的各种元素之间建立联系呢？教师可以以元素周期表的发展史为主线索，从德国化学家德贝莱纳的“三素组”学说，到法国地质学家尚古多提出的螺旋图分类，再到英国化学家纽兰兹的“八音律表”，最后到俄国化学家门捷列夫排出元素周期表，讲述每一个学说的来龙去脉、先进性和局限性，以及科学家面对难题的困扰和采取的对策。将简单的知识讲述转变为生动的探索发现历程，带着学生共同品味元素周期律发明的乐趣。理论研究和实际应用互相促进。“构、位、性”的和谐统一推动了元素周期表的应用。这实际是与“科学态度与社会责任”紧密联系的。不过可能由于受篇幅的限制，人教版介绍的比较简略。教师可以根据课时安排，增加更多STEM（科学Science、技术Technology、工程Engineering、数学Mathematics）的内容。

三、 关于探索方式的思考

我们的化学教学倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动。分别用实验探究第三周期元素钠、镁、铝金属性的强弱，用列表格罗列事实的形式比较硅、磷、硫、氯非金属性的差异。既有感性的实验事实，又有理性的原子结构的分析，在“证据推理与模型认知”上达到了很好的效果。在此基础上，教师还可以创造一些迷你实验小问题：如预测神秘元素的性质。按照元素符号、密度、熔点、原子半径的顺序，提供了一些反映周边元素性质的数据，通过计算周边四种元素对应参数的平均值，来预测未知元素A、B的密度、熔點和原子半径。这是一个真实的体验：门捷列夫就是在此基础上预言了21号（类硼）、31号（类铝）和32号（类硅）元素的物理和化学性质。让学生模仿早期科学家的探究活动，通过这一活动拉近学生与科学家的距离，让学生尝试沿着科学家的足迹去感受发现的过程，更好的理解“结构、位置、性质”三者关系的统一。这是一种非常好的探索方式。

四、 关于科学精神的思考

任何科学的发现都不是一帆风顺的，我们需要进行挫折教育和科学态度、科学精神的培养。元素周期表的发明同样经历过严峻的挑战和考验。1894～1898年间惰性气体Ar、Kr、Ne、Xe被相继发现。1900年又从放射性矿物中鉴别出镭射气——Rn，这都使门捷列夫的元素周期律理论受到了严峻的挑战。因为周期表上找不到他们的位置。门捷列夫以其睿智，巧妙地提出在周期表里可以再增添一个“零族”，从而进一步改善了周期表，也构成了一次新的认识飞跃，使周期律理论得到了巩固。在周期律的指导和启迪下寻找新元素的工作克服了盲目性，增加了自觉性。

在现代元素周期表中，决定元素排列顺序的究竟是相对原子质量还是核电荷数这个问题，人教版的介绍很简略。人教版（2019版）在“科学史话”中提到“1913年，英国物理学家莫塞莱发现并证明了周期表中元素的原子序数等于原子的核电荷数”这样一句话。事实上，1913年英国青年科学家莫斯莱测定了每种元素的核电荷数，得出了周期表中元素的排列次序是“核电荷数”这一著名结论（莫斯莱定律）。这是一个伟大的发现，在理论和实验方面都有着深远的意义。这就解释了为什么在元素周期表中钾和氩、钴和镍、碲和碘等处，相对原子质量大的反而排在相对原子质量小的元素之前的倒置的现象。

五、 关于科学本质认识的思考

科学的本质是真理体系，是认识世界的实践方法，是积累、批判和创新。学生对科学概念的掌握依赖于对科学本质的认识。在教学中除了开展科学探究活动之外，融入科学史也是一种行之有效的途径。它不仅可以帮助学生了解元素周期律的科学知识，更重要的是从周期律的发现过程中再现科学家的研究方法，体现科学本质的诸多方面。从“三素组”学说，到螺旋图分类，再到“八音律表”，最后到元素周期表，体现了科学的积累性;在关于元素性质描述的众多数据中，门捷列夫牢牢抓住了化学性质与原子量这两个关键数据进行研究，终于发明了元素周期律，体现了科学的创造性;从最初元素性质随原子量递增呈现周期性变化到最终修正为元素性质随原子序数（核电荷数）递增而呈周期性变化的规律，体现了科学的批判性。

将这段化学史融入教学中，学生们就不至于提到元素周期表就只知道门捷列夫。他们会更多的了解到门捷列夫之前的很多科学家所作出的贡献。任何科学的发现都不是一蹴而就的，科学的发展是一个不断积累、不断批判和不断创新的过程。新的观察发现可能会对旧的理论提出挑战，在批判的过程中创立新的理论。

六、 关于教学的一点反思

教师要不断学习，这样教学才能与时俱进。2016年IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）核准并发布4种最新人造元素（113，115，117和118）的英文名称和元素符号。紧接着，2017年全国科学技术名词审定委员会正式确定了这四种元素的中文名称。至此，第七周期元素已经排满。教师千万不能再提人教版（2007版）当中的“不完全周期”的概念。

也许是因为编排时间较早，高中化学教材中缺少最新的科学研究成果、缺少科学视野的前瞻性。教材中元素周期表（律）的基本教学知识内容，大多数是19世纪中叶至20世纪初的人类研究的文明成果，仅限于介绍元素周期表（律）的早期探索。科学的发展日新月异，教师要密切关注最新的发展动态，努力将最前沿的发展介绍给学生。

教师可以向学生介绍元素周期表的三次重要拓展：“天然放射性元素”的发现、“人工放射性元素”（人造元素）的合成和“锕系后元素”（超重元素）的合成。在“天然放射性元素”的发现中介绍居里和居里夫人的探索故事等。虽然这三次重要的拓展都是物理学领域的重要研究成果，但是学科没有边界，在这种跨学科的交流中彰显“科学探究与创新意识”的核心素养理念。

教师可以向学生介绍“超重元素稳定岛”的预言以及元素周期表的边界问题的探讨。如果“核电荷达到足够强大，将会出现最内层的K层电子被原子核俘获，引起整个电子层结构的崩溃，这样具有更高Z的原子就不复存在。”这样的讨论既介绍了前沿科学让学生耳目一新，又联系了原子核对核外电子具有吸引力引起的原子半径大小问题、得失电子的难易程度等诸多高中化学中学生已经熟悉的讨论。但是，微觀世界的实际情况要更加复杂，经典的牛顿力学已经不适用，必须用现代的量子力学理论才能解释清楚。虽然教学中教师只是寥寥数语，但量变引起质变、“科学态度与社会责任”却给学生打开了一扇通向未来的窗户。

七、 结语

我们的教学一直在不断的改革，其目的在于不断适应新的教育理念、新的形势发展的需要。化学史蕴含着丰富的关于科学方法、科学本质的广泛深刻的教育意义，但中学化学教学既不是专业全面的化学史课程，也不是浮光掠影的科普节目，它追求的是一种不断追求的科学精神，是拨开认知迷雾、打破思维禁锢的不断否定又创新的意识。我们不仅要把科学的历史性和文化性整合在知识体系中，更要关注学生对科学的理解。科学的发现经历有的可以在课堂上重复再现，那么多的科学人物和事件也不一定能够完全记住，但是我们终将在潜移默化中引导学生构建现代科学体系中应有的思想观念、提升化学学科核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.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]白建娥，刘聪明.化学史点亮新课程[M].北京：清华大学出版社，2012：127-128.

[3]蔡善钰.元素周期表的创立及其三次重要拓展：纪念门捷列夫周期表发表150周年[J].物理，2019（10）：625-632.

作者简介：黄谦，江苏省南京市，南京师范大学附属扬子中学。