基于发展科学探究能力的高中化学教学实践——以“元素周期律”章节为例

陈飘露，朱文娟，胡明雪，姚成立

（合肥师范学院化学与化学工程学院，安徽 合肥230601）

2017 版普通高中化学课程标准将“科学探究与创新意识”作为五大学科核心素养之一，提出了学生科学探究能力的培养要求，制定了探究学习效果的评价标准。然而在将理论转化为课堂教学实践的过程中，教师仅仅停留在完成活动程序的表层，导致学生对科学探究的概念缺乏整体性理解。这是因为教师对学生探究能力的发展状况缺乏了解，对科学探究能力的构成要素缺乏系统性认识，因此无法在学生活动时进行针对性的指导。本文以“元素周期律”内容为例进行教学研究，充分挖掘核心知识在提升学生科学探究能力方面的价值，在教学环节中明确科学探究能力要素，契合新课标对科学探究的培养要求。

1 基于发展学生科学探究能力的整体设计思路

1.1 元素周期律对科学探究能力培养的价值

元素周期律是科学家们对已知元素间的存在规律进行探究得到的结论，能够帮助学生基于元素认识物质世界，促进对科学本质的认识。学生以原子序数为自变量，分别探讨核外电子排布、元素原子半径等因变量的周期性变化及其原因，进行科学预测；通过化学实验进行元素性质的规律性探究，提高动手能力；根据实验现象进行科学论证，对假设进行解释说明，逐步建立起位置—结构—性质的思维模型；应用思维模型解释元素化合价随原子序数的周期性变化，并进行未知元素及物质性质的预测，将元素世界与物质世界进行整合。以元素周期律作为知识载体，在多样化的学习活动中发展学生科学探究能力。

1.2 学生在学习元素周期律时存在的问题

领会原子结构与元素性质、物质性质的内涵及联系是“位置—结构—性质”思维模型的关键，也是学习的难点。由于学生不能主动寻找多重证据将元素性质和物质性质进行有效联系，难以将二者进行整合，对于元素周期律的相似性与递变性倾向简单记忆，所以缺乏系统性的推理思路，无法进行未知物质的性质预测。本文通过探究实验法探究物质性质，体现元素性质的递变规律；再通过讨论法、练习法开展教学任务，帮助学生形成系统的推理思路。

1.3 优化元素周期律教学整体设计思路

基于核心知识精心设计教学环节，引发学生进行相应的学习活动，将科学探究能力要素落实到各个学生的活动中，提高学习的效率，教学思路如图1所示。

教学环节

（1）趣味导入，成果展示

【课堂导入】十八、十九世纪是元素发现的黄金时代，到了门捷列夫研究元素周期律的时候，已经发现了六十多种元素，并且坚信这些元素间一定存在着某种联系。门捷列夫把这些元素的基本性质收集并制作成卡片，经常像个占卜师一样研究这些元素。

【成果展示】学生在课前分组完成了3～9 号，11～17 号元素卡片，从金属、非金属中各选一种元素如图2。教师将这些卡片按照元素周期表的顺序进行排列。

图1 科学探究能力的整体设计思路

图2 元素卡片示例

（2）分析规律，做出猜想

【任务1】收集课本及资料卡片上的信息，以原子序数为横坐标，分别以最外层电子数、原子半径为纵坐标绘制两个折线图，你得出了什么规律？

【问题】观察原子内部的结构图，影响原子半径大小的作用力有哪些？它们之间的关系如何？

【追问】我们如何从微观作用力角度解释原子半径大小的周期性变化？

【教师】同一周期核电荷数增大时，原子核对核外电子的吸引力占上风；而同一主族则与之相反。这对原子得失电子能力会不会产生影响？

（3）设计方案，收集证据

【任务2】以第三周期为例，以小组为单位设计实验方案探究第三周期元素钠、镁、铝金属性的强弱。

【方案收集、师生点评】师生点评项目包括实验方案的原理与合理改进，见表1。

表1 学生方案及师生点评

【学生活动，分组实验】将班级同学分为三组，分别将方案1、2、4 修正简化后进行实验论证，见表2。学生对金属钠与水反应的实验现象记忆深刻，因此不再重复该实验。

表2 实验操作、实验现象及结论

【任务3】通过表3 给出的物质性质，推理得出第三 周期元素Si、P、S、Cl 的非金属性强弱，见表3。

表3 物质性质表

（4）梳理模型，迁移应用

【任务4】请同学们根据元素的位置、结构、性质三者的联系，结合探究实验过程得出的结论完成思维过程图，见图3。

图3 思维过程图

【问题】你能通过该思维模型解释元素主要化合价的周期性变化吗？

【任务5】预测硒元素的性质并说明理由。依据含硫物质举出一种含硒物质，并推测其化学性质。

【学生讨论】硒与硫属于同一主族，硒的原子半径比硫大，非金属性比硫弱。含硒的物质有硒酸、二氧化硒、亚硒酸、硒酸钠……

【总结】元素周期律具有强大的预测性，能够预测未知元素及物质的性质；能让我们寻找性质相似材料进行实践创新。如在金属和非金属的分界线处寻找半导体材料，在过渡元素中寻找优良的催化剂。

2 教学反思与教学建议

通过课后采访和习题检测表明，基于发展科学探究能力教学活动对学生的思维发展起到积极作用。通过猜规律、证规律、建模型、用模型四个教学任务，让学生在活动中自主建构知识，在此期间教师作为引导者，给予基本思维框架作为支撑。进行探究教学设计时一定要明确学生活动对应的科学探究能力要素，通过观察学生课堂表现、追问等方式检测科学探究能力是否有效落实。

学生通过元素周期表的学习对原子结构和元素性质有了一定的知识基础，这为他们猜想元素性质存在的变化规律做了铺垫，也加深了结构决定性质的思想观念。探究过程要基于学生已有认知基础，才能更贴近实际的科学认知过程，有效地形成认识思路，发展高阶思维。

实验方案的制定不是一蹴而就的，需要经过师生共同讨论、修正，通过多样化的评价发展学生方案设计的能力。从理论出发进行发散思维，将其转化成可操作的实验步骤，同时对其他小组设计的方案进行批判性思考，分别从原理和可操作性两个方面进行质疑，培养学生的批判精神。基于客观事实对规律进行验证，将物质性质和元素性质进行有效联系，培养证据推理意识。

在教学过程中将思维过程外显，帮助学生构建认知模型。通过预测性任务让学生将思维模型迁移至陌生情景，发展学生解释与论证、表达与交流的能力。元素周期律作为理论基础在社会生活中发挥着重要作用，帮助学生形成为发展科学技术而学习钻研的科学精神。