遵化学史实，融地方特色

张宝辉

摘要：充分遵循元素周期表发展史实，在广泛查阅分析有关文献基础上，精选周期表中典型元素及其化合物，融合生产生活中相关材料学的发展与动向，注重选择学生所在地中山市相应领域的应用研究，凸出元素周期表的分区与元素周期律之间的有机联系。在传统的“位-构-性”的三维教学模式中巧妙渗透时空观，从而让整个教学过程更加立体饱满;更好地激发学生学习兴趣，丰富其认知视野;让元素周期表与元素周期律的应用不仅停留在纸面上，更体现在相关材料学科的应用发展中。

关键词：化学史;元素周期律;应用;材料学

文章编号：1008-0546（2022）09-0048-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、思考背景

元素周期表和元素周期律的应用作为高中化学新课标中一个重要的教学内容和新增学业要求，是学生温故知新的不可替代的思想武器，是高考评价体系在化学课中具体独有的承载方式之一，是化学核心素养如何在具体章节知识中体现的重要素材，是老师灵活落实新课标进行教学设计的常用情境、说课或研讨的热点话题。可见无论过去、现在或是将来，针对这部分内容的教学教研活动总会有新意和价值。

自化学新课标颁布和新教材使用以来，从《化学教育》《化学教与学》《中学化学教学参考》等与中学化学教学相关的主流媒介与期刊获知，有关上述内容的教学研究时有报道，其探究的角度主要集中在以下四个方面。

一是对新旧教材中关于元素周期表与周期律内容的比较与整合研究，如参考文献[1-7]中的研究，阐释了不同教材在各水平变化的特点，取长补短进行整合，并获得重视知识的结构化设计等方面的教学启示，为找到一个合乎学科逻辑、合乎认识规律、合乎学生心理发展水平的最佳教学方式提供借鉴。

二是对新课标中的化学核心素养提升或学科思维发展的教学实施与分析，如参考文献[8-18]中的研究，为使用新教材进行核心概念教学提供参考，探索在高中化学教学中如何通过有效设计课堂教学活动帮助学生建立起相应的认知模型，发展证据推理与模型认知核心素养，培养科学精神。

三是对教材中此内容习题的设置或高考题中相关题目的分析以及命题的趋势把握与预测，如参考文献[19-24]报道的研究，通过分析有关试题对学生的基础知识的掌握情况、思维能力和核心素养等命题视角进行分析，给出了解题策略及复习备考建议。

四是对元素周期表及周期律的相关概念及历史的教育功能的阐述与辨析，如参考文献[25-31]中报道的研究，通过整合核心内容及界定重要概念的实践研究，概述了化学史融入高中化学某些模块和章节教学之中的教育价值。

纵观以上参考文献涉及的范围与特征，有关化学史的立意研究少有报道，将相关材料学的发展历史与地方化学应用特点的事实及情景融合的相关探讨更是难寻借鉴。笔者在认真研读化学新课标、新教材和教参的基础上，针对目前有关元素周期表和周期律应用的教学研究的空白区域，将化学史与地方化学材料的应用融合，重构元素周期表和周期律应用的认知并进行教学实施，以期能最大限度地革新传统的重在解题的模式;让学生利用已学基本知识就能解决相关的实际问题;在化学事实与实际应用情景中体验元素周期律与周期表分区的意义;在教学设置与问题探究中，提升宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等化学学科核心素养。

二、重构详情

1.整体设计

在重构元素周期表和元素周期律的教学设计与实施过程中，笔者采用了总分总的教学流程，以任务清单如图1所示的形式，让学生明确这节课的设计主题、探讨顺序和预期目的。

为了利用好任务清单，驱动学生应用元素周期表和元素周期律主干内容解决实际问题，特别是开放类成因解释类问题，达成图1所示的预期收获，笔者认为结合数据和情境中的文本信息、实验现象和操作、实验图表等“证据”来“推理”一系列化学问题的成因，并建立思维“模型”可提高对“原因问题”的认知，而辩证的“矛盾观”是“证据推理”的主要思维方式，为此建构了“认知模型”的“哲学体系”如图2所示。

2.实施过程

（1）温故元素周期律：通过对元素周期律具体内容和常见表达的准确表述的检测，结合教材第106页1、4、5这3道题的课堂回答情况，采用如图3所示的形式总结其核心观点和主要问题，以帮助学生加深结构决定性质的认知观，同时创设如图4所示的柱状图，引导学生思考补充坐标图的纵坐标的物理含义，以帮助学生思维的发散、拓展及创新。同时提问这些性质与这些元素在周期表中的位置关系，过渡到任务2。

（2）史说元素周期表：以时间为序，用丰富的图表形式辅以简要的文字描述，再现1789年至2017年间，科研工作者在原子结构揭秘与元素周期表的探究、总结、编制和完善工作中的艰难钻研和孜孜不倦的求真务实过程。引导学生分析不同阶段周期表的特征和异同点，从而突出分類思想在化学学习和科研工作中的重要意义（见表1）。

（3）元素周期表再分区：上述温故元素周期表的安排目的还在于通过问题引导方式，让学生结合已有知识储备，对现代长式元素周期表再认知。如从元素核外价层电子数特点、常用元素的单质及化合物的重要用途等角度进行合理分区（见图5），以助其思考范围和联想边界扩大，引发学生的好奇心。再辅以必要提示，如金属与非金属交界区的元素、Si的主要物理性质和可能用途有哪些？并刻意选择一些后续教学环节中需要用到的元素，如第四周期部分过渡元素显示图中，顺利进入任务4环节的探讨。

（4）阅读材料的分析：为突出将元素按照一定理化性质分区，以便为生产生活服务的实用价值提供指南。笔者选取整合了与学生生活密切关联的5类（并预设按照周期表由左至右，由上到下的顺序）材料信息，包括教材和教参中相关的文本内容，并于课件中置入大量丰富的图片和精简视频资源，通过设置如下3个核心问题以助学生能把握好课程资源阅读和理解的方向，从而更好地聚焦教学的重点——元素周期表和周期律应用。

问题1：每一类/一段学习材料中涉及主要物质及特殊物理或化学性能是什么？

问题2：与问题1中物质相对应的元素在周期表中所处区域或位置在哪里？

问题3：与问题2中元素相对应的原子结构特别是最外层电子数有何特点？

①第一类元素涉及电池发展：由于电池涉及人们生活的众多领域，且学生都有使用手机电池的体验，通过设问“你知道现在人们普遍使用的锂离子电池历史上经历了哪些过程才发展而来的吗？”，辅以典型电池及应用领域的图片（见图6）及文本信息，引导学生徜徉在形形色色、性能各异并不断得到发展与改善的电池中。

在小组相互讨论基础上汇报对如下8个典型电池（伏打电堆及Zn-Cu原电池、Zn-MnO2一次性干电池、镍氢电池/银锌纽扣电池、铅酸蓄电池Pb-PbO2、铝空气电池、锂离子及全固态锂/钠硫电池、燃料电池如氢氧燃料电池、太阳能电池与光伏电池等）的认知，初步归纳出电池行业的发展规律：如元素从过渡金属发展到主族元素，核心元素的相对原子质量减小但比能量值升高的趋势。而电池成品的性能逐步向质量轻、体积小、比能量密度高、充放电次数高、性能稳定、便于携带和安全环保的方向发展。

还有学生熟悉的几个本土与电池相关优势产业：如纯电动公交的乘车体验（插说新闻：2019年6月18日，中山市本土制造的首批300辆新能源纯电动公交车从板芙镇广东晓兰客车有限公司驶出，正式交付市公交集团投入营运）。又如号称世界灯都的古镇生产节能灯饰在节约能源和资源持续利用以及在“碳中和”战略上力做践行的排头兵;还有在“太阳能电池与光伏电池”产业上一直在不断耕耘进取的总部位于中山市火炬开发区的明阳集团，以此增强学生的地方归属感以及学以致用的学科认同感。

②第二类元素涉及半导体材料发展：以广东明阳集团在半导体材料领域近20年的探索过程为重要探讨背景（见图7），回顾了在半导体行业经历的4个主要阶段，简述了相关科研工作者的艰难探索过程和追求极致的科学精神（见表2）。

③第三类元素涉及农医药发展：通过选取农药中杀虫剂在研发、试用、使用和调整中的典型代表物种类别（Ⅰ.我国早已使用雄黄（As4S4）、砒霜（AS2O3）和朱砂（HgS）防治虫害;Ⅱ.有机氯杀虫剂;Ⅲ.有机磷杀虫剂;Ⅳ.有机硫杀虫剂;Ⅴ.氟虫腈杀虫剂;Ⅵ.有机硫除草剂。）突出其中涉及的典型物种的化学式或结构简式的图片展示（见图8），关注所涉及的非金属元素如Cl，S，N，P等，引导学生关心制药行业中研发新药的方向是高效、低毒、水溶、少残留。

④第四类元素涉及矿产资源开发：以图9形式和说明来引导学生关注人类赖以生存的地球，从而意识到开采不同类型矿物的选择方向与可能潜力，并懂得有节制地进行科学开采对生态文明建设与促进人与自然和谐共存产生的深远意义。

⑤第五类元素涉及催化剂应用：引导学生回顾初中学习化学以来及高中化学必修教材中涉及的应用了催化剂的反应如图10，达到温故知新的教学目的，并关注所涉及典型元素在周期表中的位置，得出寻找合适催化剂的一般规律与科研努力方向。

3.课程小结

通过上述5个方面元素的分区及应用范围的对应关系的探讨分析，学生在头脑中基本清晰了“位置—结构—性质”三者之间的逻辑联系，并认识到化学在能源、医农药业、催化剂及半导体材料等新型科技产业发展的动向与应用价值，可以说化学是众多理工农等学科中的一门极具创造性的中心学科，并通过如图11所示的形式强调新型材料的研发在国家重大科研和民生工程实施中的重要意义。

选取其中几个典型事例来详细说明，以拓展学生的认知视野，增强其民族自豪感，激发他们的科研兴趣和学习热情。如5G技术能解决高带宽、超短波、微基站、高阶MIMO、波束赋型等技术难题中涉及的通讯材料特征：传输信号强度较差，传播材料的介电常数要小，材料的电磁屏蔽能力要强。从未来发展趋势来看，5G通信频率最高可达85GHz，是GaN发挥优势的频段，使得GaN有望成为5G基站建设重点材料之一。此外，随着GaN单晶衬底研究技术趋于成熟，下一步的发展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料。

又如在港珠澳大桥和深中通道建设中均已破解的技术难题——在地质水文复杂、台风频发的伶仃洋等海域将大桥建设成拥有百年品质保障的平安工程，工程师需要破解高盐、高湿、高温作业环境带来的海中钢筋混凝土防腐难题。除了采用混凝土阻锈剂和环氧树脂涂层钢筋等防腐措施外，工程师还为混凝土外层喷涂上了硅烷浸渍剂。“硅烷浸渍剂是混凝土表面专用的防腐剂，防水性能好、抗紫外线能力强，既是结构物阻挡持续高温的‘防晒衣，也是防止海水侵蚀的‘防护服”。

三、总结反思

笔者以高中化学新课标为出发点，依托人教版化学必修一教材有关元素周期表和元素周期律的内容和学业水平要求，整合对应教材及教师用书中的相关教学资源，密切结合当前在半导体工业、电池电源等能源、农药产业、催化剂及材料学等新型科技产业发展的动向与应用领域相关产品开发，精选中山市在化学材料学上发展的龙头企业和传统文化特色的事例，围绕三个核心问题进行教学设计与实践，让学生学有所依，研有所据，归有所处。拓宽了认知视角，让元素周期表和周期律的应用更具有立体感、有血有肉，有其理论本质，也有其现实意义。从而更好地明白教材上呈现的文字内容并不是空穴来风或空中楼阁，而是历史事件的经典总结或现实生活有关事例的生动写照。

不可否认，当前学生的主要学习模式及常规教师的教都较好地解决了学生去解答课后相应习题及常规选择题，但让学生解决情境类和开放类的能凸出学生应用能力的试题时，学生可能就会看不下去或题意的把握有偏差而导致作答效果严重下降。正所谓见多识广，只有在平时的教学中，让学生有意识地进行情景介入和深度思考，养成思考问题时全面细致的习惯，适当进行学科融合关联，充分联想自己的生活体验与阅历，方能更好地理解知识，提升解决问题能力。只有用教材中学习的“知识”来解决生活中的“问题”，不断积累“信息储备”并通过合理取舍与整合才能提高自身的“问题解决”的能力，将“學”“问”“行”三者融合（如图12所示），这正是化学学科素养对“学习”需达到“合”的境界。

笔者重构此节内容的教学设计时，布置的学生温故及预习的内容是教材上文字材料阅读类，而实施教学过程中更多的是以丰富的图片、简要文字说明及经典的视频片段等形式来刺激学生的感官，触动他们的神经;通过聚焦已设置好的3个核心问题去搜索整合有用信息来作答，整堂课40min显得略有紧张，这与当前主流教学模式相比，从短期来看似乎时效不高。然而中学生的能力发展应该放到更高层次上去度量，如对学生学习兴趣与能力的持续性地引导上下功夫，正所谓要看到“破茧成蝶”的惊艳之美，也必须要有“作茧自缚”的痛楚经历。

当前正值广大师生体验和应用高中化学新课标和新教材的大好时机，为更好地应对新时代国家选材需要，身处基础教育一线的教师也需要不断反思之前的教学方法，更需要革新自我的勇气，还需要大胆尝试新的教学模式并根据目标达成度来调整和完善。

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