基于科学本质的“元素周期律”教学设计

　　摘要 促进学生对科学本质的理解是科学教育的重要目标之一。以元素周期律为例，从教材分析、学情分析、教学方法、教学过程和教学反思等方面探讨了基于科学本质的教学设计。
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　　关键词 元素周期律 科学本质 教学设计 教学方法 教学反思
　　提高学生的科学素养是当今科学教育改革备受关注的主题，这从各国的课程文件中可见一斑。理解科学本质是科学素养的重要组成部分，是实现科学教育目标的关键因素。当前，理解科学本质的重要性已不容置疑，科学教学应该体现科学本质的哪些要素也基本达成共识，但如何将这些科学本质的共识落实到科学课堂中，却鲜见典型的案例。“元素周期律”是高中化学的重要内容，蕴含着丰富的科学本质要素，以下探讨基于科学本质的“元素周期律”教学设计。
　　1 教材分析
　　1.1 本节内容的地位和作用
　　本课题选自鲁科版高中《化学2（必修）》第一章第二节内容。对于本节内容的地位和作用，需要从2个角度来认识：
　　首先，元素周期律是高中化学重要的基础理论，它可以促使学生对以前学过的知识进行概括、综合，实现由感性认识到理性认识的飞跃，同时学好元素周期律能够为后续元素化合物的学习构建认知地图，对化学学习具有承上启下的重要意义。
　　另外，元素周期律作为化学科学重要的基本理论，人类对它的认识经历了一个漫长的过程。从1817年德国化学家德贝莱纳首次涉足“元素周期律”，到1869年俄国化学家门捷列夫提出了人类历史上第一张化学元素周期表，经历了60多年的时间；其后又经过了15年的时间，随着新的元素及其有关性质的发现，元素周期律的正确性才得到人们的一致认可；而直到1913年英国物理学家莫斯莱发现了莫斯莱定律，人们才真正认识了元素周期律的实质。可以说，元素周期律的发展充分体现了科学探索的过程，蕴含着丰富的科学本质要素，对于学生认识科学本质具有极高的价值。
　　无论是高中化学课程标准，还是与教材配套的教师用书都明确提出了重视元素周期律的发现史，也充分说明了这一点。
　　1.2 对教学内容的分析
　　本节内容建议学时为3学时，鉴于元素周期律在促进学生理解科学本质方面的独特价值，我们将突破教材编排顺序，在前2学时安排对元素周期律和元素周期表的探究，通过探究使学生获得对元素周期律和周期表的基本认识。然后，专门设置1个课时，以元素周期律的发展史为线索组织教学，从化学史的视角深入认识元素周期律。
　　本文正是第3课时内容，力图通过该课时的教学使学生体会元素周期律发展过程中所蕴含的科学本质，实现对科学本质的理解，同时也有助于加深对前2学时所学元素周期律的认识。
　　2 教学目标和教学重难点
　　基于对教材结构和内容的深刻理解，结合高中化学课程标准的说明，确定了三维教学目标：
　　（1）知识与技能目标：通过了解元素周期表的发展史，进一步理解元素周期律的实质。
　　（2）过程与方法目标：通过体会科学家探索元素周期律的过程，加深对分类法、归纳法和演绎法等科学方法的认识；
　　（3）情感态度与价值观目标，是本节课的重点，该目标的主要内容是理解元素周期律发展过程中所蕴含的科学本质。具体来说包括：①意识到“科学是一个不断探究的过程，科学的本质在于探究”；②体验“科学是观察和推理的必然结合”；③初步形成“科学知识具有暂时性和发展性”的观念；④体会“科学观点受科学家的个人经验和社会背景影响”；⑤认识到“科学理论要接受科学社群的考验和认可”。
　　基于对本课题价值的认识，将本节课的教学重点设定为：理解元素周期律发展过程中所蕴含的科学本质。实际上，元素周期律的发展史并不难理解，然而对于对其蕴含的科学本质的理解却不是显而易见的，加上学生在这方面的学习经历并不多，理解起来会有些难度，因此它也是本节课的难点。
　　3 学情分析
　　3.1 心理发展层面
　　从心理发展水平讲，学生年龄在15、16岁左右，可塑性较强，对于元素周期律艰难的探索过程，以及科学家的大胆探索与坚持，容易引起学生共鸣，使他们对化学学科产生认同与敬意，有助于对科学本质的理解。
　　3.2 已有知识对本课的帮助与干扰层面
　　通过前2课时的学习，学生已经对元素周期律的内容有了正确认识，对元素周期表具有很强的直观印象和熟悉感，这些都为本课时理解元素周期律所蕴含的科学本质做了铺垫与支撑。但同时，教科书呈现给学生的是一个几乎没有争议的最终结论，学生难以从中体会元素周期律发展过程的复杂性，这不利于学生对科学本质的广泛而深刻的认识，从而产生一定的干扰，这一点需要在教学中引起重视。
　　4 教学方法
　　研究表明，学生很难主动联结科学知识与科学本质之间的联系，空洞的说教也很难使学生理解科学本质。鉴于这一点，并基于以上对教材和学情的分析，本节课将采用历史对话法、问题驱动法和小组讨论的方法组织教学，以历史对话的方式呈现元素周期律发展史上的典型事件后，提出与其有关的科学本质问题，引发学生的思考和讨论，然后教师用显性话语进行评价总结，以实现对科学本质的理解。相应地，在学法指导上，鼓励学生大胆发表自己的观点，及时反馈评价；指导学生分组讨论，学会合作学习。
　　5 教学过程
　　将以上教学方法体现在教学过程中，采用“以化学史为线索创设情境，以人物对话为方式展开讨论”的思路进行教学，教学过程以时间和周期表的演变为坐标展开（以时间为纵坐标，以周期表的演变为横坐标），通过呈现元素周期律发展过程中的典型人物和事件，重温元素周期律的发现之旅，让学生置身于化学发展的过程中，围绕有关科学本质的问题展开对话和讨论，通过这种以学生为主体的体验式学习方式，促进对科学本质的理解。
　　具体说，教学过程包括引入课题、呈现发展史、展开对话与讨论、交流反思4个主要环节。 　　5.1 引入课题
　　在引入课题环节，以多媒体图片呈现元素周期表的现代形式和1817年德贝莱纳首次尝试对元素进行分类而提出的“三元素组”。这样做的目的在于以直观的视觉刺激，使学生初步感受到元素周期律漫长的发展历史，在此基础上自然引入主题。
　　5.2 呈现发展史
　　呈现如图1的元素周期律发展历史流程图。
　　该流程图的设计思路是：以时间为纵坐标，以元素周期表的演变为横坐标而展开。当然，元素周期表的发展史是复杂的，不可能也没有必要事无巨细地呈现所有细节，在这里我们取舍的基本原则是：既要体现元素周期律发展的基本过程，使其生动地体现出该过程中蕴含的科学本质要素，又要符合学生的发展水平。
　　通过呈现这样的探索性序列，可以使学生感受到科学的进步不仅仅是对实验事实的简单归纳，而是一个不断探索的、充满曲折的发展过程。同时也为接下来的对话与讨论环节做好了铺垫。
　　5.3 展开对话与讨论
　　对话与讨论环节将以图1为线索而展开。
　　建构主义理论认为，当学生要对一个复杂的问题开始理解时，提供很多的例子或详细列出解决步骤并不是最好的方法，学生需要的是与主题相关的信息。
　　鉴于此，该环节的关键在于选择合适的有关科学本质的问题，引发学生的思考和讨论。在这一理念指导下，我们设置了以下几个问题：
　　[问题1]从1817年德贝莱纳首次尝试对元素进行分类，到1913年莫斯莱定律使人们真正认识元素周期律的实质，经历了近百年的时间，这对你有什么启示？
　　该问题的目的在于使学生认识到元素周期律并不是门捷列夫一个人的贡献，它的发展是一个不断探索的、充满曲折的复杂过程。有助于对“科学是一个不断探究的过程，科学的本质在于探究”这一教学目标的达成。
　　[问题2]先提供背景资料：意大利化学家康尼查罗在1860年卡尔斯鲁厄代表大会上的演讲以及门捷列夫对此的评价——“我的周期律的决定时刻在1860年，我参加了卡尔斯鲁厄代表大会，在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考资料，而正是在当时，一种元素的性质随原子量递增而呈周期性变化的思想冲击了我。而且，在元素周期表的发现者中，有3位都参加了卡尔斯鲁厄会议。
　　然后提出问题：从1817年德贝莱纳的“三元素组”，到1862年尚古多提出“螺旋图”，间隔45年，而1862-1869年7年间，就有5位化学家提出元素周期表，这说明什么？你如何看待康尼查罗的演讲在周期律发展过程中的作用？
　　该问题的目的在于让学生通过讨论，体会到：元素周期律的发现不仅是一个观察总结，在很大程度上还是原子理论的作用结果。有助于理解“科学是观察和推理的必然结合”这一科学本质。
　　[问题3]提供纽兰兹的八音律遭同行嘲笑和门捷列夫第一张元素周期表初期也受到漠视的背景资料——当纽兰兹在伦敦化学学会发表“八音律”观点时，得到的却是嘲笑和讽刺，他的有关论文也被退稿。有人挖苦他说“如果把各种元素按着开头字母的顺序排列起来，是否也能得到什么规律”。1869年门捷列夫提出的第一张元素周期表也没有被立即承认，甚至他的老师齐宁也不支持他的研究，训诫他是不务正业……
　　设置该问题的目的在于让学生体会人类对元素周期律的探索并非一帆风顺，是充满争论、历经曲折的过程。并初步体验“科学理论要接受科学社群的考验和认可”这一科学本质。
　　[问题4]科学探究——角色扮演门捷列夫，针对周期表的“预测”功能展开探究。
　　门捷列夫在周期表中为镓、钪、锗等元素（门捷列夫叫它类硼、类铝和类硅）留下了空位，并预言了他们的性质。针对这一点，安排学生扮演门捷列夫，预测镓的性质，针对周期表的“预测”功能展开科学探究。
　　这样，对门捷列夫的研究过程进行情景再现，给学生创造一种体验式学习的环境，让其参与到门捷列夫周期表的探索过程，与化学家共同反思和提高，感受科学研究的成功与喜悦。
　　接下来，将用多媒体呈现1875年布瓦勃得郎发现镓的实验数据，引导学生将其与门捷列夫的预测进行对比，同时反思自己的预测。这样做的目的在于让学生在对比过程中感受周期律的“预测”功能，感受化学世界的奇妙。
　　[问题5]在Ga、sc、Ge相继发现后，元素周期律才得到了科学界的重视。而1894年Ar在周期表中的排列以及1913年莫斯莱定律的提出，才使其得到了普遍认可。你如何看待这一科学现象？
　　该问题的目的在于再次引发学生对“科学理论要接受科学社群的考验和认可”这一科学本质的思考。
　　[问题6]从德贝莱纳到门捷列夫，都认为“元素的性质是随着原子量的递增而呈现周期性的变化”，而莫斯莱定律发现后，人们认识到“元素的性质是随着原子序数的递增而呈现周期性的变化”的。你如何理解？
　　通过该问题让学生初步形成“科学知识具有暂时性和发展性”的观念，体会“科学观点受科学家的个人经验和社会背景影响”这一科学本质。
　　这样，通过让学生围绕以上6个与科学本质有关的问题展开思考和讨论，之后教师用显性语言进行评价和总结，完成了对话与讨论环节。
　　5.4 交流与反思
　　引导学生对本节课的学习过程进行自我反思，并提出想继续探究的问题，在反思的过程中加深理解，在交流中升华认识。
　　5.5 布置作业
　　最后，以这样一个作业题结束本节内容：写一份报告，讨论究竟是纽兰兹、门捷列夫，还是莫斯莱，才是周期表的真正发现者？并说明个人经验和社会历史背景在周期表发现过程中扮演着怎样的角色。
　　该作业的目的在于进一步加深学生对科学本质的理解，同时培养其语言表达能力。
　　6 教学反思
　　目前对科学本质教育的探讨多是将某个科学本质要素贯穿于具体知识教学中。例如，水的组成教学中贯穿水的组成发展过程中所蕴含着的科学是动态发展的这一本质。然而，元素周期律与这样的内容的不同之处在于：
　　一是元素周期律的发展史是相当漫长曲折的，它涉及到多位化学家的贡献，蕴含着科学本质的多个要素，而非仅有1个或2个要素。
　　二是对元素周期律的正确认识（元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性变化）是学生要掌握的一个重要内容，是化学学科的重要规律，对指导后续元素化合物学习有重要作用，在教学中必须重视。而如果直接按照元素周期律的发展史为线索组织教学，需要经历相当长的历史（从德贝莱纳三元素组到莫斯莱），学生才能接触最后的正确认识（元素周期律的现代描述），而这之前很多科学家的观点在现在看来都是不正确的。由于先入为主的影响，这些不正确的观点会对最后的正确认识产生干扰，不利于学生对元素周期律正确认识的掌握。
　　鉴于以上这2点，在教学设计中做了大胆尝试，即先让学生在前2个课时通过对元素性质和原子结构关系的探究，归纳出元素周期律（即元素周期律现代认识的正确描述）。在认识了元素周期律的基础上，再呈现发展史，由于学生已经掌握了元素周期律，那么历史上的错误认识对其干扰将会少很多，而且通过历史事件的进一步深入呈现，还会加深学生对元素周期律的认识。
　　另外，元素周期律和其所蕴含的科学本质要素都是教学的重点难点，这种处理还能够有效分散教学难点。
　　当然，因为很少有其他教学内容像元素周期律蕴含的科学本质要素这样丰富，所以在此之前学生对科学本质的认识大多都是零散的。这种处理方式还有一个好处在于较系统地对学生进行了科学本质教育，使学生对科学本质有了较全面的认识。