基于模型建構的“元素周期表的應用”教學設計

摘要：

結合模型建構的一般過程，設計多個探究活動幫助學生建立對元素周期表應用的模型，逐步引導學生形成預測陌生元素及其相應物質性質的基本思路。同時結合尋找材料的學習任務提高學生應用模型解決問題的能力。關鍵詞：

模型認知；元素周期表的應用；半導體材料；教學設計1

教學主題內容及教學現(xiàn)狀分析元素周期表是化學課程的重要內容，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（簡稱“課標”）要求學生“了解同周期和主族元素性質的遞變規(guī)律，體會元素周期律（表）在學習元素化合物知識與科學研究中的重要作用”［1］。當前，該主題的實際教學主要存在兩類問題：一是教學目標定位較低，學生停留在“識記”元素遞變規(guī)律的水平［2］，很難將陌生元素與其熟悉的元素性質聯(lián)系起來［3］，缺乏解決問題的認知模型［4］；二是教學內容未能體現(xiàn)元素周期表的應用價值，尤其是教材中所編排的對新材料開發(fā)的指導作用的內容［5］。在某項測查中顯示，僅有3%的學生能夠描述元素周期表對于尋找半導體材料的應用價值［6］。有研究者開展了基于模型建構的“元素周期表”教學，幫助學生建構認識模型。例如，黃鳴春等將元素的“位-構-性”與物質的“構-性-用”進行了分化，構建了元素及相應物質性質相結合的認知視角［7］。焦利燕等引導學生自主創(chuàng)建元素周期表，在不斷修正與應用的過程中感受元素周期表的建立過程［8］。然而，對于陌生元素及其對應物質性質的認知模型還有待進一步幫助學生去建立，尤其是針對新型材料對應的元素及其物質性質的探究上。2

基于模型建構的教學設計思路模型建構是培養(yǎng)學生模型認知的重要過程，課標對模型認知的要求為：“能根據(jù)物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架。［9］”國際著名化學教育家吉爾伯特（J.K.Gilbert）曾系統(tǒng)論述過化學教學中模型建構的作用及學生模型建構的四個環(huán)節(jié)［10］：（1）在陌生情景或者新知識中，學生初步建立模型分析新問題；（2）在其他情境中檢驗模型的適用性，目的是對模型加以修正和完善；（3）針對一些具體問題和細節(jié)豐富模型，此時的模型與第一個環(huán)節(jié)建立的模型有一些本質的不同，能夠解釋更加具體的問題和深入的細節(jié)，可以看作是對初建模型的發(fā)展；（4）將模型應用于解決實際問題，最終建構契合特定問題環(huán)境的新模型。參考以上四個環(huán)節(jié)，明確了基于模型建構的教學設計思路分為四個階段：初建模型、完善模型、發(fā)展模型與應用模型，并以此展開教學。2.1

教材分析“元素周期表的應用”一節(jié)位于山東省科學技術出版社出版的《化學》必修二第一章“原子結構元素周期律”第三節(jié)，是本章內容的總結與應用。本節(jié)內容包括三部分：認識同周期元素性質的遞變規(guī)律、研究同主族元素的性質以及預測元素及其化合物的性質。本節(jié)課的教學設計主要針對“預測元素及其化合物的性質”這一課時內容。從模型建構的視角分析，前一節(jié)內容從“元素位置、原子結構、元素性質”三個方面認識元素周期表，實現(xiàn)某一元素“位-構-性”認知模型的建立。本節(jié)內容在探究同周期、同主族元素性質的遞變規(guī)律后進一步完善模型，根據(jù)已知元素與陌生元素在元素周期表中的位置關系，利用元素性質間的相似性和遞變性對陌生元素的性質進行預測，充分發(fā)揮元素周期表作為科學研究工具的預測功能。2.2

學情分析學生在初中階段已經(jīng)具備了通過元素周期表獲得元素基本信息的能力［11］。在學習本課時內容時，學生初步建構了“位-構-性”認知模型，掌握了同周期、同主族元素的遞變規(guī)律，部分學生能夠將該認知模型和規(guī)律應用于探索熟悉的元素及其對應物質的性質，包括元素周期表中金屬元素區(qū)域或非金屬元素區(qū)域。然而，面對陌生元素及其對應物質的性質，尤其是元素周期表中金屬和非金屬元素分界線上的元素對大多數(shù)學生來說是困難的。這一條分界線附近的區(qū)域正是尋找新型材料的重要場所。2.3

教學目標及重難點（1）通過尋找促進碳中和新型材料的驅動型任務，應用元素周期表預測分界線上的元素及對應的物質的性質及功能，形成預測物質性質的方法。（2）根據(jù)熟悉的已知元素預測陌生元素及其對應物質的性質，體會元素周期表作為科學研究工具解決真實問題的應用價值。教學重點是將元素周期表作為科學研究的工具，依據(jù)同周期、同主族、對角線位置元素性質的相似性和遞變性，從熟悉的已知元素預測陌生元素及其對應物質的性質。教學難點是探究元素周期表分界線上的元素及其對應物質的性質，以及應用這些物質開發(fā)的新型材料的性質與功能。2.4

“元素周期表的應用”認知模型與教學設計思路本課時的模型建構是在學生“位-構-性”認知模型的基礎上，經(jīng)過檢驗和完善，發(fā)展及應用該認知模型。學生建構的認知模型如圖1所示。基于模型建構的教學設計將圍繞“探究陌生元素性質、尋找特殊功能半導體材料”的任務展開，確定對分界線上的Si、Ge、Ga三個陌生元素進行探究的學習活動，它們都是當前新型材料的重要組成元素。另外，鎵元素不僅是當前社會生產中重要的新型材料，而且在門捷列夫對其預言的科學史料中蘊含著展現(xiàn)元素周期表強大應用功能的教育價值。結合圖1的模型，考慮模型建構過程的生成性，教學設計思路如圖2所示。3

基于模型建構的教學過程3.1

初建模型［社會背景］《國家十四五規(guī)劃綱要》提出，要在2030年實現(xiàn)碳達峰，在2060年實現(xiàn)碳中和。但目前我國的能源結構依舊以化石燃料為主導，這就要求我們積極尋找合適的原料，以減少化石燃料的損耗，同時發(fā)展可替代的清潔能源。半導體材料在傳輸能量的效率方面具有卓越的優(yōu)勢，既能作為燃油冶煉的催化劑，又是清潔能源工作的重要載體。隨著技術的不斷發(fā)展，科學家們發(fā)現(xiàn)以含Si、Ge、Ga元素的物質為主的半導體材料在這些方面有著重要的作用，下面應用元素周期表來探究這三種元素及其物質的性質。探究活動一：預測Si元素的性質［問題引導］根據(jù)元素周期表，你知道有哪些預測陌生元素性質的方法？［學生預測1］可以從原子結構入手，因為原子結構決定了對應元素的性質。［學生預測2］元素在元素周期表中的位置也反映了元素的性質。［板書］元素周期表、周期、族、構（原子）、位（陌生元素）、性（陌生元素）（注：此處及以下板書內容均為關鍵詞，其結構設計皆如圖1所示）教學意圖：通過Si、Ge、Ga等元素及其對應物質能夠有效促進碳中和的社會情境，引出應用元素周期表對陌生元素性質進行預測的探究活動，明確元素周期表作為科學研究工具的重要預測功能。根據(jù)所學引導學生自主回顧“位-構-性”認知模型，初步確定預測思路的組成要素。3.2

完善模型［問題引導］根據(jù)剛剛學習過的同周期、同主族元素性質的變化規(guī)律。要想了解Si的性質，還有哪些方法？［學生預測1］Si與Al元素在同一周期，它們的性質之間存在遞變性。根據(jù)元素周期表中的位置，預測Si的得電子能力強于Al。［學生預測2］Si與C元素在同一主族，它們的性質之間存在相似性和遞變性。根據(jù)元素周期表中的位置，預測Si的得電子能力弱于C。［板書］位（已知元素）、性（已知元素）、周期、族、同周期、同主族、相似性、遞變性［問題引導］如何根據(jù)Si元素對有關物質的化學性質進行預測？［學生預測1］從物質類別和元素價態(tài)兩個角度進行預測。Si是非金屬元素，形成的二氧化硅（SiO2）屬于酸性氧化物，其中硅元素化合價為+4價，使得二氧化硅具有氧化性；形成的最高價氧化物對應的水化物是硅酸（H2SiO3），其中硅元素化合價也是+4價。［學生預測2］通過已知元素性質間的相似性和遞變性進行補充。根據(jù)同主族元素性質的相似性，根據(jù)C元素預測Si元素形成的二氧化硅是酸性氧化物，硅酸是一種弱酸。根據(jù)同主族元素性質的遞變性，預測硅酸的酸性弱于碳酸。［實驗現(xiàn)象］取一定量的硅酸鈉（Na2SiO3）溶液于燒杯中，隨后通入少量CO2氣體?？梢钥匆娙芤鹤兊脺啙?，底部有少量的白色沉淀。［現(xiàn)象解釋］白色沉淀是硅酸，說明CO2溶于水后產生的碳酸置換出了比其酸性更弱的硅酸。［結論］硅酸的酸性弱于碳酸。［板書］性（物質）、物質類別、元素價態(tài)［問題引導］與Si相鄰的Al、C元素對應的單質都是電的良導體，那硅單質是否可以導電呢？［學生預測1］Si在Al元素的右側，是非金屬元素，其單質應該不能導電。［學生預測2］由碳構成的石墨能夠導電，且Si處于C元素的正下方，更容易失去電子。因此，推測硅單質雖然是非金屬材料但可能具有導電性。［教師講授］在物理學中有關電的學習中，大家了解到電是帶電微粒的定向移動所形成的。導體能夠導電是因為存在自由移動的電子（圖3左）。根據(jù)硅原子的結構示意圖（圖3右）可以看出外層電子均被本身和相鄰的原子核所緊密吸引，所以在常溫下硅單質并不導電。［呈現(xiàn)材料］通過向硅單質中“摻雜”其他元素，能夠使其具有導電性。這是因為加入的其他原子的最外層電子數(shù)不同于硅原子，從而打破硅單質中穩(wěn)定的晶體結構，使得多出的電子可以在晶體中移動，成為可以形成電流的自由電子［12］。［問題引導］根據(jù)上述材料，結合硅的結構示意圖，你能想到用哪些原子替代硅原子，使其能導電呢？［注：圖片來自王祖浩等譯《化學概念與應用（上冊）》第二版第109頁］［學生預測］摻雜最外層電子數(shù)較多的非金屬元素，提供更多的自由電子。［教師講授］向硅晶體中摻進少量P原子（第VA元素），除了一些必要的電子用于維持晶體結構外，多出的電子形成了可以移動的自由電子，從而形成電流（見圖4）。［注：圖片來自王祖浩等譯《化學概念與應用（上冊）》第二版第109頁］［問題引導］硅晶體中摻雜磷原子之后形成的物質存在多余的電子，因此帶負電；硅晶體中還可以摻雜哪些元素呢？能不能摻雜某些原子后使得物質帶正電？［教師講授］另一種是摻雜最外層電子數(shù)較少的硼元素（第ⅢA元素），這種最外層電子數(shù)少于4個的非金屬元素，導致應該存在電子的區(qū)域產生空穴，使得電子即可在這些空穴中移動，從而產生電流（見圖5）。（注：圖片來自王祖浩等譯《化學概念與應用上冊》第二版第110頁）［總結］在元素周期表中，像Si這樣位于金屬與非金屬元素交界處的元素稱為半導體元素，而半導體材料特指導電能力介于導體與絕緣體之間的一類材料。半導體的導電性可以通過摻入其他元素進行調節(jié)，最終得到帶正電的P（positive）半導體和帶負電的N（negative）型半導體［13］。當兩類半導體結合時即可形成電勢差，從而可以作為電源使用［14，15］。教學意圖：引導學生根據(jù)所學同周期和同主族元素性質的相似性與遞變性補充要素，隨后引導學生將元素性質遷移至對應物質性質的預測上，完善認知模型。從元素性質的遞變規(guī)律分析常見物質的性質，深入探究素材中的有關半導體材料的結構與性質成因，在問題解決的過程中不斷完善模型，深化對認知模型本質的理解。3.3

發(fā)展模型探究活動二：預測Ge元素的性質［社會背景］2023年7月，中華人民共和國商務部、海關總署發(fā)布《關于對鎵、鍺相關物項實施出口管制的公告》，表示為維護國家安全和利益，決定自同年8月1日起對鎵、鍺相關物項實施出口管制。這是因為該兩種元素組成的許多物質都是新興的戰(zhàn)略性礦產，在高新技術產業(yè)有很廣泛的應用。［問題引導］剛才我們已經(jīng)預測了Si元素及其物質的性質。那現(xiàn)在又該如何預測Ge元素的性質？［學生預測1］Ge與Si都在交界處附近，而且是同主族，預測鍺單質可作為半導體材料。［學生預測2］根據(jù)同主族元素性質遞變規(guī)律，推測Ge的失電子能力強于Si。［教師］除了同主族位置關系外，你還能利用哪些元素周期表中的已知元素對Ge的性質進行補充？［提示］處于對角線位置的元素具有相似的化學性質。［學生預測］Al與Ge處在對角線位置上，可以推測Ge單質與Al單質具有相似的性質。［教師］根據(jù)原子結構解釋，為什么處于對角線位置的元素具有相似的化學性質？［學生預測］處于對角線右下方的元素原子相較于另一方最外層電子數(shù)和電子層數(shù)均增加，即失電子能力與得電子能力同時增強，因而呈現(xiàn)出相似的性質。［板書］對角線［呈現(xiàn)材料］鍺作為最早的半導體，應用于第一只晶體管和第一塊集成電路中。后來硅逐漸取代鍺，并一直被廣泛應用到現(xiàn)在。［問題引導］硅半導體相比于鍺半導體有哪些優(yōu)勢？［學生預測］Si是土壤中含量第二高的元素，原料更易獲得。［教師］從元素周期表來分析物質本身的結構和性質，比如半導體的導電性能和應用范圍受哪些因素的影響？［學生預測1］導電性能上，Si元素與Ge元素同主族，二者最外層電子數(shù)相同。即帶電微粒數(shù)相近，在一定的條件下性能幾乎相似。［學生預測2］但在應用范圍上，Ge的最外層電子受原子核束縛較小，導致其物質結構不穩(wěn)定。［呈現(xiàn)材料］Ge半導體在實際應用中容易漏電，不耐高溫，因而無法制成多種類別的電傳輸器件［16］。教學意圖：通過探究其他元素與陌生元素位置間的聯(lián)系，補充“對角線關系”要素，進一步完善模型，并應用認知模型預測Ge元素及其對應物質的性質。同時在活動中呈現(xiàn)多種類型的科學事實，幫助學生基于此對其預測進行驗證，進而對初始模型進行修正和完善。3.4

應用模型探究活動三：預測Ga元素的性質［科學史話］人們對于Ga、Ge的探索過程不同于其他元素，在未真正發(fā)現(xiàn)前就已經(jīng)預測了它的存在和性質。在19世紀70年代，門捷列夫根據(jù)元素性質的周期性變化規(guī)律，將性質相似的元素排列起來，形成了初始的元素周期表，同時大膽假設了表中余留的空位所對應的尚未發(fā)現(xiàn)的元素。例如，他認為世界上還存在著“類鋁”與“類硅”元素，并對這些元素的信息進行了預測。隨后法國與德國化學家分別得到了“類鋁”與“類硅”，也就是我們探究的鎵和鍺，它們的一些性質與門捷列夫當初的預測十分吻合。［問題引導］門捷列夫是如何應用元素周期表，預測Ga元素及其物質性質的？［學生預測］根據(jù)同主族已知元素的性質進行預測，包括相應物質的性質，比如氧化物、氯化物的化學式和密度等。［教師］在后來的生產生活中，人們應用元素周期表發(fā)現(xiàn)了更多元素，也創(chuàng)造了更多的新型材料，因而門捷列夫的貢獻已遠遠不止創(chuàng)造了元素周期表這么簡單。人們正是利用了科學家這種預測思路和應用方法不斷探索新的材料，才真正為生產生活開辟了更為廣闊的空間。［社會背景］上面提到的硅與鍺是第一代半導體材料。第二、三、四代半導體材料的主要形式中均存在含鎵的化合物。含鎵化合物作為半導體，在當今社會太陽能清潔能源的發(fā)展中被廣泛使用，如砷化鎵、氮化鎵、氧化鎵等。Ga、As等ⅢA-VA族化合物半導體促進了光纖通訊技術的迅速發(fā)展，使人類進入了信息化時代［17］。［模型解釋］你能解釋Ga、As作為半導體材料導電的原理嗎？［學生預測］根據(jù)硅作為半導體材料的導電原理，Ga屬于ⅢA族元素，能提供空穴，As屬于VA族元素，能提供電子，所以它們能夠導電。［問題引導］你還知道哪些含鎵化合物的半導體材料？它們有哪些獨特的性質？［學生預測］氮化鎵常用于電子設備的充電器中，它的充電速度比常規(guī)充電器要快許多。［教師］這說明電子在氮化鎵中的遷移速度更快。課后請大家應用思路模型，繼續(xù)預測Ga的元素性質，并嘗試分析含鎵化合物作為半導體有哪些獨特的性質？［總結］元素周期表作為人們認識世界的重要工具，指導著人們預測元素及其化合物的性質、尋找或合成具有特殊性質的新物質等科學研究工作。同學們可以利用好這一工具，尋找具有特定性質的元素及其對應物質，為促進碳中和貢獻一份力量。教學意圖：應用認知模型預測陌生的Ga元素及其對應物質性質；圍繞碳中和展開的活動中進一步感知元素周期表的價值；促進學生自主應用認知模型，使用元素周期表解決現(xiàn)實問題，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和社會責任。4

教學反思與建議通過基于模型建構的“元素周期表的應用”一節(jié)的教學，幾點反思總結如下：第一，從學生對“元素周期表的應用”掌握情況來看，基于模型建構的教學提升了學生的學習目標，達到了應用水平。該教學設計從學生最為熟悉的短周期主族元素Si入手，通過同周期與同主族等多種位置關系進行系統(tǒng)預測。隨后根據(jù)Si的元素性質繼續(xù)深入探究陌生的Ge與Ga元素，不斷發(fā)展和應用認知模型。教學發(fā)現(xiàn)，學生在分析Ga類化合物半導體的性能時也能夠做到有意識地應用元素周期表比較Ga與Ge類半導體的共性和差異所在，這說明學生對元素周期表的掌握從識記達到了應用水平。第二，從探究半導體材