三版高中化學教科書中“元素周期律”模型建構比較研究

劉巖 季春陽

摘要： 元素周期律對元素及其化合物知識的學習具有重要的指導作用。以三版高中化學教科書（人教版、魯科版、蘇教版）為載體，從模型位置、模型建構思路、模型建構方法、模型示例圖四個方面探究元素周期律的模型建構過程，探索“模型認知”核心素養在元素周期律中的培養方法，為一線教師引導學生建構元素周期律模型以及培養學生化學學科核心素養提供參考。

關鍵詞： 化學教科書; 元素周期律; 模型建構

文章編號： 10056629（2022）02003006

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“課程標準”）提出了五維學科核心素養，其中“模型認知”為化學學科核心素養的一個重要維度，并將其表述為： 知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律[1]。簡而言之，在教學中要注重培養學生建構化學模型并不斷理解、應用模型的能力。

元素周期律作為高中化學學習中重要而又基礎的核心概念，對學生的元素觀、微粒觀及周期性的認識方式起到核心聯結和整合作用。元素周期律知識和基本能力的核心是“位置—結構—性質”（以下簡稱“位—構—性”）的系統框架，而“位—構—性”三者的關系框架是元素周期律的模型化表達。通過建構“位—構—性”關系模型，學生將知識體系中零散、繁亂的元素知識結構化，是促進知識轉化為能力的重要工具。元素周期律模型的有效建構需要教師充分解讀課程標準和二次開發教科書，有目的、有計劃地進行元素知識的結構化設計，引導學生建構“位—構—性”模型以促進對元素知識的階段性認識發展。通過對比分析人教版、魯科版、蘇教版三版高中化學教科書（以下簡稱三版教科書）中元素周期律模型建構過程的共同之處和差異所在，以期為教師引導學生建構“位—構—性”模型和培養“模型認知”核心素養提供參考。

2 三版教科書中元素周期律模型建構比較研究

基于元素周期律模型建構的教學價值與意義，從三版教科書中存在明顯差異的四個角度即模型位置、模型建構思路、模型建構方法、模型示例圖對比分析元素周期律的模型建構過程，具體分析如下。

2.1 元素周期律模型建構的位置分析

三版教科書中元素周期律模型建構所處的位置存在差異，其中人教版與蘇教版所處位置類似（如圖1、圖2所示）。兩版教科書在元素周期律前后都有以“單章”的形式學習元素知識，體現著“典型→理論→非典型”的編寫特點。這既有利于元素知識的掌握，也有利于元素知識的分散記憶。而魯科版則是將課程標準中要求掌握的主要元素內容集中編排在元素周期律模型建構之前（如圖3所示）。

由圖1、圖2可知，人教版與蘇教版位置編排上雖整體相似，但也存在差異性。人教版在學習元素周期律前，編排了主族典型元素鈉和氯作為研究對象，幫助學生掌握研究物質的一般思路和方法;接著通過對副族典型元素鐵及其化合物的學習，初步形成“價—類”認識元素性質的方法。在學生已有元素知識的基礎上建構元素周期律模型，后續章節中學生將完成對非金屬硫、氮等元素知識的學習，教材中以明確的文字信息提醒學生從“位置”“結構”“性質”認識新元素，加深對“位—構—性”模型的理解與應用。蘇教版在建構元素周期律模型前，也編排了鈉、氯元素知識的學習，接著通過對硫及其化合物的學習，探索元素的性質以及同一元素不同化合物的轉化關系，為元素周期律模型的建構奠定“轉化”思想。在元素周期律的后續章節中將學習氮、鐵及其化合物，在編排此部分內容時，應加強對“位—構—性”模型的理解與應用，但教材中未體現從“位置”的角度認識新元素。

由圖3可知，魯科版對元素知識的編排順序如下：

通過對鈉、氯及其化合物的學習，鞏固和發展具體物質類比的認識方式;通過集中編排鐵、硫、氮及其化合物，促進學生形成“價—類”二維認識方式[2]。在此基礎上建構元素周期律模型，促進學生形成“位—構—性”三維認識方式，實現從“價—類”二維認識到“位—構—性”三維認識的進階，建構完整的元素知識結構體系。

2.2 元素周期律模型建構的思路分析

由圖1、圖2、圖3所呈現的邏輯思路可知三版教科書建構與應用“位—構—性”模型的思路存在差異。其中人教版的整體思路為： 原子結構→探究原子結構與元素性質的關系（探究同主族即堿金屬、鹵族元素性質的遞變規律）→探究核外電子排布、原子半徑、化合價的變化規律→以第三周期元素為例探究元素金屬性、非金屬性的遞變規律→元素周期律→應用“位—構—性”關系（發現新元素，預測結構和性質）。

蘇教版的整體思路為： 原子結構→探究核外電子排布、原子半徑、化合價的變化規律→以第三周期元素為例探究元素金屬性、非金屬性的遞變規律→元素周期律→應用“位—構—性”關系（探究同主族元素性質的遞變規律、尋找新材料）。

魯科版的整體思路為： 原子結構→探究原子結構與元素性質的關系（比較鈉、鎂、鉀元素原子的失電子能力）→探究核外電子排布、原子半徑、化合價的遞變規律→元素周期律→應用“位—構—性”關系（探究同周期、同主族元素性質的遞變規律、預測元素及其化合物性質）。

通過上述梳理發現，三版教科書中模型建構思路的主要差異點集中在探究同周期、同主族元素性質的遞變規律上，而這也是解決模型中所涉及的“結構”與“性質”關系這一難點的關鍵。人教版和蘇教版將探究同周期、同主族元素性質的遞變規律采取了分散處理，如人教版通過認識同主族元素性質的遞變規律，初步探究“結構”與“性質”的關系，在此基礎上建構元素周期律模型，應用這種關系和分析解決問題的思路，建立同周期元素性質遞變規律的認識，由此向學生講述該規律同樣適用于其他周期、其他主族元素，這符合從個別到一般的認識發展規律。而魯科版則是在元素周期律后集中編排了探究同周期、同主族元素性質的遞變規律，將難點集中處理，但在元素周期律的上一節“原子結構與元素性質”中，通過比較鈉、鎂、鉀失電子能力的實驗探究活動，幫助學生初步建立“結構決定性質”的問題解決模型，該探究活動僅在魯科版教科書中出現。

2.3 元素周期律模型建構的方法分析

三版教科書在建構元素周期律模型時通過引入一些“方法導引”，如“變量關系法”“預測法”以幫助學生更有效地建構“位—構—性”關系模型，下面是三版教科書中方法引入的具體分析。

2.3.1 “變量關系法”的引入

三版教科書在建構“位—構—性”模型時，均以1～18號元素為例探究元素位置（原子序數）、原子結構（原子核外電子排布）、元素性質（元素化合價、原子半徑）的關系。人教版是通過表格的形式填寫前三周期原子序數、最外層電子數、原子半徑變化以及主要化合價的變化過程，思考并討論后得出結論： 隨著原子序數的遞增，元素原子的核外電子排布、原子半徑和化合價都呈現周期性的變化，進而得到元素周期律。

而魯科版和蘇教版都采用了“變量關系模型”的方法，即引導學生用折線圖或柱狀圖的形式表征“位置”“結構”“性質”的關系，其中蘇教版將變量關系圖直接呈現在教材上，如以核電荷數為因變量、最外層電子數為自變量繪制折線圖（如圖4所示[3]），清晰明了地得出隨著元素核電荷數的遞增，原子最外層電子數呈現周期性變化，構建“位置”與“結構”的邏輯關系。而魯科版中雖然沒有給出直觀的變量關系坐標圖，但通過“方法引導”的欄目提出“如何構建變量關系模型”以幫助學生從變量關系的角度，借助柱狀圖或折線圖探究“位置”“結構”“性質”之間的關系（如圖5所示[4]），具? 體地闡述了學生構建變量關系的思路和方法。這種直觀的方式更容易在學生頭腦中建構“位—構—性”模型，同時可以提高學生對所收集的數據信息進行加工處理的能力以及培養學生將變量關系融入化學學習的思維。

2.3.2 “預測”方法的引入

對元素“位置”“結構”“性質”三者的關系，從學科本原可進一步概括出“結構決定性質，性質反映結構”這一化學學科的統攝性觀念[5]，在實際的教學研究中發現，學生雖然也知道“結構決定性質”，但對該觀念的理解僅停留在表面上，研究物質性質的方法基本只是借助于物質分類和記憶，預測未知物依賴于事實或位置，忽視結構[6]。“位—構—性”模型建構的一個重要任務就是引導學生構建“結構決定性質”的問題解決模型，讓學生學會從原子結構入手分析、解釋元素的各種性質呈周期性變化的原因。人教版在處理此難題時通過“方法導引”欄目引導學生運用“預測”的方法認識“結構”“性質”之間的關系（如圖6所示[7]），也就是將POE策略即“預測—觀察—解釋”（Predict-Observe-Explain）運用到化學模型建構中，這種策略要求學生在實驗前借助原有知識經驗對實驗現象和結果進行預測，并說明預測理由，進行實驗時學生觀察實驗現象，實驗結束后對所觀察到的現象進行解釋[8]。

三版教科書在探究金屬性和非金屬性的周期性變化以構建“結構決定性質”的推理關系時，均以第三周期元素為例。其中人教版和魯科版在編排此部分內容時皆采用了“預測”的方法，即引導學生用原子結構預測該周期元素金屬性和非金屬性的遞變規律;通過實驗驗證或科學事實論證，得到結論： 同周期，元素原子的金屬性逐漸減弱、非金屬性逐漸增強;最后再次引導學生用原子結構解釋金屬性、非金屬性遞變規律的原因，反復形成“結構決定性質”的推理關系。而蘇教版的設計思路是“實驗探究（或事實論證）→結構解釋”，沒有在探究前引導學生從“結構”的角度進行預測。

2.4 構建元素周期律模型的示例圖分析

三版教科書在編排元素周期律的知識內容、欄目設置時都在有意識地引導學生構建“位置”“結構”“性質”三者關系，其中魯科版、人教版在節末或章末的位置以直觀示例圖引導學生建構“位—構—性”關系模型，而蘇教版并未給出直觀的關系圖示。

魯科版在“元素周期律”這一節末尾處給出元素的“位—構—性”模型示例圖[如圖7（a）[9]所示]，在“原子結構 元素周期律”這一章末尾處給出元素的“位—構—性”關系模型、物質的性質模型以及二者之間關系的示例圖[如圖7（b）[10]所示]，模型示例圖的進階性體現了學生認識發展的進階性。人教版給出的模型示例圖較為簡單[如圖8（a）[11]所示]，只有元素的“位—構—性”模型，且模型中沒有給出三者之間的推理關系，在此基礎上，引導學生應用該模型分析元素鉀的位置和結構，預測元素鉀的性質[如圖8（b）[12]所示]，進而形成“建構模型到應用模型”的學習過程。由此可見人教版、魯科版兩版教科書在不斷通過直觀的圖示設計和外顯化的語言有意識地引導學生建構元素周期律模型，這有利于學生系統思維的發展和模型認知素養的培養。

3 教學建議

通過三版教科書中元素周期律模型建構的對比分析發現，三版教科書都是通過知識內容的層層遞進引導學生建構“位—構—性”關系模型的。教師在教學中應注意對教科書的二次開發，將元素周期律的模型建構落在實處。

3.1 注重元素知識的連貫性

元素周期律作為一個綜合性、總結性、結構性的概念，教師在教學時應突出元素周期律對元素知識的指導作用，形成建構模型到應用模型的連貫性教學思路。人教版和蘇教版將元素周期律的模型建構穿插在元素之間，將元素知識分散處理，基于典型元素建構“位—構—性”模型，同時應通過后續元素知識的學習加深對模型的理解與應用。學生學習是一個連貫性的過程，教師在頭腦中要對所教的內容有一個清晰的思路脈絡，在講授元素鈉、氯時該如何為元素周期律的模型建構奠定基礎，在元素周期律的基礎上，教師講授后續元素時要如何引導學生理解和應用模型。

使用魯科版教材的教師應注意后續章節中不再涉及元素知識的學習，因此需要通過元素周期律的學習實現學生元素知識認識方式的轉變即從“價—類”二維發展到“位—構—性”三維系統認識方式，并在后續復習中不斷加深對“位—構—性”模型的理解。

3.2 適當調整教學活動

根據已有教學實踐研究表明“結構”與“性質”的關系是學生學習的難點，是認識發展和模型建構的關鍵，需要通過教學活動幫助學生建立相對應的問題解決模型，即“結構決定性質”。三版教科書對此問題的解決總體上都是通過探究同周期、同主族元素性質的遞變規律，人教版、蘇教版兩版教材將此部分內容分散編排即分散了教學難點，逐漸建立認識發展;魯科版則是采取集中處理，認識結果更為系統。在教學中，教師應根據學生的實際情況合理地調整教學活動，同時可根據教學進度和學生情況適當進行增添或刪減。

3.3 重視方法的使用

三版教科書中在構建“位置”“結構”“性質”三者關系時或外顯或內隱地使用了一些方法策略。如“變量關系模型法”，在課堂上，由學生自主收集數據并將其變量關系化耗費時間較長，但卻能讓學生更好地認識“位置”“結構”“性質”之間的關系，同時提高學生信息收集、加工、處理的能力，使用人教版教材的教師可以借鑒使用。

上述提到“結構”與“性質”的關系是學生學習的難點，“預測”方法的使用可有力地幫助學生解決這一難題。人教版在教材中更是以“方法導引”的欄目設計突出此方法的重要性和必要性，因此教師在教材開發時，要將“預測法”切實地應用到性質探究實驗中以幫助學生反復認識“結構”與“性質”的關系，因此建議在教學中，橫向對比三版教科書中的方法應用，取長補短，使用更符合學生實際情況的方法突破教學難點。

3.4 引導學生構建“位—構—性”模型圖

整章課程學習完畢后，學生已經能夠意識到“位置”“結構”“性質”存在著一定的邏輯關系，這時教師應以教材中給出的模型示例圖為基礎，有目的、有計劃地引導學生梳理三者的關系，自主構建“位—構—性”關系模型圖。如使用人教版教材的教師在引導學生建構元素的“位—構—性”模型的基礎上延伸至物質的性質模型上，同時將元素與物質的關系聯系起來，再通過探究陌生元素性質引導學生理解、應用模型，明確“位—構—性”模型在化學學習中的重要價值即基于模型解決實際問題。

參考文獻：

[1][5]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]胡久華， 王磊. 促進學生無機物認識方式的持續進階[J]. 化學教育（中英文）， 2021， （1）： 2～8.

[3]王祖浩主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2019.

[4][9][10]王磊， 陳光巨主編. 普通高中教科書·化學必修第二冊[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019.

[6]黃鳴春， 王磊， 宋曉敏等. 基于認識模型建構的“元素周期律·表”教學研究[J]. 化學教育， 2013， （11）： 12～18.

[7][11][12]王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊[M]. 北京： 北京人民教育出版社， 2019.

[8]鐘楠楠. POE教學策略在化學實驗教學中的應用研究——以“常見的無機物及其應用”主題為例[D]. 沈陽： 遼寧師范大學碩士學位論文， 2021.