核心素养下基于化学史的任务驱动式教学设计与实践

［摘 要］本文以“元素周期表”的教学为例，聚焦元素“位—构—性”关系，沿着情境线、问题线、活动线、知识线、素养线等五条主线进行教学设计、探索与实践，探寻基于化学史的任务驱动式教学对发展学生化学学科核心素养的独特价值。

［关键词］化学史；核心素养；任务驱动式教学；元素周期表

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）20-0065-06

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》从宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任五个维度构建了化学学科核心素养的内容体系，提倡开展“素养为本”的教学[1]。学科核心素养导向下的任务驱动式教学设计与实践是各学科教学落实“立德树人”根本任务、强化课堂育人的主要渠道，也是化学学科核心素养“落地生根”的有效途径，势必将引领广大教师从关注“学科教学”转向“学科育人”，引导学校教育教学从关注“冷冰冰的分数”转向“活生生的人”，引导学生从“解答问题”走向“解决问题”。

人教版高中化学必修1第四章第一节“原子结构与元素周期表”是以“物质的分类及转化”和“元素及其化合物”作为知识基础，并为后续“元素周期律”的学习做铺垫，起到承前启后的作用，更是聚焦元素“位—构—性”关系开展学科观念构建、思维能力训练的十分贴切的单元教学素材。这部分知识计划安排三个课时，第一课时是原子结构、核素，第二课时是元素周期表，第三课时是原子结构与元素性质。教材中本节内容以2个“科学史话”介绍了原子结构模型的演变和元素周期表的发展，为探索化学史与学科单元教学深度融合以培育学生学科核心素养和进行课堂思政育人的教学新途径创造了条件。但在教学实践中，很多教师将该内容作为课堂教学的“花絮”穿插于化学课堂教学中，没有深刻领悟到教材的编排意图，使得化学史的教学价值未能得到充分展现，从而导致化学史与化学课堂教学严重脱节[2]。而且，不少教师对元素周期表发展史的探究过程缺少补充意识，不能有效引导学生探索和运用科学家绘制元素周期表的科学思维和方法，并将其迁移运用到真实问题的解决之中，这极大地削弱了学生对科学探究的体验和对科学本质以及化学观念的理解，未能实现与新课程改革理念的深度交融[3]。本文以人教版高中化学必修1中的“元素周期表”的教学为例，探寻基于化学史的任务驱动式教学对发展学生化学学科核心素养的独特价值。

二、教学目标

1.通过给元素分类、排序和观察原子结构示意图、元素周期表结构，并进行分析、对比、总结，培养学生的概括归纳能力与分类的思维方法。

2.通过探寻原子序数、核电荷数、质子数、核外电子数的关系，勾画元素周期表的结构框架以及活用元素周期表，培养学生的变化观和学以致用的能力。

3.通过元素“位—构—性”关系开展学科观念构建、思维能力训练，让知识教学转向观念、思维、方法外显。

4.通过元素周期表发展史的介绍，提升化学史的教学价值，让学生感受科学家不畏艰难、勇于探索的科学精神。

5.通过元素周期表的应用，培养学生的科学探究精神、爱国主义精神和奉献精神。

三、教学设计思路与教学思想

新课程背景下，聚焦学科观念构建的任务驱动式教学是当前深受教师青睐的教学方法。本节课采用“情境线、问题线、活动线、知识线、素养线”相融合的“五线式”任务驱动教与学的方式：以元素周期表的发现过程和演变历程为主线（情境线）来创设真实的教学情境，激发学生的学习原动力和学习热情；立足不同时段化学史的内容以及贯穿其中的科学精神，以解决实际问题为学习任务，通过设置深层价值问题（问题线）不断激发学生深度思考、深度交流、深度研讨（活动线），并结合多媒体课件，让每一个学生都投入到合作与探究的学习活动中，真实体验、加深印象；通过生产生活中的真问题和真探究，深挖各时段化学史中所潜藏的化学知识和原理（知识线）以及能够培育学生化学学科核心素养的重要价值（素养线）。“五线”中的每一条线之间相互融合、融通、融汇，呈现出螺旋上升态势，并耦合形成本节课的教学思想：基于元素周期表发现和演变的科学研究过程以及贯穿其中的科学精神，以多媒体课件等教学资源作为脚手架，通过学情、目标、情境、问题、任务、结构、展示、作业、评价等形式开展自主学习与合作探究，探寻其中隐藏的化学知识、化学原理和化学学科核心素养。

四、教学环节

（一）各抒己见，寻找元素之间的内在关联

【问题引导】元素种类多种多样：18世纪——30余种，19世纪——54种，现代——118种。元素的性质有什么规律可循？元素之间有何内在联系？现已发现的100多种元素之间能否分类或有序排列？

【学生活动】

（1）交流讨论，将图1元素卡片中的前7种元素按照一定的依据进行分类。

（2）小组合作，将图1中的9种元素卡片按照一定的依据进行排序，并粘贴在同一张标签中。

【小结】（1）分类：按元素形成单质时的状态分组；按金属元素和非金属元素分组；按原子具有相同的最外层电子数进行分组；等等。（2）排序：一字长蛇阵型简单元素表；表格型简单元素表。

设计意图：引导学生利用树状分类法对卡片中的已知元素进行分类、排序，从局部到整体，从短周期到长周期，从主族到副族，循序渐进地构建简单的元素表。一来培养、巩固学生的分类观和分类思想，使其学会利用分类思维方法解决问题。二来培养学生的信息提取力、观察力、表达力。三来让学生从科学家的视角初步感受元素的简单排列依据，为学生学习元素周期表的编排原则做铺垫，培养学生的思维能力。

（二）融贯古今，体验科学家编制元素周期表的探究过程

【教师活动】教师呈现化学史料，引导学生追寻化学家的足迹，探究元素周期表的编制过程。

【化学史料1】拉瓦锡的元素分类表（1789年）。

1789年，法国化学家拉瓦锡在《化学概要》一书中提出了第一个元素分类表（如表1），将元素分为金属、非金属、气体和土质四大类。

【化学史料2】德贝莱纳的“三素组”（1829年）。

1829年，德国化学家德贝莱纳根据元素性质的相似性提出了“三素组”学说。将当时已知的54种元素中的15种分成5组（部分元素如表2所示）。

【评价】每组三元素的性质相似，且中间元素的原子量等于两侧元素原子量的算术平均值。

【化学史料3】尚古多的“螺旋图”（1862年）。

1862年，法国地质学家尚古多提出了“元素的特性取决于相对原子质量的数值”的论点，将当时已知的62种元素按相对原子质量大小循序标记在一个圆周线分成16份的圆柱体的螺旋线上（如图2），性质相似的元素出现在同一条纵线上，如Na、K。但性质不同的S和Ti也在同一条纵线上，这体现了尚古多螺旋图的不足。

【评价】从相对原子质量出发，从局部到整体考虑所有元素之间的关系。

【化学史料4】纽兰兹的“八音律”（1864－1866年）。

1864－1866年，英国青年化学家纽兰兹把当时已知的62种元素整理成为一个７行８列的表格（如表3），不直接使用相对原子质量，而是使用了元素的号数，这点打破了先例。

【评价】将整张表填满，部分位置放置了２个不同的元素，掩盖了元素性质的独特性，而且一旦发现新元素，必然会打破整张表的布局。

【化学史料5】门捷列夫的元素周期表（1869、1871年）。

1869年，俄国化学家门捷列夫继承和突破了前人的研究经验，对当时已发现的63种元素按照相对原子质量从小到大排列，并将化学性质相似的元素放在同一个纵行，绘制出了第一张元素周期表。1871年，门捷列夫发表第2张元素周期表（如表4），他依据相对原子质量递增的顺序进行横排，使同族元素处于同一列，一格一种元素，元素之间允许有空位，还添加了新的排布依据，如元素最高价的氧化物、最低价的氢化物、族和周期，并运用元素周期律预言了“类铝”（镓）、“类硼”（钪）、“类硅”（锗）。

门捷列夫的元素周期表是20世纪末化学史上的重要理论成就之一，具有里程碑意义。

【学生活动】谈谈对元素周期表编制史的感悟。

【学生回答】科学研究与发现是一个漫长的过程，我们要有毅力，静待花开；科学研究与发现是站在巨人的肩膀上不断完善和创新的过程，我们不能盲从，要守正创新；科学研究与发现需要丰富的想象力，要敢于做“白日梦”和坚持追求梦想……

设计意图：采用“情境线、问题线、活动线、知识线、素养线”相结合的五线式探究教学，从时间、人物、事件、评价等维度对元素周期表的发展历程进行细致品读，通过提问、引导、启发的形式开展探究，挖掘每段化学史蕴藏的化学知识，探寻科学本质，从科学家的角度感知科学研究与发现，培养学生敢于质疑、勇于探索的精神，落实“立德树人”根本任务。

【展示】展示现行元素周期表。

【问题引导】

（1）完成教材第89页“思考与讨论”，找出原子序数与原子结构之间的关系。

（2）观察元素周期表，结合1～18号元素的原子结构，归纳元素周期表的编排原则和结构框架（横行数、周期序数、纵列数、族数、族类数及其表示方法）。

（3）小组合作，探寻元素周期表中的序差规律。

【学生活动】自主、合作、探究。

（1）教材第89页的“思考与讨论”。

（2）元素周期表的编排原则和结构框架归纳如下：

（3）元素周期中的序差规律：

①过渡元素最外层电子数一般不等于族序数，最外层电子数只有1～2个（46号Pd是18个）。

②最外层电子数为3、4、5、6、7的元素一定是主族元素；最外层电子数为1或2的元素可能是主族、副族或0族（He）元素。

（三）争奇斗艳，切身感受元素周期表的特殊内涵

【问题引导1】

（1）什么是过渡元素？

（2）什么是元素分界线？

（3）连线常见族所含元素的特别名称：

①第IA族（初氢）       a.稀有气体元素

②第ⅦA族                 b.碱金属元素

③0族                          c.卤族元素

（4）填写元素周期表方格内符号的含义：

（5）准确描述元素在周期表中的位置，如Cl、Ca。

（6）根据Si在元素周期表中的位置（第三周期第ⅣA族），画出Si原子的结构示意图。

【归纳提升】元素“位—构—性”关系模型：

【问题引导2】

（1）超重元素Ts的质子数为117，其原子结构示意图如下图所示，请描述Ts元素在元素周期表中的位置。

（2）同一主族的元素一定都是金属元素或非金属元素吗？元素有什么分布规律？

（3）哪个周期的元素种类最多？族呢？

（4）同周期相邻主族元素的原子序数是不是都相差1？请举例说明。