思政元素：科学家精神（人类探索微观世界的历程） 

一、内容分析

 

本节包括原子结构、元素周期表、元素性质等内容。教材在构建内容体系时，注重知识的逻辑性。教材将原子结构与元素性质的关系、元素周期表作为重点，以碱金属元素和卤族元素为代表，呈现同族元素性质的相似性，引导学生从中发现规律。

原子结构奥秘的揭示，是元素周期表趋于完美的关键。所以，教材以原子结构知识为基础，先介绍原子结构(“构”)与元素周期表(“位”)的关系；从原子核外电子数不同的角度，介绍周期表的结构(“位”);从原子核内中子数不同的角度，介绍核素(同位素)。在“构”“位”关 系的基础上，通过元素周期表中两族元素的性质，建构出“构”“位”“性”的关系，使学生初步认识同类物质的共性及性质变化规律，形成结构决定性质的观念。

关于原子结构，以初中已有知识为基础，教材通过“思考与讨论”,引导学生观察稀有气体元素原子核外电子排布，发现规律，从而归纳出1~20号元素的原子核外电子排布。这样的呈现方式，重在启发学生思考，培养逻辑思维能力。第一章“方法导引”介绍了科学方法——模型，而本节呈现的科学史话——原子结构模型的演变，有利于学生进一步理解科学模型的含义。学生阅读后，可以了解人类对原子结构的认识逐步深入的过程，能够体会到现在学习的科学理论只代表人类对客观事物认识的一个阶段，而人们对客观事物的认识，还会不断深入和发展。

关于元素周期表，学生在初中已了解概貌，教材中这部分内容编写的目的是要使学生了解和熟悉周期表的结构。本节采用“思考与讨论”的方式，让学生发现、归纳原子结构与周期表的关系，这里重点讨论的是周期表的族序数(“位”)与原子核外电子(“构”)的关系，为后面讨论元素性质打下基础。之后呈现的核素的知识，是对元素概念的扩大，教材是从周期表的同“位”与原子核(“构”)的关系这一视角来讨论的。有关放射性同位素的知识，中学物理中已有较多的介绍，此处只是简单介绍应用。元素周期表与核素这两部分内容，可以使学生初步建立“构”“位”“性”的关系。

关于原子结构与元素性质的关系，教材编排依托于元素周期表中的两族元素，即典型的金 属元素族——碱金属，典型的非金属元素族——卤素。教材重点阐述元素的金属性、非金属性与元素在周期表中的位置和原子结构的关系，目的是帮助学生提高应用周期表分析问题和解决问题的能力，进一步建构“构”“位”“性”的关系，形成结构决定性质的观念。

  本节内容既涉及基础理论知识，又涉及元素化合物知识，内容量大，理论性强。教材的编排考虑以下几方面。

  第一，本节的内容重点体现“构”“位”“性”的关系，教材的呈现重视知识逻辑性，采用在“构”“位”基础上，以“演绎一归纳”的方式得出性质及变化规律。教材从原子结构和元素周期表出发，演绎元素的性质，再以理论和事实为依据，归纳得出同主族元素性质的变化规律。

第二，元素周期表的发现过程，充分体现了科学研究方法、观念和科学精神，教材在本节特别重视化学史情境的创设。通过节引言、元素周期表的引入段落、科学史话、研究与实践等形式，呈现周期表的发现过程和意义。例如，在元素周期表的引入段落，以门捷列夫编制第一张周期表引入，并特别强调其是“在前人研究的基础上”编制出来的；在科学史话“元素周期表的发展”中，简述了门捷列夫周期表之前的基础和之后的发展；在研究与实践“认识元素周期表”中，还以学生体验的形式，通过关注周期表发展过程中的不同形式，引导学生认识和理解周期表。这条化学史情境线索的呈现，能使学生发现和体会科学家的研究方法和科学态度。

第三，周期表的重要作用之一，是使学生能够通过周期表的位置和元素的原子结构，预测元素的性质，发现新元素。教材在本节的呈现突出体现了这一作用。教材呈现的周期表中两族元素的性质，都是从“预测”出发的。例如，碱金属的性质，是通过探究活动“碱金属性质的比较”,采用“预测—验证(实验)一分析—结论”的思路归纳出来的；卤素的性质，是通过“思考与讨论”栏目，采用“预测—验证(事实)一分析—结论”的思路归纳出来的。学生可以通过这样的过程体会元素周期表的作用。同时，教材在“方法导引”中介绍了“预测”这一科学方法。这些编排都有利于学生认识到科学方法对研究和学习的意义。

  二、教学目标

 

  1. 教学目标

(1)知道原子的结构及构成原子的微粒间的关系；根据原子核外电子的排布规律，能画出1~20号元素的原子结构示意图。了解预测、假设、模型等方法在科学家研究原子结构中的作用。

  (2)通过了解元素周期表的结构，认识原子结构与元素在周期表中位置间的关系。 

  (3)知道质量数和AZX的含义，知道元素、核素、同位素的含义。

( 4 ) 以IA 、VⅡA族元素为例，通过探究认识同主族元素性质的递变规律，并能用原子结构理论初步加以解释；培养分析、处理数据的能力，尝试运用比较、归纳等方法对信息进行加工。

 

  2. 教学重点和难点

  重点：元素周期表的结构；元素在元素周期表中的位置及其性质的递变规律。

  难点：原子结构与元素性质的关系。

  三 、教学建议

 

  1.以化学史为线索进行原子结构教学

学生在初中时已经初步学习了原子结构，知道原子的基本构成、拉瓦锡发现氧气、卢瑟福α粒子轰击金箔实验、电子扫描隧道显微镜等，有了一定的知识储备，为深入研究原子结构做好了准备。因此，教师在讲授原子结构的内容时要在教材的基础上深入挖掘相关知识，使隐性知识显性化，以满足学生对原子结构的探索欲望，帮助学生提高化学学科核心素养。

教材中的“科学史话”栏目从道尔顿模型、汤姆孙原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型、电子云模型五个阶段来介绍原子结构模型的演变过程。在教学时，可适当补充五个阶段之间的衔接与过渡，向学生介绍五个阶段分别对应的“实心球”“葡萄干面包”“行星式”“量子化轨道”“现代电子云”模型，将学生置身于历史情境中，使他们体验原子结构模型的建立、修正、完善的过程，体会到理论的暂时性，认识到科学理论并非是亘古不变的永恒真理，科学始终经历着推翻与革新。在现代原子结构模型演变的不同阶段，科学家提出的每个新的模型总是建立在证据推理的基础之上，每个模型都体现了当时科学家对原子的一种认识。通过了解原子结构模型的 演变历程，学生可以认识到从宏观和微观结合的视角分析与解决实际问题的重要性，知道科学研究过程中常需要依据物质及其变化的信息建构模型，提高模型认知能力。

 

  2.设置问题串，以问题驱动元素周期表的学习

元素周期表是元素周期律的具体体现，是中学生学习化学的重要工具，具有很强的指导性。理解元素周期表的结构是后续学习的基础，也是应用元素周期表解决相关问题的基础。教材把元素周期表的教学安排在原子结构的内容之后，目的是引导学生在了解原子结构的基础上认识元素周期表的排布规律。

本部分内容可以以问题为向导，以情境为平台，引导学生阅读教材、分析归纳、探究发现，促成学生自主建构元素周期表的基础知识和“结构决定位置，位置反映结构”的基本观念。通过层层深入、环环相扣的问题串的设置，引导学生寻找问题的答案；通过互动交流、适时点评，帮助学生全面认识元素周期表的结构及其排布规律。一组问题串的设计示例如下。

  引入：介绍周期表的发展史：“三素组—六元素—八音律—门捷列夫周期表”。 

  问题1:什么叫原子序数?原子序数与元素的原子结构之间有什么内在联系?  

  问题2:在元素周期表中，元素排列的原则是什么?

  问题3:元素周期表中有几个横行?构成几个周期?周期分为几类?分类依据是什么? 

  问题4:元素周期表中有几个纵列?构成几个族?族分为几类?分类依据是什么?

  问题5:画出元素周期表的轮廓，标出周期序数和族序数，标明碱金属元素、卤族元素、稀有气体元素、过渡元素所处的区域，找出其中包含元素种类最多的周期和族。

  问题6:同周期ⅡA 、ⅢA 族元素的原子序数的差值存在哪些可能?

  问题7:每周期各有多少种元素?你发现各周期的元素种数有什么规律?

  问题8:如果将来第八、第九周期的元素全部被发现，请预测这两周期各有多少种元素，其中稀有气体元素的原子序数分别为多少?

 

  上述问题串中，设置问题1~6的主要目的是引导学生认识元素周期表结构及相关概念。设置问题7~8的目的是让学生总结周期表中元素的排布规律，并运用规律对元素周期表的未来发展趋势做出预测和判断。对于问题7,可以结合教材中的“思考与讨论”栏目进行教学，让学生在完成“思考与讨论”中的表格后，再继续填写下表并归纳规律。由此不难预测：第八、第九周期的元素种类将各有50种，对应的稀有气体元素的原子序数分别为168和218,从而回答问题8。

  3.发挥“研究与实践”栏目的功能，让学生自行设计并制作元素周期表

本节的“研究与实践”栏目提供了一种让学生自主学习元素周期表的方案。教学中，教师可以先给学生总结元素周期表的编排原则(行、列)及元素周期表的结构(周期、族),再要求学生自己设计并制作元素周期表。学生通过设计并制作元素周期表，可以体会科学研究的方法，熟悉元素周期表的结构，加深对元素周期表编排规律的理解，认识原子结构与周期表的关系。然后通过师生共同评价选出优秀作品，供学生间交流和学习，提高活动效果。

在让学生阅读“科学史话”栏目中元素周期表的发展史时，可以展示对应时期的各种元素周期表，让学生体会科学发展曲折、螺旋式前进的过程，体会理论在发展中不断被完善的过程。

  4.运用POE 策略进行原子结构与元素的性质教学

POE策略即“预测—观察一解释”(Predict-Observe-Explain)  策略。这种策略要求在实验演示前，学生先根据自己已有的知识对实验现象进行预测；演示实验时，学生观察现象；实验结束后，学生对所观察到的现象进行解释。

  根据POE策略，碱金属元素的教学可按下述过程进行。

学生先由碱金属元素的原子结构预测Na和K的化学性质，接下来通过观察或者动手实验Na 、K分别在氧气中燃烧及分别与水的反应，再经过讨论得出碱金属元素化学性质的相似性和递变性，并从原子结构角度解释原因，最终形成金属族元素金属性的递变规律。

接下来，经过类比得出Li常见的化学性质，并注意由于原子结构的差异产生的其与其他碱金属元素性质间的差别；预测Rb 、Cs与水反应可能的现象，并通过观察实验视频验证。最后思考问题：Ca 与Mg是同一主族元素，谁的金属性更强?如何设计实验加以证明?

在通过实验归纳得出元素金属性强弱的判断依据及碱金属元素金属性的递变规律后，可再次运用POE策略进行卤族元素的教学：学生先预测卤族元素化学性质的相似性与递变性，再通过阅读反应事实及观察实验4-1寻找证据进行验证，最后从原子结构角度解释卤族元素非金属性的递变规律。

  5.通过方法导引，引导学生认识原子结构与元素性质的关系

教材对元素性质与原子结构关系的揭示，主要是通过探究碱金属和卤族元素的性质得出同一主族元素得失电子的能力、金属性和非金属性递变的趋势完成的，这是本节的重点，也是难点。教学中要注意教给学生思考问题的思路和方法，为学习元素周期律奠定基础。

(1)使学生建立“结构决定性质”的观念，在对常见金属元素和非金属元素的性质有了进一步的认识和研究的基础上，适当提升对学生在学科知识科学性和系统性方面的要求。

(2)注意提醒学生运用第一章学过的理论工具(氧化还原反应原理)来分析物质的化学性质。比如，碱金属单质的还原性，或者卤素单质的氧化性，既有相似之处，又有规律性的变化，而它们都与同主族元素的原子结构的递变有着紧密的联系。

(3)对于卤素单质与氢气的反应，由于实验条件的限制，教材中并没有安排相关实验，而是通过直接给出实验事实，让学生用归纳的方法得出卤素单质与氢气反应的相同点和不同点。可以告诉学生规律不一定非得通过从零开始的实验探究得出，也可通过分析已经存在的科学事实归纳得出。

(4)卤素之间的置换反应实验说明，同主族元素的递变性不仅可以通过和同一种物质反应(如碱金属单质与水反应，卤素单质与氢气反应)的难易程度对比得出，也可以通过置换反应得出。

  四、栏目使用建议

 

  1. 实 验

  【实验4-1】

此实验中的氯水必须新制，用棕色瓶存放。同时，实验所用的KBr溶液、KI溶液、氯水浓 度应尽量大一些，以使实验现象更明显。该实验也可设计如下：向KBr溶液中加入氯水，振荡后静置，观察现象；向上述溶液中加入KI溶液，再次振荡后静置，观察现象。引导学生思考：若要证明氧化性Cl₂>Br₂>I₂，上述实验中加入的氯水应该为少量还是过量?为什么?

 

  2. 思考与讨论

  【思考与讨论1】

引导学生阅读并讨论表格给出的稀有气体元素原子的核外电子排布，对表中数据进行分析、归纳、总结，从而得出原子核外电子排布的一般性规律。栏目中设置的4个问题层层递进，由浅入深。在教学时可以在问题(2)(3)之间增加两个问题：倒数第三层最多容纳的电子数是多少? K、L 、M 、N层最多容纳的电子数各是多少?通过上述问题，可以归纳出以下核外电子排布的规律：

(1)各个电子层最多容纳的电子数分别为：最外层不超过8个(K 层不超过2个),次外层不 超过18个，倒数第三层不超过32个。

  (2)第n层最多容纳的电子为2n²个。

  得出结论后，教师可以指出上述规律存在的原因将会在后续课程中继续学习，在现阶段不做要求，并建议感兴趣的同学在课外自行阅读相关书籍。

  【思考与讨论2】

  引导学生观察元素周期表，经过思考、讨论后填写表格；再根据表格归纳总结，从而得出结

论：周期序数=原子核外电子层数。

类似的这种讨论可以延续到对元素周期表中族的学习。通过比较同主族元素原子的最外层电论：周期序数=原子核外电子层数。

  【思考与讨论3】

本栏目中的表格主要呈现了碱金属元素的原子结构示意图和原子半径。学生可以根据表中的原子结构示意图填写核电荷数、最外层电子数、电子层数等空格。阅读表格时，还可以提醒学生留意原子半径的数量级，并与宏观物体的大小做比较。

  通过对本栏目中两个问题的思考与讨论，学生可以得出碱金属元素的原子结构具有以下特点

  (1)相同点：原子核外最外层电子数都为1。

  (2)递变性：从上到下随原子序数递增，碱金属元素的原子核外电子层数递增，原子半径递增。

学生在初中时已经认识到元素的化学性质与原子的最外层电子关系最为密切，因此可以根据碱金属元素原子结构的相同点得出碱金属化学性质相似的结论。教师在此还可以指出，除了相同点之外，碱金属元素的原子结构的递变性还决定了它们的性质会呈现出一定的变化规律，为探究

碱金属元素的化学性质埋下伏笔。

  【思考与讨论4】

由于学生已经有了学习碱金属的经历，积累了探究同主族元素原子结构和元素性质关系的学习方法，完全可以把此学习方法迁移到卤素的学习中。本栏目主要为学习卤素的化学性质而设置，教学时要充分利用教材提供的相关素材(如卤素原子结构示意图、卤素单质与氢气的反应事实、相关注释等)。

对于问题①,可以引导学生先观察卤素的原子结构示意图，分析、归纳卤素原子结构的相同点与递变性。在此基础上，再推测氟、氯、溴、碘在化学性质上可能表现出的相似性和递变性。对于问题②,可以结合教材表4-4中卤素单质与氢气的反应事实展开讨论，并提醒学生阅读教材相关注释中判断非金属性强弱的实验依据，最后得出结论，依次回答教材中的三个问题。

  按F₂ 、Cl₂ 、Br₂ 、I₂ 的顺序：

  ①与氢气反应的难易程度：由易到难。

  ② 生成的氢化物的稳定性：由强到弱。

  ③卤素的非金属性强弱：由强到弱。

 

  3. 探究

  【探究】碱金属化学性质的比较

  本探究分为三个环节。

环节一 问题与预测。先让学生回顾钠的化学性质，为接下来的性质预测做好铺垫。再让学生结合Li 、Na 、K 的原子结构特点，预测Li 、K 可能具有哪些与Na 相似的化学性质。在此，只要学生能够说出预测的理由，不管预测正确与否，教师可不予评价，以使他们保持好奇心。学生

期待的答案马上就会在接下来的环节二揭示出来。

环节二 实验和观察。本环节先让学生回忆Na分别与氧气、水反应的现象，以和接下来的实验现象做对比。在K与氧气反应的实验过程中，要提醒学生注意观察：钾在燃烧前是否熔化，熔化后的钾的颜色与光泽，燃烧时有无烟和焰，烟、焰及固体产物的颜色等。在钾与水的实验过程中，要提醒学生注意观察钾在水面的浮、熔、游，以及溶液颜色的变化、反应的剧烈程度等现象。

钾在空气中燃烧的实验可设计为学生分组实验；而钾与水的反应，最好由教师在实物投影仪上演示。钾块不要太大，取绿豆大小即可，以免发生危险。钾与氧气反应的实验，需要先加热坩埚，再投入用滤纸吸去表面煤油的钾块，目的是缩短加热的时间，避免因为缓慢氧化而不利于观察熔化后的钾的色泽。在此两个实验过程中需要戴上护目镜，如不具备条件，也可在钾与水反应的烧杯口放一只表面皿以防止溅出。

环节三 分析和结论。本环节设置了三个问题。第一个问题是根据实验现象展开讨论，总结钠、钾相似的化学性质，解决学生心中的疑惑，与环节一前后呼应。第二个问题是通过比较钾 钠分别与水反应的难易程度，再次预测锂与水反应的难易程度，目的是让学生认识锂、钠、钾化学性质的差异性和递变性。设置第三个问题的目的，是让学生运用碱金属元素原子结构的递变性来解释锂、钠、钾化学性质的递变性，并运用由个别到一般的归纳方法，归纳出碱金属化学性质的相似性和递变规律。