李昊辰 盧姍姍

摘要：? 結(jié)合模型建構(gòu)的一般過程，設(shè)計(jì)多個(gè)探究活動(dòng)幫助學(xué)生建立對(duì)元素周期表應(yīng)用的模型，逐步引導(dǎo)學(xué)生形成預(yù)測(cè)陌生元素及其相應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)的基本思路。同時(shí)結(jié)合尋找材料的學(xué)習(xí)任務(wù)提高學(xué)生應(yīng)用模型解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：? 模型認(rèn)知； 元素周期表的應(yīng)用； 半導(dǎo)體材料； 教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）05-0049-06

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

元素周期表是化學(xué)課程的重要內(nèi)容，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）要求學(xué)生“了解同周期和主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，體會(huì)元素周期律（表）在學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)與科學(xué)研究中的重要作用”［1］。當(dāng)前，該主題的實(shí)際教學(xué)主要存在兩類問題：一是教學(xué)目標(biāo)定位較低，學(xué)生停留在“識(shí)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(zhì)聯(lián)系起來［3］，缺乏解決問題的認(rèn)知模型［4］；二是教學(xué)內(nèi)容未能體現(xiàn)元素周期表的應(yīng)用價(jià)值，尤其是教材中所編排的對(duì)新材料開發(fā)的指導(dǎo)作用的內(nèi)容［5］。在某項(xiàng)測(cè)查中顯示，僅有3%的學(xué)生能夠描述元素周期表對(duì)于尋找半導(dǎo)體材料的應(yīng)用價(jià)值［6］。

有研究者開展了基于模型建構(gòu)的“元素周期表”教學(xué)，幫助學(xué)生建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型。例如，黃鳴春等將元素的“位-構(gòu)-性”與物質(zhì)的“構(gòu)-性-用”進(jìn)行了分化，構(gòu)建了元素及相應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)相結(jié)合的認(rèn)知視角［7］。焦利燕等引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)建元素周期表，在不斷修正與應(yīng)用的過程中感受元素周期表的建立過程［8］。然而，對(duì)于陌生元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)知模型還有待進(jìn)一步幫助學(xué)生去建立，尤其是針對(duì)新型材料對(duì)應(yīng)的元素及其物質(zhì)性質(zhì)的探究上。

2? 基于模型建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

模型建構(gòu)是培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知的重要過程，課標(biāo)對(duì)模型認(rèn)知的要求為：“能根據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。［9］”

國際著名化學(xué)教育家吉爾伯特（J.K.Gilbert）曾系統(tǒng)論述過化學(xué)教學(xué)中模型建構(gòu)的作用及學(xué)生模型建構(gòu)的四個(gè)環(huán)節(jié)［10］：（1）在陌生情景或者新知識(shí)中，學(xué)生初步建立模型分析新問題；（2）在其他情境中檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性，目的是對(duì)模型加以修正和完善；（3）針對(duì)一些具體問題和細(xì)節(jié)豐富模型，此時(shí)的模型與第一個(gè)環(huán)節(jié)建立的模型有一些本質(zhì)的不同，能夠解釋更加具體的問題和深入的細(xì)節(jié)，可以看作是對(duì)初建模型的發(fā)展；（4）將模型應(yīng)用于解決實(shí)際問題，最終建構(gòu)契合特定問題環(huán)境的新模型。參考以上四個(gè)環(huán)節(jié)，明確了基于模型建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路分為四個(gè)階段：初建模型、完善模型、發(fā)展模型與應(yīng)用模型，并以此展開教學(xué)。

2.1? 教材分析

“元素周期表的應(yīng)用”一節(jié)位于山東省科學(xué)技術(shù)出版社出版的《化學(xué)》必修二第一章“原子結(jié)構(gòu) 元素周期律”第三節(jié)，是本章內(nèi)容的總結(jié)與應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容包括三部分：認(rèn)識(shí)同周期元素性質(zhì)的遞變規(guī)律、研究同主族元素的性質(zhì)以及預(yù)測(cè)元素及其化合物的性質(zhì)。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)主要針對(duì)“預(yù)測(cè)元素及其化合物的性質(zhì)”這一課時(shí)內(nèi)容。

從模型建構(gòu)的視角分析，前一節(jié)內(nèi)容從“元素位置、原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)”三個(gè)方面認(rèn)識(shí)元素周期表，實(shí)現(xiàn)某一元素“位-構(gòu)-性”認(rèn)知模型的建立。本節(jié)內(nèi)容在探究同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律后進(jìn)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(guān)系，利用元素性質(zhì)間的相似性和遞變性對(duì)陌生元素的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，充分發(fā)揮元素周期表作為科學(xué)研究工具的預(yù)測(cè)功能。

2.2? 學(xué)情分析

學(xué)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(xué)習(xí)本課時(shí)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生初步建構(gòu)了“位-構(gòu)-性”認(rèn)知模型，掌握了同周期、同主族元素的遞變規(guī)律，部分學(xué)生能夠?qū)⒃撜J(rèn)知模型和規(guī)律應(yīng)用于探索熟悉的元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)，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(duì)陌生元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)，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(duì)大多數(shù)學(xué)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(chǎng)所。

2.3? 教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

（1） 通過尋找促進(jìn)碳中和新型材料的驅(qū)動(dòng)型任務(wù)，應(yīng)用元素周期表預(yù)測(cè)分界線上的元素及對(duì)應(yīng)的物質(zhì)的性質(zhì)及功能，形成預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的方法。

（2） 根據(jù)熟悉的已知元素預(yù)測(cè)陌生元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)，體會(huì)元素周期表作為科學(xué)研究工具解決真實(shí)問題的應(yīng)用價(jià)值。

教學(xué)重點(diǎn)是將元素周期表作為科學(xué)研究的工具，依據(jù)同周期、同主族、對(duì)角線位置元素性質(zhì)的相似性和遞變性，從熟悉的已知元素預(yù)測(cè)陌生元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)。

教學(xué)難點(diǎn)是探究元素周期表分界線上的元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)，以及應(yīng)用這些物質(zhì)開發(fā)的新型材料的性質(zhì)與功能。

2.4? “元素周期表的應(yīng)用”認(rèn)知模型與教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本課時(shí)的模型建構(gòu)是在學(xué)生“位-構(gòu)-性”認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過檢驗(yàn)和完善，發(fā)展及應(yīng)用該認(rèn)知模型。學(xué)生建構(gòu)的認(rèn)知模型如圖1所示。

基于模型建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)將圍繞“探究陌生元素性質(zhì)、尋找特殊功能半導(dǎo)體材料”的任務(wù)展開，確定對(duì)分界線上的Si、 Ge、 Ga三個(gè)陌生元素進(jìn)行探究的學(xué)習(xí)活動(dòng)，它們都是當(dāng)前新型材料的重要組成元素。另外，鎵元素不僅是當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)中重要的新型材料，而且在門捷列夫?qū)ζ漕A(yù)言的科學(xué)史料中蘊(yùn)含著展現(xiàn)元素周期表強(qiáng)大應(yīng)用功能的教育價(jià)值。結(jié)合圖1的模型，考慮模型建構(gòu)過程的生成性，教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

3? 基于模型建構(gòu)的教學(xué)過程

3.1? 初建模型

［社會(huì)背景］《國家十四五規(guī)劃綱要》提出，要在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。但目前我國的能源結(jié)構(gòu)依舊以化石燃料為主導(dǎo)，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(shí)發(fā)展可替代的清潔能源。半導(dǎo)體材料在傳輸能量的效率方面具有卓越的優(yōu)勢(shì)，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(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)以含Si、 Ge、 Ga元素的物質(zhì)為主的半導(dǎo)體材料在這些方面有著重要的作用，下面應(yīng)用元素周期表來探究這三種元素及其物質(zhì)的性質(zhì)。

探究活動(dòng)一：預(yù)測(cè)Si元素的性質(zhì)

［問題引導(dǎo)］根據(jù)元素周期表，你知道有哪些預(yù)測(cè)陌生元素性質(zhì)的方法？

［學(xué)生預(yù)測(cè)1］可以從原子結(jié)構(gòu)入手，因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)決定了對(duì)應(yīng)元素的性質(zhì)。

［學(xué)生預(yù)測(cè)2］元素在元素周期表中的位置也反映了元素的性質(zhì)。

［板書］元素周期表、周期、族、構(gòu)（原子）、位（陌生元素）、性（陌生元素）（注：此處及以下板書內(nèi)容均為關(guān)鍵詞，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)皆如圖1所示）

教學(xué)意圖：通過Si、 Ge、 Ga等元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)能夠有效促進(jìn)碳中和的社會(huì)情境，引出應(yīng)用元素周期表對(duì)陌生元素性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)的探究活動(dòng)，明確元素周期表作為科學(xué)研究工具的重要預(yù)測(cè)功能。根據(jù)所學(xué)引導(dǎo)學(xué)生自主回顧“位-構(gòu)-性”認(rèn)知模型，初步確定預(yù)測(cè)思路的組成要素。

3.2? 完善模型

［問題引導(dǎo)］根據(jù)剛剛學(xué)習(xí)過的同周期、同主族元素性質(zhì)的變化規(guī)律。要想了解Si的性質(zhì)，還有哪些方法？

［學(xué)生預(yù)測(cè)1］Si與Al元素在同一周期，它們的性質(zhì)之間存在遞變性。根據(jù)元素周期表中的位置，預(yù)測(cè)Si的得電子能力強(qiáng)于Al。

［學(xué)生預(yù)測(cè)2］Si與C元素在同一主族，它們的性質(zhì)之間存在相似性和遞變性。根據(jù)元素周期表中的位置，預(yù)測(cè)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(dǎo)］如何根據(jù)Si元素對(duì)有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)？

［學(xué)生預(yù)測(cè)1］從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)兩個(gè)角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(jià)為+4價(jià)，使得二氧化硅具有氧化性；形成的最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)的水化物是硅酸（H2SiO3），其中硅元素化合價(jià)也是+4價(jià)。

［學(xué)生預(yù)測(cè)2］通過已知元素性質(zhì)間的相似性和遞變性進(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)同主族元素性質(zhì)的相似性，根據(jù)C元素預(yù)測(cè)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(zhì)的遞變性，預(yù)測(cè)硅酸的酸性弱于碳酸。

［實(shí)驗(yàn)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幔撞坑猩倭康陌咨恋?。

［現(xiàn)象解釋］白色沉淀是硅酸，說明CO2溶于水后產(chǎn)生的碳酸置換出了比其酸性更弱的硅酸。

［結(jié)論］硅酸的酸性弱于碳酸。

［板書］性（物質(zhì)）、物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)

［問題引導(dǎo)］與Si相鄰的Al、C元素對(duì)應(yīng)的單質(zhì)都是電的良導(dǎo)體，那硅單質(zhì)是否可以導(dǎo)電呢？

［學(xué)生預(yù)測(cè)1］Si在Al元素的右側(cè)，是非金屬元素，其單質(zhì)應(yīng)該不能導(dǎo)電。

［學(xué)生預(yù)測(cè)2］由碳構(gòu)成的石墨能夠?qū)щ?，且Si處于C元素的正下方，更容易失去電子。因此，推測(cè)硅單質(zhì)雖然是非金屬材料但可能具有導(dǎo)電性。

［教師講授］在物理學(xué)中有關(guān)電的學(xué)習(xí)中，大家了解到電是帶電微粒的定向移動(dòng)所形成的。導(dǎo)體能夠?qū)щ娛且驗(yàn)榇嬖谧杂梢苿?dòng)的電子（圖3左）。根據(jù)硅原子的結(jié)構(gòu)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(zhì)并不導(dǎo)電。

［呈現(xiàn)材料］通過向硅單質(zhì)中“摻雜”其他元素，能夠使其具有導(dǎo)電性。這是因?yàn)榧尤氲钠渌拥淖钔鈱与娮訑?shù)不同于硅原子，從而打破硅單質(zhì)中穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，使得多出的電子可以在晶體中移動(dòng)，成為可以形成電流的自由電子［12］。

［問題引導(dǎo)］根據(jù)上述材料，結(jié)合硅的結(jié)構(gòu)示意圖，你能想到用哪些原子替代硅原子，使其能導(dǎo)電呢？

［注：圖片來自王祖浩等譯《化學(xué)概念與應(yīng)用（上冊(cè)）》第二版第109頁］

［學(xué)生預(yù)測(cè)］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(jìn)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(jié)構(gòu)外，多出的電子形成了可以移動(dòng)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(xué)概念與應(yīng)用（上冊(cè)）》第二版第109頁］

［問題引導(dǎo)］硅晶體中摻雜磷原子之后形成的物質(zhì)存在多余的電子，因此帶負(fù)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(zhì)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(gè)的非金屬元素，導(dǎo)致應(yīng)該存在電子的區(qū)域產(chǎn)生空穴，使得電子即可在這些空穴中移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流（見圖5）。

（注：圖片來自王祖浩等譯《化學(xué)概念與應(yīng)用上冊(cè)》第二版第110頁）

［總結(jié)］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(dǎo)體元素，而半導(dǎo)體材料特指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一類材料。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性可以通過摻入其他元素進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終得到帶正電的P（positive）半導(dǎo)體和帶負(fù)電的N（negative）型半導(dǎo)體［13］。當(dāng)兩類半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)即可形成電勢(shì)差，從而可以作為電源使用［14，15］。

教學(xué)意圖：引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)同周期和同主族元素性質(zhì)的相似性與遞變性補(bǔ)充要素，隨后引導(dǎo)學(xué)生將元素性質(zhì)遷移至對(duì)應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)的預(yù)測(cè)上，完善認(rèn)知模型。從元素性質(zhì)的遞變規(guī)律分析常見物質(zhì)的性質(zhì)，深入探究素材中的有關(guān)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)成因，在問題解決的過程中不斷完善模型，深化對(duì)認(rèn)知模型本質(zhì)的理解。

3.3? 發(fā)展模型

探究活動(dòng)二：預(yù)測(cè)Ge元素的性質(zhì)

［社會(huì)背景］2023年7月，中華人民共和國商務(wù)部、海關(guān)總署發(fā)布《關(guān)于對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制的公告》，表示為維護(hù)國家安全和利益，決定自同年8月1日起對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制。這是因?yàn)樵搩煞N元素組成的許多物質(zhì)都是新興的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)，在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有很廣泛的應(yīng)用。

［問題引導(dǎo)］剛才我們已經(jīng)預(yù)測(cè)了Si元素及其物質(zhì)的性質(zhì)。那現(xiàn)在又該如何預(yù)測(cè)Ge元素的性質(zhì)？

［學(xué)生預(yù)測(cè)1］Ge與Si都在交界處附近，而且是同主族，預(yù)測(cè)鍺單質(zhì)可作為半導(dǎo)體材料。

［學(xué)生預(yù)測(cè)2］根據(jù)同主族元素性質(zhì)遞變規(guī)律，推測(cè)Ge的失電子能力強(qiáng)于Si。

［教師］除了同主族位置關(guān)系外，你還能利用哪些元素周期表中的已知元素對(duì)Ge的性質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充？

［提示］處于對(duì)角線位置的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)。

［學(xué)生預(yù)測(cè)］Al與Ge處在對(duì)角線位置上，可以推測(cè)Ge單質(zhì)與Al單質(zhì)具有相似的性質(zhì)。

［教師］根據(jù)原子結(jié)構(gòu)解釋，為什么處于對(duì)角線位置的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)？

［學(xué)生預(yù)測(cè)］處于對(duì)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(shí)增強(qiáng)，因而呈現(xiàn)出相似的性質(zhì)。

［板書］對(duì)角線

［呈現(xiàn)材料］鍺作為最早的半導(dǎo)體，應(yīng)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(yīng)用到現(xiàn)在。

［問題引導(dǎo)］硅半導(dǎo)體相比于鍺半導(dǎo)體有哪些優(yōu)勢(shì)？

［學(xué)生預(yù)測(cè)］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(zhì)本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，比如半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和應(yīng)用范圍受哪些因素的影響？

［學(xué)生預(yù)測(cè)1］導(dǎo)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(xué)生預(yù)測(cè)2］但在應(yīng)用范圍上，Ge的最外層電子受原子核束縛較小，導(dǎo)致其物質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

［呈現(xiàn)材料］Ge半導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)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(xué)意圖：通過探究其他元素與陌生元素位置間的聯(lián)系，補(bǔ)充“對(duì)角線關(guān)系”要素，進(jìn)一步完善模型，并應(yīng)用認(rèn)知模型預(yù)測(cè)Ge元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)。同時(shí)在活動(dòng)中呈現(xiàn)多種類型的科學(xué)事實(shí)，幫助學(xué)生基于此對(duì)其預(yù)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)初始模型進(jìn)行修正和完善。

3.4? 應(yīng)用模型

探究活動(dòng)三：預(yù)測(cè)Ga元素的性質(zhì)

［科學(xué)史話］人們對(duì)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(yù)測(cè)了它的存在和性質(zhì)。在19世紀(jì)70年代，門捷列夫根據(jù)元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，將性質(zhì)相似的元素排列起來，形成了初始的元素周期表，同時(shí)大膽假設(shè)了表中余留的空位所對(duì)應(yīng)的尚未發(fā)現(xiàn)的元素。例如，他認(rèn)為世界上還存在著“類鋁”與“類硅”元素，并對(duì)這些元素的信息進(jìn)行了預(yù)測(cè)。隨后法國與德國化學(xué)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(zhì)與門捷列夫當(dāng)初的預(yù)測(cè)十分吻合。

［問題引導(dǎo)］門捷列夫是如何應(yīng)用元素周期表，預(yù)測(cè)Ga元素及其物質(zhì)性質(zhì)的？

［學(xué)生預(yù)測(cè)］根據(jù)同主族已知元素的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括相應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)，比如氧化物、氯化物的化學(xué)式和密度等。

［教師］在后來的生產(chǎn)生活中，人們應(yīng)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(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止創(chuàng)造了元素周期表這么簡(jiǎn)單。人們正是利用了科學(xué)家這種預(yù)測(cè)思路和應(yīng)用方法不斷探索新的材料，才真正為生產(chǎn)生活開辟了更為廣闊的空間。

［社會(huì)背景］上面提到的硅與鍺是第一代半導(dǎo)體材料。第二、三、四代半導(dǎo)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(dǎo)體，在當(dāng)今社會(huì)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(dǎo)體促進(jìn)了光纖通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，使人類進(jìn)入了信息化時(shí)代［17］。

［模型解釋］你能解釋Ga、 As作為半導(dǎo)體材料導(dǎo)電的原理嗎？

［學(xué)生預(yù)測(cè)］根據(jù)硅作為半導(dǎo)體材料的導(dǎo)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?qū)щ姟?/p>

［問題引導(dǎo)］你還知道哪些含鎵化合物的半導(dǎo)體材料？它們有哪些獨(dú)特的性質(zhì)？

［學(xué)生預(yù)測(cè)］氮化鎵常用于電子設(shè)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(qǐng)大家應(yīng)用思路模型，繼續(xù)預(yù)測(cè)Ga的元素性質(zhì)，并嘗試分析含鎵化合物作為半導(dǎo)體有哪些獨(dú)特的性質(zhì)？

［總結(jié)］元素周期表作為人們認(rèn)識(shí)世界的重要工具，指導(dǎo)著人們預(yù)測(cè)元素及其化合物的性質(zhì)、尋找或合成具有特殊性質(zhì)的新物質(zhì)等科學(xué)研究工作。同學(xué)們可以利用好這一工具，尋找具有特定性質(zhì)的元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)，為促進(jìn)碳中和貢獻(xiàn)一份力量。

教學(xué)意圖：應(yīng)用認(rèn)知模型預(yù)測(cè)陌生的Ga元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)；圍繞碳中和展開的活動(dòng)中進(jìn)一步感知元素周期表的價(jià)值；促進(jìn)學(xué)生自主應(yīng)用認(rèn)知模型，使用元素周期表解決現(xiàn)實(shí)問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任。

4? 教學(xué)反思與建議

通過基于模型建構(gòu)的“元素周期表的應(yīng)用”一節(jié)的教學(xué)，幾點(diǎn)反思總結(jié)如下：

第一，從學(xué)生對(duì)“元素周期表的應(yīng)用”掌握情況來看，基于模型建構(gòu)的教學(xué)提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，達(dá)到了應(yīng)用水平。該教學(xué)設(shè)計(jì)從學(xué)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(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)測(cè)。隨后根據(jù)Si的元素性質(zhì)繼續(xù)深入探究陌生的Ge與Ga元素，不斷發(fā)展和應(yīng)用認(rèn)知模型。教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在分析Ga類化合物半導(dǎo)體的性能時(shí)也能夠做到有意識(shí)地應(yīng)用元素周期表比較Ga與Ge類半導(dǎo)體的共性和差異所在，這說明學(xué)生對(duì)元素周期表的掌握從識(shí)記達(dá)到了應(yīng)用水平。

第二，從探究半導(dǎo)體材料任務(wù)的完成情況來看，學(xué)生將物理中所學(xué)的相關(guān)電知識(shí)與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)建立了聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科理解。本節(jié)課貫穿尋找半導(dǎo)體材料促進(jìn)碳中和的大情境，呈現(xiàn)探究Si、 Ge、 Ga三類半導(dǎo)體元素及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)的子活動(dòng)，落實(shí)教材中“在金屬元素和非金屬元素的交界處尋找半導(dǎo)體材料”內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在解決任務(wù)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的“電的產(chǎn)生”“電子的移動(dòng)”等跨學(xué)科知識(shí)綜合處理問題。后續(xù)學(xué)習(xí)還可以繼續(xù)應(yīng)用元素周期表，探究教材中其他有關(guān)航天材料和農(nóng)作物生長(zhǎng)方面的內(nèi)容。

第三，從模型建構(gòu)的教學(xué)來看，學(xué)生在不同階段的表現(xiàn)是有差異的。初建模型和完善模型對(duì)學(xué)生來說比較容易，大部分學(xué)生能夠較為熟練地掌握從“位-構(gòu)-性”分析單一元素的方法；但對(duì)于后兩個(gè)階段發(fā)展模型和應(yīng)用模型則較為困難，學(xué)生根據(jù)已知元素對(duì)陌生元素的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)的能力稍顯不足。因而模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)不能停留在初始階段，其真正認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)應(yīng)在不斷地完善、發(fā)展與應(yīng)用模型的過程中逐步完成。基于模型建構(gòu)的教學(xué)要引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)不同階段模型的意義和作用，而不是將模型作為一項(xiàng)獨(dú)立于概念之外的內(nèi)容強(qiáng)加給學(xué)生。

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