週期表教學的why, what與how / 鄭志鵬

星期二 , 3, 3 月 2020 Leave a comment

週期表教學的why,whathow

鄭志鵬

臺北市龍山國中

jjpong@lsjh.tp.edu.tw

        前言

週期表的課程屬於國中八年級上學期第六章的「元素與週期表」單元。許多學生甚至老師,會認為此課程就是把元素的性質和週期表背起來,許多人也常會認為週期表在科學上的扮演的角色,只是許多資料的整理與累積而已。

但與大多數學生的認知相反的是,週期表課程中最重要的並不是內容的記憶,而是察覺元素之間有規律性和週期性。108課綱中也揭示了這一點。

週期表不但彙整了元素的性質,更重要的科學家們因此察覺了看似無關的元素之間有許多相關之處,暗示了不同的元素內部必然有相關的組成要素。週期表甚至可以說是原子內部結構的外顯徵象。教學上,先認識各自獨立的元素性質,再探究元素之間隱約存在的規律性,最後再認識原子內部結構,揭開元素的秘密。

以往在元素規律性的教學,教師多用講述的方式告訴學生最後的結果,也就是週期表。對多數學生來說,只會覺得這是一個無意義的背誦,無法體會週期表的意義與重要性。如果可以讓學生體會週期表的科學意義,我認為是比起單純的背誦更有價值的學習。

為了要達成這個目標,筆者設計了三十五張有元素性質的卡牌為教具,讓學生試著站在十九世紀化學家的角度去閱讀元素資料,並嘗試對元素進行分類整理、找出規律性與週期性,並了解德培萊納門得列夫門得列夫的觀點,和他們一樣試著整理紊亂的資料,從中發現規則與模式。同時,亦期待學生透過該活動可以瞭解,若我們可以利用建立的模式發現未知的事物,該模式就具有更高的價值。

筆者希望藉由這個教育和課程,讓週期表的學習能夠切中科學的核心價值。將週期表的課程從單純的記憶與工具,提升到對自然現象的觀察、歸納、思考與預測。讓學生能感受在看似紊亂的自然現象中,理出規則,豁然開朗看見一條道路的樂趣。

        週期表教學的whatwhy

        「週期表」是中學科學課程中,一個重要的單元。它在科學史上是一個困難的、重要的發現(或發明)。在人類探索自然界,累積了許多對於元素的概念之後,開始有一群人感覺的這些元素之間似乎有一些什麼規律性。經過了一段時間的努力,許多科學家,像是德培萊納、邁耶爾、門得列夫等人投注了甚至是畢生的精力之後,終於找出了元素具有週期性與規律性。

        為什麼週期表很重要?因為它帶領著物質科學,從將物質純化與認識性質和其反應特性的科學,轉化揭示了這些不同元素並不是單純的「不同」,而是這些不同的元素背後,其實一定有某種因素在支配著,使其能遵循這些週期性。週期表讓原先著重物質特性與反應的科學提供了往上提升一層的可能性。也可以說,週期表的建立打開了二十世紀進入原子內部結構的近代科學大門。

        為什麼建立週期表很困難?我們知道,這許多不同元素的性質如果攤開來看,真的會是一團混亂的資訊。若認為它們之間是獨立無關的,是很正常的想法。以後見之明來說,則會知道元素之間的關係。但如果將這些元素名稱都拿掉,只留下這些元素的性質,我們真的能輕易的看出它們之間的關聯嗎?在課程活動中,教師可以透過簡化過程讓學生體驗與學習處理混亂資訊並提出猜想,也讓學生稍微感受一下科學家的心血得來不易。

        所以週期表課程要教些什麼?108課綱中,第四階段國中課程與第五階段高中必修與選修課程中的學習內容是:

Aa-IV-4元素的性質有規律性和週期性。

CAa-Vc-3元素依原子序大小順序,有規律的排列在週期表上。

CAa-Va-5 元素的電子組態和性質息息相關,且可在週期表呈現出其週期性變化。

        可以看到不管在哪一個階段的課程,週期表的學習內容都在了解元素是有週期性與規律性的。到了高中選修才引進電子組態與元素性質的關係。那麼以學習表現來說,就可以搭配思考智能中的「建立模型」和問題解決中的「分析與發現」。

tm-IV-1理解較複雜的自然界模型,並能評估不同模型的優點和限制,進能應用在後續的科學理解或生活。

pa-IV-1能分析歸納整理資訊或數據。

pa-IV-2…(所得的)資訊或數據獲知因果關係。並能將自己的探究結果和同學的結果或其他相關的資訊比較對照,相互檢核,確認結果。

        我們可以綜合領綱中的學習表現與學習內容,訂出我們在週期表課程中的具體學習目標為:

讓學生分析歸納、整理元素的資訊或數據、獲知因果關係,並能將自己整理資訊的結果與同學作比較,相互檢核。從中理解元素規律性與週期性的模型,並能評估不同排列方式的優缺點與限制。

        週期表教學的how

        要達到上述教學目標,我們可以運用科學史的元素,讓學生經歷科學家蒐集資訊與整理資料的過程。在課堂中運用科學史融入的方式,除了說個故事給學生聽之外,我認為更好的方式,是讓學生親自扮演那個時代的科學家,去解決那個時代科學家關心的問題。當然是在一個設計過的情境下,讓解決這個問題的難度降低到學生可以處理的程度的課程設計。

        在開始分析元素的規律與週期性之前,要先認識個別的元素,同時,盡可能讓學生能直接觀察元素,或者閱讀元素的性質,然後進行碳酸鈉與氯化鈣、氯化鎂、氯化鋇、氯化鈉、氯化鉀水溶液的混合實驗。讓學生發現有些會和碳酸鈉水溶液產生沉澱有些不會,藉此讓學生發現「有些元素的性質是接近的」「可以把這些元素進行分類嗎」這樣的想法。接著就是承接這個想法,讓學生觀察大量元素的性質,並嘗試像門得列夫一樣,看能不能找出有意義的排列方式。

        能親身去體驗科學家解決問題的過程,就更能理解科學家的思考方式與同理科學家會遇到的艱辛歷程。在週期表的課程中,要怎麼讓學生去嘗試科學家的努力呢?我模仿門得列夫思考元素週期表的方式,設計了一套35張的卡牌,代表了在19世紀人類已知的其中35種元素。

卡牌上紀錄元素的外觀、性質,元素性質的描寫法,刻意將某些同族元素的性質,用相同的文句描寫。此外,還紀錄了元素的常見化合物。化合物的種類和比例,也刻意讓同族的元素有相同的化合物組成比例,這樣才能降低難度讓中學生有機會可以發現端倪。此外,卡牌還提供了密度和原子半徑等等訊息。當然,有些訊息並不是19世紀就知道的,但放在卡牌當中,可以讓資訊更豐富,學生在討論思考時,也能有比較多的素材可以運用。卡牌正面設計的外觀如下圖一、二。以鈉和鉀為例,化合物的寫法和元素性質的語句描述就有諸多類似之處。

首先讓學生挑出其中12張卡牌,分別為「鋰鈉鉀鈹鎂鈣硫硒碲氯溴碘」。這些卡片上面都有紅色點標示(如圖12),所以不用翻看背面名稱訊息就可以挑出正確的卡牌,接著依照教師指示,將原子量為7, 9, 32,35.5四張卡牌找出來作為排頭。試著把其他八張卡牌中,性質接近的卡片放成同一組。這是1829年德國化學家德培萊納提出的三元素組。但本文作者依據課程需要和卡牌設計的限制,將其中的鈣鍶鋇改成了鈹鎂鈣。



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1、元素卡片「鉀」的正面

 



2、元素卡片「鈉」的正面

 



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3、元素卡片「鉀」的背面

 



4、元素卡片「鈉」的背面

 


接著請學生觀察同一組的元素中,原子量是否有什麼規則?這裡可以讓學生觀察數字提出一些猜想。會有學生能夠看出元素組中,某個元素的其原子量會正好是前後兩個元素的中間值。教學活動中,運用這個發現引出「原子量似乎與元素性質有關」這樣的想法,讓接下來以原子量作為排列元素順序的作法,有了合理的動機。
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5、將元素性質類似的卡牌放在一起時,可以觀察到原子量呈現近似等差級數的關係

        接著挑出有藍點的元素卡牌:「氮、氧、氟、矽、硫、氯、鍺、硒、溴、錫、碲、碘」先把「碲」和「碘」兩張卡牌移除之後,依照原子量從小到大由左到右排列。請學生觀察每一張元素卡牌的性質,從左到右觀察,看看能不能和門得列夫一樣,看出許多性質呈現了「週期性」的變化。看出像是原子半徑、化合物組成比例或一些其他元素性質,每三個元素就會重複一次時,就請學生每三個元素換行,就會變成同一直行的元素性質都相同的排列方式。

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6、移除「碲」和「碘」兩張卡牌後,將十張卡牌依照原子量大小排成一橫列,可以觀察到元素性質會呈現3個一輪的周期性變化

然後請學生拿出碲和碘兩張卡牌,思考這兩張卡牌應該如何放進其他已經排好的十張元素牌中?如果依照原子量的順序,碘會在碲前面。這樣排列的話,一直行看下來的性質,就會有衝突;如果依照其他性質排列的話,原子量又會有衝突。在這邊,讓學生做出自己的選擇。但不管怎麼選,都會產生問題。這時候就讓我們來看看門得列夫怎麼選?

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7、若依照原子量順序排列,並以三個元素為一個週期排列出來的卡牌樣貌。「碲」和「碘」兩張卡牌在原子量以外的其他性質會非常突兀。

        他選擇了將碘和碲位置依照其他性質而非原子量去排列,也就是目前週期表的樣子。只是他的理由是:「碘的原子量測量可能有誤」。確實以當時的原子量測量技術來說,這是很合理的懷疑。只是碘的原子量真的沒有錯誤,那究竟是什麼決定了元素排列的順序呢?

        接下來第三個活動,是請學生拿出有黑點的「硼、鋁、銦、碳、矽、錫、氮、磷、砷銻、氧、硫、硒、碲、氟、氯、溴、碘」等18張卡片。可以看到這是IIIA-VIIA族的元素,但缺少了鎵和鍺兩種元素。當學生依照之前的經驗排列時,就會發現很難處理。依照原子量順序排列並依照週期性換行的話,就會造成混亂。因為中間缺了兩個元素,這兩個元素也是當時門得列夫排列週期表的年代還沒有被發現的。

        在學生排列時,教師就要不斷要求學生盡可能的要符合越多的規律性,就是越好的排列方式。有學生希望直行的元素都要符合元素性質一致,就會犧牲原子量的由小到大排列;如果希望原子量排列順序正確,就會有一些直行的元素性質差異很大。直到學生發現中間可以空出兩個位置,就可以滿足最多的規律性。

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8、要滿足這18張卡牌中,最多的規律性,就會空出兩個空位。就可以讓學生猜想這兩個空位代表的意義

        最後就可以讓學生預測,兩個空下來的位置,其元素性質為何。這也是門得列夫成名的代表作。他預測了鎵、鈧和鍺三個元素的性質和原子量,而這三個元素後來也在1875, 18791886年陸續被發現,證明了門得列夫預測的非常準確。學生可以試著觀察卡牌上的性質,做出預測與說明。然後讓學生將他們的預測和門得列夫門得列夫的想法以及真實的元素性質進行比較。根據作者的經驗,學生會發現門得列夫真的了不起,預測的性質和原子量準的不得了。而學生自己也會因為依據了自己排列的卡牌,做出預測而對週期表代表的意義有更深的認識和體會。

        在週期表卡牌排列完成後,如果國中老師想操作進階的課程,或讓學生有更深一層的理解。可以在學生學完原子內部結構之後,再把卡牌拿出來,依照週期表的方式排列後,翻面,這時候就會看到規律的外圍電子組態。讓學生知道,門得列夫是在他還不知道原子裡面還有質子與電子的情況下,就依照了質子數排列出了週期表順序。這個活動也回應了,前面沒有解決的「碲」與「碘」的順序問題。同時也可以讓學生感受到門得列夫真的是天才,週期表真的是偉大的發明。

        以上就是運用卡牌來教週期表課程的how,希望能達成我們心目中週期表課程的whatwhy

        參考資料

1.      王瓊蘭。百變天龍──化學元素週期表。自然科學天地專輯

2.      德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫。維基百科。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫

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