王骄阳　闫春更　周青

摘要：“元素周期表、周期律”是中学的重要理论之一，内容繁多，具有较强的抽象性和系统性，一直是高中教学的难点。采用流程图法测查学生关于“元素周期表·律”认知结构，结合纸笔测验结果梳理学生的学习困难：无法建立“表·律·构”三者间的有效联系；未从本质理解化学性质递变规律间的联系；对相关概念术语表达不准确。据此提出相关教学建议：教学应渗透“原子结构”知识，重视“表·律·构”三者的统一；教学应从本质出发关注化学性质递变规律间的联系，加强氧化还原反应教学；教学应精细加工概念术语，加强训练。

关键词：元素周期表·律；认知结构；学习困难；教学建议

文章编号：1008-0546（2016）06-0027-07 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.009

一、引言

元素周期表和元素周期律是现代化学发展的重要里程碑之一，是学生认识元素及其化合物的重要工具。通过元素周期表和元素周期律的学习，学生能够认识原子的内部结构及元素性质随原子结构变化的规律。但由于元素周期表、周期律（以下简称“元素周期表·律”）内容本身具有很强的抽象性与系统性，因此关于“元素周期表·律”的教学一直是中学化学教学中的难点。目前“元素周期表·律”的教学研究大多关注教学设计、课堂教学、考点解读、解题策略等领域，而对学生的学习过程及学习困难研究较少，对突破这一教学难点缺乏针对性的建议[1-4]。本研究通过认知结构测查与纸笔测验分析相结合的方式，试图探查学生在“元素周期表·律”领域的认知结构特征及其可能存在的学习困难，打破以往仅通过教师经验分析或纸笔测验结果认识学生在具体知识点掌握方面可能存在问题的模式[5]，揭示学生建构该领域知识过程中的规律及其问题，并提出针对性的教学建议。

二、研究方法

本研究采用流程图法和试题分析法共同探查学生关于“元素周期表·律”的学习困难。

1. 测查工具

（1）认知结构测查工具——流程图法

流程图法是指在研究人员向受试者提出可以自由发挥的问题，它是同时捕获顺序和人思维间的相互关联，探索学习者认知结构的有效途径。通过转录绘制流程图展现学生对于主题内容的认知结构：采用箭头将知识点依次列出，并对出现重复或者相关的知识点进行回归连接。用流程图法测量学生的认知结构相对于树状图法、自由词语联想法、受控词语联想法、概念图法能更全面的测查学生认知结构的变量[6]。

通过访谈绘制30名学生的流程图，对其认知变量和信息处理策略变量进行统计，并采用SPSS20.0软件进行统计分析。关于认知结构变量以及信息处理策略变量的内涵及计算如表1和表2所示。

（2）纸笔测验试卷编制——试题分析法

试题分析法是指对试题进行统计分析，通过分析各道试题的考查知识点以及学生错误的原因，整理归纳并分类学生主要出错知识点。本次试题选自元素周期表·律的习题，共涉及30道题。

2. 研究对象

本研究对象是陕西省安康市汉阴县汉阴中学高一年级的30名（男20，女10）学生，其中选取的学生的学业成绩水平不在同一层次。该研究是在学生学习“物质结构 元素周期律”之后进行的访谈和纸笔测试。

三、研究结果

1. 认知结构

（1）个体认知结构分析

选取30名学生中3名代表，其中学生1为优等生，学生2为中等生，学生3为学困生。表3为三位学生的认知结构变量统计，由表3可知学生1该领域知识的认知结构中广度（42）、丰富度（47）、整合度（0.53）和信息检索率最高（0.189），学生2次之，学生3最低。流程图如图1图2图3。

由图1、2、3可知：学生1主要从元素周期表的构成、元素周期表的编排原则、元素周期律（原子半径、化学性质、卤族元素的物理性质、化合价变化）、元素周期表·律的应用 （特殊元素应用、相关元素的相似性）4个方面分层次阐述，其认知结构中逻辑鲜明，知识点数目较多，整合度高，没有错误概念，信息检索率高，说明学生对该部分知识内容理解到位，知识体系构建完整，其认知结构可以看成交联网状结构；学生2主要从周期表的编排原则、元素周期律（原子半径、化学性质）来进行阐述，未叙述元素周期表的构成、物理性质递变规律、化合价递变规律以及元素周期表·律的应用，虽然其认知结构中逻辑较鲜明，然而知识的广度和深度较低，整合度和信息检索率略低于学生1，说明该学生对知识内容的理解较好，但对于部分内容掌握得不够完整，其认知结构是一个线面交叉型结构；学生3仅从元素周期表的构成进行阐述，未叙述元素周期表的编排原则、元素周期律以及元素周期表·律的应用，其认知结构中知识点数目少且有错误概念，整合度低，同时访谈过程中发现该学生叙述知识点需要较长时间回忆，说明该学生对于该部分知识掌握不好，知识体系不够完善，其认知结构仅处于线性结构。

2. 认知结构的定量分析

（1）认知结构变量和成绩的相关性分析

学生的认知结构变量与成绩的相关性分析结果如表4所示：

由表4可以看出，学生的纸笔测试成绩与认知结构的广度、丰富度和信息检索率密切相关。纸笔测试成绩越高的学生其认知结构中的知识越多，知识间的联系越密切，在一定刺激下，回忆相关知识时更加快速和灵活。

此外，还可以看出，学生认知结构的广度和丰富度与信息检索率密切相关，这反映了学生在该领域构建的知识体系具有较强的系统性，其认知结构中概念网络层级分明、脉络清晰、联系紧密，因此其认知结构越完善、丰富，对知识的回忆也更加容易和快速；相应地，一些学生在该领域掌握的知识点比较少而且零散，无法形成有条理的系统化的知识之间的联系，最终导致对知识的回忆变得更加困难。

另外，学生认知结构的丰富度和广度也显著相关，这也从一定程度上表明学生对这一内容领域中新知识点（影响广度）的掌握往往是基于新旧概念间的联系（影响丰富度）来实现的，其认知结构中相关知识点的系统化、分支化特征明显。例如，学生1的认知结构表明，学生分别围绕“得失电子能力”“金属性与非金属性”“氧化性与还原性”等概念将其在同一周期、同一主族中的四条变化规律进行联系，形成分支化明显的认知结构表征。

（2）信息处理策略与成绩的相关性分析

学生的信息处理策略与成绩的相关性分析结构如表5所示：

由表5可以看出，学生的纸笔测试成绩与描述、比较和对比、情景推理、解释等信息处理策略密切相关，即学习成绩较好的学生在掌握该领域知识时，在对除了“定义”以外的其他四种信息处理策略的运用都明显优于学习成绩较差的学生。这反映了对该内容领域知识的学习和掌握需要全面运用多种信息处理策略。

此外，还可以看出，学生信息处理策略中的描述和解释密切相关，即学生在对事实或者现象描述时，同时也会强调指出现象或事实发生的特定条件并作出解释；另外，学生信息处理策略中的情景推理与解释密切相关，即学生不仅知道特定情境发生的现象或事实，还知道发生此件事情的根本原因，学生往往可以依据其对知识本质的掌握来理解或解释具体情境中的问题。例如，访谈中有的学生对离子半径大小中“序小径大”“阴上阳下”等现象的描述，从限定条件——具有相同电子层结构的离子出发，通过“静电吸引力”和“粒子形成”等本质因素形象解释离子半径的大小，形成紧密的逻辑知识体系。

2. 学习困难

学生认知结构中关于“元素周期表和元素周期律”的主要概念、错误概念和纸笔测验结果统计如表6所示：

由表6可知，通过学生认知结构的分析可以发现：（1）在元素周期表的结构中，学生对“周期的分类”的正确描述率为73.3%，说明学生对此知识点掌握较好；学生对“周期的概念”“每周期容纳的元素数”、“族的概念”“族的分类”的正确描述率分别为33.3%、36.7%、33.3%、33.3%，说明学生对此部分知识点的理解存在问题；（2）在元素周期表的编排原则中，学生对“周期关系”“族关系”的正确描述率分别为80.0%、83.3%，说明学生对此部分知识掌握较好；学生对“最外层电子数”“电子层数”的正确描述率分别为30.0%、13.3%，说明学生对此部分知识的理解存在问题；（3）在元素周期律中，学生对“原子半径”“氧化性还原性”“金属性非金属性”“气态氢化物的稳定性”的正确描述率分别为83.3%、80.0%、73.3%、70.0%，说明学生对此部分知识掌握较好；学生对“离子半径”“得失电子能力”“最高价氧化物对应水化物的酸碱性”“与氢气化合难易程度”“与水反应剧烈程度”“物理性质递变规律”的正确描述率分别为33.3%、23.3%、40.0%、6.7%、6.7%、33.3%，说明学生对此部分知识点理解存在问题；（4） 在元素周期表和元素周期律应用中，学生对其的正确描述率为33.3%，说明学生对该部分知识的理解存在问题；（5）在相关概念术语的叙述中，学生对其的正确描述率为43.3%，说明学生对此部分知识的理解存在问题。

通过纸笔测验结果发现，学生在“周期的概念”“周期的分类”“族的概念”“周期表的编排原则”“原子半径变化规律”“物理性质递变规律”的纸笔测验的正确率分别为100%、93.3%、100%、90.0%、80.0%、93.3%，说明大部分学生在一定条件刺激下能准确回答出该部分知识点；在“每周期容纳的元素数”“族的分类”“离子半径变化规律”“化合价变化规律”“化学性质递变规律”“元素周期表·律的应用”“相关概念术语表达”的纸笔测验正确率分别为70.0%、60.0%、63.3%、66.7%、60.0%、66.7%、60.0%，说明在一定刺激下，部分学生不能完全回答出该部分知识点。

在“周期的概念”“族的定义”“最外层电子数变化规律”“电子层数变化规律”“物理性质的递变规律”部分，虽然较少学生在流程图访谈中提到，但是纸笔测验结果显示学生在该部分知识的准确率均在90%以上，因此可推断学生在一定的刺激下，能准确回答出该部分知识点，即对于相应知识点掌握情况较好，但在访谈过程中由于一些因素（如紧张、知识点过于简单）导致忽略此部分知识点。

在“周期间关系”“族间关系”“原子半径递变规律”部分，流程图法和纸笔测验均显示学生对于该部分知识点掌握情况较好；在“族的分类”“每周期容纳的元素数”“离子半径变化规律”“化合价变化规律”“化学性质递变规律”“元素周期表·律的应用”“相关概念术语”部分，流程图法和纸笔测验结果均显示学生在该部分知识点的理解上存在问题。

四、结论与建议

1. 结论

通过流程图法和纸笔测验法发现学生对于“元素周期表·律”的学习困难主要如下：（1）对元素周期表中族的分类认识不清，忽视0族和第Ⅷ族；（2）对元素周期表中每周期容纳的元素数记忆不清；（3） 将元素周期律中离子半径的规律等同于原子半径的递变规律；（4） 将元素周期律中化合价递变规律及特殊元素的化合价记忆混乱；（5） 将化学性质递变规律中周期和族的递变规律混淆，同时不能将金属性与还原性、失电子能力、最高价氧化物对应水化物的碱性等有效整合；（6） 对元素周期表与元素周期律的综合应用不能举一反三；（7）对化学术语认知与表达不准确，将最高价氧化物对应水化物误认为最高价氧化物，气态氢化物误认为气态水化物等。

综上所述，学生的学习困难主要集中以下几个方面：（1） 无法将元素周期表与原子结构部分知识建立有效联系；（2） 无法将元素周期律与原子结构部分知识建立有效联系；（3） 未从本质理解化学性质递变规律之间的关系；（4）相关概念术语认识不准确。

2. 建议

（1）教学中应渗透“原子结构”知识，重视“表·律·构”三者的统一。

“元素周期表·律”内容中含大量新概念或识记性规律，数据表明简单的识记性知识学生依然存在认识的偏差，记忆混淆，如“元素周期表结构中族的分类”，学生首先面临的困难是如何理解并记忆上述的概念与规律。对此，教师在具体教学中应渗透“原子结构”知识，引导学生从“原子结构”的角度去学习和认识元素周期表和元素周期律，以达到“表·律·构”三者的统一。在实际教学中教师可采取多样化的教学策略（如丰富的信息传递手段）呈现“表·律·构”知识间的关系，充分调动学生的各种感官和各类思维加工活动，帮助学生准确认识和描述相关概念与规律，建立情境化的知识运用思维，实现对抽象知识的多维度、立体化的建构。如，（1）在“元素周期表的结构”部分，可结合元素周期表的化学史展开实施教学，让学生站在化学家的角度从原子的结构中去认识和记忆周期表的结构；（2）在“离子半径的规律”部分，可结合物质结构微观呈现原子到离子的过程，让学生从微观感性认识和理解离子半径大小的规律；（3）在“化合价的规律”部分，可结合原子的微观结构呈现原子在化学反应中的变化，促进学生的认识和理解；（4）在“化学性质的递变规律”部分，可从原子结构出发从理论上理解物质性质，再结合化学实验、物质性质及其用途等多种策略进行内容呈现，让学生从理论与实践相结合共同理解和记忆上述规律。

（2）教学中应从本质出发关注化学性质递变规律间的联系，加强氧化还原反应教学。

学生对化学性质递变规律表述中对不同性质递变规律之间的区别与联系认识得不够到位，表明学生在对该领域知识的建构过程中“解读文本”“记诵文本”的痕迹较重。对此，教学应该适当关注元素周期律的科学本质，通过对本质的充分解读和认识，引导学生明确不同递变规律之间的区别与联系，在不同规律隐含的内在统一性中认识不同规律表现形式的必然。如在“化学性质的递变规律”部分，可从氧化还原反应的角度引导学生认识金属性与失电子能力、还原性、最高价氧化物对应水化物的碱性之间的关系，促进学生对于化学性质各个递变规律的理解，便于形成网状的认知结构。

（3）教学中应精细加工概念术语，加强训练。

概念是学生学习的基础，数据表明学生对元素性质递变规律文本表述中的多个术语概念出现混淆，对文本中具体概念的内涵建构时的精细化程度不够。对此，教学中应该有针对性地丰富学生对物质及其变化现象的各类经验性认识，让学生深入参与相关实验操作或探究，在知识产生的具体情境中实现对易混概念或术语的精细化加工，引导学生从概念本质出发区别和认识新概念。如在“最高价氧化物对应水化物”和“气态氢化物”部分，可结合学生和教师自身经验引导学生从概念形成的过程认识概念，让学生从多次训练和实验中逐渐认识概念，防止出现概念混淆。

参考文献

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