元素周期律沙盘模型

    

    

    

    摘? 要 利用彩色的有机玻璃管、亚克力板、LED灯、遥控器、音频播放器、直流电源和喷绘好的长式元素周期表，通过不同颜色的灯光和声音，把高中阶段常用的元素的性质一目了然地展示出来，实现理论知识趣味化、可视化，可以有效激发学生的学习兴趣，提高教学效率。

    关键词 元素周期律;沙盘模型;高中化学;第一电离能;原子半径;元素常见化合价

    中图分类号：G633.8? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）23-0044-03

    1 思路来源

    沙盘，生活中比较常见的一种模型，如地理教学中的地形图沙盘模型;在军事题材的电影、电视作品中，常常看到指挥员们站在地形模型前研究作战方案;售楼处最常见的就是楼盘沙盘模型;而在城市规划展览馆中，常常能见到整座城市的规划沙盘……沙盘，就是用泥沙或其他材料堆制的模型，有利于观众理解和快速预览。

    《普通高中课程标准实验教科书 化学2 必修》第一章第二节“元素周期律”[1]和《普通高中课程标准实验教科书 化学 选修3 物质结构与性质》第一章第二节“原子结构与元素的性质”[2]中都提到了元素的性质随着原子序数的递增而呈现周期性的变化。如何直观地展示这些性质的递变规律？教材和相关课件中多用平面的变化或者数据进行表述。仅利用枯燥的数字变化，不利于学生对该知识点的掌握。

    受沙盘模型的启发，笔者将有关内容和沙盘模型结合，采用不同颜色的有机玻璃圆管、有机玻璃板、LED灯、直流电源、声音模块（音频播放器）以及色彩鲜艳的喷绘等组装元素周期律沙盘模型，用闪烁的灯光和优美的声音把相关性质变化展现出来。在学生中间展示，让学生动手操作和传阅，有效激发了学生的学习兴趣，增强了教学效果;特别是为爱好思考的学生提供了借鉴，在其心中埋下创新的种子。

    2 数据处理和制作方法

    数据处理? 根据教材上的有关数据，把第一电离能、原子半径、元素常见化合价（正负）用合适的高度表示出来，用不同颜色的有机玻璃管分别表示，得到1号元素氢到18号元素氩的有关数据比例（见图1）。

    1）每种元素框内第一个柱形图用无色有机玻璃圆管，其高度表示对应原子的第一电离能大小。

    第一横行：1号氢元素131 mm;2号氦元素237 mm。

    第二横行：3号锂元素52 mm;4号铍元素90 mm;5号硼元素80 mm;6号碳元素108 mm;7号氮元素140 mm;8号氧元素131 mm;9号氟元素168 mm;10号氖元素208 mm。

    第三横行：11号钠元素49 mm;12号镁元素74 mm;13号铝元素58 mm;14号硅元素79 mm;15号磷元素101 mm;16号硫元素100 mm;17号氯元素125 mm;18号氩元素152 mm。

    2）每种元素框内第二个柱形图用蓝色有机玻璃圆管，其高度表示对应原子的半径大小。

    第一横行：1号氢元素37 mm;2号氦元素（无）。

    第二横行：3号锂元素152 mm;4号铍元素89 mm;5号硼元素82 mm;6号碳元素77 mm;7号氮元素75 mm;8号氧元素74 mm;9号氟元素71 mm;10号氖元素（无）。

    第三横行：11号钠元素186 mm;12号镁元素160 mm;13号铝元素143 mm;14号硅元素117 mm;15号磷元素110 mm;

    16号硫元素102 mm;17号氯元素99 mm;18号氩元素（无）。

    3）每种元素框内第三个柱形图用红色有机玻璃圆管，其高度表示对应原子的最高正化合价。

    第一横行：1号氢元素1 mm;2号氦元素（无）。

    第二横行：3号锂元素1 mm;4号铍元素2 mm;5号硼元素3 mm;6号碳元素4 mm;7号氮元素5 mm;8号氧元素

    （无）;9号氟元素（无）;10号氖元素（无）。

    第三横行：11号钠元素1 mm;12号镁元素2 mm;13号铝元素3 mm;14号硅元素4 mm;15号磷元素5 mm;16号硫元素6 mm;17号氯元素7 mm;18号氩元素（无）。

    4）每种元素框内第四个柱形图用绿色有机玻璃圆管，其高度表示对应原子的最低负化合价。

    第一横行：1号氢元素（无）;2号氦元素（无）。

    第二横行：3号锂元素（无）;4号铍元素（无）;5号硼元素（无）;6号碳元素（-）4 mm;7号氮元素（-）

    3 mm;8号氧元素（-）2 mm;9号氟元素（-）1 mm;10号氖元素（无）。

    第三横行：11号钠元素（无）;12号镁元素（无）;13号铝元素（无）;14号硅元素（-）4 mm;15号磷元素（-）3 mm;16号硫元素（-）2 mm;17号氯元素（-）1 mm;18号氩元素（无）。

    以上提供的只是短周期的18种元素的性质，若继续提供相应数据，则可以展示全部的118种元素，供高校相关专业师生和科研工作者学习使用。

    制作方法? 将喷绘好的元素周期表覆盖在事先准备好的5 mm厚的亚克力板上，根据LED灯的尺寸（本实验采用的LED灯直径为5 mm），在每种元素框内从上而下开四个圆孔;把LED灯从背面插入，背面LED灯的长脚（正极）和短脚（负极）分别朝向不同的方向，便于焊接（见图2）;而在正面刚好露出头的LED灯上面，套上不同颜色的有机玻璃圆管（内径5 mm），然后用专用胶水固定。

    按照事先设计的线路图，短脚都与电源的负极连接起来（采用串联的方法），长脚部分表示第一电离能、原子半径、最高正化合价、最低负化合价的并联，并分别与四个遥控开关连接。这样既可以步进控制、单独控制，使得每一种性质单独展示（只亮一种颜色的LED灯），又可以总体进行控制，即同时展示四种性质（四种颜色的LED灯全亮）。

    所述的遥控开关还分别连接事先录制好元素性质介绍的音频播放器（见图3）。该模块音频可让班级普通话好的学生录音，可以是洪亮的男生声音，也可以是婉约的女生声音。可以定期更换本班不同学生录音，让学生有熟悉感，可大大提高学生的学习兴趣。

    使用方法? 使用时，只需手拿遥控器，分别按压代表第一电离能、原子半径、最高正化合价、最低负化合价的A、B、C、D按钮就可以了（见图4）。这种模型便于远程遥控，便于在学生之间传阅，特别是声音和彩色光的应用，让学生印象深刻。

    3 研究意义

    这只是化学教学中的一个小改进，把枯燥的理论知识可视化呈现，把难记忆的知识用声音进行强化。实际上，化学中很多知识点都可以进行类似的改进，与现代科技相结合，把深奥的理论知识模型化，把教材中平面的图形立体化。教材中有数据表述的，如含有氢键和范德华力的一些氢化物的沸点也可同样展示。这样的改进不仅帮助学生加深了对相关理论知识的理解，还培养了学生的创新思维。

    4 改进设想

    以上改进是笔者通过网上购买的用品和器材进行的制作，无论是LED灯还是直流电源（电池），其电流电压都不太匹配，产品比较粗糙，浪费了大量的空間和时间。下一步可以利用3D打印，使模型更加小巧和紧凑，配置匹配的电源和LED灯以及声音模块，让控制按钮更加完美，成为一体机，这样更便于运输和携带，便于推广到各个学校和科技馆以及科研机构，以满足更多学生和科普爱好者学习使用。

    参考文献

    [1]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书 化学2 必修[M].北京：人民教育出版社，2017：14-18.

    [2]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书 化学 选修3） 物质结构与性质[M].北京：人民教育出版社，2018：16-21.

    [3]曹雨晴.元素周期律沙盘模型[J].发明与创新：中学生版，2018（7）：21.

    作者：黄雯雯，邹城市看庄中学，中学二级教师（273502）。