問題驅(qū)動型教學(xué)設(shè)計

莊凌

摘要：以“分子間作用力”教學(xué)為例，通過問題設(shè)置和實驗探究營造積極的師生互動學(xué)習(xí)氛圍，幫助學(xué)生理解重要概念，體驗科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)運用圖表數(shù)據(jù)分析解決問題的能力，構(gòu)建聯(lián)系宏觀物質(zhì)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的橋梁

關(guān)鍵詞：分子間作用力；問題驅(qū)動；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2017）02-0048-03 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.015

化學(xué)鍵和分子間作用力是物理化學(xué)部分的核心內(nèi)容，涉及微觀領(lǐng)域的微粒排布和結(jié)合方式，比較復(fù)雜和抽象，既是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，也是教師的教學(xué)難點。一些學(xué)生即使能夠運用相關(guān)概念解釋某些現(xiàn)象， 并不能表明學(xué)生對概念已經(jīng)深刻理解和全面掌握， 尤其在分子間作用力的成因和存在對象方面很可能存在迷思概念（misconception）[1]。美國密西根大學(xué)的研究者曾要求學(xué)習(xí)普通化學(xué)的學(xué)生通過文字描述和繪圖的方式來表示分子間作用力，統(tǒng)計結(jié)果顯示有55%的學(xué)生不能正確表示各種分子間作用力， 存在描述含糊或示意圖錯誤等問題[2]。這些問題的存在需要教師思考如何通過合理的教學(xué)設(shè)計幫助學(xué)生形成正確的微觀模型， 并能真正理解分子間作用力的形成以及對物質(zhì)的一些物理性質(zhì)的影響。高一學(xué)生在本課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了原子核外電子排布規(guī)律、離子鍵和共價鍵，在介紹分子間作用力時要注意和化學(xué)鍵的比較， 避免新概念與原有概念的混淆，出現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)錯亂。針對外國語學(xué)校學(xué)生本身的語言優(yōu)勢，適度引入一些概念的英文詞匯，便于學(xué)生在課后查閱英文文本、視頻和動畫素材進一步鞏固對概念的理解，英語專業(yè)詞匯的引入對學(xué)生的長遠(yuǎn)學(xué)習(xí)很有幫助。在教學(xué)設(shè)計中也參考了國外教材的相關(guān)內(nèi)容，力求概念的解釋簡明清晰，幫助學(xué)生理解和運用。

一、教學(xué)目標(biāo)

1. 知識與技能： 了解兩種重要的分子間作用力：范德華力和氫鍵，知道分子間作用力對分子型物質(zhì)物理性質(zhì)（熔沸點和溶解性）的影響。

2. 過程與方法：通過觀察實驗現(xiàn)象和分析圖表數(shù)據(jù)，理解范德華力與氫鍵的區(qū)別和聯(lián)系、分子間作用力與化學(xué)鍵的區(qū)別。

3. 情感、態(tài)度與價值觀：通過實驗感受物質(zhì)宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的辯證關(guān)系，培養(yǎng)從科學(xué)數(shù)據(jù)分析推論的務(wù)實科學(xué)態(tài)度

二、問題驅(qū)動型教學(xué)設(shè)計流程

本課內(nèi)容本身難度較大，所以在課程設(shè)計環(huán)節(jié)上要厘清不同概念之間的邏輯關(guān)系，兼顧到高一學(xué)生的認(rèn)知水平和接受能力，本課采用了問題主導(dǎo)式模式層層推進化解教學(xué)難點，具體流程如表1所示。

三、教學(xué)過程

1. 通過復(fù)習(xí)提問引入課題

[課題引入] 前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了離子鍵和共價鍵。我們知道在分子中原子是通過共價鍵相互結(jié)合，共價鍵主要影響物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，那么分子組成的物質(zhì)的物理性質(zhì)由什么決定呢？這就是我們今天要研究的課題。

[課件展示]固體、液體和氣體中微粒排布示意圖。

[教師] 為什么物態(tài)的變化伴隨著能量的變化？比如水加熱沸騰過程中為什么需要吸收熱量。

[學(xué)生]吸收的熱量使水分子無規(guī)則熱運動加快，分子間隙增加。

[教師]既然分子間隙增加需要吸收熱量，說明什么問題？

[學(xué)生]分子之間存在相互作用力。

[課件展示]分子間作用的概念和分類：范德華力和氫鍵。

2. 通過實驗觀察思考，探究范德華力

[課件展示] 范德華力是分子聚集在一起的作用力，廣泛存在于固、液和氣態(tài)的各種分子間，比較弱。

[教師]為什么分子間會存在相互作用力？請大家先完成實驗。

[學(xué)生實驗]在滴定管中注入蒸餾水，打開活栓，讓水緩慢流下呈直線狀，用梳過頭的塑料梳子靠近水流，觀察現(xiàn)象并給予解釋。學(xué)生需要記錄實驗現(xiàn)象于表格中，并通過小組討論分析觀察到的現(xiàn)象。

[教師]實驗中觀察到什么現(xiàn)象，如何解釋？

[學(xué)生A]水流向梳子方向偏轉(zhuǎn)，因為梳子摩擦帶電后可以吸引水分子，就像帶電玻璃棒可以吸引輕小的紙屑。

[學(xué)生B]電荷可能從帶電的梳子轉(zhuǎn)移到了水分子中。

通過一個簡單的實驗調(diào)動起學(xué)生的探究興趣，課堂氣氛立即活躍起來，大家觀察到水流的偏轉(zhuǎn)后都異常興奮和驚奇，并展開討論。學(xué)生在現(xiàn)有知識儲備基礎(chǔ)上回答這樣的問題是有困難的，對現(xiàn)象的觀察和思考主要是鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力，并不要求學(xué)生給予完美的解答。教師應(yīng)該對范德華力的存在原因給予簡要解釋，但在必修階段還是不要過度延伸。 在國外同類教材中都會引入電負(fù)性的概念，解釋分子間作用力會非常方便[3]。

[課件展示]電負(fù)性（electronegativity）：電負(fù)性是原子在化合物中吸引電子的能力。并給出電負(fù)性數(shù)據(jù)表格。

[教師]因為氧的電負(fù)性大于氫，氧原子和氫原子形成的共用電子對偏向于氧， 使氧原子帶部分負(fù)電荷，氫原子帶部分正電荷。 水分子間可以形成相互作用力。

由于范德華力有三種基本類型，比較復(fù)雜，學(xué)生在現(xiàn)階段還不知道極性分子與非極性分子的概念，這里不妨以極性分子為例做出解釋， 學(xué)生很容易理解。萬一有學(xué)生提出非極性分子之間的范德華力，教師也必須準(zhǔn)備做好相關(guān)解釋， 但注意廣度和深度的把握，沒有必要加重學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

[教師]物質(zhì)熔沸點與分子間作用力有什么關(guān)系？

[學(xué)生]分子間作用力越大，物質(zhì)熔沸點越高。

[課件展示]鹵族元素氫化物的沸點變化圖。

[教師]結(jié)構(gòu)組成相似的物質(zhì)，隨著分子質(zhì)量的增大，范德華力增大。HF為什么分子量最小，但沸點最高？

3. 從HF沸點的“反常”現(xiàn)象引入氫鍵

[課件展示]氫鍵定義和HF分子間氫鍵示意圖。

[教師]氫鍵是與電負(fù)性很大、半徑很小且含有孤對電子的原子（如N，O和F）成鍵的氫原子和相鄰分子中電負(fù)性較大的原子之間的相互作用力。

[學(xué)生練習(xí)]畫出水分子之間的氫鍵

氫鍵的概念難度較大， 講解時盡力把握幾個要點：（1）是一種分子間作用力。（2）氫原子與相鄰分子中電負(fù)性較大的原子 （一般只考慮N，O和F）。 （3）電負(fù)性較大的原子上一般有孤對電子。學(xué)生通過畫分子間氫鍵示意圖能夠更好地理解氫鍵的特征，效果好于單純的文字描述和記憶，教師也可以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，并予以指導(dǎo)。

[課件展示]ⅦA、ⅥA、ⅤA族元素氫化物的沸點變化圖。

[教師]分子間氫鍵與范德華力哪個作用力更強？

[學(xué)生]分子間氫鍵。

[教師]HF、H2O、NH3在同族氫化物中分子量最小，范德華力也最小，但沸點卻最高，說明分子間氫鍵比范德華力強，對沸點起決定作用。

[課件展示]ⅦA、ⅥA、ⅤA、ⅣA族元素的氫化物的沸點變化圖。

[教師]CH4的熔沸點為什么在第ⅣA族元素的氫化物中最低？

[學(xué)生]碳原子上沒有孤對電子，不能和氫原子形成氫鍵。

[教師]為什么氨氣在水中的溶解性特別好？

[學(xué)生小組]氨分子和水分子間形成氫鍵，并用示意圖正確表示。

學(xué)校多媒體教師安裝了師生互動平臺，各組學(xué)生可以把答案寫在每組的電子白板上發(fā)給主機電腦，其可以在教室前方大屏幕展示。

[教師]為什么形成氫鍵會導(dǎo)致氨氣易溶于水？

這個問題看似簡單，但學(xué)生卻一時不知道如何回答。因為剛學(xué)過氫鍵，學(xué)生可能憑直覺認(rèn)為需要用氫鍵來解釋溶解性，但對于其中的細(xì)節(jié)問題并沒有深入思考。 若老師不補充提問很多學(xué)生會忽視，留下教學(xué)盲區(qū)。教學(xué)實踐表明用物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)解釋宏觀性質(zhì)始終是化學(xué)學(xué)習(xí)的難點，即使學(xué)生能套用概念回答問題也未必完全理解其中的微觀原理，教師進一步刨根問底很有必要。

[教師]由于水分子之間可以形成氫鍵，當(dāng)氨氣分子進入水分子的過程中必須打破部分水分子間的氫鍵，打破氫鍵需要能量，這部分能量只有通過水分子和氨分子之間形成的新的氫鍵予以補償。

[課件展示]蛋白質(zhì)多級結(jié)構(gòu)和DNA雙鏈分子中的氫鍵。 讓學(xué)生了解氫鍵在生物分子中的重要作用。

[學(xué)生實驗]把鋁片小心輕放在水面上，預(yù)測可能的現(xiàn)象，并觀察實際現(xiàn)象，分析可能的原因。

表面張力也是分子間作用力的一種宏觀表現(xiàn)，雖然內(nèi)容本身超過了本課教學(xué)要求， 但通過分析思考可以認(rèn)識到水分子的表面張力對傳統(tǒng)浮力定律的挑戰(zhàn)，在視覺上有沖擊力，可以激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣。

[教師]在通常情況下，水在100℃沸騰，但要加熱到1000℃才會有部分分解， 由此可以得出什么結(jié)論？（為幫助學(xué)生思考，給出兩個變化的微觀示意圖）

[學(xué)生]水分解破壞共價鍵，而水沸騰克服分子間作用力，分子間作用力比化學(xué)鍵弱。

[課件展示]表中展示了氫鍵、范德華力的數(shù)值范圍和水分子內(nèi)O-H鍵的鍵能，用數(shù)據(jù)予以證明。

4. 通過化學(xué)鍵和分子間作用力的對比完成本課內(nèi)容總結(jié)。

[教師]請同學(xué)們完成表2。

學(xué)生分組完成表格，基本都給出了正確答案，完成了本課的教學(xué)目標(biāo)。

[教師總結(jié)]化學(xué)鍵是原子（離子）間強烈的相互作用力，主要影響物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)；分子間作用力是分子間存在的較弱的作用力，主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)（如熔沸點、溶解性等）。分子間作用力包括范德華力和氫鍵，氫鍵比范德華力強。

四、教學(xué)反思

本課是一節(jié)借班執(zhí)教的區(qū)級公開課，教師同行課后交流中對本課教學(xué)思路、實驗設(shè)計、知識過渡、問題分析、課堂總結(jié)等方面予以積極評價。 個人課后多次觀看教學(xué)錄像研究教學(xué)的整體設(shè)計和細(xì)節(jié)把握，總結(jié)如下：

1. 科學(xué)探究本身就是發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程，通過對課堂問題的精心設(shè)計厘清教學(xué)思路，也幫助學(xué)生在課堂的自然推進中完成了一些復(fù)雜抽象概念的學(xué)習(xí)，并且能夠初步運用這些概念解釋實際問題。

2. 教師是課堂的引導(dǎo)者，在科學(xué)課堂應(yīng)該給予學(xué)生足夠的思考時間和空間，讓學(xué)生自由表達(dá)對問題的想法和分析過程，不論是否正確教師都應(yīng)該予以鼓勵和支持。教師的作用是在學(xué)生遇到困難時予以必要的指導(dǎo)，但更要注重學(xué)生獨立思考能力的培養(yǎng)。本課的課程容量其實還可以適當(dāng)縮減，這樣可以給學(xué)生更多獨立思考分析解決問題的時間，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

3. 本課雖然內(nèi)容涉及微觀世界，但還是通過兩個簡易的實驗展示宏觀與微觀世界的聯(lián)系。學(xué)生在水流偏轉(zhuǎn)實驗過程中表現(xiàn)出的興奮和快樂不僅令我驚訝，也給大家留下了深刻印象。化學(xué)實驗的魅力永遠(yuǎn)不能低估，化學(xué)實驗?zāi)芙o學(xué)生帶來愉悅的課堂體驗，化學(xué)實驗如何服務(wù)于理論教學(xué)是課堂實驗設(shè)計必須考慮的關(guān)鍵問題。

4. 本課使用了多媒體師生互動平臺StarC，師生通過平臺可以方便地進行交流和點評，學(xué)生在分組討論過程中能夠集思廣益，相互學(xué)習(xí)，培養(yǎng)團隊協(xié)作意識，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。先進多媒體技術(shù)的使用可以進一步改善化學(xué)教學(xué)的環(huán)境，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，打造更加民主、充滿互動的教學(xué)平臺。

參考文獻

[1] 羅美玲. 學(xué)生對化學(xué)鍵與分子間作用力的理解水平研究案例[J].化學(xué)教學(xué)，2011（1）：36-39

[2] Melanie M. Cooper，Leah C. Williams， Sonia M. Underwood. Student Understanding of Intermolecular Forces： A Multimodal Study [J]. Journal of Chemical Education， 92（8）：1288-1298

[3] Roger Norris et al.. Cambridge International AS and A level Chemistry Coursebook[M]. UK： CambridgeUniversity Press， 2011