利用手持技術和分子模型發展化學學科核心素養

蘇華虹 張道年 葉承軍 吳健華

摘要： 以分子間作用力概念學習為例，開展旨在發展學生化學核心素養的教學設計與實施。以“水”為情境載體，設計五個教學活動，引導學生主動參與知識建構。利用手持實驗（宏觀）表征分子間作用力（微觀），通過模型形象地揭示氫鍵的本質和特征并解釋氫鍵對物質性質的影響。測試結果表明，學生的模型認知水平和微觀探析素養有一定程度的提升。

關鍵詞： 分子間作用力; 手持技術; 學科核心素養

文章編號： 1005-6629（2019）11-0049-08? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 問題的提出

教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）對高中化學教學提出了更高的目標和要求。新課標基于學科本質凝練了化學學科核心素養。為了達成核心素養目標，新課標把創設真實情景、激發興趣、改變學生的學習方式作為重點。在課程內容中提供了“情景材料建議”和“學習活動建議”[1]，引導教師基于真實情景開展教學，強調學生應成為學習的主體，通過學生活動培養和發展學生的化學學科核心素養。

目前，關于“分子間作用力”課例的教學研究，主要著重于以下兩方面： 一是厘清“分子間作用力”概念的知識層級結構，在此基礎上，結合實例如NaCl的熔點比HCl高、氨氣易溶于水等，利用對比、宏微結合等教學策略，采用師生對話的教學方式進行教學設計[2～4];二是實驗創新，利用溫度傳感器測量不同液體揮發時的溫度下降速率以比較不同分子的分子間作用力大小[5～7]。而關于如何結合該實驗開展課堂教學，并將模型應用于教學，利用模型表征分子間作用力（氫鍵）的教學設計與實施還未見相關的研究報道。

基于新課標的要求及對已有研究的總結，本文從學生熟悉的水的性質出發，基于真實情境提出問題，利用手持技術和模型解決問題，從宏觀和微觀兩方面表征分子間作用力，以期發展學生化學學科核心素養。

2? 教學內容分析

2.1? 教材及課標分析

分子間作用力是化學學科的重要概念。范德華力和氫鍵是常見的兩種分子間作用力。目前，化學教育專家一般認為分子間作用力的知識層級結構如圖1所示。

三種版本的高中教材（人教版[8]、蘇教版[9]、魯科版[10]）均用較大的篇幅介紹 “范德華力和氫鍵”，但內容的廣度和深度以及所選取的素材稍有不同。

對于范德華力，三種版本都介紹了影響范德華力大小的因素。但魯科版和蘇教版還闡明了范德華力的三種來源，說明范德華力的本質是電性作用。對于氫鍵，內容的深度有所差異。人教版僅介紹氫鍵形成的條件，另外兩版教材利用圖示講解了氫鍵形成的本質，魯科版還闡述了氫鍵的特征： 方向性和飽和性。三版教材都著重介紹了氫鍵對物質性質的影響以及氫鍵對生物大分子結構和生理活性的重要意義。綜上，不同版本教材內容有所差異，教師應該如何取舍？

新課標對本課題的內容要求如下： （1）知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力;（2）能說出氫鍵的特征和實質;（3）能列舉含有氫

圖1? 分子間作用力相關概念知識層級結構[11]

鍵的物質及其性質特點;（4）能說明分子間作用力（含氫鍵）對物質熔、沸點等性質的影響;（5）能從分子間作用力（含氫鍵）的角度對生產、生活、科學研究中的簡單案例進行分析，舉例說明氫鍵對于生命的重大意義。新課標強調了氫鍵的本質、形成條件、特征等，對范德華力的成因、實質、特征沒有提出要求，但強調了兩種分子間作用力的大小對物質性質的影響及其對真實情景的解釋。

2.2? 學生學習特征分析

學習本節課之前，學生已有一定的知識儲備，如表1所示。

表1? 上課前學生的知識儲備

學生已有知識知識來源該知識認識水平

液體揮發吸熱生活常識感性認識

冰的密度比水小生活常識感性認識

分子間存在作用力（范德華力）必修《化學2》“科學視野”欄目了解范德華力的存在、大小及其對物質熔、沸點的影響

HF、 H2O、 NH3分子間存在氫鍵必修《化學2》“科學視野”欄目知道這三種分子間存在氫鍵及氫鍵對它們熔、沸點的影響，但未從特殊到一般，未學習氫鍵形成的本質和條件

利用雜化軌道理論判斷中心原子的雜化方式和分子立體構型化學選修3《物質結構與性質》第二章第三節能熟練地應用理論判斷分子中心原子軌道雜化方式及其立體構型

學生在必修階段已經了解范德華力和氫鍵的存在及其對物質熔、沸點的影響，但還未學習氫鍵的本質、形成條件及其對物質其他性質的影響，這將是本節課學習的重點。學生積累的生活經驗及應用雜化軌道理論判斷分子立體構型的知識為本節課的開展奠定了知識基礎。本節課也將引導學生從微觀層面認識液體揮發過程和冰的密度，將感性認識上升到理性認識。

Melanie等利用文字和畫圖兩種方式調查學生對分子間作用力的理解程度[12]，發現大部分的學生對分子間作用力概念的理解是模糊的，至少55%的學生將分子間作用力理解為一個分子內的作用力或化學鍵。因此他建議在教學中，應該注重區分分子間作用力和化學鍵這兩個概念。作者在文中還提及，不同測試方式下學生的表現不同，應采用多樣化的的方式如文字描述、畫圖、訪談等，更加全面和動態地評估學生對分子間作用力這一概念的理解水平。

基于此，確定本節課重點要解決的問題： 一是氫鍵的形成條件、本質和特征;二是分子間作用大小的比較方法和影響因素;三是分子間作用（含氫鍵）大小對性質和晶體結構的影響。同時，采用文字描述、畫圖、模型和實驗等手段，多維度表征分子間作用力，將微觀上的作用力顯現化，幫助學生區分化學鍵和分子間作用力。

3? 教學手段

3.1? 手持技術

手持技術是由數據采集器、各類傳感器及配套的軟件組成的，可用于定量采集數據并能與計算機連接的實驗技術系統，它能夠實時定量地測量反應過程的多種變化量（如溫度、壓強、濃度、pH、電導率等）。已有研究表明，手持技術實驗，結合“四重表征”教學模式能較好地促進學生對抽象概念、反應原理等知識的認識和理解[13～15]。

3.2? 模型

本文采用自制模型和塑料模型。自制模型是指用不同大小、不同顏色的橡皮泥球表示不同的原子，用牙簽表示氫鍵。塑料模型是用不同大小、不同顏色的塑料小球表示不同的原子，用塑料棒表示氫鍵。

采用不同的模型以達成不同的教學效果。自制模型的橡皮泥小球上沒有固定的孔，學生拼接時候要考慮氫鍵的個數和方向，因此采用自制模型能夠評價學生對氫鍵方向性和飽和性的認識水平。但自制模型較軟，拼接空間立體構型如冰晶體的模型容易塌陷，因此宜采用較堅硬的塑料模型拼接冰晶體的模型。

4? 核心素養為本的教學流程

基于對教學內容、學生認識和已有研究的分析，設計本節課的教學環節及教學目標如圖2所示。

圖2? 教學流程圖

5? 教學過程

5.1? 情景導入，提出問題

[情景導入]將蘸有水和酒精的棉花球分別拭擦在手背上，感受有何變化？

[學生體驗]手背擦過酒精有變涼的感覺。

[教師提問]為什么會變涼？液體揮發吸熱的本質原因是什么？

（學生對后一個問題一時答不出）

[教師提示]以水的揮發為例，揮發前后，微觀上發生了什么改變？揮發過程需要破壞哪些作用力？

[學生回答]揮發后，液態水分子變成氣態水分子，內部的氫氧鍵沒有斷裂，揮發過程中破壞的是不同水分子間的作用力。液體揮發需要吸熱以克服分子間作用力。

[教師追問]為什么酒精揮發時，吸熱更多呢？

[學生]因為乙醇分子間作用力比水小，更容易揮發，有更多的乙醇分子需要吸收熱量以克服分子間作用力。

[教師]通過活動，可知分子間存在作用力，且不同分子間的作用力不同。這節課將以水分子為例，探討分子間究竟存在哪些作用力以及它對物質性質有哪些影響？

5.2? 小組拼接模型——認識水分子間氫鍵的本質及特征

[教師講解]水分子間的作用力有兩種類型——范德華力和氫鍵。范德華力是分子間普遍存在的一種作用力;通過一段視頻來認識水分子間的氫鍵。

與電負性強的原子（如N、 O、 F）結合的氫原子會帶上部分正電荷，能與帶部分負電荷的原子（電負性強的原子如N、 O、 F）形成氫鍵，氫鍵可表示為（N、 O、 F）X—H…Y（N、 O、 F）。

[布置任務]每個小組根據“知識支持”欄目的提示，利用5個水分子自制模型及牙簽（表示氫鍵），拼接冰晶體中水分子間的氫鍵。

知識支持

已知冰晶體中，水分子間主要的作用力是氫鍵，每個水分子可以與周圍四個水分子形成氫鍵[16]。

[展示和評價]學生拼接出的水分子間的氫鍵模型主要有四種類型，相應分析如表2所示。

表2? 學生拼接的水分子間的氫鍵模型及相應分析

學生匯報時對模型的描述師生共同評價

資料卡片顯示，一個水分子與周圍四個水分子形成氫鍵，所以一個水分子應該與其余四個水分子相連氫鍵不是氧原子與氧原子間的相互作用力不理解氫鍵的本質

以一個水分子為中心，其氧原子與相鄰四個水分子中的氫原子形成氫鍵能理解氫鍵的本質但一個氧原子能形成四個氫鍵嗎？

中心水分子中兩個氫原子分別與另外兩個氧原子形成氫鍵，中心水分子的氧原子再與兩個氫原子分別形成氫鍵能理解氫鍵的本質及飽和性但中心水分子形成的四個氫鍵是在同一平面嗎？

續? 表

學生匯報時對模型的描述師生共同評價

中心水分子一共形成四個氫鍵。氫鍵是一種正負電荷的靜電作用力，應該在正負電荷最集中的地方形成，氧原子的孤電子對所在的方向與氫原子形成氫鍵。水分子中氧原子的雜化方式是sp3雜化，4個雜化軌道組成的構型是四面體形，其中2個雜化軌道各存放一對孤電子對。以一個水分子為中心，其余四個水分子應該在四面體的四個頂角上能理解氫鍵的本質、飽和性和方向性

[歸納總結]氫鍵的本質類似于靜電作用力，但與靜電作用力又有不同——氫鍵具有方向性和飽和性。

在形成水分子間的氫鍵時，氧原子的孤電子對所在軌道的軸應該盡可能與另外一個水分子的H—O鍵在同一直線上，這樣兩個氧原子間排斥力最小，這就是氫鍵的方向性。

氧原子只有兩對孤電子對，因此一個氧原子只能形成兩個氫鍵;而氫原子因為原子半徑小，因此只能形成一個氫鍵 ，這就是氫鍵的飽和性。

因此，冰晶體中每個水分子在其兩個O—H鍵及其兩個孤電子對方向與四個水分子相互接觸形成氫鍵，形成一個以水分子為中心，其余四個水分子為四面體頂點的四面體結構單元。

[學生]不同分子間能否形成氫鍵？

[教師]可以。氫鍵可以存在于不同分子間，如乙醇和水分子間能形成氫鍵。且還能在分子內形成。例如鄰羥基苯甲醛分子的羥基上的氫原子就能與醛基上的氧原子形成氫鍵。

5.3? 大組組裝模型——認識水分子間氫鍵對其性質的影響

[教師]水分子間的氫鍵使冰和水呈現出許多獨特的物理性質。生活經驗告訴我們，液態水結成冰，體積增大。為什么？

[布置任務]根據“知識支持”欄目的提示，小組間合作，組裝水分子間的四面體骨架，拼接冰晶體模型。

知識支持

已知自然界常見的冰主要是六方晶系的。水分子以四面體為骨架，這些四面體相互連接可以得到六方晶系的冰晶體，每兩個四面體間共用一個水分子，每三個四面體間連接形成一個12元環（環上有12個原子）[17]。

[展示和評價]學生拼接出的冰晶體的模型之一如圖3所示。

圖3? 5個小組合作拼接的冰晶體（局部）模型

[師生總結]在冰的結構中，每個水分子都形成氫鍵，由于氫鍵具有方向性和飽和性，由此分子之間有固定的、較大的空隙，形成一個有很多“空洞”的結構。而液體水不是每個水分子均形成氫鍵，僅部分水分子通過氫鍵締合，形成一個個分子團簇，團簇之間沒有氫鍵作用，可以靠得比較近。因而冰的密度反而比水小。

5.4? 手持技術實驗比較分子間作用力大小

[教師提出驅動性問題]通過“擦棉球”活動得知，乙醇的分子間作用力比水的小。為什么？分子間作用力大小與什么因素有關呢？如何比較分子間作用力大小？以正戊烷、正己烷、正庚烷和正丁醇為例。

[學生方案]（1） 比較揮發速率;

（2） 將四種液體同時擦在手背上，看看擦哪個更涼;

（3） 用溫度計測量液體揮發時的溫度下降速率。

[教師點評方案]這四種液體有微毒性，不能將它們擦拭在手上。而液體揮發時溫度不斷地發生變化，用溫度計測量讀數不方便。可以實時測量溫度變化情況的儀器——溫度傳感器。

[師生確定實驗方案]在四個相同的溫度傳感器上，蘸取等量的正戊烷、正己烷、正庚烷、正丁醇，分別測量四種液體揮發時的溫度下降速率。（實驗裝置示意圖見圖4）

圖4? 實驗裝置示意圖

[學生代表完成實驗]將四個溫度傳感器同時浸入四種液體中，再同時將傳感器提起，讓液體在傳感器的表面上揮發。觀察曲線變化情況。

[教師]從曲線上（見圖5）得知四種液體揮發溫度下降速率分別如何？分子間作用力順序又如何？

[學生]揮發時溫度下降速率： 正戊烷>正己烷>正庚烷>正丁醇;分子間作用力大小： 正戊烷<正己烷<正庚烷<正丁醇。

注： 曲線①～④依次為正戊烷、正己烷、正庚烷、正丁醇液體揮發時的溫度變化情況

圖5? 液體揮發時溫度變化曲線

[布置任務]根據“知識支持”欄目的信息，結合實驗結果找出分子間作用力大小的影響因素。

知識支持

正戊烷、正己烷、正庚烷和正丁醇四種分子的相關信息如下：

物質分子結構簡式相對分子質量極性/D

正戊烷CH3CH2CH2CH2CH3720

正己烷CH3CH2CH2CH2CH2CH3860.06

正庚烷CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3980.2

正丁醇CH3CH2CH2CH2OH743.7

[學生匯報]影響分子間作用力大小的因素： ①結構相似，相對分子質量越大，范德華力越大;②相對分子質量接近，分子極性越大，范德華力越大;③若分子間存在氫鍵，則分子間作用力明顯地增加。

[教師補充]一般而言，氫鍵作用力稍強于范德華力。但兩者都屬于分子間作用力，均比化學鍵小得多，一般分子間作用力比化學鍵小1～2個數量級。

[解決問題]為什么乙醇的分子間作用力比水的小？

相對分子質量和極性均會影響范德華力的大小。水分子為強極性，其范德華力比乙醇分子間的大。水分子間和乙醇分子間均能形成O…H—O氫鍵，其作用力大小接近，但1mol水分子平均最多能形成2mol氫鍵，而1mol乙醇分子平均最多只能形成1mol氫鍵。因此，水分子間的作用力比乙醇分子間的大。

[教師歸納]

5.5? 自主探討——氫鍵對生命的重大意義

[教師提出驅動性問題]分子間作用力尤其是氫鍵是自然界中存在最廣泛、最重要的作用力之一。假如沒有氫鍵，世界會發生怎樣的變化？

[學生討論結果]（1） 假如沒有氫鍵，H2O的沸點會比H2S低（課后習題查得H2S的沸點為-60℃），地球將不存在液態水;

（2） 沒有氫鍵，冰中水分子間距變小，密度比水大。冬天河湖就會完全結成冰，水中生物會被凍死。

[教師]你能列舉其他含有氫鍵的物質嗎？

[學生]（1） DNA分子雙螺旋結構就是通過堿基對間的氫鍵結合在一起的;

（2） 蛋白質分子結構也存在著氫鍵，氫鍵使其結構穩定。

[教師]如果水分子間沒有氫鍵，生態環境將會發生翻天覆地的變化;復雜的生物大分子也不能穩定地存在。可見，沒有氫鍵就幾乎沒有生命，氫鍵對生命有重要的意義。

[課堂小結]通過拼接出水分子間的氫鍵、冰晶體的微觀模型，學習了氫鍵的本質和特征及其對冰密度的影響;利用手持技術實驗比較了微觀上的分子間作用力大小，找出了影響分子間作用大小的因素;通過實例，感受到分子間作用力對生活、自然和生命的重要性。結合微觀和宏觀學習物質性質，是化學學習的核心思維。

6? 教學效果與反思

6.1? 教學效果

6.1.1? 測試工具

利用紙筆測試檢驗學生“結構決定性質”的模型認識水平和微觀辨析核心素養發展水平，問卷設計如圖6所示。學生在上課前后分別填寫相同的問卷，以作對比研究。

1. 請寫出HF、 HCl、 HBr、 HI熔、沸點的大小順序并解釋原因。

2. 請在下列框格中畫出并明確地表明三個乙醇分子（CH3CH2OH）間的范德華力和氫鍵，用相應的文字輔助標識。若你認為乙醇分子間不存在上述的某種作用力，則在下列表格中注明“不存在”。

范德華力

氫鍵

圖6? 學生學習效果調查問卷

6.1.2? 測試結果及分析

上課前、后均發出45份調查問卷，分別回收

44、 45份調查問卷。

第1題是解釋鹵素氫化物熔、沸點變化規律，旨在了解學生的遷移應用能力，評價 “結構決定性質”的模型認知水平，相應分析如表3所示。

表3? 學生主要答案類型及相關截圖（第1題）

學生答案類型及相應代碼

“結構決定性質”模型認知水平水平1： 不能將化學事實和理論模型進行合理匹配水平2： 能將化學事實和理論模型進行合理匹配，但對模型的認識片面化水平3： 能運用理論模型解釋物質的性質

具體表現認為化學鍵鍵能大小或分子穩定性影響物質熔、沸點大小（①）能認識分子間作用力大小影響物質熔、沸點，但忽略了HF分子間的氫鍵（②）能結合范德華力大小變化規律和氫鍵準確解釋鹵化氫熔、沸點變化規律（③）空白（④）

上課前后，選擇以上四種答案的學生比例分布圖如圖7所示。

圖7? 上課前后學生答案分布圖（第1題）

人教版化學2在“科學視野”欄目以主族元素氫化物的熔、沸點為例，介紹了范德華力和氫鍵對物質熔、沸點的影響。據結果可知，上課前，有47.7%學生認為影響物質熔、沸點的是化學鍵鍵能的大小（水平1），僅有兩名學生（4.5%）能同時關注到范德華力和氫鍵對物質熔、沸點的影響（水平3）。本節課后，77.8%學生的認識能達到水平3，但還有一部分學生（8.9%）忽略氫鍵對物質熔、沸點的影響（水平2）。

第2道是畫圖題，旨在評價學生微觀辨析核心素養發展水平，相應分析如表4所示。

表4? 學生主要答案類型及相關截圖（第2題）

學生答案類型及相應代碼

微觀辨析核心素養發展水平水平1： 對微觀作用力認識模糊或混淆不同微觀作用力水平2： 認識微觀作用力的形成本質水平3： 能運用圖示準確描述分子間的微觀作用力

具體表現將分子內的化學鍵認為是分子間作用力（①）所畫出的圖示模棱兩可，指向不明（②）無（③）能畫出乙醇分子間是氫原子和氧原子形成氫鍵，但不能理解氫鍵的形成本質（④）能利用圖示準確表示范德華力和氫鍵（⑤）

上課前后，以上五種答案的學生比例分布圖如圖8所示。

圖8? 上課前后學生答案分布圖（第2題）

上課前，接近一半的學生混淆了分子內的化學鍵和分子間作用力（水平1），還有22.7%學生不能判斷乙醇分子間存在的作用力（水平1）。這可能是因為必修教材僅介紹了H2O、 HF、 NH3分子間的氫鍵，但沒有從特殊到一般，未介紹氫鍵的形成本質和條件，因此學生不能遷移應用認識乙醇的分子間作用力。上課后，近2/3的學生能區分分子間作用力和化學鍵，能用圖示準確表示乙醇的分子間作用力（水平3）。

根據測試結果，利用自制模型和球棍模型能降低教學抽象性，有利于學生理解氫鍵的本質和特征;利用手持實驗能幫助學生理解分子間作用力大小對物質性質的影響。學生的“結構決定性質”模型認知水平和微觀探析素養有一定程度的提升。

6.2? 教學反思

對本節課的設計還有以下幾點說明與思考：

（1） 利用手持技術比較液態烷烴的范德華力大小更符合學生的認知思路。已有的研究選用的試劑是醇的同系物，但醇分子間還存在氫鍵，變量太多會干擾新知識的學習。液態烷烴分子間只存在范德華力，變量單一，更符合學生的認知思路。需注意的是，三種液態烷烴易揮發且有微毒性，因此要在通風櫥內取樣，測量前樣品應裝在帶膠塞的試管內，測量時讓液體在密閉的大試管內揮發，測量完畢后，應放在通風櫥內使其揮發除去。

（2） 課前可讓學生自習范德華力的成因。本節課根據手持實驗，總結了影響分子間作用力大小的因素，但沒有解釋原因。課堂上有學生提問原因，但因為課標的要求和時間的限制，沒有系統地介紹范德華力的成因和三種來源。由此建議將介紹范德華力成因的資料在課前發給學生自主學習，為本節課學習奠定基礎。

（3） 本節課僅要求學生拼出以四面體為骨架的冰晶體模型[18]。冰有約20種結構形式，確定合理的冰模型遠超出學生的認識范圍。因此，僅要求學生組裝以四面體為骨架的冰晶體模型。

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