“分子結構與物質的性質”項目式復習教學

摘要： 以“探秘非遺濕拓畫”為項目主題，學生通過完成四個項目任務——制備并檢驗畫液性能、探究牛磺酸在顏料配制中的作用、分析顏料在液面上的擴散現象以及解釋拓印圖案的原理，深入分析特定的分子結構特征，推測分子間的相互作用以及解釋物質的性質，加強對“分子結構-分子間作用力-物質性質”內在聯系的理解，發展宏觀辨識、微觀探析、科學探究和證據推理等化學學科核心素養。

關鍵詞： 傳統文化; 分子結構; 分子間作用力; 物質的性質; 證據推理

文章編號： 1005-6629（2024）07-0042-07 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 項目主題內容分析

分子結構與物質的性質是“物質結構與性質”的重要教學內容之一，是學生聯系化學宏觀與微觀視角的重要橋梁，是發展學生“結構決定性質”化學觀念的重要載體，其核心內容包括共價鍵的極性、分子極性、分子間相互作用及其對物質性質的影響［1］。盡管學生在新授課中已掌握一定的基礎知識，但在解釋物質性質尤其是溶解性時，

欠缺系統的認識思路，尚需深化對分子結構與物質性質關系的理解。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》建議在該節教學中開展關于“相似相溶”規則的實際應用和討論水的特殊性［2］等活動，但目前人教版教材中尚缺乏與之相關的學生實驗，且鮮有關于創設真實情境幫助學生認識現實世界中分子結構與物質性質關系的教學研究報道。

項目式學習是一種建構性的教學方式，其關注學生的主體地位，有效促進學生在復習課中形成結構化知識，提高解決真實問題的能力，發展化學學科核心素養［3］。非物質文化遺產是人類鮮活的文化瑰寶，非遺濕拓畫是一項古老的水上作畫技藝，其蘊含著豐富的科學經驗、深厚的人文內涵和獨特的藝術魅力［4］，為化學課堂教學提供了重要的教育資源。如圖1所示，本

項目以“探秘非遺濕拓畫”為教學情境，設計四個層次分明且具有挑戰性的項目任務，通過該復習教學深化學生對分子結構與物質性質內在關系的理解。學生在面對開放性和驅動性問題時，整合所學知識和相關資料，進行實驗探究活動，分析特定分子的結構特征，推測分子間相互作用并解釋其對物質性質的影響，從而建構“分子結構-分子間作用力-物質性質”的認識思路，最終形成并分享項目成果，體悟化學、藝術與文化的緊密關聯。

2 項目教學目標

（1） 通過實驗制作畫液并驗證其性能，基于畫粉的組成分析其分子結構特點，回顧范德華力和氫鍵的特征和實質，從宏觀與微觀視角探討醇、醛、羧酸與水分子之間的相互作用，并解釋畫粉的溶解性。

（2） 基于定性和定量實驗的角度探究牛磺酸在顏料配制中的作用，分析牛磺酸雙電荷結構特點，加深對離子間靜電作用及其對牛磺酸表面活性影響的認識，建構物質“分子結構-分子間作用力-物質性質”的認識思路。

（3） 基于電負性、空間構型和氫鍵的特點，進一步認識水分子的結構、表面張力的特殊性及其應用，深化“結構決定性質”的化學觀念。

（4） 基于化學和物理學科視角認識纖維素分子的長鏈結構與毛細現象之間的關系，解釋表面張力和毛細作用拓印圖畫的原理，體會運用跨學科知識解決復雜問題的重要性。

3 項目任務及教學流程

在課前組織學生觀看非遺濕拓畫藝術的視頻，了解“花開絲綢之路”的創作過程，激發學生的學習興趣。項目分2個課時完成，通過四個連續的項目任務引導學生探秘非遺濕拓畫技藝背后的化學原理。具體教學流程如表1所示。

4 項目實施過程及學生學習成果

4.1 創設情境

［情境導入］宋朝蘇易簡在《文房四譜》紙譜中記載了類似濕拓畫的流沙箋制作過程：“亦有煮皂莢子膏，并巴豆油，傅于水面，能點墨或丹青于上，以姜揾之則散，以貍須拂頭垢引之則驟。然后畫之為人物，砑之為云霞及鷙鳥翎羽之狀，繁縟可愛，以紙布其上而受采焉。［5］”

［教師提問］如何在水上作畫？本節課學習后讓我們一起揭開其中的化學科學奧秘。提示：皂莢子膏和巴豆油密度較水低，且與水不相溶；姜辣素具有表面活性。

4.2 制備并檢驗畫液性能

［學生分組活動］學生將3.0克畫粉溶解于400毫升熱水中，攪拌后觀察到畫粉逐漸凝結成邊緣透明的白色塊狀，隨后在1小時左右轉變為透明凝膠，3小時后完全溶解，形成無色澄清的畫液（如圖2所示）。學生在試管中分別加入等體積的蒸餾水（以下簡稱水）和畫液，并滴入濕拓畫顏料（以下簡稱顏料），觀察到顏料在畫液中形成浮層（圖3-a）然后在水中沉降（圖3-b），這一現象可能與溶質分子與水分子之間的相互作用有關。

［教師提問］從上述實驗現象可知，畫粉溶于水是顏料成功浮于液面的重要原因。畫粉的溶解性與其分子的組成和結構有關，怎樣解釋畫粉逐漸溶解在水中？

［資料卡片1］黃蓍樹膠是常用的畫粉之一，其主要成分包括兩種：一種是水溶性的黃蓍酸和阿拉伯半乳聚糖，阿拉伯半乳聚糖是一種高分子量的多糖，具有粘性和膠狀特性；另一種是不溶于水但在遇水后膨脹的黃蓍膠糖，黃蓍膠糖具有膨脹和形成凝膠的能力，當加入水時會形成凝膠狀物質。此外，黃蓍樹膠的水解過程可以產生半乳糖醛酸、l-巖藻糖和d-木糖等化學物質，它們的分子結構如圖4所示［6］。

［學生討論］分析資料卡片，我們觀察畫粉中的半乳糖醛酸、l-巖藻糖、d-木糖和水的分子結構，發現這些都是極性分子，而一般極性溶質易溶于極性溶劑。還發現這些分子中含有較多的—OH，與水分子中的—OH相似因素大，符合“相似相溶”的經驗性規則。此外，這些分子中還含有—CHO和—COOH等親水極性官能團，使這些分子在分子內部、分子之間，以及與水分子之間容易形成氫鍵，因此畫粉可溶于水。

［教師提問］范德華力和氫鍵是我們學過的兩種重要分子間作用力，它們對我們理解物質的性質十分重要。能否歸納兩種分子間作用力的本質和特征？

［學生回答］范德華力是分子之間普遍存在的較弱的作用力，其大小與相對分子質量和分子極性正相關，具有非方向性。氫鍵是與高電負性原子（如N、 O、 F）結合形成極性共價鍵的氫原子，與另一個高電負性原子之間存在的較強的作用力，具有方向性和飽和性。

［教師追問］能否解釋為何畫液密度及顏料的浮力增大了？

［學生回答］從分子結構的角度來看，這些溶質和溶劑都是極性分子，且都含有與高電負性原子結合形成極性共價鍵的氫原子。從分子間相互作用的角度來看，這些分子間都形成了范德華力，以及較多原子發生相互作用形成氫鍵。因此，畫粉溶解后畫液的密度比水大，也增大了顏料的浮力。就像我們在有機高分子材料學過的高分子鏈越長，相對分子量越大，分子鏈之間的作用力也越大一樣。

4.3 探究牛磺酸在顏料配制中的作用

［教師引導］顏料的密度和飽和度等性質是水上繪制圖畫的關鍵。而顏料的調配中通常會加入添加劑（使顏料分子帶電）、牛膽汁和水。請分組探究牛膽汁用量和顏料滴入量對顏料密度和飽和度的影響。

［學生分組活動］首先使用0.1毫升的注射器向點滴板的四個凹穴中加入0.015毫升綠顏料和0.03毫升蒸餾水，并分別加入0.00毫升、0.01毫升、0.02毫升、0.03毫升的牛膽汁，混合均勻制備顏料。其次從中取半滴顏料加入四份畫液中，觀察發現不同牛膽汁含量的顏料均能夠浮在水面并擴散，但含量更高的顏料擴散速度更快，中間顏色最淡，邊緣顏色最濃。最后往盛有5毫升畫液的試管中滴入半滴顏料，每隔3秒添加半滴，觀察到顏料的變化如圖5所示，下沉的顏料無法用于作畫。

［教師提問］由探究顏料實驗的現象可知，牛膽汁對顏料的密度和飽和度產生了影響。牛膽汁中富含牛磺酸，如圖6所示，牛磺酸分子有分子和兩性離子兩種結構。分析其結構的特點，推測牛磺酸分子和顏料分子之間存在哪些作用力？解釋牛磺酸的性質及其如何影響顏料的密度？

［資料卡片2］牛磺酸分子中因氨基和磺酸基的存在展現出雙親性，即親水和疏水的特性。這使得它能夠有效地降低顏料與水之間的表面張力，促進顏料在水面上的擴散。牛磺酸是一種作為兩性離子的有機化合物，其分子結構中同時存在正電荷（氨基）和負電荷（磺酸基）［7］。

［學生1］分子之間存在范德華力，結合資料分析牛磺酸的分子結構中含有氨基和磺酸基，它們之間可能還存在氫鍵。

［學生2］牛磺酸分子中的磺酸基和氨基都是親水基團與水分子相互吸引，而疏水基團與顏料分子相互作用。牛磺酸分子相當于一層保護膜，防止顏料分子緊密接觸，所以顏料密度較小能夠浮于液面。

［學生3］由于牛磺酸的雙電荷結構，使其磺酸基帶負電和氨基帶正電，與帶電荷的顏料微粒存在靜電作用，而靜電排斥力可以防止顏料微粒相互吸引形成團簇而聚集在一起。

［小結］牛磺酸是一種具有表面活性的化合物，具有較強的分散性和潤濕性，能夠作為一種表面活性劑。

4.4 分析顏料在液面上的擴散現象

［學生分組活動］學生在塑料托盤中倒入400毫升畫液，并在液面上滴入藍顏料，顏料由中心向外擴散，形成近似圓形的圖案。當顏料接觸到器壁或與其他顏料相遇時，圖案轉變為不規則形狀。加入其他顏料時顏色分布變化相似［圖7-（1）～（5）］，使用畫針劃動液面可形成復雜的圖案［圖7-（6）］。

［教師提問］根據現象和所學知識，猜想顏料擴散過程與什么有關？

［學生回答］猜想1：顏料分子熱運動有關，顏料分子自發地從高濃度區域向低濃度區域運動。猜想2：與分子受力平衡有關，含有牛膽汁的顏料作為表面活性劑可以降低水的表面張力，打破了液面的平衡狀態，因此顏料分子發生擴散運動。

［教師提問］我們學過水的熔點、沸點和密度等奇特性質與水分子之間存在氫鍵有關。根據價層電子對互斥（VSEPR）模型，水分子的空間結構是怎樣的？水分子間的氫鍵有什么特點？

［學生］水分子的VSEPR模型為四面體形，略去氧原子2個sp3雜化軌道中的孤電子對，得到水分子的空間構型為V形。因為氫鍵具有方向性和飽和性，所以水分子中的氧原子能夠與另外水分子中的氫原子沿著孤電子對所在的sp3雜化軌道方向形成氫鍵，每個水分子最多只能與4個水分子形成氫鍵。

［教師追問］根據資料信息和水分子間的氫鍵解釋水的表面張力。

［資料卡片3］水分子之間存在吸引力（實線）和排斥力（虛線）。在遠離水表面的地方，由于水分子的分布較對稱因此存在平衡力。然而在水表面附近，水分子的上下對稱性被破壞，為了保持垂直方向上的力平衡，向上的排斥力與向下的吸引力相等。與水面方向平行的方向上水分子分布依然較對稱，因此并沒有理由使平行于水表面方向的排斥力和吸引力相等。這就導致水的表面存在一個平行于水表面的拉力，即水的表面張力（如圖8所示）［8］。

［學生］在液體內部，水分子通過氫鍵形成四面體結構。在液體表面上，水分子與上方的空氣分子不形成氫鍵，導致了表面水分子的排列不規則。表面水分子傾向于與內部水分子相互作用盡可能形成數目多的氫鍵來增加表面的有序性。

［拓展視野］在生產生活中，科學家利用水的表面張力開發了油水分離膜技術，有效地分離油和水，實現環境友好的資源回收［9］。

［布置任務］這些具有視覺沖擊的顏色圖案的形成過程就是分子間相互作用的過程，讓我們發揮想象力感受和創作水上畫作。

4.5 解釋拓印圖案的原理

［學生活動］學生自主設計并使用工具繪畫，隨后將白紙、書簽、面具和玻璃杯等材料輕輕壓在畫液表面，將顏料圖案轉移到載體上完成拓印。展示部分學生的項目作品如圖9所示。

［教師提問］液面拓印圖案時，多角度猜想載體和液面上的顏料分子之間發生怎樣的相互作用？

［學生討論］猜想1：顏料分子、添加劑與載體表面分子存在粘附力，顏料分子通過載體表面的直接接觸轉移。猜想2：紙張的主要成分纖維素屬于長鏈的多糖化合物，通過范德華力和氫鍵緊密地結合形成堅固的纖維，水及顏料溶液通過纖維相互纏繞和重疊形成的微小的空隙上升到紙布。

［教師追問］如何評價非遺濕拓畫？

［學生評價］非遺濕拓畫作為一種藝術創作技藝，其制作過程體現了綠色化學思想。我們使用的畫粉來源于可再生的植物資源，且畫液可以循環使用，減少化學廢物的產生。此外，拓印過程和圖畫的長期穩定性無需額外消耗能量。

［總結］通過探秘非遺濕拓畫的教學實踐活動，我們能夠直觀地觀察和感覺到物質分子結構的極性如何通過氫鍵和范德華力影響畫粉在水溶液中的溶解度等。這種從宏觀→微觀→宏觀→微觀視角的觀察過程，不僅加深了我們對分子結構與物質性質內在關系的理解，而且讓我們學會了如何將這些原理應用于創作書簽、書封、面具和燒杯等藝術作品，從而將化學知識與日常生活和藝術創作結合起來。

5 項目教學反思及改進建議

在“分子結構與物質的性質”項目式復習教學中，通過“非遺濕拓畫”作為教學情境設計了可支持學生探究和創作的教學活動，激發了學生的興趣和主動性，有效調節了緊張的學習氣氛。學生在探討和解釋畫粉的溶解性、牛磺酸的表面活性、水的表面張力和纖維素的粘附性過程中整合了本節課的核心知識，加深了對分子結構及物質性質內在聯系的認識，自主建構了“分子結構-分子間作用力-物質性質”的認識思路，在學習過程的表現中體現了微粒觀、定性與定量、結構決定性質等化學思想與化學觀念，達成了項目教學目標。將非物質文化遺產有機融入化學課堂教學時需要關注以下幾點：

（1） 根據皮亞杰的認知發展理論，學生在面對適當難度的任務時學習效果最佳。非遺融入化學教學時需隨時以學生的反饋來調整項目任務的難度，確保挑戰性與可達成性保持平衡。

（2） 保證學生學習的主體地位。每節課安排至少15分鐘的小組討論環節，鼓勵學生交流討論和表達觀點，有助于學生在更抽象的認識層面上理解知識，從而更靈活地運用知識解決問題。

（3） 努力提升教師的文化素養，增進對非遺中科學原理、人文內涵和藝術魅力的理解，不斷豐富化學教學內容，從而促進學生在人文知識、科學常識、智慧和精神層面的發展。

此外，還可以化學科普活動的形式，將該教學內容應用于非正式教育場所，如博物館、藝術館和美術館等，通過親手實踐與體驗來感受化學原理與藝術創作的結合，提升公眾的科學素養，激發人們對非遺的興趣，積極參與到傳承和創新非遺中。

參考文獻：

［1］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學選擇性必修2·物質結構與性質［M］. 北京：人民教育出版社， 2020： 52～59.

［2］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 39～42.

［3］林波， 楊潔， 陳向陽. 基于項目式學習的高三化學反應原理專題復習——以“二氧化碳催化加氫生產甲醇”為例［J］.化學教學， 2021， （12）： 58～64.

［4］Liang Y Y， Li M J， Tian C J， et al. Study reporting an elective chemistry course titled “the mysteries of chemistry in intangible cultural heritage” to fulfill the vision of science literacy ［J］. Journal of Chemical Education， 2023， 100（7）： 2654～2663.

［5］［宋］蘇易簡. 文房四譜［M］. 北京： 中華書局， 2011： 199.

［6］Azadbakht M， Montaseri H， Mohammadi－Samani S， et al. Physicochemical characterization of astragalus campylorhynchus gum exudate and its modification to tragacanth utilizable in pharmacy ［J］. Acta Poloniae Pharmaceutica， 2017， （74）： 1913～1920.

［7］S. Bio. 兩性離子——定義、結構、示例［EB/OL］. （2023-06-24）［2023-09-15］（https：//microbiologynote.com/zh－CN/zwitterion－definition－structure－examples/#Are_all_amino_acids_zwitterions.

［8］Marchand A， Weijs J H， Snoeijer J H， et al. Why is surface tension a force parallel to the interface？ ［J］. American Journal of Physics， 2011， 79（10）： 999～1008.

［9］陳超奇， 李兆雙， 黃欽等. 油水分離膜材料制備及其應用研究進展［J］. 化工新型材料， 2023， 51（9）： 1～7.

（江西省學位與研究生教育教學改革研究項目（JXYJG-2022-061）；江西省高等學校教學改革課題（JXJG-21-2-46）；江西省基礎教育研究課題（SZUSDHX2022-1034）；中國化學會化學教育委員會“十四五”規劃2022年課題（HJ2022-0014）。

（通訊聯系人，E－mail：lihongbo112@126.com； E－mail：wangsuqin163@163.com。）