基于學科融合的問題驅動式教學設計與實踐

摘 要： 以解決“如何實現人人都能‘水上漂’”的驅動性問題為主線，借助物理學的受力分析方法，從靜電作用角度剖析氫鍵。通過整合教材中與“氫鍵”相關的重要內容，對氫鍵的結構、強度的影響因素和氫鍵對物質性質的影響進行了系統總結和適當拓展，構建氫鍵的知識體系，使學生從本質上認識微粒間的相互作用，促進學生知識的結構化、認知的結構化，發展學生學科核心素養。

關鍵詞： 問題驅動； 學科融合； 化學教學； 氫鍵

文章編號： 1005-6629（2024）11-0054-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

隨著《國務院關于深化考試招生制度改革的實施意見》的深化落實，高考考查的重點逐漸轉向學生的創新意識、信息加工能力、知識遷移應用能力。在高中化學復習課教學中，教師應重點幫助學生增進學科理解、建構知識體系，使他們學會從概念的本源思考問題、在真實情境中解決問題。

1 教學內容及現狀分析

在高中化學“物質結構與性質”模塊中，氫鍵是分子間作用力中的重要組成部分。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）的“內容要求”和“學業要求”中都對氫鍵的理解提出了較高要求［1］，在人教版、魯科版和蘇教版選擇性必修教材中有關氫鍵的內容歸納如表1所示。

從表1可見，氫鍵是影響物質性質的重要因素，是教學的重點。在近5年浙江化學選考中，以氫鍵為考查點的試題重點考查了學生運用氫鍵模型解釋物質某種性質強弱（熔、沸點高低，溶解度、揮發性強弱等）的能力水平。其他省市相關的選考題也是立足于“結構決定性質”，對“宏觀辨識與微觀探析”、“證據推理與模型認知”的核心素養提出較高的測試要求。

文獻查閱發現，目前有關“氫鍵”的教學方式以探究式為主，研究者注重教學情境的選擇。綜合來看，教學情境的使用與“課標”要求和教材編排高度契合，教師借助真實情境開展課堂教學，揭示氫鍵形成的原因及其影響因素，可使課堂內容豐富、重點突出［2，3］。但當前氫鍵相關的研究成果主要集中在新課而非復習課教學，而復習課教學多著眼于習題講評與拓展訓練，偏重于“符號性知識”的傳授，雖緊扣高考但較少能兼顧學習深度和學習趣味，不利于幫助學生建構完整的知識體系，以及培養學生利用學科知識解決真實問題的能力，降低了學習的有效性。

問題驅動式教學突出問題的引領，關注學生在問題解決過程中的生成與獲得，充分體現學生的主體地位。在以解決“如何實現人人都能‘水上漂’”這一驅動性問題為主線的“氫鍵”復習課中，學生從自然現象入手，借助受力分析圖示等物理學方法，通過化學模型和化學語言的運用，從電子視角認識與展示氫鍵的本質以及氫鍵強度的影響因素，最后在探討如何尋找改變溶液性質實現人人都能“水上漂”的過程中進行知識的遷移和應用。

2 教學目標

（1） 通過對氫鍵的靜電作用本質的分析，結合實驗事實歸納影響氫鍵強度的因素，構建并豐富氫鍵的知識體系模型。

（2） 能根據模型解釋物質中的氫鍵結構（如水、氨水和DNA雙螺旋等），能從結構角度解釋某些典型現象或性質（如物質的熔沸點、水的密度隨溫度變化、氫離子的遷移速率等）。

（3） 能利用模型從溫度、溶液組成等角度解決驅動性問題，提高模型應用以及問題解決能力。

3 教學流程

“氫鍵”的內容與人類生活密切相關，本節課的學習活動聚焦于“水”的性質，借助受力分析示意圖，從微觀層面分析表面張力產生的原因，引導學生從靜電作用的本源來認識氫鍵，進而啟發學生深入思考如何改變水的分子T5E5ZO1P62FktIo/CgLZ2A==間作用力，以促進學生知識的結構化、認知的結構化。

本課的驅動性問題為：如何實現人人都可以“水上漂”。具體教學流程如表2所示。

4 主要教學過程

［情境］武俠世界中，“輕功”是一種讓人神往的武功，它可以使人在水面上“如履平地”。現實生活中，普通人很難做到“水上漂”，但很多物體都可以漂浮在水面上，如圖1（a）所示。

4.1 環節1：分析現象，概念回顧

［關鍵問題］“水上漂”與氫鍵有關嗎？

［學習任務］自然界中有些物體能在水面上漂浮，以回形針為例，分析漂浮的原因。

［匯報］漂浮時物體的重力與水的浮力相等，受力分析如圖1（b）所示。

［微觀分析］從微觀角度分析，如圖2（a）所示，處于表面層的水分子間距較大，分子間的引力和斥力表現出來的綜合結果（合力）為引力；液體內部由于分子間距較小，合力為斥力。用小球表示表面層水分子，如圖2（b）所示，水分子A受到來自物體的壓力（F壓）與來自其他水分子的合外力（F合，水）大小相等、方向相反，因此回形針能漂浮在水面上。

［結論］水分子A不僅受到其他分子的引力，也受到其他分子的斥力，引力、斥力和壓力最終處于平衡狀態（忽略分子的重力）。

［總結］水分子之間存在分子間作用力，包括范德華力和氫鍵，氫鍵的特點總結如圖3所示。由于氫鍵的存在，導致水分子間相互作用比較強，能抵消物體施加的壓力。

4.2 環節2：概念深化，建構模型

［關鍵問題］氫鍵強弱與“水上漂”之間有怎樣的聯系？

［學習任務］氫鍵與范德華力的本質都是靜電作用，結合范德華力的影響因素和氫鍵的形成原因，思考氫鍵強弱的影響因素有哪些，并舉例說明。

［學生匯報］根據氫鍵的成因，在“X—H…Y”結構中，氫原子上的正電荷量越高，Y中負電荷量越高，氫鍵就越強。可以推斷：一般情況下X和Y的電負性越大，氫鍵強度越大。因此沸點：HF＞NH3，而沸點的高低還與氫鍵數目有關，因此沸點：H2O＞HF。

［問題］展示教科書中“某些氫鍵的鍵能和鍵長”數據［6］，如何解釋冰中的氫鍵鍵能低于甲醇、乙醇？

［學生］因為冰中的氫鍵鍵長更長，因此鍵能更小。

［應用1］從結構角度解釋NH3·H2O中的氫鍵是HNHHHOH而非OHHHNHH∶從結構角度看，N的電負性小容易給出電子，O的電負性大容易使與之相聯的H上原子核更加裸露，從而容易形成N與H的氫鍵。

［應用2］解釋DNA中堿基互補配對時A與T、 C與G分別配對的原因：堿基A與T、 C與G分別配對的方式不僅可以保證互相配對的堿基之間氫鍵數目一致，同時可以保證兩條鏈的間距合適，距離過大或者過小都不能形成穩定的氫鍵［7］。

［資料］最強的氫鍵有多強？對氫鍵電子本性的研究說明，它涉及共價鍵、離子鍵和范德華作用等廣泛的范圍。非常強的氫鍵像共價鍵，非常弱的氫鍵接近范德華力作用。大多數氫鍵處于這兩種極端狀態之間。在KHF2分子中，F—H…F氫鍵的ΔH達到212kJ/mol，是迄今為止觀察到的最強氫鍵［8］。

［拓展］以上資料說明，不僅化學鍵之間存在過渡，分子間作用力與化學鍵之間也存在過渡［9］。

［應用3］查閱資料［10］發現：H+在水中的遷移速率遠大于Li+、 Na+等，結合水分子間氫鍵的特點和H3O+離子的結構可知，由于液體水中，分子間氫鍵在不斷振動中，在合適的角度上，X—H…Y可以向X…H—Y轉變。因此H+在水中的遷移過程如圖4所示，并非是H+的直接遷移（圖中虛線表示氫鍵）。利用此模型可以解釋氫鍵形成后對原來的X—H化學鍵鍵長的影響，也可以解釋升溫使H+的遷移速率加快的原因。

［總結］氫鍵（X—H…Y）強度的影響因素如圖5所示：結構層面：（1）X和Y原子的電負性大小；（2）氫鍵的鍵長；環境層面：溫度升高，熱運動加劇，不利于氫鍵的形成。

［應用4］解釋水在4℃時密度最大的原因。

4.3 環節3：遷移應用，問題解決

［關鍵問題］如何增強液面上氫鍵作用，實現人人都可以“水上漂”？

［學習任務］從改變水的性質的角度來看，有什么辦法實現人人都能“水上漂”？

［學生匯報］要實現人的“水上漂”，需要增強水分子之間的相互作用。結合影響氫鍵強度的因素，我們可以適當降低溫度——讓水變成冰實現人人“水上漂”。

［評價］在不改變物質組成的情況下，這是很容易實現的一個方法。

［思考］水變成冰后能實現人的“水上漂”的原因是什么？

［角度1］因為氫鍵數目增多，所以水分子間的相互作用更強。

［角度2］結合氫鍵的影響因素看，還有可能是氫鍵強度的增大。如圖6所示，在氫鍵形成以后，由于氫鍵b上④號H原子對③號O原子上的電子云有拉電子誘導作用（F1），導致②和③號原子間的電子云會一定程度向③號O原子偏移，從而增大②號H原子核的裸露程度，進而增強氫鍵a的強度［11］。

［改進］如果允許你改變物質組成，保證它是流體的前提下，可以向水中加入什么物質？

［學生］可以加入一些可溶的、具有大量氫鍵的物質，比如淀粉。

［展示］淀粉的結構如圖7所示。淀粉分子中存在大量的羥基可以與水分子之間形成氫鍵，并且淀粉分子間通過相互纏繞形成網狀結構可以增大材料的強度。

［拓展］淀粉溶液是一種非牛頓流體，當它表面沒有受到外界壓力時，它會像液體一樣柔軟，當受到壓力時，則會產生一定的粘度，并且粘度的大小與受到的壓力大小或速度都有關系，壓力增大、速度加快都會讓粘度增加。淀粉溶液具有這種特性的原因在于水分子體積較小，在淀粉分子之間可以起到潤滑的作用，當對淀粉溶液快速施加壓力時，水分子會快速遷移，淀粉分子因來不及遷移而聚在一起，表現得像固體。如圖8所示，就是人在非牛頓流體上奔跑的情形。

［知識整理］通過本節課的學習，對氫鍵相關的概念整efc3493a5be91fcf9d069032a981d2315b5ff491d37713de33cff7b7a40bc546理如圖9所示。

5 教學反思與展望

5.1 教學反思

學生在解決“如何實現人人都能‘水上漂’”這一驅動性問題時需要對液態水表面層的水分子進行受力分析，自然地認識到氫鍵的靜電作用本質，并以受力分析方法為主要手段探討了氫鍵強度的影響因素，實現了物理學和化學的學科融合。在驅動性問題的解決過程中，學生不僅發現了分子間作用力與化學鍵之間存在過渡，對一些非常規氫鍵（如雙氫鍵和π型氫鍵等）的存在也提出了自己的見解，這促使學生用靜電作用統攝“氫鍵-分子間作用力-化學鍵-微粒間的相互作用”這一系列概念，促進了認知的結構化。在氫鍵概念模型的形成與完善過程中，學生有效解決了學科內、模塊間的相關問題，不僅夯實了基礎更挖掘了概念內涵，理解了氫鍵在生活中、對生命體的重要作用，提高了學習興趣，為今后的學習研究奠定了基礎。

5.2 教學展望

學生通過思考、討論、探究等方式解決了驅動性問題，避免了認知的淺層化，但如果這節課能讓學生走出教室走進生活，親身感受非牛頓流體的制備，探索符合要求的非牛頓流體的制作條件，將更有助于學生對吸水性材料結構特點的理解，加深他們對化學學習的興趣。另外，在“物質結構與性質”和“有機化學基礎”模塊中都滲透有紅外光譜的原理與應用，而氫鍵的形成也會影響光譜的譜帶強度和位置，故教學中不妨也可對這些影響進行探討，可以更好地幫助學生理解氫鍵以及微粒間的相互作用。

參考文獻：

［1］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.

［2］陳麗芬， 楊發福. 融合民間小吃的化學教學案例開發——以“探秘綠豆涼粉中的氫鍵”為例［J］. 化學教與學， 2023， （16）： 38～42.

［3］黃麗琴， 李根薰. 融合真實問題情境的高三深度復習教學——以“氫鍵的再認知”為例［J］. 中小學教學研究， 2022， 23（3）： 62～69.

［4］熊建文. 普通高中教科書·物理選擇性必修第三冊［M］. 廣州： 廣東教育出版社， 2020： 10.

［5］西奧多·L. 布朗， H. 尤金·勒梅， 布魯斯·E. 巴斯滕等. 化學： 中心科學化學平衡篇（翻譯版·原書第14版）［M］. 北京： 機械工業出版社， 2021： 54.

［6］人民教育出版社， 課程教材研究所， 化學課程教材研究開發中心. 普通高中教科書·物質結構與性質［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 58.

［7］徐光憲， 王祥云. 物質結構（第2版）［M］. 北京： 科學出版社， 2010： 693.

［8］周公度， 段連運. 結構化學基礎（第5版）［M］. 北京： 北京大學出版社， 2020： 343.

［9］周公度. 結構和物性——化學原理的應用（第三版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2009： 42～43.

［10］傅獻彩， 沈文霞， 姚天揚等. 物理化學（第五版）（下冊）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2006： 22.

［11］黎占亭， 張丹維. 分子識別與自組裝［M］. 北京： 化學工業出版社， 2022： 9～13.

［12］邢其毅， 裴偉偉， 徐瑞秋等. 基礎有機化學（第4版）（下冊）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2017： 968.