利用手持技術(shù)和分子模型發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

蘇華虹 張道年 葉承軍 吳健華

摘要： 以分子間作用力概念學(xué)習(xí)為例，開(kāi)展旨在發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。以“水”為情境載體，設(shè)計(jì)五個(gè)教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與知識(shí)建構(gòu)。利用手持實(shí)驗(yàn)（宏觀）表征分子間作用力（微觀），通過(guò)模型形象地揭示氫鍵的本質(zhì)和特征并解釋氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。測(cè)試結(jié)果表明，學(xué)生的模型認(rèn)知水平和微觀探析素養(yǎng)有一定程度的提升。

關(guān)鍵詞： 分子間作用力; 手持技術(shù); 學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）11-0049-08? ? ? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的提出

教育部頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）對(duì)高中化學(xué)教學(xué)提出了更高的目標(biāo)和要求。新課標(biāo)基于學(xué)科本質(zhì)凝練了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。為了達(dá)成核心素養(yǎng)目標(biāo)，新課標(biāo)把創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景、激發(fā)興趣、改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式作為重點(diǎn)。在課程內(nèi)容中提供了“情景材料建議”和“學(xué)習(xí)活動(dòng)建議”[1]，引導(dǎo)教師基于真實(shí)情景開(kāi)展教學(xué)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)成為學(xué)習(xí)的主體，通過(guò)學(xué)生活動(dòng)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

目前，關(guān)于“分子間作用力”課例的教學(xué)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(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例如NaCl的熔點(diǎn)比HCl高、氨氣易溶于水等，利用對(duì)比、宏微結(jié)合等教學(xué)策略，采用師生對(duì)話的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[2～4];二是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，利用溫度傳感器測(cè)量不同液體揮發(fā)時(shí)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(guān)于如何結(jié)合該實(shí)驗(yàn)開(kāi)展課堂教學(xué)，并將模型應(yīng)用于教學(xué)，利用模型表征分子間作用力（氫鍵）的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施還未見(jiàn)相關(guān)的研究報(bào)道。

基于新課標(biāo)的要求及對(duì)已有研究的總結(jié)，本文從學(xué)生熟悉的水的性質(zhì)出發(fā)，基于真實(shí)情境提出問(wèn)題，利用手持技術(shù)和模型解決問(wèn)題，從宏觀和微觀兩方面表征分子間作用力，以期發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2? 教學(xué)內(nèi)容分析

2.1? 教材及課標(biāo)分析

分子間作用力是化學(xué)學(xué)科的重要概念。范德華力和氫鍵是常見(jiàn)的兩種分子間作用力。目前，化學(xué)教育專家一般認(rèn)為分子間作用力的知識(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)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(nèi)容的廣度和深度以及所選取的素材稍有不同。

對(duì)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(lái)源，說(shuō)明范德華力的本質(zhì)是電性作用。對(duì)于氫鍵，內(nèi)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(zhì)，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(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響以及氫鍵對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)和生理活性的重要意義。綜上，不同版本教材內(nèi)容有所差異，教師應(yīng)該如何取舍？

新課標(biāo)對(duì)本課題的內(nèi)容要求如下： （1）知道范德華力和氫鍵是兩種常見(jiàn)的分子間作用力;（2）能說(shuō)出氫鍵的特征和實(shí)質(zhì);（3）能列舉含有氫

圖1? 分子間作用力相關(guān)概念知識(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)[11]

鍵的物質(zhì)及其性質(zhì)特點(diǎn);（4）能說(shuō)明分子間作用力（含氫鍵）對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)等性質(zhì)的影響;（5）能從分子間作用力（含氫鍵）的角度對(duì)生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究中的簡(jiǎn)單案例進(jìn)行分析，舉例說(shuō)明氫鍵對(duì)于生命的重大意義。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)了氫鍵的本質(zhì)、形成條件、特征等，對(duì)范德華力的成因、實(shí)質(zhì)、特征沒(méi)有提出要求，但強(qiáng)調(diào)了兩種分子間作用力的大小對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響及其對(duì)真實(shí)情景的解釋。

2.2? 學(xué)生學(xué)習(xí)特征分析

學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，如表1所示。

表1? 上課前學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備

學(xué)生已有知識(shí)知識(shí)來(lái)源該知識(shí)認(rèn)識(shí)水平

液體揮發(fā)吸熱生活常識(shí)感性認(rèn)識(shí)

冰的密度比水小生活常識(shí)感性認(rèn)識(shí)

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

HF、 H2O、 NH3分子間存在氫鍵必修《化學(xué)2》“科學(xué)視野”欄目知道這三種分子間存在氫鍵及氫鍵對(duì)它們?nèi)?、沸點(diǎn)的影響，但未從特殊到一般，未學(xué)習(xí)氫鍵形成的本質(zhì)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(gòu)型化學(xué)選修3《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章第三節(jié)能熟練地應(yīng)用理論判斷分子中心原子軌道雜化方式及其立體構(gòu)型

學(xué)生在必修階段已經(jīng)了解范德華力和氫鍵的存在及其對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響，但還未學(xué)習(xí)氫鍵的本質(zhì)、形成條件及其對(duì)物質(zhì)其他性質(zhì)的影響，這將是本節(jié)課學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。學(xué)生積累的生活經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)用雜化軌道理論判斷分子立體構(gòu)型的知識(shí)為本節(jié)課的開(kāi)展奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。本節(jié)課也將引導(dǎo)學(xué)生從微觀層面認(rèn)識(shí)液體揮發(fā)過(guò)程和冰的密度，將感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。

Melanie等利用文字和畫(huà)圖兩種方式調(diào)查學(xué)生對(duì)分子間作用力的理解程度[12]，發(fā)現(xiàn)大部分的學(xué)生對(duì)分子間作用力概念的理解是模糊的，至少55%的學(xué)生將分子間作用力理解為一個(gè)分子內(nèi)的作用力或化學(xué)鍵。因此他建議在教學(xué)中，應(yīng)該注重區(qū)分分子間作用力和化學(xué)鍵這兩個(gè)概念。作者在文中還提及，不同測(cè)試方式下學(xué)生的表現(xiàn)不同，應(yīng)采用多樣化的的方式如文字描述、畫(huà)圖、訪談等，更加全面和動(dòng)態(tài)地評(píng)估學(xué)生對(duì)分子間作用力這一概念的理解水平。

基于此，確定本節(jié)課重點(diǎn)要解決的問(wèn)題： 一是氫鍵的形成條件、本質(zhì)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(duì)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，采用文字描述、畫(huà)圖、模型和實(shí)驗(yàn)等手段，多維度表征分子間作用力，將微觀上的作用力顯現(xiàn)化，幫助學(xué)生區(qū)分化學(xué)鍵和分子間作用力。

3? 教學(xué)手段

3.1? 手持技術(shù)

手持技術(shù)是由數(shù)據(jù)采集器、各類(lèi)傳感器及配套的軟件組成的，可用于定量采集數(shù)據(jù)并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)定量地測(cè)量反應(yīng)過(guò)程的多種變化量（如溫度、壓強(qiáng)、濃度、pH、電導(dǎo)率等）。已有研究表明，手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合“四重表征”教學(xué)模式能較好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象概念、反應(yīng)原理等知識(shí)的認(rèn)識(shí)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(dá)成不同的教學(xué)效果。自制模型的橡皮泥小球上沒(méi)有固定的孔，學(xué)生拼接時(shí)候要考慮氫鍵的個(gè)數(shù)和方向，因此采用自制模型能夠評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)氫鍵方向性和飽和性的認(rèn)識(shí)水平。但自制模型較軟，拼接空間立體構(gòu)型如冰晶體的模型容易塌陷，因此宜采用較堅(jiān)硬的塑料模型拼接冰晶體的模型。

4? 核心素養(yǎng)為本的教學(xué)流程

基于對(duì)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生認(rèn)識(shí)和已有研究的分析，設(shè)計(jì)本節(jié)課的教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)目標(biāo)如圖2所示。

圖2? 教學(xué)流程圖

5? 教學(xué)過(guò)程

5.1? 情景導(dǎo)入，提出問(wèn)題

[情景導(dǎo)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(xué)生體驗(yàn)]手背擦過(guò)酒精有變涼的感覺(jué)。

[教師提問(wèn)]為什么會(huì)變涼？液體揮發(fā)吸熱的本質(zhì)原因是什么？

（學(xué)生對(duì)后一個(gè)問(wèn)題一時(shí)答不出）

[教師提示]以水的揮發(fā)為例，揮發(fā)前后，微觀上發(fā)生了什么改變？揮發(fā)過(guò)程需要破壞哪些作用力？

[學(xué)生回答]揮發(fā)后，液態(tài)水分子變成氣態(tài)水分子，內(nèi)部的氫氧鍵沒(méi)有斷裂，揮發(fā)過(guò)程中破壞的是不同水分子間的作用力。液體揮發(fā)需要吸熱以克服分子間作用力。

[教師追問(wèn)]為什么酒精揮發(fā)時(shí)，吸熱更多呢？

[學(xué)生]因?yàn)橐掖挤肿娱g作用力比水小，更容易揮發(fā)，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(guò)活動(dòng)，可知分子間存在作用力，且不同分子間的作用力不同。這節(jié)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(duì)物質(zhì)性質(zhì)有哪些影響？

5.2? 小組拼接模型——認(rèn)識(shí)水分子間氫鍵的本質(zhì)及特征

[教師講解]水分子間的作用力有兩種類(lèi)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(guò)一段視頻來(lái)認(rèn)識(shí)水分子間的氫鍵。

與電負(fù)性強(qiáng)的原子（如N、 O、 F）結(jié)合的氫原子會(huì)帶上部分正電荷，能與帶部分負(fù)電荷的原子（電負(fù)性強(qiáng)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(wù)]每個(gè)小組根據(jù)“知識(shí)支持”欄目的提示，利用5個(gè)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(shí)支持

已知冰晶體中，水分子間主要的作用力是氫鍵，每個(gè)水分子可以與周?chē)膫€(gè)水分子形成氫鍵[16]。

[展示和評(píng)價(jià)]學(xué)生拼接出的水分子間的氫鍵模型主要有四種類(lèi)型，相應(yīng)分析如表2所示。

表2? 學(xué)生拼接的水分子間的氫鍵模型及相應(yīng)分析

學(xué)生匯報(bào)時(shí)對(duì)模型的描述師生共同評(píng)價(jià)

資料卡片顯示，一個(gè)水分子與周?chē)膫€(gè)水分子形成氫鍵，所以一個(gè)水分子應(yīng)該與其余四個(gè)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(zhì)

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

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

續(xù)? 表

學(xué)生匯報(bào)時(shí)對(duì)模型的描述師生共同評(píng)價(jià)

中心水分子一共形成四個(gè)氫鍵。氫鍵是一種正負(fù)電荷的靜電作用力，應(yīng)該在正負(fù)電荷最集中的地方形成，氧原子的孤電子對(duì)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(gè)雜化軌道組成的構(gòu)型是四面體形，其中2個(gè)雜化軌道各存放一對(duì)孤電子對(duì)。以一個(gè)水分子為中心，其余四個(gè)水分子應(yīng)該在四面體的四個(gè)頂角上能理解氫鍵的本質(zhì)、飽和性和方向性

[歸納總結(jié)]氫鍵的本質(zhì)類(lèi)似于靜電作用力，但與靜電作用力又有不同——?dú)滏I具有方向性和飽和性。

在形成水分子間的氫鍵時(shí)，氧原子的孤電子對(duì)所在軌道的軸應(yīng)該盡可能與另外一個(gè)水分子的H—O鍵在同一直線上，這樣兩個(gè)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(duì)孤電子對(duì)，因此一個(gè)氧原子只能形成兩個(gè)氫鍵;而氫原子因?yàn)樵影霃叫?，因此只能形成一個(gè)氫鍵 ，這就是氫鍵的飽和性。

因此，冰晶體中每個(gè)水分子在其兩個(gè)O—H鍵及其兩個(gè)孤電子對(duì)方向與四個(gè)水分子相互接觸形成氫鍵，形成一個(gè)以水分子為中心，其余四個(gè)水分子為四面體頂點(diǎn)的四面體結(jié)構(gòu)單元。

[學(xué)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(nèi)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(rèn)識(shí)水分子間氫鍵對(duì)其性質(zhì)的影響

[教師]水分子間的氫鍵使冰和水呈現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，液態(tài)水結(jié)成冰，體積增大。為什么？

[布置任務(wù)]根據(jù)“知識(shí)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(shí)支持

已知自然界常見(jiàn)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?jī)蓚€(gè)四面體間共用一個(gè)水分子，每三個(gè)四面體間連接形成一個(gè)12元環(huán)（環(huán)上有12個(gè)原子）[17]。

[展示和評(píng)價(jià)]學(xué)生拼接出的冰晶體的模型之一如圖3所示。

圖3? 5個(gè)小組合作拼接的冰晶體（局部）模型

[師生總結(jié)]在冰的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)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(gè)有很多“空洞”的結(jié)構(gòu)。而液體水不是每個(gè)水分子均形成氫鍵，僅部分水分子通過(guò)氫鍵締合，形成一個(gè)個(gè)分子團(tuán)簇，團(tuán)簇之間沒(méi)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(shù)實(shí)驗(yàn)比較分子間作用力大小

[教師提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題]通過(guò)“擦棉球”活動(dòng)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(guān)呢？如何比較分子間作用力大??？以正戊烷、正己烷、正庚烷和正丁醇為例。

[學(xué)生方案]（1） 比較揮發(fā)速率;

（2） 將四種液體同時(shí)擦在手背上，看看擦哪個(gè)更涼;

（3） 用溫度計(jì)測(cè)量液體揮發(fā)時(shí)的溫度下降速率。

[教師點(diǎn)評(píng)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(fā)時(shí)溫度不斷地發(fā)生變化，用溫度計(jì)測(cè)量讀數(shù)不方便。可以實(shí)時(shí)測(cè)量溫度變化情況的儀器——溫度傳感器。

[師生確定實(shí)驗(yàn)方案]在四個(gè)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(cè)量四種液體揮發(fā)時(shí)的溫度下降速率。（實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖4）

圖4? 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

[學(xué)生代表完成實(shí)驗(yàn)]將四個(gè)溫度傳感器同時(shí)浸入四種液體中，再同時(shí)將傳感器提起，讓液體在傳感器的表面上揮發(fā)。觀察曲線變化情況。

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

[學(xué)生]揮發(fā)時(shí)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?。?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(fā)時(shí)的溫度變化情況

圖5? 液體揮發(fā)時(shí)溫度變化曲線

[布置任務(wù)]根據(jù)“知識(shí)支持”欄目的信息，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果找出分子間作用力大小的影響因素。

知識(shí)支持

正戊烷、正己烷、正庚烷和正丁醇四種分子的相關(guān)信息如下：

物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式相對(duì)分子質(zhì)量極性/D

正戊烷CH3CH2CH2CH2CH3720

正己烷CH3CH2CH2CH2CH2CH3860.06

正庚烷CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3980.2

正丁醇CH3CH2CH2CH2OH743.7

[學(xué)生匯報(bào)]影響分子間作用力大小的因素： ①結(jié)構(gòu)相似，相對(duì)分子質(zhì)量越大，范德華力越大;②相對(duì)分子質(zhì)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(bǔ)充]一般而言，氫鍵作用力稍強(qiáng)于范德華力。但兩者都屬于分子間作用力，均比化學(xué)鍵小得多，一般分子間作用力比化學(xué)鍵小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

[解決問(wèn)題]為什么乙醇的分子間作用力比水的?。?/p>

相對(duì)分子質(zhì)量和極性均會(huì)影響范德華力的大小。水分子為強(qiáng)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——?dú)滏I對(duì)生命的重大意義

[教師提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)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(méi)有氫鍵，世界會(huì)發(fā)生怎樣的變化？

[學(xué)生討論結(jié)果]（1） 假如沒(méi)有氫鍵，H2O的沸點(diǎn)會(huì)比H2S低（課后習(xí)題查得H2S的沸點(diǎn)為-60℃），地球?qū)⒉淮嬖谝簯B(tài)水;

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

[教師]你能列舉其他含有氫鍵的物質(zhì)嗎？

[學(xué)生]（1） DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)就是通過(guò)堿基對(duì)間的氫鍵結(jié)合在一起的;

（2） 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)也存在著氫鍵，氫鍵使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

[教師]如果水分子間沒(méi)有氫鍵，生態(tài)環(huán)境將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化;復(fù)雜的生物大分子也不能穩(wěn)定地存在?？梢?jiàn)，沒(méi)有氫鍵就幾乎沒(méi)有生命，氫鍵對(duì)生命有重要的意義。

[課堂小結(jié)]通過(guò)拼接出水分子間的氫鍵、冰晶體的微觀模型，學(xué)習(xí)了氫鍵的本質(zhì)和特征及其對(duì)冰密度的影響;利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)例，感受到分子間作用力對(duì)生活、自然和生命的重要性。結(jié)合微觀和宏觀學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)，是化學(xué)學(xué)習(xí)的核心思維。

6? 教學(xué)效果與反思

6.1? 教學(xué)效果

6.1.1? 測(cè)試工具

利用紙筆測(cè)試檢驗(yàn)學(xué)生“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的模型認(rèn)識(shí)水平和微觀辨析核心素養(yǎng)發(fā)展水平，問(wèn)卷設(shè)計(jì)如圖6所示。學(xué)生在上課前后分別填寫(xiě)相同的問(wèn)卷，以作對(duì)比研究。

1. 請(qǐng)寫(xiě)出HF、 HCl、 HBr、 HI熔、沸點(diǎn)的大小順序并解釋原因。

2. 請(qǐng)?jiān)谙铝锌蚋裰挟?huà)出并明確地表明三個(gè)乙醇分子（CH3CH2OH）間的范德華力和氫鍵，用相應(yīng)的文字輔助標(biāo)識(shí)。若你認(rèn)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(xué)生學(xué)習(xí)效果調(diào)查問(wèn)卷

6.1.2? 測(cè)試結(jié)果及分析

上課前、后均發(fā)出45份調(diào)查問(wèn)卷，分別回收

44、 45份調(diào)查問(wèn)卷。

第1題是解釋鹵素氫化物熔、沸點(diǎn)變化規(guī)律，旨在了解學(xué)生的遷移應(yīng)用能力，評(píng)價(jià) “結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的模型認(rèn)知水平，相應(yīng)分析如表3所示。

表3? 學(xué)生主要答案類(lèi)型及相關(guān)截圖（第1題）

學(xué)生答案類(lèi)型及相應(yīng)代碼

“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”模型認(rèn)知水平水平1： 不能將化學(xué)事實(shí)和理論模型進(jìn)行合理匹配水平2： 能將化學(xué)事實(shí)和理論模型進(jìn)行合理匹配，但對(duì)模型的認(rèn)識(shí)片面化水平3： 能運(yùn)用理論模型解釋物質(zhì)的性質(zhì)

具體表現(xiàn)認(rèn)為化學(xué)鍵鍵能大小或分子穩(wěn)定性影響物質(zhì)熔、沸點(diǎn)大?。á伲┠苷J(rèn)識(shí)分子間作用力大小影響物質(zhì)熔、沸點(diǎn)，但忽略了HF分子間的氫鍵（②）能結(jié)合范德華力大小變化規(guī)律和氫鍵準(zhǔn)確解釋鹵化氫熔、沸點(diǎn)變化規(guī)律（③）空白（④）

上課前后，選擇以上四種答案的學(xué)生比例分布圖如圖7所示。

圖7? 上課前后學(xué)生答案分布圖（第1題）

人教版化學(xué)2在“科學(xué)視野”欄目以主族元素氫化物的熔、沸點(diǎn)為例，介紹了范德華力和氫鍵對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響。據(jù)結(jié)果可知，上課前，有47.7%學(xué)生認(rèn)為影響物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的是化學(xué)鍵鍵能的大?。ㄋ?），僅有兩名學(xué)生（4.5%）能同時(shí)關(guān)注到范德華力和氫鍵對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響（水平3）。本節(jié)課后，77.8%學(xué)生的認(rèn)識(shí)能達(dá)到水平3，但還有一部分學(xué)生（8.9%）忽略氫鍵對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響（水平2）。

第2道是畫(huà)圖題，旨在評(píng)價(jià)學(xué)生微觀辨析核心素養(yǎng)發(fā)展水平，相應(yīng)分析如表4所示。

表4? 學(xué)生主要答案類(lèi)型及相關(guān)截圖（第2題）

學(xué)生答案類(lèi)型及相應(yīng)代碼

微觀辨析核心素養(yǎng)發(fā)展水平水平1： 對(duì)微觀作用力認(rèn)識(shí)模糊或混淆不同微觀作用力水平2： 認(rèn)識(shí)微觀作用力的形成本質(zhì)水平3： 能運(yùn)用圖示準(zhǔn)確描述分子間的微觀作用力

具體表現(xiàn)將分子內(nèi)的化學(xué)鍵認(rèn)為是分子間作用力（①）所畫(huà)出的圖示模棱兩可，指向不明（②）無(wú)（③）能畫(huà)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(zhì)（④）能利用圖示準(zhǔn)確表示范德華力和氫鍵（⑤）

上課前后，以上五種答案的學(xué)生比例分布圖如圖8所示。

圖8? 上課前后學(xué)生答案分布圖（第2題）

上課前，接近一半的學(xué)生混淆了分子內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間作用力（水平1），還有22.7%學(xué)生不能判斷乙醇分子間存在的作用力（水平1）。這可能是因?yàn)楸匦藿滩膬H介紹了H2O、 HF、 NH3分子間的氫鍵，但沒(méi)有從特殊到一般，未介紹氫鍵的形成本質(zhì)和條件，因此學(xué)生不能遷移應(yīng)用認(rèn)識(shí)乙醇的分子間作用力。上課后，近2/3的學(xué)生能區(qū)分分子間作用力和化學(xué)鍵，能用圖示準(zhǔn)確表示乙醇的分子間作用力（水平3）。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，利用自制模型和球棍模型能降低教學(xué)抽象性，有利于學(xué)生理解氫鍵的本質(zhì)和特征;利用手持實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生理解分子間作用力大小對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。學(xué)生的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”模型認(rèn)知水平和微觀探析素養(yǎng)有一定程度的提升。

6.2? 教學(xué)反思

對(duì)本節(jié)課的設(shè)計(jì)還有以下幾點(diǎn)說(shuō)明與思考：

（1） 利用手持技術(shù)比較液態(tài)烷烴的范德華力大小更符合學(xué)生的認(rèn)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(huì)干擾新知識(shí)的學(xué)習(xí)。液態(tài)烷烴分子間只存在范德華力，變量單一，更符合學(xué)生的認(rèn)知思路。需注意的是，三種液態(tài)烷烴易揮發(fā)且有微毒性，因此要在通風(fēng)櫥內(nèi)取樣，測(cè)量前樣品應(yīng)裝在帶膠塞的試管內(nèi)，測(cè)量時(shí)讓液體在密閉的大試管內(nèi)揮發(fā)，測(cè)量完畢后，應(yīng)放在通風(fēng)櫥內(nèi)使其揮發(fā)除去。

（2） 課前可讓學(xué)生自習(xí)范德華力的成因。本節(jié)課根據(jù)手持實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了影響分子間作用力大小的因素，但沒(méi)有解釋原因。課堂上有學(xué)生提問(wèn)原因，但因?yàn)檎n標(biāo)的要求和時(shí)間的限制，沒(méi)有系統(tǒng)地介紹范德華力的成因和三種來(lái)源。由此建議將介紹范德華力成因的資料在課前發(fā)給學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為本節(jié)課學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（3） 本節(jié)課僅要求學(xué)生拼出以四面體為骨架的冰晶體模型[18]。冰有約20種結(jié)構(gòu)形式，確定合理的冰模型遠(yuǎn)超出學(xué)生的認(rèn)識(shí)范圍。因此，僅要求學(xué)生組裝以四面體為骨架的冰晶體模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2][11]齊紅濤， 趙河林， 王磊. 分子間作用力相關(guān)概念及其教學(xué)分析[J]. 化學(xué)教育， 2014， 35（23）： 13～17.

[3]李發(fā)順. 基于課堂實(shí)證的分子間作用力對(duì)話式課堂構(gòu)建[J]. 教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考）， 2018， （3）： 22～27.

[4]李發(fā)順. “漸變推理”： 構(gòu)建分子間作用力的認(rèn)知模型[J]. 教育研究與評(píng)論（中學(xué)教育教學(xué)）， 2018， （12）： 81～83.

[5]蘇華虹， 錢(qián)揚(yáng)義. 基于“手持技術(shù)”實(shí)驗(yàn)比較液體有機(jī)物分子間作用力大小——以醇類(lèi)同系物和同分異構(gòu)體為例[J]. 化學(xué)教育（中英文）， 2017， 38（15）： 49～54.

[6]徐惠. 以數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)“分子間作用力”教學(xué)[J]. 化學(xué)教育（中英文）， 2017， 38（15）： 20～23.

[7]周萍， 肖中榮. 基于證據(jù)推理增加分子作用力演示實(shí)驗(yàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2018， 35（Z1）： 21～23.

[8]宋心琦主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（選修3）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2009： 47～50.

[9]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（選修3）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2004： 49～53.

[10]王磊主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（選修3）[M]. 濟(jì)南： 山東科學(xué)技術(shù)出版社， 2004： 28～35.

[12]Melanie M， Leah C， Sonia M. Student Understanding of Intermolecular Forces： A Multimodal Study [J]. Journal of Chemiscal Education， 2015， （92）， 1288～1298

[13]王立新， 錢(qián)揚(yáng)義， 蘇華虹， 等. 手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的深度融合： 從“研究案例”到“認(rèn)知模型”——TQVC概念認(rèn)知模型的建構(gòu)[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志， 2018， 36（4）： 104～112

[14]林建芬， 盛曉婧， 錢(qián)揚(yáng)義. 化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式的理論建構(gòu)與實(shí)踐研究——從15年數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究的回顧談起[J]. 化學(xué)教育， 2015， 36（7）： 1～6

[15]韋新平. 基于SOLO分類(lèi)理論的化學(xué)“四重表征”教學(xué)研究——以“濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2013， （10）： 31～33，49

[16][17]華彤文， 王穎霞， 卞江， 等. 普通化學(xué)原理（第四版）[M]. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2013： 304～305

[18]秦善. 結(jié)構(gòu)礦物學(xué)[M]. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2011： 79～80