基于学科融合的问题驱动式教学设计与实践

摘 要：  以解决“如何实现人人都能‘水上漂’”的驱动性问题为主线，借助物理学的受力分析方法，从静电作用角度剖析氢键。通过整合教材中与“氢键”相关的重要内容，对氢键的结构、强度的影响因素和氢键对物质性质的影响进行了系统总结和适当拓展，构建氢键的知识体系，使学生从本质上认识微粒间的相互作用，促进学生知识的结构化、认知的结构化，发展学生学科核心素养。

关键词：   问题驱动； 学科融合； 化学教学； 氢键

文章编号： 1005-6629（2024）11-0054-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

随着《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》的深化落实，高考考查的重点逐渐转向学生的创新意识、信息加工能力、知识迁移应用能力。在高中化学复习课教学中，教师应重点帮助学生增进学科理解、建构知识体系，使他们学会从概念的本源思考问题、在真实情境中解决问题。

1 教学内容及现状分析

在高中化学“物质结构与性质”模块中，氢键是分子间作用力中的重要组成部分。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）的“内容要求”和“学业要求”中都对氢键的理解提出了较高要求［1］，在人教版、鲁科版和苏教版选择性必修教材中有关氢键的内容归纳如表1所示。

从表1可见，氢键是影响物质性质的重要因素，是教学的重点。在近5年浙江化学选考中，以氢键为考查点的试题重点考查了学生运用氢键模型解释物质某种性质强弱（熔、沸点高低，溶解度、挥发性强弱等）的能力水平。其他省市相关的选考题也是立足于“结构决定性质”，对“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”的核心素养提出较高的测试要求。

文献查阅发现，目前有关“氢键”的教学方式以探究式为主，研究者注重教学情境的选择。综合来看，教学情境的使用与“课标”要求和教材编排高度契合，教师借助真实情境开展课堂教学，揭示氢键形成的原因及其影响因素，可使课堂内容丰富、重点突出［2，3］。但当前氢键相关的研究成果主要集中在新课而非复习课教学，而复习课教学多着眼于习题讲评与拓展训练，偏重于“符号性知识”的传授，虽紧扣高考但较少能兼顾学习深度和学习趣味，不利于帮助学生建构完整的知识体系，以及培养学生利用学科知识解决真实问题的能力，降低了学习的有效性。

问题驱动式教学突出问题的引领，关注学生在问题解决过程中的生成与获得，充分体现学生的主体地位。在以解决“如何实现人人都能‘水上漂’”这一驱动性问题为主线的“氢键”复习课中，学生从自然现象入手，借助受力分析图示等物理学方法，通过化学模型和化学语言的运用，从电子视角认识与展示氢键的本质以及氢键强度的影响因素，最后在探讨如何寻找改变溶液性质实现人人都能“水上漂”的过程中进行知识的迁移和应用。

2 教学目标

（1） 通过对氢键的静电作用本质的分析，结合实验事实归纳影响氢键强度的因素，构建并丰富氢键的知识体系模型。

（2） 能根据模型解释物质中的氢键结构（如水、氨水和DNA双螺旋等），能从结构角度解释某些典型现象或性质（如物质的熔沸点、水的密度随温度变化、氢离子的迁移速率等）。

（3） 能利用模型从温度、溶液组成等角度解决驱动性问题，提高模型应用以及问题解决能力。

3 教学流程

“氢键”的内容与人类生活密切相关，本节课的学习活动聚焦于“水”的性质，借助受力分析示意图，从微观层面分析表面张力产生的原因，引导学生从静电作用的本源来认识氢键，进而启发学生深入思考如何改变水的分子间作用力，以促进学生知识的结构化、认知的结构化。

本课的驱动性问题为：如何实现人人都可以“水上漂”。具体教学流程如表2所示。

4 主要教学过程

［情境］武侠世界中，“轻功”是一种让人神往的武功，它可以使人在水面上“如履平地”。现实生活中，普通人很难做到“水上漂”，但很多物体都可以漂浮在水面上，如图1（a）所示。

4.1 环节1：分析现象，概念回顾

［关键问题］“水上漂”与氢键有关吗？

［学习任务］自然界中有些物体能在水面上漂浮，以回形针为例，分析漂浮的原因。

［汇报］漂浮时物体的重力与水的浮力相等，受力分析如图1（b）所示。

［微观分析］从微观角度分析，如图2（a）所示，处于表面层的水分子间距较大，分子间的引力和斥力表现出来的综合结果（合力）为引力；液体内部由于分子间距较小，合力为斥力。用小球表示表面层水分子，如图2（b）所示，水分子A受到来自物体的压力（F压）与来自其他水分子的合外力（F合，水）大小相等、方向相反，因此回形针能漂浮在水面上。

［结论］水分子A不仅受到其他分子的引力，也受到其他分子的斥力，引力、斥力和压力最终处于平衡状态（忽略分子的重力）。

［总结］水分子之间存在分子间作用力，包括范德华力和氢键，氢键的特点总结如图3所示。由于氢键的存在，导致水分子间相互作用比较强，能抵消物体施加的压力。

4.2 环节2：概念深化，建构模型

［关键问题］氢键强弱与“水上漂”之间有怎样的联系？

［学习任务］氢键与范德华力的本质都是静电作用，结合范德华力的影响因素和氢键的形成原因，思考氢键强弱的影响因素有哪些，并举例说明。

［学生汇报］根据氢键的成因，在“X—H…Y”结构中，氢原子上的正电荷量越高，Y中负电荷量越高，氢键就越强。可以推断：一般情况下X和Y的电负性越大，氢键强度越大。因此沸点：HF＞NH3，而沸点的高低还与氢键数目有关，因此沸点：H2O＞HF。

［问题］展示教科书中“某些氢键的键能和键长”数据［6］，如何解释冰中的氢键键能低于甲醇、乙醇？

［学生］因为冰中的氢键键长更长，因此键能更小。

［应用1］从结构角度解释NH3·H2O中的氢键是HNHHHOH而非OHHHNHH∶从结构角度看，N的电负性小容易给出电子，O的电负性大容易使与之相联的H上原子核更加裸露，从而容易形成N与H的氢键。

［应用2］解释DNA中碱基互补配对时A与T、 C与G分别配对的原因：碱基A与T、 C与G分别配对的方式不仅可以保证互相配对的碱基之间氢键数目一致，同时可以保证两条链的间距合适，距离过大或者过小都不能形成稳定的氢键［7］。

［资料］最强的氢键有多强？对氢键电子本性的研究说明，它涉及共价键、离子键和范德华作用等广泛的范围。非常强的氢键像共价键，非常弱的氢键接近范德华力作用。大多数氢键处于这两种极端状态之间。在KHF2分子中，F—H…F氢键的ΔH达到212kJ/mol，是迄今为止观察到的最强氢键［8］。

［拓展］以上资料说明，不仅化学键之间存在过渡，分子间作用力与化学键之间也存在过渡［9］。

［应用3］查阅资料［10］发现：H+在水中的迁移速率远大于Li+、 Na+等，结合水分子间氢键的特点和H3O+离子的结构可知，由于液体水中，分子间氢键在不断振动中，在合适的角度上，X—H…Y可以向X…H—Y转变。因此H+在水中的迁移过程如图4所示，并非是H+的直接迁移（图中虚线表示氢键）。利用此模型可以解释氢键形成后对原来的X—H化学键键长的影响，也可以解释升温使H+的迁移速率加快的原因。

［总结］氢键（X—H…Y）强度的影响因素如图5所示：结构层面：（1）X和Y原子的电负性大小；（2）氢键的键长；环境层面：温度升高，热运动加剧，不利于氢键的形成。

［应用4］解释水在4℃时密度最大的原因。

4.3 环节3：迁移应用，问题解决

［关键问题］如何增强液面上氢键作用，实现人人都可以“水上漂”？

［学习任务］从改变水的性质的角度来看，有什么办法实现人人都能“水上漂”？

［学生汇报］要实现人的“水上漂”，需要增强水分子之间的相互作用。结合影响氢键强度的因素，我们可以适当降低温度——让水变成冰实现人人“水上漂”。

［评价］在不改变物质组成的情况下，这是很容易实现的一个方法。

［思考］水变成冰后能实现人的“水上漂”的原因是什么？

［角度1］因为氢键数目增多，所以水分子间的相互作用更强。

［角度2］结合氢键的影响因素看，还有可能是氢键强度的增大。如图6所示，在氢键形成以后，由于氢键b上④号H原子对③号O原子上的电子云有拉电子诱导作用（F1），导致②和③号原子间的电子云会一定程度向③号O原子偏移，从而增大②号H原子核的裸露程度，进而增强氢键a的强度［11］。

［改进］如果允许你改变物质组成，保证它是流体的前提下，可以向水中加入什么物质？

［学生］可以加入一些可溶的、具有大量氢键的物质，比如淀粉。

［展示］淀粉的结构如图7所示。淀粉分子中存在大量的羟基可以与水分子之间形成氢键，并且淀粉分子间通过相互缠绕形成网状结构可以增大材料的强度。

［拓展］淀粉溶液是一种非牛顿流体，当它表面没有受到外界压力时，它会像液体一样柔软，当受到压力时，则会产生一定的粘度，并且粘度的大小与受到的压力大小或速度都有关系，压力增大、速度加快都会让粘度增加。淀粉溶液具有这种特性的原因在于水分子体积较小，在淀粉分子之间可以起到润滑的作用，当对淀粉溶液快速施加压力时，水分子会快速迁移，淀粉分子因来不及迁移而聚在一起，表现得像固体。如图8所示，就是人在非牛顿流体上奔跑的情形。

［知识整理］通过本节课的学习，对氢键相关的概念整理如图9所示。

5 教学反思与展望

5.1 教学反思

学生在解决“如何实现人人都能‘水上漂’”这一驱动性问题时需要对液态水表面层的水分子进行受力分析，自然地认识到氢键的静电作用本质，并以受力分析方法为主要手段探讨了氢键强度的影响因素，实现了物理学和化学的学科融合。在驱动性问题的解决过程中，学生不仅发现了分子间作用力与化学键之间存在过渡，对一些非常规氢键（如双氢键和π型氢键等）的存在也提出了自己的见解，这促使学生用静电作用统摄“氢键-分子间作用力-化学键-微粒间的相互作用”这一系列概念，促进了认知的结构化。在氢键概念模型的形成与完善过程中，学生有效解决了学科内、模块间的相关问题，不仅夯实了基础更挖掘了概念内涵，理解了氢键在生活中、对生命体的重要作用，提高了学习兴趣，为今后的学习研究奠定了基础。

5.2 教学展望

学生通过思考、讨论、探究等方式解决了驱动性问题，避免了认知的浅层化，但如果这节课能让学生走出教室走进生活，亲身感受非牛顿流体的制备，探索符合要求的非牛顿流体的制作条件，将更有助于学生对吸水性材料结构特点的理解，加深他们对化学学习的兴趣。另外，在“物质结构与性质”和“有机化学基础”模块中都渗透有红外光谱的原理与应用，而氢键的形成也会影响光谱的谱带强度和位置，故教学中不妨也可对这些影响进行探讨，可以更好地帮助学生理解氢键以及微粒间的相互作用。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］陈丽芬， 杨发福. 融合民间小吃的化学教学案例开发——以“探秘绿豆凉粉中的氢键”为例［J］. 化学教与学， 2023， （16）： 38～42.

［3］黄丽琴， 李根薰. 融合真实问题情境的高三深度复习教学——以“氢键的再认知”为例［J］. 中小学教学研究， 2022， 23（3）： 62～69.

［4］熊建文. 普通高中教科书·物理选择性必修第三册［M］. 广州： 广东教育出版社， 2020： 10.

［5］西奥多·L. 布朗， H. 尤金·勒梅， 布鲁斯·E. 巴斯滕等. 化学： 中心科学化学平衡篇（翻译版·原书第14版）［M］. 北京： 机械工业出版社， 2021： 54.

［6］人民教育出版社， 课程教材研究所， 化学课程教材研究开发中心. 普通高中教科书·物质结构与性质［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 58.

［7］徐光宪， 王祥云. 物质结构（第2版）［M］. 北京： 科学出版社， 2010： 693.

［8］周公度， 段连运. 结构化学基础（第5版）［M］. 北京： 北京大学出版社， 2020： 343.

［9］周公度. 结构和物性——化学原理的应用（第三版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2009： 42～43.

［10］傅献彩， 沈文霞， 姚天扬等. 物理化学（第五版）（下册）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2006： 22.

［11］黎占亭， 张丹维. 分子识别与自组装［M］. 北京： 化学工业出版社， 2022： 9～13.

［12］邢其毅， 裴伟伟， 徐瑞秋等. 基础有机化学（第4版）（下册）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2017： 968.