鄭敏

摘要：新課程倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)真實問題情境，促進素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)。在進行“氫鍵與物質(zhì)的性質(zhì)”的教學(xué)實踐中，選取最熟悉的水為素材，將概念知識、實驗探究、模型應(yīng)用等通過“4MAT”問題驅(qū)動融合成以“冰為什么浮在水面上”為主題的微項目學(xué)習(xí)，培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);微項目：4MAT;問題驅(qū)動

文章編號：1008-0546（2020）04-0021-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.005

一、以素養(yǎng)發(fā)展為目標的微項目教學(xué)

普通高中化學(xué)課程標準（2017版）提出，重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力[1]。一線教師從關(guān)注“知識講授、技能灌輸”的教學(xué)過程，轉(zhuǎn)變到關(guān)注學(xué)生“探究原理、構(gòu)建觀念”的思維過程和素養(yǎng)發(fā)展。采用“項目式學(xué)習(xí)”成為了老師們實施教學(xué)的一種有效途徑。發(fā)現(xiàn)并嘗試解決生活中的實際問題，研究具體的任務(wù)活動，完成相關(guān)主題單元的教學(xué)，達成知識構(gòu)建與學(xué)科能力提升的目標。

“項目式學(xué)習(xí)”對學(xué)生的思維能力具備一定的要求。教學(xué)中可依據(jù)課型、學(xué)情及所要達成的目標，開展“微項目學(xué)習(xí)”。筆者常常在備課中思考：一是確定通過什么樣的主題來提升、發(fā)展學(xué)生的素養(yǎng);二是如何幫助學(xué)生經(jīng)歷知識的建構(gòu)過程，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體;三是設(shè)計哪些問題情境，驅(qū)動學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科能力。

二、問題驅(qū)動教學(xué)模式

開展“微項目學(xué)習(xí)”，核心策略是真實情境下的問題驅(qū)動。為學(xué)生提供層層深入的問題情境，維持積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，使每位學(xué)生都能根據(jù)自己的理解主動參與思考、探究。因此，問題驅(qū)動必須要遵循人類學(xué)習(xí)的認知過程。美國學(xué)者麥克卡錫借鑒教育學(xué)、心理學(xué)、腦科學(xué)提出了“4MAT”教學(xué)模式（自然學(xué)習(xí)模式），根據(jù)人們處理信息的方式將學(xué)習(xí)的過程主要分為了四個部分：Why？（為什么），What？（是什么），How？（如何用），What if？（又能如何用）2I。由具體經(jīng)驗引發(fā)思考觀察、抽象概括、主動實踐，每一步驟學(xué)生都會遇到挑戰(zhàn)并被要求付出努力以獲取有價值的知識。

“4MAT”開展問題驅(qū)動的教學(xué)模式，可以展示學(xué)生對一個概念的理解應(yīng)用過程，體現(xiàn)了以學(xué)為主的思想。結(jié)合王磊教授的文章《化學(xué)學(xué)科能力及其表現(xiàn)研究》中所提出的學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實踐、遷移創(chuàng)新的能力要素[3]，筆者以化學(xué)概念原理知識為主題，思考形成“4MAT”的問題驅(qū)動教學(xué)模式（圖1）。在問題驅(qū)動的學(xué)習(xí)方式中，實現(xiàn)知識與能力的融合，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。綜合以上思考，筆者執(zhí)教的課例“氫鍵與物質(zhì)的性質(zhì)”獲廈門市基礎(chǔ)教育課堂教學(xué)改革創(chuàng)新大賽一等獎?，F(xiàn)結(jié)合課例談?wù)劷虒W(xué)實踐中的做法，以期得到反思和啟示。

三、微項目教學(xué)實踐

現(xiàn)行高中化學(xué)教科書《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》（選修3）中關(guān)于“氫鍵與物質(zhì)的性質(zhì)”的教學(xué)內(nèi)容，重點是理解氫鍵的本質(zhì)，并能解釋氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響。此前學(xué)生掌握化學(xué)鍵、范德華力等各種作用力的概念、本質(zhì)及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響，為學(xué)習(xí)氫鍵奠定了知識和方法層面的基礎(chǔ)。但往年的經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對氫鍵的問題易存在迷思問題。具體為：（l）認為氫鍵是一種特殊化學(xué)鍵;（2）有氫原子就能形成氫鍵;（3）水在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)時均有氫鍵存在;（4）氫鍵的強弱不同于共價鍵、離子鍵，但不知如何比較。究其原因是知識在傳授中只關(guān)注概念的講解和運用，而沒有遵循學(xué)生的認知過程，造成理解不深刻，遇到真實復(fù)雜問題就無從下手。

為此，筆者選取學(xué)生最熟悉的物質(zhì)“水”，將概念知識、能力發(fā)展、實驗探究通過問題驅(qū)動融合成以“冰為什么浮在水面上”為主題的微項目學(xué)習(xí)，開展“4MAT”的問題驅(qū)動教學(xué)促素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)實踐。從宏觀到微觀、定性到定量的角度，幫助學(xué)生理清氫鍵的本質(zhì)及形成條件，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

1.教學(xué)目標

（1）通過比較和分析H²O、H²S、H²Se、H²Te的范德華力和沸點的大小，了解水分子間存在一種特殊的作用力一氫鍵。發(fā)展學(xué)生分析數(shù)據(jù)從中尋找充分證據(jù)并解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系的能力。

（2）通過手持技術(shù)實驗探究分子間作用力的大小，引導(dǎo)分析物質(zhì)狀態(tài)變化過程伴隨發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。加深對氫鍵本質(zhì)的理解，知道氫鍵形成的條件及強弱的影響因素。發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的素養(yǎng)。

（3）通過氫鍵球棍模型的搭建等探究活動，構(gòu)建氫鍵結(jié)構(gòu)的認知模型，并能運用模型解釋氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響。發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認知的素養(yǎng)。

2.教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖2所示。

3.教學(xué)實施

[教學(xué)環(huán)節(jié)1]創(chuàng)設(shè)情境、推論預(yù)測

情境導(dǎo)入：在遙遠的兩極，固態(tài)水以冰川形態(tài)浮在水面上，保留下層熱量，使水中生物在寒冷的冬季得以生存。冰為什么會浮在水面上？同學(xué)們有沒有相關(guān)想法或生活經(jīng)驗？

學(xué)生聯(lián)想：把一瓶水放入冰箱，可能會將容器撐破。溫度降低，引起水的體積增大。

問題啟發(fā)：根據(jù)所學(xué)知識，物質(zhì)由液態(tài)變成固態(tài)通常是微粒間距離更緊密，體積會變小。

水結(jié)成冰為什么會出現(xiàn)體積增大的反?，F(xiàn)象？雪花為什么是六邊形的？

學(xué)生猜想：降低溫度時，可能是有分子間作用力的存在使得水分子間按照一定規(guī)則排列，形成體積更大的冰。

設(shè)計意圖及診斷評價：從生活中的例子切入，出現(xiàn)認知沖突。引發(fā)學(xué)生的興趣和思考，提出猜想。診斷并發(fā)展學(xué)生認識物質(zhì)行為的水平（宏觀水平、微觀水平）。

[教學(xué)環(huán)節(jié)2]辨識記憶、概括關(guān)聯(lián)

素材分析：對比IVA族、VIA族的元素氫化物的沸點曲線圖（圖3），已知水的范德華力是16.4kj/mol，硫化氫的范德華力是21.14kj/mol。結(jié)合以上信息，從宏微結(jié)合的角度辨識水分子間存在的是什么作用力呢？

學(xué)生討論：依據(jù)范德華力規(guī)律，IVA、VIA族元素的氫化物結(jié)構(gòu)相似，水的沸點應(yīng)該低于硫化氫的沸點。水的沸點的反常，說明水分子間存在著不同于范德華力的一種特殊作用力。

問題啟發(fā)：該作用力影響了水的沸點，還影響了水結(jié)成冰過程中的體積變化。聯(lián)想微粒間作用力的強度、方向性、飽和性等知識，思考該作用力可能具有的特征？

學(xué)生主張：水的沸點升高，推測該作用力的強度可能大于范德華力。水結(jié)成冰的體積增大，推測該作用力可能具有一定的方向性。

設(shè)計意圖及診斷評價：分析圖表數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)所學(xué)的范德華力知識，對水的沸點反常、體積變化的反常展開激烈的討論。在宏觀辨識與微觀探析中，尋找數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的證據(jù)，提出主張，診斷并發(fā)展學(xué)生探究物質(zhì)行為的證據(jù)意識。

[教學(xué)環(huán)節(jié)3]說明論證、系統(tǒng)探究

問題啟發(fā)：經(jīng)過數(shù)據(jù)計算，人們發(fā)現(xiàn)水分子間的范德華力（16.4kj/mol）大約只占冰中水分子間作用力測定值的1/6。水分子間另一種特殊的作用力是氫鍵，增強了分子間的相互吸引。以水分子的結(jié)構(gòu)為例（圖4），分析氫鍵的本質(zhì)是什么，是否具有方向性？

學(xué)生實證1：由于氫、氧原子的電負性差異，一個水分子結(jié)構(gòu)中帶部分正電荷的氫原子和另一個水分子中帶部分負電荷的氧原子充分接近時，產(chǎn)生的靜電作用。

學(xué)生實證2：利用球棍模型搭建水分子間的氫鍵，每個水分子最多可與四個水分子形成四個氫鍵。說明氫鍵具有方向性和飽和性。

追問思考：氫鍵的本質(zhì)是靜電作用且有一定程度的軌道重疊，通常用X-H-Y表示，那么是不是含有H原子的分子就能形成氫鍵？氫鍵的形成條件有哪些？

實驗探究：為解決這一問題，選擇含有氫原子的乙醇、正戊烷為研究對象。利用手持技術(shù)開展實驗，使用溫度傳感器記錄相同條件下乙醇、正戊烷揮發(fā)過程中的溫度變化，表征分子間作用力的大小（圖5[4]。

學(xué)生實證3：由實驗可知，相同條件下的揮發(fā)過程中，乙醇溫度下降的幅度比正戊烷?。▓D6）。溫度下降的幅度表征了分子間作用力的大小，說明乙醇分子間除了范德華力外還存在氫鍵。證實O-H可形成氫鍵，C-H難形成氫鍵。X-H-Y結(jié)構(gòu)中，X原子、Y原子有較強電負性，易形成氫鍵。

構(gòu)建模型：“氫鍵”這一靜電作用的形成條件是：①具備高正電性的H原子;②X原子、Y原子有較強電負性且半徑很?。ㄖ饕侵芷诒碛疑辖堑腘、0、F原子）。X原子、Y原子電負性越大，氫鍵越強?？梢罁?jù)氫鍵本質(zhì)判斷NH³、H²0、HF分子間氫鍵的強弱。

設(shè)計意圖及診斷評價：利用作用力數(shù)據(jù)、手持技術(shù)實驗、曲線表征等多角度的證據(jù)，通過推理、論證等方法認識氫鍵的本質(zhì)特征、形成條件、強弱因素，建立氫鍵的認知模型。診斷學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認識水平，能從定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”的核心素養(yǎng)。

[教學(xué)環(huán)節(jié)4]復(fù)雜推理、遷移應(yīng)用

情境應(yīng)用：氫鍵是如何影響水的性質(zhì)，運用氫鍵模型解釋冰為什么浮在水面上？

學(xué)生解釋：水結(jié)成冰時，由于氫鍵的方向性、飽和性，水分子間能最大程度形成氫鍵。使得冰晶體的微觀空間存在空隙，體積膨脹，密度減小，因此冰能浮在水面上。

追問思考：以一定質(zhì)量的水為例，解釋不同溫度下水的體積、密度變化（表1）？

學(xué)生推理l：溫度升高，一定質(zhì)量的冰融化成水時，破壞了部分的氫鍵結(jié)構(gòu)，體積變小、使水的密度有增大的傾向。

學(xué)生推理2：溫度升高，水分子的熱運動增大了微粒間距離，體積變大，使水的密度有減小的傾向。

學(xué)生推理3：水的密度隨體積、微粒間距離而變。在O℃ -4℃時，氫鍵的存在是影響體積的主要因素，水的密度達到最大。4℃后，水分子距離是影響體積的主要因素，水的密度變小。

拓展：氫鍵是一種特殊的分子間作用力，也可以存在于分子內(nèi)部的原子團之間。氫鍵可用于解釋物質(zhì)的熔沸點、電離、溶解性等物理性質(zhì)。在通常情況下，水在lOO℃沸騰，但要加熱到lOOO℃才會有部分分解。一般規(guī)律下，氫鍵的作用力遠小于共價鍵且大于范德華力，穩(wěn)定性強的水分子為一切生命提供了生存資源。

設(shè)計意圖及診斷評價：回歸真實情境，理解氫鍵對水的性質(zhì)的影響，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，提升運用氫鍵模型解釋化學(xué)現(xiàn)象的能力。診斷學(xué)生對物質(zhì)宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的辯證關(guān)系的認識水平，培養(yǎng)從科學(xué)數(shù)據(jù)分析推論的務(wù)實科學(xué)態(tài)度。

四、即時測評及反饋

課后，筆者對授課班級進行紙筆測試，收回有效答卷46份，題目與數(shù)據(jù)如下（表2）。

數(shù)據(jù)表明，學(xué)生對于氫鍵的概念及形成條件掌握程度較好，知道氫鍵對水的性質(zhì)的影響。第1題，有1/3同學(xué)不能理解溶解性與氫鍵的關(guān)系。第2題，D選項占比80.4%，說明大多數(shù)學(xué)生能在復(fù)雜情境中，對比分析、判斷氫化物沸點大小。第3題，考查氫鍵的存在方式及對物質(zhì)性質(zhì)影響的表述，B選項、C選項各占比6.5%，說明部分學(xué)生對于氫鍵知識還需提高辨識記憶、概括關(guān)聯(lián)的概念理解能力，才能更好的遷移應(yīng)用。課堂后測即時評價學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中知識的獲取與應(yīng)用水平，有效檢測微項目學(xué)習(xí)效果。

五、反思與啟示

化學(xué)是源于實驗探究的一門科學(xué)。以“冰為什么浮在水面上”為微項目主題，開展“4MAT”的問題驅(qū)動教學(xué)模式，探究氫鍵的概念和應(yīng)用。利用數(shù)字化實驗的溫度傳感器記錄相同條件下乙醇、正戊烷的揮發(fā)過程中的溫度變化，生成數(shù)據(jù)曲線。把抽象的分子間作用力通過溫度曲線直觀化，并證實了氫鍵對物質(zhì)沸點的影響。通過情境分析、創(chuàng)新實驗、構(gòu)建模型，在實踐中發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)，體會學(xué)以致用的過程。

對于一些抽象的、難理解的知識通過科學(xué)探究具象化的呈現(xiàn)給學(xué)生，開展基于教材、源于生活的微項目學(xué)習(xí)。為達成知識、能力、素養(yǎng)提升的目標，在教學(xué)中需要設(shè)計好Why（為什么）、What（是什么）的知識問題鏈，選擇合適的具體情境引發(fā)思考觀察，讓學(xué)生探究概念模型的構(gòu)建。需要優(yōu)選How（如何用）、What if（又能如何用）的素材問題鏈，搭建實踐、拓展的平臺，讓學(xué)生深化概念模型的運用。

想要落實學(xué)科核心素養(yǎng)，高中化學(xué)課堂教學(xué)必須有所創(chuàng)新，例如轉(zhuǎn)變課堂教學(xué)理念、結(jié)合傳統(tǒng)與現(xiàn)代實驗技術(shù)、思維發(fā)展與觀念構(gòu)建等方面。以實驗創(chuàng)新、視頻演示、學(xué)案導(dǎo)學(xué)、智慧課堂等多元策略實施微項目學(xué)習(xí)，將化學(xué)知識的本源性輸入轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)化輸出，實現(xiàn)學(xué)科育人價值。

參考文獻

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