史艷茹 張賢金
【摘要】核心素養(yǎng)的培育是當(dāng)前我國(guó)深化課程改革和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵所在,證據(jù)推理是培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑。文章以“氫鍵的形成”教學(xué)實(shí)踐為例,基于證據(jù)推理,通過對(duì)其內(nèi)涵進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析,并結(jié)合實(shí)際教學(xué)中各內(nèi)涵的表現(xiàn)形式及目標(biāo)指向,采取多種教學(xué)方式,逐漸建構(gòu)起對(duì)氫鍵的全方位理解,提高學(xué)生的證據(jù)推理能力,促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提升。
【關(guān)鍵詞】氫鍵的形成;證據(jù)推理;核心素養(yǎng)
證據(jù)推理意識(shí)指學(xué)生在高中化學(xué)學(xué)習(xí)過程中,對(duì)證據(jù)作用和價(jià)值的一種自覺和了解的心理狀態(tài),要求學(xué)生能敏銳且快速地提取、保存和運(yùn)用證據(jù),通過對(duì)物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律進(jìn)行假設(shè)、分析推理、證實(shí)或證偽,從而得出結(jié)論。證據(jù)推理,也就是由果溯因,結(jié)合證據(jù)事實(shí)得出某種規(guī)律,實(shí)現(xiàn)由一般到特殊的演繹推理。教師要以化學(xué)核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,從關(guān)注知識(shí)學(xué)習(xí)到關(guān)注學(xué)生素養(yǎng)的提升,將證據(jù)推理融入課堂,激發(fā)學(xué)生的邏輯思維,實(shí)現(xiàn)課堂的高效性。本文以蘇教版高中化學(xué)選修3的專題3第四單元第二課時(shí)“氫鍵的形成”教學(xué)實(shí)踐為例,探討學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)的培養(yǎng)方法。
一、證據(jù)推理的內(nèi)涵
證據(jù)推理是認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的重要方法,指基于信息(證據(jù)),提出假設(shè),通過邏輯推理的方法形成科學(xué)觀點(diǎn),進(jìn)一步認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征,從而深入理解研究對(duì)象內(nèi)部之間的聯(lián)系,促進(jìn)學(xué)生形成明確的思路和方法。
證據(jù)推理是化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分,是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)重要的思維方法。縱觀化學(xué)史,化學(xué)科學(xué)中許多理論的建立和原理的發(fā)現(xiàn),都是建立在對(duì)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析比較、歸納概括的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的?;瘜W(xué)教學(xué)過程主要是通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理的。對(duì)于高中學(xué)生而言,實(shí)驗(yàn)事實(shí)主要包括課堂實(shí)驗(yàn)所得的直接經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)家實(shí)驗(yàn)所留下的間接經(jīng)驗(yàn)。此外,既成的化學(xué)概念以及化學(xué)理論也可作為證據(jù)?;诨瘜W(xué)學(xué)科的證據(jù)推理,學(xué)生可從科學(xué)的思維方法中,探究化學(xué)原理,培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。
例如,2019年全國(guó)高考理綜Ⅱ卷第35題有這么一個(gè)問題:元素As與N同族,預(yù)測(cè)As的氫化物沸點(diǎn)比NH3的沸點(diǎn)高還是低,并說明判斷理由。此題涉及的是氫鍵和范德華力相互影響的問題,需要比較的是AsH3與NH3的沸點(diǎn)。需要注意的是,兩個(gè)物質(zhì)之間還隔著一個(gè)PH3。對(duì)于同主族元素的一類物質(zhì),其范德華力一般隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大,從這個(gè)角度看,同主族元素的氫化物的熔沸點(diǎn)會(huì)依次升高,因此有AsH3>PH3。但是從氫鍵的角度看,又有NH3>PH3。參照物都是PH3.那么究竟是NH3的沸點(diǎn)高,還是AsH3的沸點(diǎn)高呢?這樣,此題就有了一定的難度。這恐怕不是一個(gè)邏輯學(xué)所能解決的問題。這道題給氫鍵知識(shí)的教學(xué)帶來了一種新觀點(diǎn),也是一個(gè)新挑戰(zhàn)。如果教師在平時(shí)的教學(xué)中,有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí),那么解決這一問題,學(xué)生也會(huì)得心應(yīng)手。
二、教材分析,凸顯證據(jù)推理思維
從知識(shí)之間的聯(lián)系來看,分子間作用力包含了范德華力和氫鍵。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出,學(xué)生要懂得分子間存在相互作用,知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力,了解分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵在自然界中廣泛存在及其重要作用。要認(rèn)識(shí)這些抽象的知識(shí),需要借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的直觀現(xiàn)象和獲得的數(shù)據(jù),經(jīng)過分析推理才能達(dá)成。
蘇教版教科書在“氫鍵的形成”中,首先通過圖示比較ⅣA、ⅥA族元素的氫化物沸點(diǎn)變化規(guī)律的差異,突出H2O沸點(diǎn)的“反常”情況,接著引導(dǎo)學(xué)生對(duì)H2O沸點(diǎn)“反?!边@一原因進(jìn)行分析,讓學(xué)生明白氫鍵形成的條件,并理解氫鍵與范德華力的不同,知道氫鍵的特點(diǎn)及其對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。針對(duì)氫鍵的類型,蘇教版教科書中設(shè)計(jì)了“交流與討論”模塊,列舉說明鄰羥基苯甲醛和對(duì)羥基苯甲醛熔點(diǎn)的差異,并以問題的形式探究其中的原因,讓學(xué)生了解氫鍵可分為分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵兩種,最后分析了這兩種類型的氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)影響較大,效果相反。
筆者經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),大部分教師會(huì)按照教材的思路進(jìn)行氫鍵的教學(xué),但是,就像前面分析判斷AsH3與NH3沸點(diǎn)大小的問題所述,解決這一問題還需要拓展學(xué)生對(duì)氫鍵概念的認(rèn)識(shí)。
三、“氫鍵的形成”教學(xué)實(shí)踐策略
所謂教學(xué)策略,就是為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)教學(xué)目標(biāo),教師在教學(xué)過程中所采取的一定教學(xué)手段、教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì),即要解決教師怎么教,學(xué)生怎么學(xué)的問題。因此,在教學(xué)策略的設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇最能凸顯核心素養(yǎng)的教學(xué)方式。在充分考慮本節(jié)課的知識(shí)與技能目標(biāo)基礎(chǔ)上,本文采取以問題為主的教學(xué)策略。
(一)數(shù)據(jù)圖表展示,運(yùn)用比較邏輯,建立對(duì)氫鍵的初概念
對(duì)于組成和結(jié)構(gòu)相似的分子,其相對(duì)分子質(zhì)量越大,范德華力越大,熔沸點(diǎn)越高,這一規(guī)律可能有適用范圍,可能存在一種不同于范德華力的特殊的作用力。這一問題提出后,學(xué)生無法形成直觀感受,因此產(chǎn)生認(rèn)識(shí)誤區(qū),容易混淆氫鍵與化學(xué)鍵的概念。
實(shí)際教學(xué)中,根據(jù)已學(xué)知識(shí)推導(dǎo)同主族非金屬氫化物熔、沸點(diǎn)的大小關(guān)系。首先,教師展示ⅣA、ⅥA族元素氫化物的沸點(diǎn)(見表1)。然后,學(xué)生以中心原子所在的周期為橫坐標(biāo),沸點(diǎn)為縱坐標(biāo)繪出曲線圖(如圖1),并說出圖表中同主族氫化物沸點(diǎn)變化的規(guī)律,分析反常原因。最后,學(xué)生要結(jié)合教材給出的概念,思考形成氫鍵的條件,并分小組討論,歸納總結(jié)。
【設(shè)計(jì)意圖】通過分析不同主族氫化物的沸點(diǎn)變化規(guī)律和反?,F(xiàn)象,讓學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑、矛盾,進(jìn)行思維碰撞,從而激發(fā)學(xué)生的求知欲。教學(xué)中,教師讓學(xué)生根據(jù)物質(zhì)的狀態(tài)和物理性質(zhì)的差異,抓住氫鍵是靜電力這一本質(zhì)特征,展開對(duì)氫鍵形成條件的分析,并寫出其表達(dá)方式。學(xué)生通過獨(dú)立思考、合作探究,建立對(duì)氫鍵的初概念。
(二)創(chuàng)設(shè)情境,不斷提出問題,營(yíng)造探索氛圍
氫鍵影響的是物質(zhì)的物理性質(zhì),其涵蓋熔沸點(diǎn)、溶解度、粘度、硬度、比熱容等。參與生活實(shí)踐是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié),是知識(shí)的延伸與升華?;瘜W(xué)來源于生活,又服務(wù)于生活,氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響,在生活中隨處可見。教師如果將這些紛繁復(fù)雜的內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合,與生活相聯(lián)系,讓學(xué)生易于掌握,不失為一個(gè)妙招。
教學(xué)中,教師可以結(jié)合生活中的例子進(jìn)行講解。如冬天低溫時(shí)冰浮在水面上,保證了水中生物的生存環(huán)境;DNA中含有氫鍵,保證了DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,確保遺傳信息穩(wěn)定;羊毛制品水洗后易變形等都是氫鍵的造化。同時(shí)增加學(xué)生實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親自動(dòng)手,加強(qiáng)理解。如讓學(xué)生用量筒各量取5mL水和乙醇,相互混合,記下混合后溶液的體積,發(fā)現(xiàn)小于10mL。分析體積減小的原因,從而引出異分子間氫鍵。另外,解釋氨氣易溶于水,硝酸易揮發(fā),醋酸易結(jié)冰的原因,由此引出氫鍵的不同類型,明確它們對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響正好相反。最后,從生活回歸課堂,側(cè)面調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
【設(shè)計(jì)意圖】教學(xué)過程中通過創(chuàng)設(shè)情境,營(yíng)造探究意識(shí),豐富感性認(rèn)識(shí),提升理性思考,引導(dǎo)學(xué)生通過理性思維解決化學(xué)問題。
(三)數(shù)據(jù)分析,引入對(duì)比實(shí)驗(yàn),突破認(rèn)知障礙
對(duì)于氫鍵形成的條件,學(xué)生往往能夠很快總結(jié)出氫原子兩邊的原子必須是強(qiáng)電負(fù)性原子,能從H2O沸點(diǎn)“反常”這種宏觀現(xiàn)象過渡到微觀探究。但是要從更本質(zhì)的原因著手就存在困難,如對(duì)靜電力的產(chǎn)生認(rèn)識(shí)模糊,不知道氫鍵這種作用力的大小應(yīng)該怎么鑒定等。
教師可以應(yīng)用“先行組織者”的策略,采取啟發(fā)式教學(xué)方式,通過合適的材料對(duì)氫鍵知識(shí)埋下伏筆,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新舊知識(shí)進(jìn)行無縫銜接,達(dá)到對(duì)新知識(shí)的消化和吸收。教學(xué)過程中,以資料卡的形式呈現(xiàn)某些氫鍵的鍵能和鍵長(zhǎng)(見表2)。通過演示對(duì)比實(shí)驗(yàn),在一塊無色玻璃片的三個(gè)位置上分別滴上一滴水、花生油和甘油。學(xué)生一邊觀察,一邊思考,并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過分析數(shù)據(jù),做對(duì)比實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生感受分子間作用力的強(qiáng)弱。同時(shí)提出新問題讓學(xué)生思考,如為什么水分子常溫下呈液態(tài),而HF常溫下為氣體;為什么磷酸的沸點(diǎn)比硫酸的沸點(diǎn)高等。
【設(shè)計(jì)意圖】通過實(shí)驗(yàn),將抽象的氫鍵知識(shí)具體化,學(xué)生可從液滴形狀的差異感知微粒間作用力的大小,從而比較分子間作用力的強(qiáng)弱,并感受化學(xué)實(shí)驗(yàn)的無窮魅力。教學(xué)過程中從本質(zhì)上揭示氫鍵強(qiáng)弱的原因,電負(fù)性越大氫鍵越強(qiáng)。另外,要從氫鍵類型和氫鍵數(shù)目上做整體分析,不要單一化,以防犯片面性錯(cuò)誤。通過對(duì)比鍵能數(shù)據(jù),讓學(xué)生明白氫鍵和化學(xué)鍵的不同,幫助學(xué)生形成有關(guān)物質(zhì)構(gòu)成的科學(xué)觀念。
(四)大膽猜想,小心求證,問題迎刃而解
在無機(jī)化學(xué)教學(xué)過程中,對(duì)比氫鍵對(duì)熔沸點(diǎn)的影響通常限于HF與HCl、H2O與H2S、NH3與PH3這幾種第二、第三周期元素間的討論。結(jié)合本文開始提出的問題,由于參照物都是PH3.那么究竟是NH3的沸點(diǎn)高,還是AsH3的沸點(diǎn)高呢?在學(xué)生的固有觀念中,氫鍵的大小比范德華力強(qiáng)一些,比化學(xué)鍵要弱很多。但這是絕對(duì)的嗎?要解決這個(gè)問題,需要進(jìn)行知識(shí)的延伸和拓展,如擴(kuò)展到第四、第五周期,這需要教師有充分的準(zhǔn)備才能實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際教學(xué)過程中,教師先展示V A族氫化物的沸點(diǎn)(見表3),分析比較NH3、AsH3、SbH3的沸點(diǎn)。學(xué)生能從數(shù)據(jù)中很容易得出結(jié)論。此時(shí),需要在教學(xué)中大膽地猜想:氫鍵造成的影響范圍要到哪里才不如范德華力的遞增值?再給出ⅦA族氫化物的熔點(diǎn)(見表4)。由表4可以看出,如果將HF與HCl的比較擴(kuò)展到與HBr,那就要十分小心了(兩者的熔點(diǎn)只有4之差);如果擴(kuò)展到與HI,那就完全是范德華力占主導(dǎo)地位。通過分析,得出結(jié)論:當(dāng)分子的相對(duì)分子質(zhì)量較小時(shí),范德華力較弱,氫鍵占主導(dǎo)地位;反之,相對(duì)分子質(zhì)量越大范德華力越強(qiáng),氫鍵居于次要地位。由此,問題迎刃而解。
【設(shè)計(jì)意圖】教學(xué)中抓住學(xué)生的認(rèn)知障礙點(diǎn),不受現(xiàn)成的常規(guī)思路約束,尋求對(duì)問題全新的解答,培養(yǎng)學(xué)生解決矛盾沖突的能力,讓學(xué)生遇到問題時(shí),懂得多角度、多層次去尋找答案,同時(shí)有批判性思維,懂得用科學(xué)的思維方式解決問題。
四、小結(jié)
本文從證據(jù)推理的角度出發(fā),以“氫鍵的形成”教學(xué)實(shí)踐為例,運(yùn)用數(shù)據(jù)圖表引領(lǐng)學(xué)生大膽質(zhì)疑、敢于猜想、激發(fā)思考,讓學(xué)生在認(rèn)知沖突中不斷發(fā)展,培養(yǎng)學(xué)生從感性思維到理性思維的升華,并建立起證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系??傮w而言,基于證據(jù)推理的化學(xué)教學(xué)首先要注重化學(xué)知識(shí)素材的積累,拓寬證據(jù)推理的廣度。因?yàn)椴牧显截S富,學(xué)生就越能夠通過多種途徑,尋找多種類型的證據(jù),從而建立起證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系。其次,要貫徹探究學(xué)習(xí),在教學(xué)中不斷提出問題,引領(lǐng)學(xué)生思考探究。最后,教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)舉一反三,強(qiáng)化證據(jù)推理的思維方法。這樣學(xué)生才能對(duì)知識(shí)的來龍去脈了解透徹,對(duì)于化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)從依靠記憶轉(zhuǎn)為依靠理解。長(zhǎng)此以往,學(xué)生才能逐漸形成科學(xué)的化學(xué)學(xué)習(xí)方法,提升化學(xué)核心素養(yǎng)。