鄭敏

摘要：新課程倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)。在進(jìn)行“氫鍵與物質(zhì)的性質(zhì)”的教學(xué)實(shí)踐中，選取最熟悉的水為素材，將概念知識、實(shí)驗(yàn)探究、模型應(yīng)用等通過“4MAT”問題驅(qū)動(dòng)融合成以“冰為什么浮在水面上”為主題的微項(xiàng)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(xiàng)目：4MAT;問題驅(qū)動(dòng)

文章編號：1008-0546（2020）04-0021-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.005

一、以素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo)的微項(xiàng)目教學(xué)

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）提出，重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)”成為了老師們實(shí)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(shí)際問題，研究具體的任務(wù)活動(dòng)，完成相關(guān)主題單元的教學(xué)，達(dá)成知識構(gòu)建與學(xué)科能力提升的目標(biāo)。

“項(xiàng)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(dá)成的目標(biāo)，開展“微項(xiàng)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(jì)哪些問題情境，驅(qū)動(dòng)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(dòng)教學(xué)模式

開展“微項(xiàng)目學(xué)習(xí)”，核心策略是真實(shí)情境下的問題驅(qū)動(dòng)。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(dòng)參與思考、探究。因此，問題驅(qū)動(dòng)必須要遵循人類學(xué)習(xí)的認(rèn)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(gè)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(yàn)引發(fā)思考觀察、抽象概括、主動(dòng)實(shí)踐，每一步驟學(xué)生都會(huì)遇到挑戰(zhàn)并被要求付出努力以獲取有價(jià)值的知識。

“4MAT”開展問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，可以展示學(xué)生對一個(gè)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(shí)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(dòng)教學(xué)模式（圖1）。在問題驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方式中，實(shí)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(jiǎng)?，F(xiàn)結(jié)合課例談?wù)劷虒W(xué)實(shí)踐中的做法，以期得到反思和啟示。

三、微項(xiàng)目教學(xué)實(shí)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(diǎn)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(yàn)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(rèn)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(shí)均有氫鍵存在;（4）氫鍵的強(qiáng)弱不同于共價(jià)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(yùn)用，而沒有遵循學(xué)生的認(rèn)知過程，造成理解不深刻，遇到真實(shí)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(shí)驗(yàn)探究通過問題驅(qū)動(dòng)融合成以“冰為什么浮在水面上”為主題的微項(xiàng)目學(xué)習(xí)，開展“4MAT”的問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)促素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)實(shí)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(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過比較和分析H²O、H²S、H²Se、H²Te的范德華力和沸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dòng)，構(gòu)建氫鍵結(jié)構(gòu)的認(rèn)知模型，并能運(yùn)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(rèn)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(shí)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(yuǎn)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(huì)浮在水面上？同學(xué)們有沒有相關(guān)想法或生活經(jīng)驗(yàn)？

學(xué)生聯(lián)想：把一瓶水放入冰箱，可能會(huì)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(huì)變小。

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

學(xué)生猜想：降低溫度時(shí)，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(jì)意圖及診斷評價(jià)：從生活中的例子切入，出現(xiàn)認(rèn)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(rèn)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(diǎn)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(diǎn)應(yīng)該低于硫化氫的沸點(diǎn)。水的沸點(diǎn)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(diǎn)，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(qiáng)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(diǎn)升高，推測該作用力的強(qiáng)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(jì)意圖及診斷評價(jià)：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(diǎn)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(jì)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(qiáng)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(shí)證1：由于氫、氧原子的電負(fù)性差異，一個(gè)水分子結(jié)構(gòu)中帶部分正電荷的氫原子和另一個(gè)水分子中帶部分負(fù)電荷的氧原子充分接近時(shí)，產(chǎn)生的靜電作用。

學(xué)生實(shí)證2：利用球棍模型搭建水分子間的氫鍵，每個(gè)水分子最多可與四個(gè)水分子形成四個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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?。▓D5[4]。

學(xué)生實(shí)證3：由實(shí)驗(yàn)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(shí)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(qiáng)電負(fù)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(qiáng)電負(fù)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(fù)性越大，氫鍵越強(qiáng)。可依據(jù)氫鍵本質(zhì)判斷NH³、H²0、HF分子間氫鍵的強(qiáng)弱。

設(shè)計(jì)意圖及診斷評價(jià)：利用作用力數(shù)據(jù)、手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)、曲線表征等多角度的證據(jù)，通過推理、論證等方法認(rèn)識氫鍵的本質(zhì)特征、形成條件、強(qiáng)弱因素，建立氫鍵的認(rèn)知模型。診斷學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)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(rèn)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(yùn)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(shí)，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(shí)，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(yùn)動(dòng)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(shí)，氫鍵的存在是影響體積的主要因素，水的密度達(dá)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(tuán)之間。氫鍵可用于解釋物質(zhì)的熔沸點(diǎn)、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(huì)有部分分解。一般規(guī)律下，氫鍵的作用力遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵且大于范德華力，穩(wěn)定性強(qiáng)的水分子為一切生命提供了生存資源。

設(shè)計(jì)意圖及診斷評價(jià)：回歸真實(shí)情境，理解氫鍵對水的性質(zhì)的影響，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，提升運(yùn)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(rèn)識水平，培養(yǎng)從科學(xué)數(shù)據(jù)分析推論的務(wù)實(shí)科學(xué)態(tài)度。

四、即時(shí)測評及反饋

課后，筆者對授課班級進(jìn)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(xiàng)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(diǎn)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(xiàng)、C選項(xiàng)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(shí)評價(jià)學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中知識的獲取與應(yīng)用水平，有效檢測微項(xiàng)目學(xué)習(xí)效果。

五、反思與啟示

化學(xué)是源于實(shí)驗(yàn)探究的一門科學(xué)。以“冰為什么浮在水面上”為微項(xiàng)目主題，開展“4MAT”的問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，探究氫鍵的概念和應(yīng)用。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)了氫鍵對物質(zhì)沸點(diǎn)的影響。通過情境分析、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建模型，在實(shí)踐中發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)，體會(huì)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(xiàng)目學(xué)習(xí)。為達(dá)成知識、能力、素養(yǎng)提升的目標(biāo)，在教學(xué)中需要設(shè)計(jì)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(shí)踐、拓展的平臺，讓學(xué)生深化概念模型的運(yùn)用。

想要落實(shí)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(shí)驗(yàn)技術(shù)、思維發(fā)展與觀念構(gòu)建等方面。以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、視頻演示、學(xué)案導(dǎo)學(xué)、智慧課堂等多元策略實(shí)施微項(xiàng)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(shí)現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值。

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