基于實驗探究與跨學(xué)科視角的教學(xué)設(shè)計

摘要：用易得材料設(shè)計了“紙片翻轉(zhuǎn)”實驗，依據(jù)實驗現(xiàn)象提出了與氫鍵緊密關(guān)聯(lián)的探究性問題，以這些問題為驅(qū)動設(shè)計了教學(xué)過程：“看見”氫鍵和“再識”氫鍵。在跨學(xué)科視角下深入分析了氫鍵對遺傳物質(zhì)的重要意義，以這些分析為基礎(chǔ)設(shè)計了教學(xué)過程：“感悟”氫鍵和“親近”氫鍵。關(guān)鍵詞：實驗探究；跨學(xué)科；氫鍵1問題的提出學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展需要依托具體的教學(xué)內(nèi)容來實現(xiàn)，對于高中化學(xué)教學(xué)內(nèi)容而言，實驗探究與跨學(xué)科視角是促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展的重要方式?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）在教學(xué)評價與建議模塊中，以氫鍵為例說明實驗探究與跨學(xué)科視角的引入對于素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)的積極作用[1]?，F(xiàn)階段有關(guān)氫鍵的實驗探究，大多為手持技術(shù)的應(yīng)用，利用溫度傳感器比較質(zhì)子性溶劑與非質(zhì)子性溶劑的揮發(fā)速率快慢，以此說明質(zhì)子性溶劑分子間氫鍵的存在或大小[2-6]。但手持技術(shù)多為教師演示使用，不易滿足學(xué)生分組實驗的需要，對于硬件設(shè)施相對薄弱的學(xué)?？赡芙處熝菔緦嶒灦驾^難得到保障。有關(guān)氫鍵的跨學(xué)科視角，主要為DNA堿基分子的呈現(xiàn)，利用堿基配對作為情境引出氫鍵[7]或在課后展示堿基分子結(jié)構(gòu)以了解氫鍵在生命體中的廣泛存在[8]。但無論是情境導(dǎo)入還是課后拓展，這些生物學(xué)內(nèi)容大多停留于簡單觀察或了解的程度，缺少化學(xué)學(xué)科視角的深入分析，難以真正體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科價值。本文將針對上述問題，使用易獲取的紙片、鉛筆與有機(jī)溶劑設(shè)計探究實驗，以適應(yīng)學(xué)生分組實驗等教學(xué)場景的需要；同時從化學(xué)學(xué)科的視角深入分析氫鍵對于遺傳的重大意義，來展現(xiàn)化學(xué)理論在生物學(xué)科中的應(yīng)用價值。2教學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)2.1“紙片翻轉(zhuǎn)”實驗筆者通過參考資料[9]并結(jié)合實際情況，設(shè)計了簡易有趣的紙片翻轉(zhuǎn)實驗。（1）實驗原理濾紙主要成分為纖維素，結(jié)構(gòu)如圖1所示，纖維素為葡萄糖聚合而成的多糖，分子長鏈上分布著大量的羥基，因此濾紙面上就分布著大量的羥基。如果將濾紙的某一面用疏水材料（例如石墨）涂抹以覆蓋羥基，另一面不做處理，這樣便可以得到一面親水一面疏水的濾紙。由于羥基與水分子之間形成氫鍵，這樣的濾紙片在非質(zhì)子性有機(jī)溶劑與水的界面之間會出現(xiàn)穩(wěn)定行為——未做處理的親水面朝向水一側(cè)。（2）實驗用品四氯化碳、甲苯、純凈水、玻璃瓶（瓶底直徑約3.5cm）、濾紙、9B鉛筆、剪刀。備注：實驗前需將濾紙一面用鉛筆涂抹，另一面不做處理，并剪碎成邊長為5-10mm的正方形紙片。（3）實驗步驟、現(xiàn)象與結(jié)論實驗結(jié)論無論是密度比水大的四氯化碳（1.594g/cm3）或密度比水小的甲苯（0.872g/cm3），無論如何搖晃，最終淺色一面都朝向水一側(cè)。（4）實驗注意事項有機(jī)溶劑使用應(yīng)注意用量，并且實驗中用到的CCl4、甲苯均可回收以節(jié)約資源，因此需在使用前注意容器內(nèi)壁的潔凈，避免有雜質(zhì)混入影響有機(jī)溶劑的再利用。2.2化學(xué)視角下的遺傳物質(zhì)除新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)外，教材也展示了跨學(xué)科的視角，人教版《生物學(xué)必修2（遺傳與進(jìn)化）》[10]與《化學(xué)選擇性必修2（物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)）》均展示了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)與其中的氫鍵。但前文也提及，要充分體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科價值，不能簡單復(fù)述教材的已有內(nèi)容，需要從化學(xué)學(xué)科的視角深入分析。（1）氫鍵對于遺傳的精準(zhǔn)性意義重大遺傳的精準(zhǔn)性主要依靠堿基的精準(zhǔn)配對實現(xiàn)，學(xué)生已在生物學(xué)中獲悉：一般情況下腺嘌呤（Adenine，A）與胸腺嘧啶（Thymine，T）配對形成兩個氫鍵，鳥嘌呤（Guanine，G）與胞嘧啶（Cytosine，C）配對形成三個氫鍵。對這種精準(zhǔn)性的認(rèn)識可以通過化學(xué)視角加深：根據(jù)氫鍵的形成條件，除A-T、G-C以外的堿基配對方式所形成的氫鍵數(shù)目均小于5，為追求熱力學(xué)的穩(wěn)定性，堿基更傾向于以A-T、G-C的方式配對。因此，氫鍵的形成是堿基精準(zhǔn)配對的重要因素，對遺傳的精準(zhǔn)性有著重大意義。（2）氫鍵對于遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性與遺傳的多樣性意義重大氫鍵的強(qiáng)度一般介于范德華力與化學(xué)鍵之間，這樣一種不大不小的作用力支持著DNA實現(xiàn)其特殊的生理性質(zhì)——DNA需要穩(wěn)定存在，又需要不斷解旋以實現(xiàn)細(xì)胞的增值與分裂，還要為基因突變留有一定空間來延續(xù)物種多樣性。氫鍵能滿足這些要求的原因在于：氫鍵強(qiáng)于范德華力，使DNA有一定穩(wěn)定性而不易無限復(fù)制；氫鍵鍵能又比化學(xué)鍵鍵能小1～2個數(shù)量級，DNA解旋所需的能量不那么高，這在一定程度上減小了細(xì)胞增殖與分裂的能量負(fù)擔(dān)，同時還為堿基的不精準(zhǔn)配對留有了一定的可能性。3實驗探究與跨學(xué)科視角的教學(xué)功能素養(yǎng)導(dǎo)向的實驗探究教學(xué)是知識建構(gòu)的有效方式?！凹埰D(zhuǎn)”實驗現(xiàn)象中蘊(yùn)涵著探究性的問題，在解決問題的過程中學(xué)生可以完成知識的主動建構(gòu)，學(xué)生的證據(jù)推理能力與宏微結(jié)合思想也從中得到一定發(fā)展?？鐚W(xué)科視角的教學(xué)是提升學(xué)科價值認(rèn)識的重要途徑。在化學(xué)視角下對遺傳物質(zhì)的深入分析，可使學(xué)生已建構(gòu)的知識得到應(yīng)用，在應(yīng)用中體會化學(xué)理論的作用并認(rèn)識化學(xué)學(xué)科的重要價值。具體的對應(yīng)關(guān)系見表2和表3。4教學(xué)設(shè)計4.1教材與課標(biāo)分析人教版、蘇教版與魯科版均介紹了氫鍵的形成條件、氫鍵的強(qiáng)弱、氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響以及氫鍵在生物大分子結(jié)構(gòu)中的存在。此外，蘇教版與魯科版還從電負(fù)性出發(fā)解釋了氫鍵形成的本質(zhì)，魯科版還介紹了氫鍵的方向性與飽和性。如何對這些內(nèi)容進(jìn)行取舍？新課標(biāo)對本課時的內(nèi)容要求為：知道氫鍵是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的廣泛存在及重要作用；學(xué)業(yè)要求為：能說明氫鍵對物質(zhì)熔、沸點(diǎn)等性質(zhì)的影響，能列舉含有氫鍵的物質(zhì)及其性質(zhì)特點(diǎn)；對于氫鍵的方向性與飽和性在本課時未做要求[11]。4.2教學(xué)目標(biāo)（1）通過觀察分析紙片在水和有機(jī)溶劑界面間的行為，認(rèn)識到氫鍵的存在，并推斷出氫鍵強(qiáng)于范德華力的一般事實；（2）通過對羥基與水分子結(jié)構(gòu)的分析，從微觀視角理解氫鍵形成的本質(zhì)，同時從實驗現(xiàn)象出發(fā)推斷得出氫鍵的形成條件；（3）認(rèn)識到氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響，能夠基于氫鍵解釋或預(yù)測部分物質(zhì)熔沸點(diǎn)的高低或水溶性的差異；（4）基于化學(xué)視角分析氫鍵對遺傳的重要意義，從而認(rèn)識化學(xué)之于其他學(xué)科的重要價值。4.3學(xué)情分析學(xué)生已知原子、離子等微粒通過化學(xué)鍵進(jìn)行結(jié)合，知道范德華力的存在，基本建立了微粒間相互作用的認(rèn)識模型。同時，學(xué)生已具備結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)基本觀念，并有了一定的證據(jù)推理能力。此外，學(xué)生對于DNA的結(jié)構(gòu)已有所了解，也熟悉紙巾易吸水、硬幣可承載許多水等與氫鍵相關(guān)生活現(xiàn)象。4.4教學(xué)過程（1）實驗探究，“看見”氫鍵[教師]在完成紙片翻轉(zhuǎn)實驗之后，提問：為什么紙片會翻轉(zhuǎn)？（Q1）[引導(dǎo)]紙片與兩種溶劑之間均存在范德華力，但已知范德華力較小，無論是纖維素與水之間還是石墨與有機(jī)溶劑之間的范德華力，都不足以使所有紙片同一顏色全部朝向同一側(cè)。[學(xué)生]猜想：某一側(cè)存在著不同于范德華力且具有壓倒性優(yōu)勢的作用力。[教師]微觀分析：解釋宏觀實驗現(xiàn)象有時需深入到微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。纖維素為葡萄糖聚合而成的多糖，葡萄糖為多羥基醛，纖維素分子長鏈上仍然保留著大量的羥基，因此在“平平無奇”的紙面上，便分布著大量的羥基。以四氯化碳這一組實驗為例，如圖2所示，紙片的淺色面上存在羥基，深色一面羥基被石墨“掩蓋”，朝上的淺色面中羥基會與水分子之間形成另一種分子間作用力——?dú)滏I，而原本朝下的淺色面上也存在許多羥基，也十分“向往”與水分子之間形成氫鍵，因此翻轉(zhuǎn)了朝向了水。氫鍵就是本節(jié)課學(xué)習(xí)的主角！[教師]提問：更換溶劑或劇烈搖晃，所有紙片淺色面最終均被牢牢地“吸”在水一側(cè)，這說明什么？（Q2）[學(xué)生]解釋：說明纖維素與水之間的氫鍵強(qiáng)于石墨與四氯化碳或甲苯之間的范德華力。[教師]歸納概念：一般而言，氫鍵的作用要遠(yuǎn)強(qiáng)于范德華力，但氫鍵并非是化學(xué)鍵，它的作用跟化學(xué)鍵相比要弱得多，因此用虛線表示。[追問]

為什么羥基與甲苯或四氯化碳之間難以形成氫鍵？（Q3）[引導(dǎo)]

羥基與水分子的結(jié)構(gòu)如圖3所示，水與羥基中的氧氫共價鍵均為極性鍵，電子云均偏向于電負(fù)性更大的氧。因此氧呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的負(fù)電性，并且氧周圍還有兩對孤對電子，氫呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的正電性，并且?guī)缀醭闪艘粋€裸露的質(zhì)子。呈強(qiáng)烈正電性的氫與呈強(qiáng)烈負(fù)電性的氧之間就會相互作用，這種相互作用被命名為氫鍵。[學(xué)生]回答：甲苯中的碳電負(fù)性較低，碳?xì)涔矁r鍵極性較弱，碳負(fù)電性、氫正電性均較弱，四氯化碳同理，碳氯鍵極性較弱，氯負(fù)電性、碳的正電性也較弱。因此羥基與甲苯或四氯化碳之間難以形成氫鍵。[教師]布置任務(wù)：歸納氫鍵的形成。[歸納]氫鍵的形成首先要有一個氫原子，氫原子與一個電負(fù)性很大的原子之間形成共價鍵，再與另一個電負(fù)性很大的原子之間形成氫鍵。表示為：X—H…Y（實線為共價鍵、虛線為氫鍵，X、Y為電負(fù)性較大的原子）。（2）問題解決，“再識”氫鍵[教師]提問：同主族元素氫化物的沸點(diǎn)隨周期數(shù)的增大整體呈上升趨勢，但第二周期部分元素氫化物沸點(diǎn)不滿足這一趨勢，見圖4，請解釋其中原因。[學(xué)生]分析：物質(zhì)沸點(diǎn)高低主要與分子間作用力大小相關(guān)，第四主族元素氫化物沸點(diǎn)隨周期數(shù)的增大而增大，這是氫化物相對分子質(zhì)量增加使得范德華力增大導(dǎo)致的。其它主族也有這一趨勢，但由于N、O、F的電負(fù)性均較高，H2O、HF、NH3分子之間存在氫鍵使得三種分子間作用力大大增加，因此沸點(diǎn)較高。[教師]概念補(bǔ)充：氫鍵的形成方式X—H…Y中的X和Y在高中階段主要為N、O、F。[任務(wù)]

繪制H2O、HF、NH3分子之間所形成的氫鍵。[學(xué)生]繪圖如圖5。圖5

H2O、HF、NH3分子之間形成氫鍵示意圖[歸納]

分子間形成氫鍵的物質(zhì)沸點(diǎn)較高，同理，熔點(diǎn)也較高。[教師]補(bǔ)充：氫鍵除影響物質(zhì)熔、沸點(diǎn)之外，也影響著物質(zhì)的溶解性，如果存在氫鍵，則溶劑和溶質(zhì)之間的氫鍵作用力越大，溶解性越好。例如，CH4、CH3CH3難溶于水，但CH3OH、CH3CH2OH極易溶于水。（3）探秘生命，“感悟”氫鍵[過渡]氫鍵對于水沸點(diǎn)的影響，從生命的角度思考，意義也十分重大。沒有水就沒有生命，因氫鍵的存在水的沸點(diǎn)較高，這使得地表液態(tài)水不易揮發(fā)為水蒸氣，生命得以誕生。此外，生命體中許多大分子內(nèi)也存在氫鍵，今天我們就走進(jìn)DNA分子，解密遺傳物質(zhì)的奧秘。[教師]提問：同學(xué)們在生物中了解到四種堿基的配對是一般固定的，A-T配對形成兩條氫鍵、G-C配對形成三條氫鍵，其它配對方式是否可以？[提示]

可以繪制其它配對方式，并指出形成的氫鍵數(shù)量。[學(xué)生]繪圖并分析：其它配對方式形成的氫鍵數(shù)量均小于5，如A-C、G-T配對僅形成4個氫鍵（見圖6），因此A-T、G-C的配對方式能量最低最穩(wěn)定，細(xì)胞核也更傾向于以這種能量更低的方式進(jìn)行DNA的復(fù)制。[總結(jié)]

從能量角度而言，氫鍵對于遺傳的精準(zhǔn)性意義重大。（F1）[教師]想象一下沒有氫鍵，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)會如何？[學(xué)生]沒有氫鍵，堿基配對的精準(zhǔn)性會大大降低，DNA將會很容易解旋，難以穩(wěn)定存在。[教師]補(bǔ)充：如果雙螺旋結(jié)構(gòu)僅依靠范德華力進(jìn)行維系，那DNA的解旋與復(fù)制將會容易的多，細(xì)胞也極易成為無限增殖的癌細(xì)胞，遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性也將不復(fù)存在。[追問]

當(dāng)然，生命在誕生的長河中，若使用化學(xué)鍵作為堿基配對的作用力，如今的生命景象又會如何？請同學(xué)充分發(fā)揮想象力，進(jìn)行預(yù)測。[引導(dǎo)]

可以從鍵能的角度進(jìn)行思考。[學(xué)生]思考：化學(xué)鍵的鍵能為氫鍵鍵能的數(shù)十倍，細(xì)胞增殖所需的能量會大大增加，生命的生長速率也會大大放緩；如此高的鍵能使得基因突變的概率也大大降低，那么生物的遺傳多樣性也就幾乎完全喪失。[總結(jié)]

大自然是一個十分精巧的設(shè)計師，為生命的出現(xiàn)準(zhǔn)備了氫鍵這樣既不大也不小的作用力，使得遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性與遺傳的多樣性同時存在。（F2）（4）聯(lián)系生活，“親近”氫鍵[過渡]氫鍵“無處不在”，除對于生命的出現(xiàn)與延續(xù)意義重大外，在生活中很多現(xiàn)象上也有體現(xiàn)。[教師]提問：未吹干的頭發(fā)易變形、羊毛織物水洗后易變形、硬幣上可以滴數(shù)十乃至上百滴水，請結(jié)合氫鍵相關(guān)知識解釋這些生活現(xiàn)象。[學(xué)生]頭發(fā)與羊毛的主要成分均為蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分子中含有氫鍵，因此蛋白質(zhì)遇水后，肽鏈上某些位點(diǎn)會與水分子之間形成氫鍵，使得原有的空間結(jié)構(gòu)有所改變，宏觀上表現(xiàn)為未吹干的頭發(fā)變形、羊毛織物水洗后變形等。而硬幣上能滴很多水是由于水分子之間的作用力大，使得液體表面不同的水分子間相互“拉緊”，從而不易“散開”。[教師]拓展：液面上水分子之間相互“拉緊”的這種內(nèi)聚力，宏觀上表現(xiàn)為水的表面張力，表面張力影響液體界面的行為，一般來說，表面張力越大，液體表面越難破裂。例如水易形成水珠，表面張力比水更大的水銀形成的“汞珠”相對于水珠而言更難破裂，而表面張力比水更小的乙醇則較難形成液珠。5教學(xué)反思5.1

選擇不同實驗用品，設(shè)計多元化的學(xué)習(xí)活動依據(jù)實驗原理，可更換其他密度與水有所差異的非質(zhì)子性溶劑，例如苯、氯代苯等，也可以獲取同樣的實驗現(xiàn)象。需要注意的是，氯代苯（1.1075g/cm3）或其它密度與水相近的極性溶劑，與水混合后會出現(xiàn)不同程度的乳化，需靜置稍長時間才可觀察到明顯的分層現(xiàn)象（約30s），有時兩溶劑（鄰苯二甲酸丁二醇酯與水）還會出現(xiàn)左右分層的情況（紙片仍在兩溶劑界面之間）。以上溶劑的更換均可由學(xué)生來進(jìn)行，學(xué)生依據(jù)原理進(jìn)行溶劑選用，進(jìn)而完成對氫鍵相關(guān)內(nèi)容的認(rèn)知強(qiáng)化。在家庭實驗、科普活動或其它實驗室有機(jī)溶劑難以獲取的場景中，以上溶劑便不再適用，此時可更換為生活中粘度較低的有機(jī)溶劑，如酒用香精、打火機(jī)油等。對于科普活動而言，為增強(qiáng)趣味性，羥基的覆蓋物可更換為彩色膠帶，紙片形狀也可多樣化。5.2關(guān)注化學(xué)學(xué)科前沿，提升教師學(xué)科理解水平氫鍵是什么？人教版、蘇教版和魯科版教材將其定義為靜電作用本質(zhì)的分子間作用力，但氫鍵的方向性與飽和性卻無法用靜電作用的觀點(diǎn)來解釋，反而一定程度上符合價鍵理論，IUPAC在2011年給出的氫鍵新定義也規(guī)避了“分子間作用力”的用詞[12]，李淑妮等[13]也建議將氫鍵定義為“原子間”的另一種作用力。誠然，高中教學(xué)應(yīng)具有階段性，“氫鍵到底是什么”無需學(xué)生完全掌握，但教師需對這些內(nèi)容充分理解，以在不同的階段中更好的控制教學(xué)的深廣度。至今，氫鍵的理論與應(yīng)用前沿發(fā)展迅速，在理論方面，多種類型的氫鍵被發(fā)現(xiàn)，除熟知的Xδ-—Hδ+…Yδ-型氫鍵外，還有雙氫鍵Xδ+—Hδ-…Hδ+—Yδ-、反氫鍵Xδ+—Hδ-…Yδ+等，反氫鍵的存在近期也已被實驗證明[14]；在應(yīng)用方面，