“宏微结合”视角下《物质结构与性质》模块的教学实践

摘要：以“氢键的形成”为例，从宏观可见的现象入手，结合简单易行的实验，使学生切实感触氢键的存在。由表及里、由浅入深、由此及彼，不断丰富和完善对氢键的认识和理解，提供认识物质结构、性质及其相互关系的学科视角，实现“宏观辨识和微观探析”核心素养的培养。

关键词：氢键;核心素养;宏观辨识;微观探析

文章编号：1008-0546（2020）10-0058-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.016

“宏观辨识与微观探析”是高中化学核心素养的构成内容之一。其中，宏观辨识是学生认识化学的出发点，微观探析则是对事物本质的理解[1]。两者的结合体现了从分子、原子层次认识物质结构、性质、能量转变及其相互关系的学科视角。

北师大化学系吴国庆教授曾指出：“宏观与微观联系是化学不同于其他科学最特征的思维方式，离开这个基本点就不是化学”。而这一思维方式在选修模块《物质结构与性质》的学习过程中尤为重要。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中明确指出：本课程模块将从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不同的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富学生物质结构的知识，提高学生分析问题和解决问题的能力。通过本课程模块的学习，提升学生有关物质结构的基本认识，深入认识物质的结构与性质之间的关系，发展化学学科核心素养[2]。

在此，笔者以该模块中“氢键的形成”为例，开展“宏微结合”视角下的教学实践与探索。

一、教学分析

“氢键的形成”位于苏教版选修3《物质结构与性质》的专题3，在此之前学生对化学键以及范德华力已经有了一定的认知。而氢键作为一种特殊的分子间相互作用，它与化学键和范德华力又有怎样的联系与区别，对物质的性质又会产生怎样的影响，对于学生来说依旧是看不见、摸不着，内容抽象、理论性强。

高中化学关于氢键形成的教学文献数量并不多，从文献研究来看教学方法上主要侧重于理论讲授法。如王成秩、胡志刚老师的《化学教学中的比较逻辑——“氢键的形成”教学设计》[3]、黎茂荣老师的《从教材“一般”到课堂“不一般”的研究——以人教版<化学2>“氢键”为例》[4]、高杰、王磊老师的《培养学生高级思维能力的“分子间作用力与物质性质”探究教学》[5]，三文均是从氨气、水、氟化氢的沸点数据反常人手展开氢键的教学。而通过实验探究来认识氢键的案例更少，陆瑾瑾老师在《“氢键”的教学实践》[6]一文中通过观察汞、汽油、水三种液体液滴的形状来比较氢键、范德华力和化学键的大小，实验中所用金属汞有毒，对操作环境有较高的要求;另一方面，汽油是混合物，对于说明微粒结构、微粒间作用和物质性质的关系带来了复杂性。徐惠老师在《以数字化探究实验引领“分子间作用力”教学》[7]一文中则通过温度传感器测定正丁醇和正己烷挥发时温度变化程度的差异，简单直观地说明了正丁醇分子间氢键的存在，但对于没有数字化实验仪器与设备的学校来说，仍无法进行该项实验研究。

二、设计思想

基于上述分析和研究，本节课的设计从两个维度人手：一是加强学科之间的融合，借助学生日常生活中能接触到的宏观现象，引导学生思考隐藏其背后的微观原因;二是借助常见的仪器、模型和化学试剂，以更加安全、有效和简易的实验，使学生直观地感触氢键的存在，将无形化为有形，降低学生对氢键理解的难度，再结合理论数据进行深入分析，从而增加可接受性，促进学生对氢键的认识。这样既符合学生已有的认知规律，又有利于学生微粒观的形成。

三、教学目标

1.知道氢键形成的条件及氢键的概念、分类和特点，理解氢键对物质性质产生的影响。

2.通过研究水中氢键的形成过程，结合氢键强弱的对比实验、氢键对物质性质产生影响的探究实验，理解氢键的本质，体会氢键的特点以及和范德华力和化学键的区别。

3.通过实验，培养学生的探究意识和观察能力，体会物质微观结构对宏观性质的影响。

四、教学流程

教学流程如图1所示。

五、教学过程与反思

1.认识氢键存在的现象

【引入】水是地球对人类的馈赠，也是一切生命活动的开始，生命体重要的生理活动都要依赖水，甚至在水中发生。这也是为什么我们在别的星球寻找生命的痕迹时，总是找寻水的迹象。不过，你可知道，外表“温柔”的水，内部却蕴含着不可小觑的力量。

【分组实验】硬币滴水实验。下面请同学们来完成一个小实验：向一枚一元硬币上，慢慢滴水，请你试一试这枚硬币上最多能滴多少滴水而不外溢？最多的一组，学生滴到了50滴，这个数目都超出了学生的估计。

【演示实验】对比：向一元硬币上滴加正己烷：25滴左右。

【问题讨论】1.硬币上为什么能滴那么多水而不外溢？2.水和正己烷均由分子组成，分子间作用力的强弱与哪些因素有关？3.为什么一元硬币上水的滴数远多于正己烷？4.水相对分子质量较小，在常温常压下却是液体，如何解释这一反常现象？

【学生分析】通过物理学科选修3-3第七章对表面张力的学习，学生能分析得出一元硬币上能滴一定数目的液体是由于液体的表面张力。这一宏观现象说明组成物质的分子之间存在着相互作用，且水分子之间的相互作用强于正己烷分子之间的相互作用。然而，基于原有认知，范德华力大小受相对分子质量大小的影响，水的相对分子质量远小于正己烷，分子之间的相互作用应比正己烷分子的相互作用弱，因此对后两个现象学生无法解释。

【模型展示】水分子间的氢键实物模型，如图2。

【知识小结】组成水分子的氧原子半径较小但电负性很大，且比氢大得多。从而使氢和氧之间的共用电子对，强烈偏向氧，氧原子負电性明显增强，而氢原子几乎成为裸露的“质子”，正电性明显。液态水中，分子间距离相对气态水要小的多，这样一个水分子呈正电性的氢原子和另一个水分子呈负电性的氧原子之间就会产生一种不同于范德华力的静电作用，这种特殊的作用就是——氢键。

教学反思：表面张力是物质所表现出来的宏观性质，是学生在物理学科中已学知识。通过硬币滴水的实验唤起了学生对原有认知的新思考，学生从直观现象领会到了化学和物理学科对同一现象不同层面与角度的理解，体会了学科间的联系与区别。同时，通过硬币上滴正己烷的对比实验，引发学生已有理论知识和实验现象的矛盾，促进学生深入思考，也由此引出氢键的概念。而借助结构模型的展示，形象地将水分子及其空间分布呈现在学生眼前，实现从微观不可见向宏观可见的转化，学生较快地理解了水分子中的氢键是如何形成的。

2.理解氢键存在的意义

【问题讨论】从硬币滴水实验，我们已经感受到了氢键的作用强于范德華力，那么氢键是否属于化学键中的一种，与化学键相比，它的强度又如何？

【分组实验】在玻璃片上不同位置分别滴加几滴正己烷和水，观察液滴滴落后形状的差异，再与水银开关中的水银相比较。

【学生描述】正己烷的液滴摊开很大，而水滴则相对聚拢，呈半球状。水银开关中的液滴则呈球形，且不管水银开关怎么放置，汞的液滴始终呈圆球形。

【资料卡】液滴的形状差异，意味着液体内部微粒之间的作用力不同。内部作用力越大，液滴表面积越小，越趋向球状。

【学生分析】汞中微粒间作用力>水中微粒间作用力>正己烷中微粒间作用力，即金属键>氢键>范德华力

【数据展示】展示具体数据（见表1）。

【知识小结】所以，尽管人们把氢键也称作“键”，但与化学键相比要弱得多，并不属于化学键，而是存在于分子之间一种特殊的相互作用，但是它又强于普通的分子间作用力——范德华力.从而使含有氢键物质的性质表现出了一些特殊性。

教学反思：引导学生对比水、正己烷、汞三种液体的液滴形状，从液滴的外观差异这一宏观现象，挖掘微观的本质原因，使学生对氢键、范德华力、化学键强度大小的认识不再停留在数据分析，而是有了直观感性的感受。实验中用水银开关代替了直接观察汞的液滴，相对比较安全，该开关在电子产品市场很容易购买，且可以反复使用。选择正己烷代替了汽油，用纯净物代替了混合物，且正己烷是低毒性试剂，实验安全性相对较高。

【问题讨论】

1.观察玻璃片表面，正己烷和水的液滴是否还存在？如何解释这个现象？

2.为什么氨气极易溶于水？

3.一般来说，从液体变成固体，密度会增大的，但为什么冰的密度比水小？

4.水的化学性质也是比较稳定的，2000℃以上才能分解，这是否和水分子间存在氢键有关？

5.观察对羟基苯甲醛的样品，描述它的状态，写出其结构简式，对羟基苯甲醛分子间是否可能存在氢键？对比邻羟基苯甲醛的状态，和对羟基苯甲醛有何不同，能否尝试分析其中的原因？

【学生分析】1.一段时间后，正己烷液滴消失，水滴还在，说明正己烷比水更易挥发。这是由于水分子间存在氢键，改变它的状态必须提高温度，额外提供更多的能量打破氢键，从而水的沸点较高，较难挥发。2.氨分子和水分子之间可以产生氢键，加强了氨分子和水分子的缔合，所以在水中溶解度增大。4.水的分解断开的是水分子中的氢氧共价键，与氢键无关。

【教师分析】3.温度降低，水结冰，从水的晶胞结构图中我们可以看出，每个水分子周围的氢键有固定的方向和数目，也就是说氢键是有方向性和饱和性的。因此，氢键的存在就迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向4个相邻的水分子相互吸引，最终形成了四面体空间网状结构。这种排列方式使得冰中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。所以，当水结冰时体积反而会膨胀，但质量不变，所以密度变小，从而浮在水面上。也正是这个原因，在寒冷的冬天水总是从表面结冰，而水底的温度不会过低，保护了水底生物。综上来看，是氢键给予了水力量，而水又为生命的延续带来了希望。5.邻羟基苯甲醛中，由于羟基和醛基相邻，所以羟基上的氢和醛基上的氧之间产生了氢键，使分子内部的缔合更加紧密，而分子间的相互作用反而变弱了。因此邻羟基苯甲醛的熔沸点比对羟基苯甲醛低，对羟基苯甲醛为固体，而邻羟基苯甲醛为液体。因此，氢键不仅仅可以存在于分子之间，还可以存在于分子内。

教学反思：通过系列问题的讨论，学生进一步建立了物质宏观性质和氢键结构的联系。问题l、2、4学生能自主分析。而问题3学生回答起来比较困难，由老师补充分析阐述。学生感受到了水中氢键的存在对于地球生命延续的重要意义。问题5则引导学生观察了对羟基苯甲醛和邻羟基苯甲醛常温常压下的状态，依旧从肉眼可见的物质状态差异，帮助学生理解分子间氢键和分子内氢键的不同，加深了对氢键存在范围的理解。

3.“看见”氢键存在的影像

【观看视频】直到2013年11月，我国中科院国家纳米科学中心科研人员利用非接触原子力显微镜，在国际上首次拍到了氢键的照片，实现了氢键的实空间成像。

【投影】8-羟基喹啉分子间氢键的实空间图像（图3）。

教学反思：通过网络查找中国科普博览网页了解，随着微观物理学和新的物理实验方法与实验技术的发展，现代化学物质结构研究进入了一个新的阶段，能将肉眼难以观察到的微观现象转化为可看可知的实际影像。我国科学家的这一研究成果在当时即引发了世界各国的关注。但课堂教学之后，笔者在文献的深入研究中却发现，2014年荷兰科学家对该图像提出了质疑，因为用同样的方法在不存在氢键的1，2-吡啶乙炔中也“看到”了类似8-羟基喹啉的氢键图像（图4）。因此，在氢键的教学中是否引用该素材需要审慎。

4.“触摸”氢键存在的力量

【叙述】那么，同学们是否想亲手“触摸”，感觉氢键的存在呢？

【分组实验】有一瓶未知液体：观察：无色透明油状液体。用棉签蘸取少量液体涂在手指上，学生感觉有点粘稠，再取少量该液体滴入水中，却没有分层，说明这个油状液体可以溶于水。

【问题】这是大家非常熟悉的一种有机物“甘油”。分析甘油的结构，结合今天你对氢键的认识，大胆猜测为什么甘油会有较大的粘度，但是又能和水以任意比互溶？

【学生分析】因为甘油分子中有多个羟基，可能形成较多的分子间氢键，从而增大了甘油的粘度。当甘油与水混合，又可以和水分子之间形成分子间氢键，增大了甘油在水中的溶解度。

【总结】氢键对物质性质产生的影响，正是体现了微观结构对宏观性质的决定作用。当然，物质的某种性质，可能是多种微观因素共同决定的结果，我们也需要辩证看待。 教学反思：文献调查发现，液体分子间形成氢键，则分子间亲和力增大，则其粘度增大。如分子量为92的甲苯与甘油的粘度的比较。20℃时，甲苯的粘度为5.903毫泊，甘油为10690毫泊。这是由于甘油液体分子间形成氢键，则其粘度很大，而甲苯液体分子间不能形成氢键，则其粘度很小[8]。尽管氢键对粘度的影响课本没有要求，但在课本知识基础上稍作延伸，能使学生对氢键的认知从“看见”又上升到“触摸”，实验过程中学生饶有兴趣，有学生猜到了可能是甘油，因为老师敢大胆地让他们触摸，应该没有毒害。甘油如油般的黏腻但也能和水相互溶解的特点，给学生留下了深刻印象，从而拓宽了氢键对物质性质影响的认识。

5.展望氢键的未来

【叙述】氢键对物质的性质产生影响的同时，还是关乎人类生命和生活的一种神奇的力量。生命体中许多大分子的内部也存在氢键。生物遗传密码的DNA双螺旋结构中的两条螺旋链也正是用氢键相互结合的。同时必须遵循的碱基互补配对原则，A只能配T，C只能配G，也是由它们之间形成氢键的数目决定的，所以可以说“没有氢键就没有生命”。

【问题思考】在大学《无机化学》中提到：三氯甲烷和丙酮混合，三氯甲烷分子中的氢原子三氯甲烷中的氢原子可以和丙酮分子的氧原子产生分子间氢键，你能尝试解释其中的原因么？

【学生分析】三氯甲烷分子中氢原子虽然没有直接和电负性很强的氮、氧、氟等原子直接连接，但在三个氯原子共同吸引作用下，使碳氢键之间的电子对强烈偏向于碳原子，从而使氢原子的正电性增强，也能与丙酮的氧原子之间产生氢键。

【小结】自20世纪初发现氢键以来，人们对氢键的研究还在继续，新的形式的氢键被不断发现，从最初正常的氢键到Π型氢键、双氢键、蓝移型氢键以及新近的单电子氢键，我们对氢键的认识经历了一次次质的飞跃，对氢键的理解也不断地丰富和完善。正如我们的课本上所说，物质结构的探索永无止境！

教学反思：高中阶段对于氢键的认识，仍建立在直接与N、O、F相连的氢原子才能形成。基于我校学生原有基础，在课堂教学中做了适度拓展，使学生对氢键形成的认识有所加深。事实上，随着技术的发展和研究深入，从氢键的定义到结构，再到应用的进展，当今世界对氢键的认识和理解越来越丰富。作为老师，我们也需要有与时俱进的眼光，迈开跟上时代发展的步伐。通过我们的课堂教学，使学生意识到化学中任何一个理论都是在争议中不断更新和发展的阳、。这一思想也渗透到了课后的问题探究中。课后，老师带领参加化学竞赛的学生，借助数字化实验系统，从丙酮和三氯甲烷混合时液体温度变化的宏观现象人手，再结合氢键从微观角度来分析其中的原因，并将研究结果总结，在期刊发表了《运用数字化实验再识氢键》[10]一文，满足了不同学生的学习需求。

6.板书设计

板书设计如图5所示。

六、结语

微观结构的不可见性和抽象性给学生的学习带来了一定的困难。因此，在教学的过程中，需要教师充分挖掘生活、生产中学生熟悉的典型素材，从宏观现象和性质人手，再从微观结构剖析本质，使具象思维和抽象思维有机结合，促进学生物质结构思维能力的发展。此外，还应通过多样化、多元化的方式，培养学生的学习兴趣，关注学习过程中的深度体验，同时也要关注学科之间的联系，比如物理学科中关于物质结构的内容，从而培养良好的科学研究态度。

本节课的教学立足从模型展示、实物对比、数据分析、文献资料、新闻报道多方面人手，侧重实验探究，并从课上延伸到课后。学生真切感受了微观粒子间的相互作用，产生了对物质微观世界的探求的渴望，形成了良好的学科观念，由表及里、由浅入深、由此及彼，不断丰富和完善对氢键的认识和理解，实现了“宏观辨识和微观探析”核心素养的培养。

参考文献

[1] 陈世江.培养宏观辨识与微观探析的素养——以“金属键”教学为例[J].化学教与學，2018（6）：30-31

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3]王成秩，胡志刚.化学教学中的比较逻辑——“氢键的形成”教学设计[J].化学教学，2015（1）：46-48

[4]黎茂荣.从教材“一般”到课堂“不一般”的研究——以人教版《化学2》“氢键”为例[J].化学教与学，2017 （1）：34-35，65

[5] 高杰，王磊.培养学生高级思维能力的“分子间作用力与物质性质”探究教学[J].化学教育，2014，35（7）：10-12

[6]陆瑾瑾，“氢键”的教学实践[J].化学教学，2013（1）：34-36

[7]徐惠.以数字化探究实验引领“分子间作用力”教学[J].化学教育（中英文），2017，38（15）：20-23

[8]袁加程，浅析氢键对物质物理性质的影响[J].化学教学，2003（4）：45-47

[9]李淑妮，翟全国，蒋育澄，胡满成，杨奇，高胜利.原子间的另一种作用力——氢键[J].化学教育（中英文），2019，40（22）：15-20

[10]张婷，张金怡，谢天宇，奚润心，运用数字化实验再识氢键[J].中学化学教学参考，2018（19）：32-34