問題驅(qū)動型教學設計

莊凌

摘要：以“分子間作用力”教學為例，通過問題設置和實驗探究營造積極的師生互動學習氛圍，幫助學生理解重要概念，體驗科學探究的過程，培養(yǎng)運用圖表數(shù)據(jù)分析解決問題的能力，構建聯(lián)系宏觀物質(zhì)性質(zhì)和微觀結(jié)構的橋梁

關鍵詞：分子間作用力；問題驅(qū)動；教學設計

文章編號：1008-0546（2017）02-0048-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.015

化學鍵和分子間作用力是物理化學部分的核心內(nèi)容，涉及微觀領域的微粒排布和結(jié)合方式，比較復雜和抽象，既是學生學習的難點，也是教師的教學難點。一些學生即使能夠運用相關概念解釋某些現(xiàn)象， 并不能表明學生對概念已經(jīng)深刻理解和全面掌握， 尤其在分子間作用力的成因和存在對象方面很可能存在迷思概念（misconception）[1]。美國密西根大學的研究者曾要求學習普通化學的學生通過文字描述和繪圖的方式來表示分子間作用力，統(tǒng)計結(jié)果顯示有55%的學生不能正確表示各種分子間作用力， 存在描述含糊或示意圖錯誤等問題[2]。這些問題的存在需要教師思考如何通過合理的教學設計幫助學生形成正確的微觀模型， 并能真正理解分子間作用力的形成以及對物質(zhì)的一些物理性質(zhì)的影響。高一學生在本課之前已經(jīng)學習了原子核外電子排布規(guī)律、離子鍵和共價鍵，在介紹分子間作用力時要注意和化學鍵的比較， 避免新概念與原有概念的混淆，出現(xiàn)知識網(wǎng)絡錯亂。針對外國語學校學生本身的語言優(yōu)勢，適度引入一些概念的英文詞匯，便于學生在課后查閱英文文本、視頻和動畫素材進一步鞏固對概念的理解，英語專業(yè)詞匯的引入對學生的長遠學習很有幫助。在教學設計中也參考了國外教材的相關內(nèi)容，力求概念的解釋簡明清晰，幫助學生理解和運用。

一、教學目標

1. 知識與技能： 了解兩種重要的分子間作用力：范德華力和氫鍵，知道分子間作用力對分子型物質(zhì)物理性質(zhì)（熔沸點和溶解性）的影響。

2. 過程與方法：通過觀察實驗現(xiàn)象和分析圖表數(shù)據(jù)，理解范德華力與氫鍵的區(qū)別和聯(lián)系、分子間作用力與化學鍵的區(qū)別。

3. 情感、態(tài)度與價值觀：通過實驗感受物質(zhì)宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構的辯證關系，培養(yǎng)從科學數(shù)據(jù)分析推論的務實科學態(tài)度

二、問題驅(qū)動型教學設計流程

本課內(nèi)容本身難度較大，所以在課程設計環(huán)節(jié)上要厘清不同概念之間的邏輯關系，兼顧到高一學生的認知水平和接受能力，本課采用了問題主導式模式層層推進化解教學難點，具體流程如表1所示。

三、教學過程

1. 通過復習提問引入課題

[課題引入] 前面我們已經(jīng)學習了離子鍵和共價鍵。我們知道在分子中原子是通過共價鍵相互結(jié)合，共價鍵主要影響物質(zhì)的化學性質(zhì)，那么分子組成的物質(zhì)的物理性質(zhì)由什么決定呢？這就是我們今天要研究的課題。

[課件展示]固體、液體和氣體中微粒排布示意圖。

[教師] 為什么物態(tài)的變化伴隨著能量的變化？比如水加熱沸騰過程中為什么需要吸收熱量。

[學生]吸收的熱量使水分子無規(guī)則熱運動加快，分子間隙增加。

[教師]既然分子間隙增加需要吸收熱量，說明什么問題？

[學生]分子之間存在相互作用力。

[課件展示]分子間作用的概念和分類：范德華力和氫鍵。

2. 通過實驗觀察思考，探究范德華力

[課件展示] 范德華力是分子聚集在一起的作用力，廣泛存在于固、液和氣態(tài)的各種分子間，比較弱。

[教師]為什么分子間會存在相互作用力？請大家先完成實驗。

[學生實驗]在滴定管中注入蒸餾水，打開活栓，讓水緩慢流下呈直線狀，用梳過頭的塑料梳子靠近水流，觀察現(xiàn)象并給予解釋。學生需要記錄實驗現(xiàn)象于表格中，并通過小組討論分析觀察到的現(xiàn)象。

[教師]實驗中觀察到什么現(xiàn)象，如何解釋？

[學生A]水流向梳子方向偏轉(zhuǎn)，因為梳子摩擦帶電后可以吸引水分子，就像帶電玻璃棒可以吸引輕小的紙屑。

[學生B]電荷可能從帶電的梳子轉(zhuǎn)移到了水分子中。

通過一個簡單的實驗調(diào)動起學生的探究興趣，課堂氣氛立即活躍起來，大家觀察到水流的偏轉(zhuǎn)后都異常興奮和驚奇，并展開討論。學生在現(xiàn)有知識儲備基礎上回答這樣的問題是有困難的，對現(xiàn)象的觀察和思考主要是鍛煉學生的科學思維能力，并不要求學生給予完美的解答。教師應該對范德華力的存在原因給予簡要解釋，但在必修階段還是不要過度延伸。 在國外同類教材中都會引入電負性的概念，解釋分子間作用力會非常方便[3]。

[課件展示]電負性（electronegativity）：電負性是原子在化合物中吸引電子的能力。并給出電負性數(shù)據(jù)表格。

[教師]因為氧的電負性大于氫，氧原子和氫原子形成的共用電子對偏向于氧， 使氧原子帶部分負電荷，氫原子帶部分正電荷。 水分子間可以形成相互作用力。

由于范德華力有三種基本類型，比較復雜，學生在現(xiàn)階段還不知道極性分子與非極性分子的概念，這里不妨以極性分子為例做出解釋， 學生很容易理解。萬一有學生提出非極性分子之間的范德華力，教師也必須準備做好相關解釋， 但注意廣度和深度的把握，沒有必要加重學生的學習負擔。

[教師]物質(zhì)熔沸點與分子間作用力有什么關系？

[學生]分子間作用力越大，物質(zhì)熔沸點越高。

[課件展示]鹵族元素氫化物的沸點變化圖。

[教師]結(jié)構組成相似的物質(zhì)，隨著分子質(zhì)量的增大，范德華力增大。HF為什么分子量最小，但沸點最高？

3. 從HF沸點的“反?！爆F(xiàn)象引入氫鍵

[課件展示]氫鍵定義和HF分子間氫鍵示意圖。

[教師]氫鍵是與電負性很大、半徑很小且含有孤對電子的原子（如N，O和F）成鍵的氫原子和相鄰分子中電負性較大的原子之間的相互作用力。

[學生練習]畫出水分子之間的氫鍵

氫鍵的概念難度較大， 講解時盡力把握幾個要點：（1）是一種分子間作用力。（2）氫原子與相鄰分子中電負性較大的原子 （一般只考慮N，O和F）。 （3）電負性較大的原子上一般有孤對電子。學生通過畫分子間氫鍵示意圖能夠更好地理解氫鍵的特征，效果好于單純的文字描述和記憶，教師也可以及時發(fā)現(xiàn)學生的問題，并予以指導。

[課件展示]ⅦA、ⅥA、ⅤA族元素氫化物的沸點變化圖。

[教師]分子間氫鍵與范德華力哪個作用力更強？

[學生]分子間氫鍵。

[教師]HF、H2O、NH3在同族氫化物中分子量最小，范德華力也最小，但沸點卻最高，說明分子間氫鍵比范德華力強，對沸點起決定作用。

[課件展示]ⅦA、ⅥA、ⅤA、ⅣA族元素的氫化物的沸點變化圖。

[教師]CH4的熔沸點為什么在第ⅣA族元素的氫化物中最低？

[學生]碳原子上沒有孤對電子，不能和氫原子形成氫鍵。

[教師]為什么氨氣在水中的溶解性特別好？

[學生小組]氨分子和水分子間形成氫鍵，并用示意圖正確表示。

學校多媒體教師安裝了師生互動平臺，各組學生可以把答案寫在每組的電子白板上發(fā)給主機電腦，其可以在教室前方大屏幕展示。

[教師]為什么形成氫鍵會導致氨氣易溶于水？

這個問題看似簡單，但學生卻一時不知道如何回答。因為剛學過氫鍵，學生可能憑直覺認為需要用氫鍵來解釋溶解性，但對于其中的細節(jié)問題并沒有深入思考。 若老師不補充提問很多學生會忽視，留下教學盲區(qū)。教學實踐表明用物質(zhì)的微觀結(jié)構解釋宏觀性質(zhì)始終是化學學習的難點，即使學生能套用概念回答問題也未必完全理解其中的微觀原理，教師進一步刨根問底很有必要。

[教師]由于水分子之間可以形成氫鍵，當氨氣分子進入水分子的過程中必須打破部分水分子間的氫鍵，打破氫鍵需要能量，這部分能量只有通過水分子和氨分子之間形成的新的氫鍵予以補償。

[課件展示]蛋白質(zhì)多級結(jié)構和DNA雙鏈分子中的氫鍵。 讓學生了解氫鍵在生物分子中的重要作用。

[學生實驗]把鋁片小心輕放在水面上，預測可能的現(xiàn)象，并觀察實際現(xiàn)象，分析可能的原因。

表面張力也是分子間作用力的一種宏觀表現(xiàn)，雖然內(nèi)容本身超過了本課教學要求， 但通過分析思考可以認識到水分子的表面張力對傳統(tǒng)浮力定律的挑戰(zhàn)，在視覺上有沖擊力，可以激發(fā)學生深入探究的興趣。

[教師]在通常情況下，水在100℃沸騰，但要加熱到1000℃才會有部分分解， 由此可以得出什么結(jié)論？（為幫助學生思考，給出兩個變化的微觀示意圖）

[學生]水分解破壞共價鍵，而水沸騰克服分子間作用力，分子間作用力比化學鍵弱。

[課件展示]表中展示了氫鍵、范德華力的數(shù)值范圍和水分子內(nèi)O-H鍵的鍵能，用數(shù)據(jù)予以證明。

4. 通過化學鍵和分子間作用力的對比完成本課內(nèi)容總結(jié)。

[教師]請同學們完成表2。

學生分組完成表格，基本都給出了正確答案，完成了本課的教學目標。

[教師總結(jié)]化學鍵是原子（離子）間強烈的相互作用力，主要影響物質(zhì)的化學性質(zhì)；分子間作用力是分子間存在的較弱的作用力，主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)（如熔沸點、溶解性等）。分子間作用力包括范德華力和氫鍵，氫鍵比范德華力強。

四、教學反思

本課是一節(jié)借班執(zhí)教的區(qū)級公開課，教師同行課后交流中對本課教學思路、實驗設計、知識過渡、問題分析、課堂總結(jié)等方面予以積極評價。 個人課后多次觀看教學錄像研究教學的整體設計和細節(jié)把握，總結(jié)如下：

1. 科學探究本身就是發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程，通過對課堂問題的精心設計厘清教學思路，也幫助學生在課堂的自然推進中完成了一些復雜抽象概念的學習，并且能夠初步運用這些概念解釋實際問題。

2. 教師是課堂的引導者，在科學課堂應該給予學生足夠的思考時間和空間，讓學生自由表達對問題的想法和分析過程，不論是否正確教師都應該予以鼓勵和支持。教師的作用是在學生遇到困難時予以必要的指導，但更要注重學生獨立思考能力的培養(yǎng)。本課的課程容量其實還可以適當縮減，這樣可以給學生更多獨立思考分析解決問題的時間，培養(yǎng)科學思維能力。

3. 本課雖然內(nèi)容涉及微觀世界，但還是通過兩個簡易的實驗展示宏觀與微觀世界的聯(lián)系。學生在水流偏轉(zhuǎn)實驗過程中表現(xiàn)出的興奮和快樂不僅令我驚訝，也給大家留下了深刻印象?；瘜W實驗的魅力永遠不能低估，化學實驗能給學生帶來愉悅的課堂體驗，化學實驗如何服務于理論教學是課堂實驗設計必須考慮的關鍵問題。

4. 本課使用了多媒體師生互動平臺StarC，師生通過平臺可以方便地進行交流和點評，學生在分組討論過程中能夠集思廣益，相互學習，培養(yǎng)團隊協(xié)作意識，達到更好的學習效果。先進多媒體技術的使用可以進一步改善化學教學的環(huán)境，提升學生的學習興趣，打造更加民主、充滿互動的教學平臺。

參考文獻

[1] 羅美玲. 學生對化學鍵與分子間作用力的理解水平研究案例[J].化學教學，2011（1）：36-39

[2] Melanie M. Cooper，Leah C. Williams， Sonia M. Underwood. Student Understanding of Intermolecular Forces： A Multimodal Study [J]. Journal of Chemical Education， 92（8）：1288-1298

[3] Roger Norris et al.. Cambridge International AS and A level Chemistry Coursebook[M]. UK： CambridgeUniversity Press， 2011