基于證據(jù)推理的“氫鍵的形成”教學實踐

史艷茹 張賢金

【摘要】核心素養(yǎng)的培育是當前我國深化課程改革和學業(yè)質(zhì)量標準制定的關(guān)鍵所在，證據(jù)推理是培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)的重要途徑。文章以“氫鍵的形成”教學實踐為例，基于證據(jù)推理，通過對其內(nèi)涵進行關(guān)聯(lián)性分析，并結(jié)合實際教學中各內(nèi)涵的表現(xiàn)形式及目標指向，采取多種教學方式，逐漸建構(gòu)起對氫鍵的全方位理解，提高學生的證據(jù)推理能力，促進學生化學核心素養(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)推理意識指學生在高中化學學習過程中，對證據(jù)作用和價值的一種自覺和了解的心理狀態(tài)，要求學生能敏銳且快速地提取、保存和運用證據(jù)，通過對物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律進行假設、分析推理、證實或證偽，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)事實得出某種規(guī)律，實現(xiàn)由一般到特殊的演繹推理。教師要以化學核心素養(yǎng)為導向，從關(guān)注知識學習到關(guān)注學生素養(yǎng)的提升，將證據(jù)推理融入課堂，激發(fā)學生的邏輯思維，實現(xiàn)課堂的高效性。本文以蘇教版高中化學選修3的專題3第四單元第二課時“氫鍵的形成”教學實踐為例，探討學生證據(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)推理是認識物質(zhì)及其變化的重要方法，指基于信息（證據(jù)），提出假設，通過邏輯推理的方法形成科學觀點，進一步認識研究對象的本質(zhì)特征，從而深入理解研究對象內(nèi)部之間的聯(lián)系，促進學生形成明確的思路和方法。

證據(jù)推理是化學核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學生學習化學重要的思維方法?？v觀化學史，化學科學中許多理論的建立和原理的發(fā)現(xiàn)，都是建立在對大量實驗事實進行分析比較、歸納概括的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的?；瘜W教學過程主要是通過實驗事實進行證據(jù)推理的。對于高中學生而言，實驗事實主要包括課堂實驗所得的直接經(jīng)驗和科學家實驗所留下的間接經(jīng)驗。此外，既成的化學概念以及化學理論也可作為證據(jù)?；诨瘜W學科的證據(jù)推理，學生可從科學的思維方法中，探究化學原理，培養(yǎng)科學素養(yǎng)。

例如，2019年全國高考理綜Ⅱ卷第35題有這么一個問題：元素As與N同族，預測As的氫化物沸點比NH3的沸點高還是低，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。需要注意的是，兩個物質(zhì)之間還隔著一個PH3。對于同主族元素的一類物質(zhì)，其范德華力一般隨相對分子質(zhì)量的增大而增大，從這個角度看，同主族元素的氫化物的熔沸點會依次升高，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的沸點高，還是AsH3的沸點高呢？這樣，此題就有了一定的難度。這恐怕不是一個邏輯學所能解決的問題。這道題給氫鍵知識的教學帶來了一種新觀點，也是一個新挑戰(zhàn)。如果教師在平時的教學中，有意識地培養(yǎng)學生的證據(jù)推理意識，那么解決這一問題，學生也會得心應手。

二、教材分析，凸顯證據(jù)推理思維

從知識之間的聯(lián)系來看，分子間作用力包含了范德華力和氫鍵。《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，學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。要認識這些抽象的知識，需要借助化學實驗呈現(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變化規(guī)律的差異，突出H2O沸點的“反?！鼻闆r，接著引導學生對H2O沸點“反?！边@一原因進行分析，讓學生明白氫鍵形成的條件，并理解氫鍵與范德華力的不同，知道氫鍵的特點及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響。針對氫鍵的類型，蘇教版教科書中設計了“交流與討論”模塊，列舉說明鄰羥基苯甲醛和對羥基苯甲醛熔點的差異，并以問題的形式探究其中的原因，讓學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)，大部分教師會按照教材的思路進行氫鍵的教學，但是，就像前面分析判斷AsH3與NH3沸點大小的問題所述，解決這一問題還需要拓展學生對氫鍵概念的認識。

三、“氫鍵的形成”教學實踐策略

所謂教學策略，就是為了實現(xiàn)某個教學目標，教師在教學過程中所采取的一定教學手段、教學方法和教學設計，即要解決教師怎么教，學生怎么學的問題。因此，在教學策略的設計中應選擇最能凸顯核心素養(yǎng)的教學方式。在充分考慮本節(jié)課的知識與技能目標基礎(chǔ)上，本文采取以問題為主的教學策略。

（一）數(shù)據(jù)圖表展示，運用比較邏輯，建立對氫鍵的初概念

對于組成和結(jié)構(gòu)相似的分子，其相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大，熔沸點越高，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，學生無法形成直觀感受，因此產(chǎn)生認識誤區(qū)，容易混淆氫鍵與化學鍵的概念。

實際教學中，根據(jù)已學知識推導同主族非金屬氫化物熔、沸點的大小關(guān)系。首先，教師展示ⅣA、ⅥA族元素氫化物的沸點（見表1）。然后，學生以中心原子所在的周期為橫坐標，沸點為縱坐標繪出曲線圖（如圖1），并說出圖表中同主族氫化物沸點變化的規(guī)律，分析反常原因。最后，學生要結(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)。

【設計意圖】通過分析不同主族氫化物的沸點變化規(guī)律和反常現(xiàn)象，讓學生產(chǎn)生質(zhì)疑、矛盾，進行思維碰撞，從而激發(fā)學生的求知欲。教學中，教師讓學生根據(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，展開對氫鍵形成條件的分析，并寫出其表達方式。學生通過獨立思考、合作探究，建立對氫鍵的初概念。

（二）創(chuàng)設情境，不斷提出問題，營造探索氛圍

氫鍵影響的是物質(zhì)的物理性質(zhì)，其涵蓋熔沸點、溶解度、粘度、硬度、比熱容等。參與生活實踐是學生學習的重要環(huán)節(jié)，是知識的延伸與升華?；瘜W來源于生活，又服務于生活，氫鍵對物質(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雜的內(nèi)容進行有機整合，與生活相聯(lián)系，讓學生易于掌握，不失為一個妙招。

教學中，教師可以結(jié)合生活中的例子進行講解。如冬天低溫時冰浮在水面上，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。同時增加學生實驗，讓學生親自動手，加強理解。如讓學生用量筒各量取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)動學生學習的積極性。

【設計意圖】教學過程中通過創(chuàng)設情境，營造探究意識，豐富感性認識，提升理性思考，引導學生通過理性思維解決化學問題。

（三）數(shù)據(jù)分析，引入對比實驗，突破認知障礙

對于氫鍵形成的條件，學生往往能夠很快總結(jié)出氫原子兩邊的原子必須是強電負性原子，能從H2O沸點“反?！边@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，如對靜電力的產(chǎn)生認識模糊，不知道氫鍵這種作用力的大小應該怎么鑒定等。

教師可以應用“先行組織者”的策略，采取啟發(fā)式教學方式，通過合適的材料對氫鍵知識埋下伏筆，引導學生對新舊知識進行無縫銜接，達到對新知識的消化和吸收。教學過程中，以資料卡的形式呈現(xiàn)某些氫鍵的鍵能和鍵長（見表2）。通過演示對比實驗，在一塊無色玻璃片的三個位置上分別滴上一滴水、花生油和甘油。學生一邊觀察，一邊思考，并記錄實驗現(xiàn)象。通過分析數(shù)據(jù)，做對比實驗，讓學生感受分子間作用力的強弱。同時提出新問題讓學生思考，如為什么水分子常溫下呈液態(tài)，而HF常溫下為氣體;為什么磷酸的沸點比硫酸的沸點高等。

【設計意圖】通過實驗，將抽象的氫鍵知識具體化，學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弱，并感受化學實驗的無窮魅力。教學過程中從本質(zhì)上揭示氫鍵強弱的原因，電負性越大氫鍵越強。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，以防犯片面性錯誤。通過對比鍵能數(shù)據(jù)，讓學生明白氫鍵和化學鍵的不同，幫助學生形成有關(guān)物質(zhì)構(gòu)成的科學觀念。

（四）大膽猜想，小心求證，問題迎刃而解

在無機化學教學過程中，對比氫鍵對熔沸點的影響通常限于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的沸點高，還是AsH3的沸點高呢？在學生的固有觀念中，氫鍵的大小比范德華力強一些，比化學鍵要弱很多。但這是絕對的嗎？要解決這個問題，需要進行知識的延伸和拓展，如擴展到第四、第五周期，這需要教師有充分的準備才能實現(xiàn)。

實際教學過程中，教師先展示V A族氫化物的沸點（見表3），分析比較NH3、AsH3、SbH3的沸點。學生能從數(shù)據(jù)中很容易得出結(jié)論。此時，需要在教學中大膽地猜想：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（見表4）。由表4可以看出，如果將HF與HCl的比較擴展到與HBr，那就要十分小心了（兩者的熔點只有4之差）;如果擴展到與HI，那就完全是范德華力占主導地位。通過分析，得出結(jié)論：當分子的相對分子質(zhì)量較小時，范德華力較弱，氫鍵占主導地位;反之，相對分子質(zhì)量越大范德華力越強，氫鍵居于次要地位。由此，問題迎刃而解。

【設計意圖】教學中抓住學生的認知障礙點，不受現(xiàn)成的常規(guī)思路約束，尋求對問題全新的解答，培養(yǎng)學生解決矛盾沖突的能力，讓學生遇到問題時，懂得多角度、多層次去尋找答案，同時有批判性思維，懂得用科學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”教學實踐為例，運用數(shù)據(jù)圖表引領(lǐng)學生大膽質(zhì)疑、敢于猜想、激發(fā)思考，讓學生在認知沖突中不斷發(fā)展，培養(yǎng)學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。總體而言，基于證據(jù)推理的化學教學首先要注重化學知識素材的積累，拓寬證據(jù)推理的廣度。因為材料越豐富，學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，要貫徹探究學習，在教學中不斷提出問題，引領(lǐng)學生思考探究。最后，教師要引導學生學會舉一反三，強化證據(jù)推理的思維方法。這樣學生才能對知識的來龍去脈了解透徹，對于化學知識的學習從依靠記憶轉(zhuǎn)為依靠理解。長此以往，學生才能逐漸形成科學的化學學習方法，提升化學核心素養(yǎng)。