基于實驗探究與跨學科視角的教學設計

王孟宇 任紅艷

摘要：用易得材料設計了“紙片翻轉”實驗，依據實驗現象提出了與氫鍵緊密關聯的探究性問題，以這些問題為驅動設計了教學過程：“看見”氫鍵和“再識”氫鍵。在跨學科視角下深入分析了氫鍵對遺傳物質的重要意義，以這些分析為基礎設計了教學過程：“感悟”氫鍵和“親近”氫鍵。

關鍵詞：實驗探究；跨學科；氫鍵

1 問題的提出

學生化學學科核心素養的發展需要依托具體的教學內容來實現，對于高中化學教學內容而言，實驗探究與跨學科視角是促進素養發展的重要方式?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）在教學評價與建議模塊中，以氫鍵為例說明實驗探究與跨學科視角的引入對于素養導向教學的積極作用[1]。

現階段有關氫鍵的實驗探究，大多為手持技術的應用，利用溫度傳感器比較質子性溶劑與非質子性溶劑的揮發速率快慢，以此說明質子性溶劑分子間氫鍵的存在或大小[2-6]。但手持技術多為教師演示使用，不易滿足學生分組實驗的需要，對于硬件設施相對薄弱的學?？赡芙處熝菔緦嶒灦驾^難得到保障。有關氫鍵的跨學科視角，主要為DNA堿基分子的呈現，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構以了解氫鍵在生命體中的廣泛存在[8]。但無論是情境導入還是課后拓展，這些生物學內容大多停留于簡單觀察或了解的程度，缺少化學學科視角的深入分析，難以真正體現化學的學科價值。

本文將針對上述問題，使用易獲取的紙片、鉛筆與有機溶劑設計探究實驗，以適應學生分組實驗等教學場景的需要；同時從化學學科的視角深入分析氫鍵對于遺傳的重大意義，來展現化學理論在生物學科中的應用價值。

2 教學設計基礎

2.1 “紙片翻轉”實驗

筆者通過參考資料[9]并結合實際情況，設計了簡易有趣的紙片翻轉實驗。

（1）實驗原理

濾紙主要成分為纖維素，結構如圖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子性有機溶劑與水的界面之間會出現穩定行為——未做處理的親水面朝向水一側。

（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、現象與結論

實驗結論

無論是密度比水大的四氯化碳（1.594 g/cm3）或密度比水小的甲苯（0.872 g/cm3），無論如何搖晃，最終淺色一面都朝向水一側。

（4）實驗注意事項

有機溶劑使用應注意用量，并且實驗中用到的CCl4、甲苯均可回收以節約資源，因此需在使用前注意容器內壁的潔凈，避免有雜質混入影響有機溶劑的再利用。

2.2 化學視角下的遺傳物質

除新課標強調外，教材也展示了跨學科的視角，人教版《生物學必修2（遺傳與進化）》[10]與《化學選擇性必修2（物質結構與性質）》均展示了DNA的雙螺旋結構與其中的氫鍵。但前文也提及，要充分體現化學的學科價值，不能簡單復述教材的已有內容，需要從化學學科的視角深入分析。

（1）氫鍵對于遺傳的精準性意義重大

遺傳的精準性主要依靠堿基的精準配對實現，學生已在生物學中獲悉：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。對這種精準性的認識可以通過化學視角加深：根據氫鍵的形成條件，除A-T、G-C以外的堿基配對方式所形成的氫鍵數目均小于5，為追求熱力學的穩定性，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配對的重要因素，對遺傳的精準性有著重大意義。

（2）氫鍵對于遺傳物質的穩定性與遺傳的多樣性意義重大

氫鍵的強度一般介于范德華力與化學鍵之間，這樣一種不大不小的作用力支持著DNA實現其特殊的生理性質——DNA需要穩定存在，又需要不斷解旋以實現細胞的增值與分裂，還要為基因突變留有一定空間來延續物種多樣性。氫鍵能滿足這些要求的原因在于：氫鍵強于范德華力，使DNA有一定穩定性而不易無限復制；氫鍵鍵能又比化學鍵鍵能小1～2個數量級，DNA解旋所需的能量不那么高，這在一定程度上減小了細胞增殖與分裂的能量負擔，同時還為堿基的不精準配對留有了一定的可能性。

3 實驗探究與跨學科視角的教學功能

素養導向的實驗探究教學是知識建構的有效方式?！凹埰D”實驗現象中蘊涵著探究性的問題，在解決問題的過程中學生可以完成知識的主動建構，學生的證據推理能力與宏微結合思想也從中得到一定發展?？鐚W科視角的教學是提升學科價值認識的重要途徑。在化學視角下對遺傳物質的深入分析，可使學生已建構的知識得到應用，在應用中體會化學理論的作用并認識化學學科的重要價值。具體的對應關系見表2和表3。

4 教學設計

4.1 教材與課標分析

人教版、蘇教版與魯科版均介紹了氫鍵的形成條件、氫鍵的強弱、氫鍵對物質性質的影響以及氫鍵在生物大分子結構中的存在。此外，蘇教版與魯科版還從電負性出發解釋了氫鍵形成的本質，魯科版還介紹了氫鍵的方向性與飽和性。如何對這些內容進行取舍？新課標對本課時的內容要求為：知道氫鍵是常見的分子間作用力，了解分子內氫鍵和分子間氫鍵在自然界中的廣泛存在及重要作用；學業要求為：能說明氫鍵對物質熔、沸點等性質的影響，能列舉含有氫鍵的物質及其性質特點；對于氫鍵的方向性與飽和性在本課時未做要求[11]。

4.2 教學目標

（1）通過觀察分析紙片在水和有機溶劑界面間的行為，認識到氫鍵的存在，并推斷出氫鍵強于范德華力的一般事實；（2）通過對羥基與水分子結構的分析，從微觀視角理解氫鍵形成的本質，同時從實驗現象出發推斷得出氫鍵的形成條件；（3）認識到氫鍵對物質性質的影響，能夠基于氫鍵解釋或預測部分物質熔沸點的高低或水溶性的差異；（4）基于化學視角分析氫鍵對遺傳的重要意義，從而認識化學之于其他學科的重要價值。

4.3 學情分析

學生已知原子、離子等微粒通過化學鍵進行結合，知道范德華力的存在，基本建立了微粒間相互作用的認識模型。同時，學生已具備結構決定性質的化學基本觀念，并有了一定的證據推理能力。此外，學生對于DNA的結構已有所了解，也熟悉紙巾易吸水、硬幣可承載許多水等與氫鍵相關生活現象。

4.4 教學過程

（1）實驗探究，“看見”氫鍵

[教師] 在完成紙片翻轉實驗之后，提問：為什么紙片會翻轉？（Q1）

[引導] 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。

[學生] 猜想：某一側存在著不同于范德華力且具有壓倒性優勢的作用力。

[教師] 微觀分析：解釋宏觀實驗現象有時需深入到微觀結構進行分析。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——氫鍵，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，因此翻轉了朝向了水。氫鍵就是本節課學習的主角！

[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，這說明什么？（Q2）

[學生] 解釋：說明纖維素與水之間的氫鍵強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，氫鍵的作用要遠強于范德華力，但氫鍵并非是化學鍵，它的作用跟化學鍵相比要弱得多，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]?羥基與水分子的結構如圖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性更大的氧。因此氧呈現出強烈的負電性，并且氧周圍還有兩對孤對電子，氫呈現出強烈的正電性，并且幾乎成了一個裸露的質子。呈強烈正電性的氫與呈強烈負電性的氧之間就會相互作用，這種相互作用被命名為氫鍵。

圖3?羥基與水分子之間形成氫鍵

[學生] 回答：甲苯中的碳電負性較低，碳氫共價鍵極性較弱，碳負電性、氫正電性均較弱，四氯化碳同理，碳氯鍵極性較弱，氯負電性、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：歸納氫鍵的形成。

[歸納] 氫鍵的形成首先要有一個氫原子，氫原子與一個電負性很大的原子之間形成共價鍵，再與另一個電負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隨周期數的增大整體呈上升趨勢，但第二周期部分元素氫化物沸點不滿足這一趨勢，見圖4，請解釋其中原因。

圖4?第二周期元素部分氫化物沸點隨周期的變化

[學生] 分析：物質沸點高低主要與分子間作用力大小相關，第四主族元素氫化物沸點隨周期數的增大而增大，這是氫化物相對分子質量增加使得范德華力增大導致的。其它主族也有這一趨勢，但由于N、O、F的電負性均較高，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，因此沸點較高。

[教師] 概念補充：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]?繪制H2O、HF、NH3分子之間所形成的氫鍵。

[學生] 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沸點較高，同理，熔點也較高。

[教師] 補充：氫鍵除影響物質熔、沸點之外，也影響著物質的溶解性，如果存在氫鍵，則溶劑和溶質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較高，這使得地表液態水不易揮發為水蒸氣，生命得以誕生。此外，生命體中許多大分子內也存在氫鍵，今天我們就走進DNA分子，解密遺傳物質的奧秘。

[教師] 提問：同學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量。

[學生] 繪圖并分析：其它配對方式形成的氫鍵數量均小于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定，細胞核也更傾向于以這種能量更低的方式進行DNA的復制。

[總結]?從能量角度而言，氫鍵對于遺傳的精準性意義重大。（F1）

[教師] 想象一下沒有氫鍵，DNA的雙螺旋結構會如何？

[學生] 沒有氫鍵，堿基配對的精準性會大大降低，DNA將會很容易解旋，難以穩定存在。

[教師] 補充：如果雙螺旋結構僅依靠范德華力進行維系，那DNA的解旋與復制將會容易的多，細胞也極易成為無限增殖的癌細胞，遺傳物質的穩定性也將不復存在。

[追問]?當然，生命在誕生的長河中，若使用化學鍵作為堿基配對的作用力，如今的生命景象又會如何？請同學充分發揮想象力，進行預測。

[引導]?可以從鍵能的角度進行思考。

[學生] 思考：化學鍵的鍵能為氫鍵鍵能的數十倍，細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]?大自然是一個十分精巧的設計師，為生命的出現準備了氫鍵這樣既不大也不小的作用力，使得遺傳物質的穩定性與遺傳的多樣性同時存在。（F2）

（4）聯系生活，“親近”氫鍵

[過渡] 氫鍵“無處不在”，除對于生命的出現與延續意義重大外，在生活中很多現象上也有體現。

[教師] 提問：未吹干的頭發易變形、羊毛織物水洗后易變形、硬幣上可以滴數十乃至上百滴水，請結合氫鍵相關知識解釋這些生活現象。

[學生] 頭發與羊毛的主要成分均為蛋白質，蛋白質分子中含有氫鍵，因此蛋白質遇水后，肽鏈上某些位點會與水分子之間形成氫鍵，使得原有的空間結構有所改變，宏觀上表現為未吹干的頭發變形、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”的這種內聚力，宏觀上表現為水的表面張力，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 教學反思

5.1?選擇不同實驗用品，設計多元化的學習活動

依據實驗原理，可更換其他密度與水有所差異的非質子性溶劑，例如苯、氯代苯等，也可以獲取同樣的實驗現象。需要注意的是，氯代苯（1.1075 g/cm3）或其它密度與水相近的極性溶劑，與水混合后會出現不同程度的乳化，需靜置稍長時間才可觀察到明顯的分層現象（約30 s），有時兩溶劑（鄰苯二甲酸丁二醇酯與水）還會出現左右分層的情況（紙片仍在兩溶劑界面之間）。以上溶劑的更換均可由學生來進行，學生依據原理進行溶劑選用，進而完成對氫鍵相關內容的認知強化。在家庭實驗、科普活動或其它實驗室有機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溶劑，如酒用香精、打火機油等。對于科普活動而言，為增強趣味性，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 關注化學學科前沿，提升教師學科理解水平

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，高中教學應具有階段性，“氫鍵到底是什么”無需學生完全掌握，但教師需對這些內容充分理解，以在不同的階段中更好的控制教學的深廣度。

至今，氫鍵的理論與應用前沿發展迅速，在理論方面，多種類型的氫鍵被發現，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]；在應用方面，氫鍵也被廣泛使用，如利用氫鍵調控低共熔溶劑（deep eutectic solvents，DESs）捕集CO2[15]、基于氫鍵設計仿生抗凍蛋白[16]等。這些理論或應用前沿也可作為實驗探究或跨學科視角引入高中課堂，成為學生核心素養發展的重要載體，當然完成這樣的引入也需要教師深刻的學科理解。

參考文獻

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