基于证据推理的“氢键的形成”教学实践

史艳茹 张贤金

【摘要】核心素养的培育是当前我国深化课程改革和学业质量标准制定的关键所在，证据推理是培养化学核心素养的重要途径。文章以“氢键的形成”教学实践为例，基于证据推理，通过对其内涵进行关联性分析，并结合实际教学中各内涵的表现形式及目标指向，采取多种教学方式，逐渐建构起对氢键的全方位理解，提高学生的证据推理能力，促进学生化学核心素养的提升。

【关键词】氢键的形成;证据推理;核心素养

证据推理意识指学生在高中化学学习过程中，对证据作用和价值的一种自觉和了解的心理状态，要求学生能敏锐且快速地提取、保存和运用证据，通过对物质的组成结构、性质及其变化规律进行假设、分析推理、证实或证伪，从而得出结论。证据推理，也就是由果溯因，结合证据事实得出某种规律，实现由一般到特殊的演绎推理。教师要以化学核心素养为导向，从关注知识学习到关注学生素养的提升，将证据推理融入课堂，激发学生的逻辑思维，实现课堂的高效性。本文以苏教版高中化学选修3的专题3第四单元第二课时“氢键的形成”教学实践为例，探讨学生证据推理素养的培养方法。

一、证据推理的内涵

证据推理是认识物质及其变化的重要方法，指基于信息（证据），提出假设，通过逻辑推理的方法形成科学观点，进一步认识研究对象的本质特征，从而深入理解研究对象内部之间的联系，促进学生形成明确的思路和方法。

证据推理是化学核心素养的重要组成部分，是学生学习化学重要的思维方法。纵观化学史，化学科学中许多理论的建立和原理的发现，都是建立在对大量实验事实进行分析比较、归纳概括的基础上实现的。化学教学过程主要是通过实验事实进行证据推理的。对于高中学生而言，实验事实主要包括课堂实验所得的直接经验和科学家实验所留下的间接经验。此外，既成的化学概念以及化学理论也可作为证据。基于化学学科的证据推理，学生可从科学的思维方法中，探究化学原理，培养科学素养。

例如，2019年全国高考理综Ⅱ卷第35题有这么一个问题：元素As与N同族，预测As的氢化物沸点比NH3的沸点高还是低，并说明判断理由。此题涉及的是氢键和范德华力相互影响的问题，需要比较的是AsH3与NH3的沸点。需要注意的是，两个物质之间还隔着一个PH3。对于同主族元素的一类物质，其范德华力一般随相对分子质量的增大而增大，从这个角度看，同主族元素的氢化物的熔沸点会依次升高，因此有AsH3>PH3。但是从氢键的角度看，又有NH3>PH3。参照物都是PH3.那么究竟是NH3的沸点高，还是AsH3的沸点高呢？这样，此题就有了一定的难度。这恐怕不是一个逻辑学所能解决的问题。这道题给氢键知识的教学带来了一种新观点，也是一个新挑战。如果教师在平时的教学中，有意识地培养学生的证据推理意识，那么解决这一问题，学生也会得心应手。

二、教材分析，凸显证据推理思维

从知识之间的联系来看，分子间作用力包含了范德华力和氢键。《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，学生要懂得分子间存在相互作用，知道范德华力和氢键是两种常见的分子间作用力，了解分子内氢键和分子间氢键在自然界中廣泛存在及其重要作用。要认识这些抽象的知识，需要借助化学实验呈现的直观现象和获得的数据，经过分析推理才能达成。

苏教版教科书在“氢键的形成”中，首先通过图示比较ⅣA、ⅥA族元素的氢化物沸点变化规律的差异，突出H2O沸点的“反常”情况，接着引导学生对H2O沸点“反常”这一原因进行分析，让学生明白氢键形成的条件，并理解氢键与范德华力的不同，知道氢键的特点及其对物质性质的影响。针对氢键的类型，苏教版教科书中设计了“交流与讨论”模块，列举说明邻羟基苯甲醛和对羟基苯甲醛熔点的差异，并以问题的形式探究其中的原因，让学生了解氢键可分为分子内氢键和分子间氢键两种，最后分析了这两种类型的氢键对物质性质影响较大，效果相反。

笔者经过调查发现，大部分教师会按照教材的思路进行氢键的教学，但是，就像前面分析判断AsH3与NH3沸点大小的问题所述，解决这一问题还需要拓展学生对氢键概念的认识。

三、“氢键的形成”教学实践策略

所谓教学策略，就是为了实现某个教学目标，教师在教学过程中所采取的一定教学手段、教学方法和教学设计，即要解决教师怎么教，学生怎么学的问题。因此，在教学策略的设计中应选择最能凸显核心素养的教学方式。在充分考虑本节课的知识与技能目标基础上，本文采取以问题为主的教学策略。

（一）数据图表展示，运用比较逻辑，建立对氢键的初概念

对于组成和结构相似的分子，其相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高，这一规律可能有适用范围，可能存在一种不同于范德华力的特殊的作用力。这一问题提出后，学生无法形成直观感受，因此产生认识误区，容易混淆氢键与化学键的概念。

实际教学中，根据已学知识推导同主族非金属氢化物熔、沸点的大小关系。首先，教师展示ⅣA、ⅥA族元素氢化物的沸点（见表1）。然后，学生以中心原子所在的周期为横坐标，沸点为纵坐标绘出曲线图（如图1），并说出图表中同主族氢化物沸点变化的规律，分析反常原因。最后，学生要结合教材给出的概念，思考形成氢键的条件，并分小组讨论，归纳总结。

【设计意图】通过分析不同主族氢化物的沸点变化规律和反常现象，让学生产生质疑、矛盾，进行思维碰撞，从而激发学生的求知欲。教学中，教师让学生根据物质的状态和物理性质的差异，抓住氢键是静电力这一本质特征，展开对氢键形成条件的分析，并写出其表达方式。学生通过独立思考、合作探究，建立对氢键的初概念。

（二）创设情境，不断提出问题，营造探索氛围

氢键影响的是物质的物理性质，其涵盖熔沸点、溶解度、粘度、硬度、比热容等。参与生活实践是学生学习的重要环节，是知识的延伸与升华。化学来源于生活，又服务于生活，氢键对物质性质的影响，在生活中随处可见。教师如果将这些纷繁复杂的内容进行有机整合，与生活相联系，让学生易于掌握，不失为一个妙招。

教学中，教师可以结合生活中的例子进行讲解。如冬天低温时冰浮在水面上，保证了水中生物的生存环境;DNA中含有氢键，保证了DNA分子结构的稳定性，确保遗传信息稳定;羊毛制品水洗后易变形等都是氢键的造化。同时增加学生实验，让学生亲自动手，加强理解。如让学生用量筒各量取5mL水和乙醇，相互混合，记下混合后溶液的体积，发现小于10mL。分析体积减小的原因，从而引出异分子间氢键。另外，解释氨气易溶于水，硝酸易挥发，醋酸易结冰的原因，由此引出氢键的不同类型，明确它们对物质物理性质的影响正好相反。最后，从生活回归课堂，侧面调动学生学习的积极性。

【设计意图】教学过程中通过创设情境，营造探究意识，丰富感性认识，提升理性思考，引导学生通过理性思维解决化学问题。

（三）数据分析，引入对比实验，突破认知障碍

对于氢键形成的条件，学生往往能够很快总结出氢原子两边的原子必须是强电负性原子，能从H2O沸点“反常”这种宏观现象过渡到微观探究。但是要从更本质的原因着手就存在困难，如对静电力的产生认识模糊，不知道氢键这种作用力的大小应该怎么鉴定等。

教师可以应用“先行组织者”的策略，采取启发式教学方式，通过合适的材料对氢键知识埋下伏笔，引导学生对新旧知识进行无缝衔接，达到对新知识的消化和吸收。教学过程中，以资料卡的形式呈现某些氢键的键能和键长（见表2）。通过演示对比实验，在一块无色玻璃片的三个位置上分别滴上一滴水、花生油和甘油。学生一边观察，一边思考，并记录实验现象。通过分析数据，做对比实验，让学生感受分子间作用力的强弱。同时提出新问题让学生思考，如为什么水分子常温下呈液态，而HF常温下为气体;为什么磷酸的沸点比硫酸的沸点高等。

【设计意图】通过实验，将抽象的氢键知识具体化，学生可从液滴形状的差异感知微粒间作用力的大小，从而比较分子间作用力的强弱，并感受化学实验的无穷魅力。教学过程中从本质上揭示氢键强弱的原因，电负性越大氢键越强。另外，要从氢键类型和氢键数目上做整体分析，不要单一化，以防犯片面性错误。通过对比键能数据，让学生明白氢键和化学键的不同，帮助学生形成有关物质构成的科學观念。

（四）大胆猜想，小心求证，问题迎刃而解

在无机化学教学过程中，对比氢键对熔沸点的影响通常限于HF与HCl、H2O与H2S、NH3与PH3这几种第二、第三周期元素间的讨论。结合本文开始提出的问题，由于参照物都是PH3.那么究竟是NH3的沸点高，还是AsH3的沸点高呢？在学生的固有观念中，氢键的大小比范德华力强一些，比化学键要弱很多。但这是绝对的吗？要解决这个问题，需要进行知识的延伸和拓展，如扩展到第四、第五周期，这需要教师有充分的准备才能实现。

实际教学过程中，教师先展示V A族氢化物的沸点（见表3），分析比较NH3、AsH3、SbH3的沸点。学生能从数据中很容易得出结论。此时，需要在教学中大胆地猜想：氢键造成的影响范围要到哪里才不如范德华力的递增值？再给出ⅦA族氢化物的熔点（见表4）。由表4可以看出，如果将HF与HCl的比较扩展到与HBr，那就要十分小心了（两者的熔点只有4之差）;如果扩展到与HI，那就完全是范德华力占主导地位。通过分析，得出结论：当分子的相对分子质量较小时，范德华力较弱，氢键占主导地位;反之，相对分子质量越大范德华力越强，氢键居于次要地位。由此，问题迎刃而解。

【设计意图】教学中抓住学生的认知障碍点，不受现成的常规思路约束，寻求对问题全新的解答，培养学生解决矛盾冲突的能力，让学生遇到问题时，懂得多角度、多层次去寻找答案，同时有批判性思维，懂得用科学的思维方式解决问题。

四、小结

本文从证据推理的角度出发，以“氢键的形成”教学实践为例，运用数据图表引领学生大胆质疑、敢于猜想、激发思考，让学生在认知冲突中不断发展，培养学生从感性思维到理性思维的升华，并建立起证据与结论之间的关系。总体而言，基于证据推理的化学教学首先要注重化学知识素材的积累，拓宽证据推理的广度。因为材料越丰富，学生就越能够通过多种途径，寻找多种类型的证据，从而建立起证据与结论之间的关系。其次，要贯彻探究学习，在教学中不断提出问题，引领学生思考探究。最后，教师要引导学生学会举一反三，强化证据推理的思维方法。这样学生才能对知识的来龙去脉了解透彻，对于化学知识的学习从依靠记忆转为依靠理解。长此以往，学生才能逐渐形成科学的化学学习方法，提升化学核心素养。