基于实验探究与跨学科视角的教学设计

王孟宇 任红艳

摘要：用易得材料设计了“纸片翻转”实验，依据实验现象提出了与氢键紧密关联的探究性问题，以这些问题为驱动设计了教学过程：“看见”氢键和“再识”氢键。在跨学科视角下深入分析了氢键对遗传物质的重要意义，以这些分析为基础设计了教学过程：“感悟”氢键和“亲近”氢键。

关键词：实验探究；跨学科；氢键

1 问题的提出

学生化学学科核心素养的发展需要依托具体的教学内容来实现，对于高中化学教学内容而言，实验探究与跨学科视角是促进素养发展的重要方式。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）在教学评价与建议模块中，以氢键为例说明实验探究与跨学科视角的引入对于素养导向教学的积极作用[1]。

现阶段有关氢键的实验探究，大多为手持技术的应用，利用温度传感器比较质子性溶剂与非质子性溶剂的挥发速率快慢，以此说明质子性溶剂分子间氢键的存在或大小[2-6]。但手持技术多为教师演示使用，不易满足学生分组实验的需要，对于硬件设施相对薄弱的学校可能教师演示实验都较难得到保障。有关氢键的跨学科视角，主要为DNA碱基分子的呈现，利用碱基配对作为情境引出氢键[7]或在课后展示碱基分子结构以了解氢键在生命体中的广泛存在[8]。但无论是情境导入还是课后拓展，这些生物学内容大多停留于简单观察或了解的程度，缺少化学学科视角的深入分析，难以真正体现化学的学科价值。

本文将针对上述问题，使用易获取的纸片、铅笔与有机溶剂设计探究实验，以适应学生分组实验等教学场景的需要；同时从化学学科的视角深入分析氢键对于遗传的重大意义，来展现化学理论在生物学科中的应用价值。

2 教学设计基础

2.1 “纸片翻转”实验

笔者通过参考资料[9]并结合实际情况，设计了简易有趣的纸片翻转实验。

（1）实验原理

滤纸主要成分为纤维素，结构如图1所示，纤维素为葡萄糖聚合而成的多糖，分子长链上分布着大量的羟基，因此滤纸面上就分布着大量的羟基。如果将滤纸的某一面用疏水材料（例如石墨）涂抹以覆盖羟基，另一面不做处理，这样便可以得到一面亲水一面疏水的滤纸。由于羟基与水分子之间形成氢键，这样的滤纸片在非质子性有机溶剂与水的界面之间会出现稳定行为——未做处理的亲水面朝向水一侧。

（2）实验用品

四氯化碳、甲苯、纯净水、玻璃瓶（瓶底直径约3.5cm）、滤纸、9B铅笔、剪刀。

备注：实验前需将滤纸一面用铅笔涂抹，另一面不做处理，并剪碎成边长为5-10mm的正方形纸片。

（3）实验步骤、现象与结论

实验结论

无论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），无论如何摇晃，最终浅色一面都朝向水一侧。

（4）实验注意事项

有机溶剂使用应注意用量，并且实验中用到的CCl4、甲苯均可回收以节约资源，因此需在使用前注意容器内壁的洁净，避免有杂质混入影响有机溶剂的再利用。

2.2 化學视角下的遗传物质

除新课标强调外，教材也展示了跨学科的视角，人教版《生物学必修2（遗传与进化）》[10]与《化学选择性必修2（物质结构与性质）》均展示了DNA的双螺旋结构与其中的氢键。但前文也提及，要充分体现化学的学科价值，不能简单复述教材的已有内容，需要从化学学科的视角深入分析。

（1）氢键对于遗传的精准性意义重大

遗传的精准性主要依靠碱基的精准配对实现，学生已在生物学中获悉：一般情况下腺嘌呤（Adenine，A）与胸腺嘧啶（Thymine，T）配对形成两个氢键，鸟嘌呤（Guanine，G）与胞嘧啶（Cytosine，C）配对形成三个氢键。对这种精准性的认识可以通过化学视角加深：根据氢键的形成条件，除A-T、G-C以外的碱基配对方式所形成的氢键数目均小于5，为追求热力学的稳定性，碱基更倾向于以A-T、G-C的方式配对。因此，氢键的形成是碱基精准配对的重要因素，对遗传的精准性有着重大意义。

（2）氢键对于遗传物质的稳定性与遗传的多样性意义重大

氢键的强度一般介于范德华力与化学键之间，这样一种不大不小的作用力支持着DNA实现其特殊的生理性质——DNA需要稳定存在，又需要不断解旋以实现细胞的增值与分裂，还要为基因突变留有一定空间来延续物种多样性。氢键能满足这些要求的原因在于：氢键强于范德华力，使DNA有一定稳定性而不易无限复制；氢键键能又比化学键键能小1～2个数量级，DNA解旋所需的能量不那么高，这在一定程度上减小了细胞增殖与分裂的能量负担，同时还为碱基的不精准配对留有了一定的可能性。

3 实验探究与跨学科视角的教学功能

素养导向的实验探究教学是知识建构的有效方式。“纸片翻转”实验现象中蕴涵着探究性的问题，在解决问题的过程中学生可以完成知识的主动建构，学生的证据推理能力与宏微结合思想也从中得到一定发展。跨学科视角的教学是提升学科价值认识的重要途径。在化学视角下对遗传物质的深入分析，可使学生已建构的知识得到应用，在应用中体会化学理论的作用并认识化学学科的重要价值。具体的对应关系见表2和表3。

4 教学设计

4.1 教材与课标分析

人教版、苏教版与鲁科版均介绍了氢键的形成条件、氢键的强弱、氢键对物质性质的影响以及氢键在生物大分子结构中的存在。此外，苏教版与鲁科版还从电负性出发解释了氢键形成的本质，鲁科版还介绍了氢键的方向性与饱和性。如何对这些内容进行取舍？新课标对本课时的内容要求为：知道氢键是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的广泛存在及重要作用；学业要求为：能说明氢键对物质熔、沸点等性质的影响，能列举含有氢键的物质及其性质特点；对于氢键的方向性与饱和性在本课时未做要求[11]。

4.2 教学目标

（1）通过观察分析纸片在水和有机溶剂界面间的行为，认识到氢键的存在，并推断出氢键强于范德华力的一般事实；（2）通过对羟基与水分子结构的分析，从微观视角理解氢键形成的本质，同时从实验现象出发推断得出氢键的形成条件；（3）认识到氢键对物质性质的影响，能够基于氢键解释或预测部分物质熔沸点的高低或水溶性的差异；（4）基于化学视角分析氢键对遗传的重要意义，从而认识化学之于其他学科的重要价值。

4.3 学情分析

学生已知原子、离子等微粒通过化学键进行结合，知道范德华力的存在，基本建立了微粒间相互作用的认识模型。同时，学生已具备结构决定性质的化学基本观念，并有了一定的证据推理能力。此外，学生对于DNA的结构已有所了解，也熟悉纸巾易吸水、硬币可承载许多水等与氢键相关生活现象。

4.4 教学过程

（1）实验探究，“看见”氢键

[教师] 在完成纸片翻转实验之后，提问：为什么紙片会翻转？（Q1）

[引导] 纸片与两种溶剂之间均存在范德华力，但已知范德华力较小，无论是纤维素与水之间还是石墨与有机溶剂之间的范德华力，都不足以使所有纸片同一颜色全部朝向同一侧。

[学生] 猜想：某一侧存在着不同于范德华力且具有压倒性优势的作用力。

[教师] 微观分析：解释宏观实验现象有时需深入到微观结构进行分析。纤维素为葡萄糖聚合而成的多糖，葡萄糖为多羟基醛，纤维素分子长链上仍然保留着大量的羟基，因此在“平平无奇”的纸面上，便分布着大量的羟基。以四氯化碳这一组实验为例，如图2所示，纸片的浅色面上存在羟基，深色一面羟基被石墨“掩盖”，朝上的浅色面中羟基会与水分子之间形成另一种分子间作用力——氢键，而原本朝下的浅色面上也存在许多羟基，也十分“向往”与水分子之间形成氢键，因此翻转了朝向了水。氢键就是本节课学习的主角！

[教师] 提问：更换溶剂或剧烈摇晃，所有纸片浅色面最终均被牢牢地“吸”在水一侧，这说明什么？（Q2）

[学生] 解释：说明纤维素与水之间的氢键强于石墨与四氯化碳或甲苯之间的范德华力。

[教师] 归纳概念：一般而言，氢键的作用要远强于范德华力，但氢键并非是化学键，它的作用跟化学键相比要弱得多，因此用虚线表示。

[追问] 为什么羟基与甲苯或四氯化碳之间难以形成氢键？（Q3）

[引导] 羟基与水分子的结构如图3所示，水与羟基中的氧氢共价键均为极性键，电子云均偏向于电负性更大的氧。因此氧呈现出强烈的负电性，并且氧周围还有两对孤对电子，氢呈现出强烈的正电性，并且几乎成了一个裸露的质子。呈强烈正电性的氢与呈强烈负电性的氧之间就会相互作用，这种相互作用被命名为氢键。

图3 羟基与水分子之间形成氢键

[学生] 回答：甲苯中的碳电负性较低，碳氢共价键极性较弱，碳负电性、氢正电性均较弱，四氯化碳同理，碳氯键极性较弱，氯负电性、碳的正电性也较弱。因此羟基与甲苯或四氯化碳之间难以形成氢键。

[教师] 布置任务：归纳氢键的形成。

[归纳] 氢键的形成首先要有一个氢原子，氢原子与一个电负性很大的原子之间形成共价键，再与另一个电负性很大的原子之间形成氢键。表示为：X—H…Y（实线为共价键、虚线为氢键，X、Y为电负性较大的原子）。

（2）问题解决，“再识”氢键

[教师] 提问：同主族元素氢化物的沸点随周期数的增大整体呈上升趋势，但第二周期部分元素氢化物沸点不满足这一趋势，见图4，请解释其中原因。

图4 第二周期元素部分氢化物沸点随周期的变化

[学生] 分析：物质沸点高低主要与分子间作用力大小相关，第四主族元素氢化物沸点随周期数的增大而增大，这是氢化物相对分子质量增加使得范德华力增大导致的。其它主族也有这一趋势，但由于N、O、F的电负性均较高，H2O、HF、NH3分子之间存在氢键使得三种分子间作用力大大增加，因此沸点较高。

[教师] 概念补充：氢键的形成方式X—H…Y中的X和Y在高中阶段主要为N、O、F。

[任务] 绘制H2O、HF、NH3分子之间所形成的氢键。

[学生] 绘图如图5。

图5 H2O、HF、NH3分子之间形成氢键示意图

[归纳] 分子间形成氢键的物质沸点较高，同理，熔点也较高。

[教师] 补充：氢键除影响物质熔、沸点之外，也影响着物质的溶解性，如果存在氢键，则溶剂和溶质之间的氢键作用力越大，溶解性越好。例如，CH4、CH3CH3难溶于水，但CH3OH、CH3CH2OH极易溶于水。

（3）探秘生命，“感悟”氢键

[过渡] 氢键对于水沸点的影响，从生命的角度思考，意义也十分重大。没有水就没有生命，因氢键的存在水的沸点较高，这使得地表液态水不易挥发为水蒸气，生命得以诞生。此外，生命体中许多大分子内也存在氢键，今天我们就走进DNA分子，解密遗传物质的奥秘。

[教师] 提问：同学们在生物中了解到四种碱基的配对是一般固定的，A-T配对形成两条氢键、G-C配对形成三条氢键，其它配对方式是否可以？

[提示] 可以绘制其它配对方式，并指出形成的氢键数量。

[学生] 绘图并分析：其它配对方式形成的氢键数量均小于5，如A-C、G-T配对仅形成4个氢键（见图6），因此A-T、G-C的配对方式能量最低最稳定，细胞核也更倾向于以这种能量更低的方式进行DNA的复制。

[总结] 从能量角度而言，氢键对于遗传的精准性意义重大。（F1）

[教师] 想象一下没有氢键，DNA的双螺旋结构会如何？

[学生] 没有氢键，碱基配对的精准性会大大降低，DNA将会很容易解旋，难以稳定存在。

[教师] 补充：如果双螺旋结构仅依靠范德华力进行维系，那DNA的解旋与复制将会容易的多，细胞也极易成为无限增殖的癌细胞，遗传物质的稳定性也将不复存在。

[追問] 当然，生命在诞生的长河中，若使用化学键作为碱基配对的作用力，如今的生命景象又会如何？请同学充分发挥想象力，进行预测。

[引导] 可以从键能的角度进行思考。

[学生] 思考：化学键的键能为氢键键能的数十倍，细胞增殖所需的能量会大大增加，生命的生长速率也会大大放缓；如此高的键能使得基因突变的概率也大大降低，那么生物的遗传多样性也就几乎完全丧失。

[总结] 大自然是一个十分精巧的设计师，为生命的出现准备了氢键这样既不大也不小的作用力，使得遗传物质的稳定性与遗传的多样性同时存在。（F2）

（4）联系生活，“亲近”氢键

[过渡] 氢键“无处不在”，除对于生命的出现与延续意义重大外，在生活中很多现象上也有体现。

[教师] 提问：未吹干的头发易变形、羊毛织物水洗后易变形、硬币上可以滴数十乃至上百滴水，请结合氢键相关知识解释这些生活现象。

[学生] 头发与羊毛的主要成分均为蛋白质，蛋白质分子中含有氢键，因此蛋白质遇水后，肽链上某些位点会与水分子之间形成氢键，使得原有的空间结构有所改变，宏观上表现为未吹干的头发变形、羊毛织物水洗后变形等。而硬币上能滴很多水是由于水分子之间的作用力大，使得液体表面不同的水分子间相互“拉紧”，从而不易“散开”。

[教师] 拓展：液面上水分子之间相互“拉紧”的这种内聚力，宏观上表现为水的表面张力，表面张力影响液体界面的行为，一般来说，表面张力越大，液体表面越难破裂。例如水易形成水珠，表面张力比水更大的水银形成的“汞珠”相对于水珠而言更难破裂，而表面张力比水更小的乙醇则较难形成液珠。

5 教学反思

5.1 选择不同实验用品，设计多元化的学习活动

依据实验原理，可更换其他密度与水有所差异的非质子性溶剂，例如苯、氯代苯等，也可以获取同样的实验现象。需要注意的是，氯代苯（1.1075 g/cm3）或其它密度与水相近的极性溶剂，与水混合后会出现不同程度的乳化，需静置稍长时间才可观察到明显的分层现象（约30 s），有时两溶剂（邻苯二甲酸丁二醇酯与水）还会出现左右分层的情况（纸片仍在两溶剂界面之间）。以上溶剂的更换均可由学生来进行，学生依据原理进行溶剂选用，进而完成对氢键相关内容的认知强化。在家庭实验、科普活动或其它实验室有机溶剂难以获取的场景中，以上溶剂便不再适用，此时可更换为生活中粘度较低的有机溶剂，如酒用香精、打火机油等。对于科普活动而言，为增强趣味性，羟基的覆盖物可更换为彩色胶带，纸片形状也可多样化。

5.2 关注化学学科前沿，提升教师学科理解水平

氢键是什么？人教版、苏教版和鲁科版教材将其定义为静电作用本质的分子间作用力，但氢键的方向性与饱和性却无法用静电作用的观点来解释，反而一定程度上符合价键理论，IUPAC在2011年给出的氢键新定义也规避了“分子间作用力”的用词[12]，李淑妮等[13]也建议将氢键定义为“原子间”的另一种作用力。诚然，高中教学应具有阶段性，“氢键到底是什么”无需学生完全掌握，但教师需对这些内容充分理解，以在不同的阶段中更好的控制教学的深广度。

至今，氢键的理论与应用前沿发展迅速，在理论方面，多种类型的氢键被发现，除熟知的Xδ-—Hδ+…Yδ-型氢键外，还有双氢键Xδ+—Hδ-…Hδ+—Yδ-、反氢键Xδ+—Hδ-…Yδ+等，反氢键的存在近期也已被实验证明[14]；在应用方面，氢键也被广泛使用，如利用氢键调控低共熔溶剂（deep eutectic solvents，DESs）捕集CO2[15]、基于氢键设计仿生抗冻蛋白[16]等。这些理论或应用前沿也可作为实验探究或跨学科视角引入高中课堂，成为学生核心素养发展的重要载体，当然完成这样的引入也需要教师深刻的学科理解。

参考文献

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