“分子结构与物质的性质”项目式复习教学

摘要： 以“探秘非遗湿拓画”为项目主题，学生通过完成四个项目任务——制备并检验画液性能、探究牛磺酸在颜料配制中的作用、分析颜料在液面上的扩散现象以及解释拓印图案的原理，深入分析特定的分子结构特征，推测分子间的相互作用以及解释物质的性质，加强对“分子结构-分子间作用力-物质性质”内在联系的理解，发展宏观辨识、微观探析、科学探究和证据推理等化学学科核心素养。

关键词： 传统文化; 分子结构; 分子间作用力; 物质的性质; 证据推理

文章编号： 1005-6629（2024）07-0042-07 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 项目主题内容分析

分子结构与物质的性质是“物质结构与性质”的重要教学内容之一，是学生联系化学宏观与微观视角的重要桥梁，是发展学生“结构决定性质”化学观念的重要载体，其核心内容包括共价键的极性、分子极性、分子间相互作用及其对物质性质的影响［1］。尽管学生在新授课中已掌握一定的基础知识，但在解释物质性质尤其是溶解性时，

欠缺系统的认识思路，尚需深化对分子结构与物质性质关系的理解。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》建议在该节教学中开展关于“相似相溶”规则的实际应用和讨论水的特殊性［2］等活动，但目前人教版教材中尚缺乏与之相关的学生实验，且鲜有关于创设真实情境帮助学生认识现实世界中分子结构与物质性质关系的教学研究报道。

项目式学习是一种建构性的教学方式，其关注学生的主体地位，有效促进学生在复习课中形成结构化知识，提高解决真实问题的能力，发展化学学科核心素养［3］。非物质文化遗产是人类鲜活的文化瑰宝，非遗湿拓画是一项古老的水上作画技艺，其蕴含着丰富的科学经验、深厚的人文内涵和独特的艺术魅力［4］，为化学课堂教学提供了重要的教育资源。如图1所示，本

项目以“探秘非遗湿拓画”为教学情境，设计四个层次分明且具有挑战性的项目任务，通过该复习教学深化学生对分子结构与物质性质内在关系的理解。学生在面对开放性和驱动性问题时，整合所学知识和相关资料，进行实验探究活动，分析特定分子的结构特征，推测分子间相互作用并解释其对物质性质的影响，从而建构“分子结构-分子间作用力-物质性质”的认识思路，最终形成并分享项目成果，体悟化学、艺术与文化的紧密关联。

2 项目教学目标

（1） 通过实验制作画液并验证其性能，基于画粉的组成分析其分子结构特点，回顾范德华力和氢键的特征和实质，从宏观与微观视角探讨醇、醛、羧酸与水分子之间的相互作用，并解释画粉的溶解性。

（2） 基于定性和定量实验的角度探究牛磺酸在颜料配制中的作用，分析牛磺酸双电荷结构特点，加深对离子间静电作用及其对牛磺酸表面活性影响的认识，建构物质“分子结构-分子间作用力-物质性质”的认识思路。

（3） 基于电负性、空间构型和氢键的特点，进一步认识水分子的结构、表面张力的特殊性及其应用，深化“结构决定性质”的化学观念。

（4） 基于化学和物理学科视角认识纤维素分子的长链结构与毛细现象之间的关系，解释表面张力和毛细作用拓印图画的原理，体会运用跨学科知识解决复杂问题的重要性。

3 项目任务及教学流程

在课前组织学生观看非遗湿拓画艺术的视频，了解“花开丝绸之路”的创作过程，激发学生的学习兴趣。项目分2个课时完成，通过四个连续的项目任务引导学生探秘非遗湿拓画技艺背后的化学原理。具体教学流程如表1所示。

4 项目实施过程及学生学习成果

4.1 创设情境

［情境导入］宋朝苏易简在《文房四谱》纸谱中记载了类似湿拓画的流沙笺制作过程：“亦有煮皂荚子膏，并巴豆油，傅于水面，能点墨或丹青于上，以姜揾之则散，以狸须拂头垢引之则骤。然后画之为人物，砑之为云霞及鸷鸟翎羽之状，繁缛可爱，以纸布其上而受采焉。［5］”

［教师提问］如何在水上作画？本节课学习后让我们一起揭开其中的化学科学奥秘。提示：皂荚子膏和巴豆油密度较水低，且与水不相溶；姜辣素具有表面活性。

4.2 制备并检验画液性能

［学生分组活动］学生将3.0克画粉溶解于400毫升热水中，搅拌后观察到画粉逐渐凝结成边缘透明的白色块状，随后在1小时左右转变为透明凝胶，3小时后完全溶解，形成无色澄清的画液（如图2所示）。学生在试管中分别加入等体积的蒸馏水（以下简称水）和画液，并滴入湿拓画颜料（以下简称颜料），观察到颜料在画液中形成浮层（图3-a）然后在水中沉降（图3-b），这一现象可能与溶质分子与水分子之间的相互作用有关。

［教师提问］从上述实验现象可知，画粉溶于水是颜料成功浮于液面的重要原因。画粉的溶解性与其分子的组成和结构有关，怎样解释画粉逐渐溶解在水中？

［资料卡片1］黄蓍树胶是常用的画粉之一，其主要成分包括两种：一种是水溶性的黄蓍酸和阿拉伯半乳聚糖，阿拉伯半乳聚糖是一种高分子量的多糖，具有粘性和胶状特性；另一种是不溶于水但在遇水后膨胀的黄蓍胶糖，黄蓍胶糖具有膨胀和形成凝胶的能力，当加入水时会形成凝胶状物质。此外，黄蓍树胶的水解过程可以产生半乳糖醛酸、l-岩藻糖和d-木糖等化学物质，它们的分子结构如图4所示［6］。

［学生讨论］分析资料卡片，我们观察画粉中的半乳糖醛酸、l-岩藻糖、d-木糖和水的分子结构，发现这些都是极性分子，而一般极性溶质易溶于极性溶剂。还发现这些分子中含有较多的—OH，与水分子中的—OH相似因素大，符合“相似相溶”的经验性规则。此外，这些分子中还含有—CHO和—COOH等亲水极性官能团，使这些分子在分子内部、分子之间，以及与水分子之间容易形成氢键，因此画粉可溶于水。

［教师提问］范德华力和氢键是我们学过的两种重要分子间作用力，它们对我们理解物质的性质十分重要。能否归纳两种分子间作用力的本质和特征？

［学生回答］范德华力是分子之间普遍存在的较弱的作用力，其大小与相对分子质量和分子极性正相关，具有非方向性。氢键是与高电负性原子（如N、 O、 F）结合形成极性共价键的氢原子，与另一个高电负性原子之间存在的较强的作用力，具有方向性和饱和性。

［教师追问］能否解释为何画液密度及颜料的浮力增大了？

［学生回答］从分子结构的角度来看，这些溶质和溶剂都是极性分子，且都含有与高电负性原子结合形成极性共价键的氢原子。从分子间相互作用的角度来看，这些分子间都形成了范德华力，以及较多原子发生相互作用形成氢键。因此，画粉溶解后画液的密度比水大，也增大了颜料的浮力。就像我们在有机高分子材料学过的高分子链越长，相对分子量越大，分子链之间的作用力也越大一样。

4.3 探究牛磺酸在颜料配制中的作用

［教师引导］颜料的密度和饱和度等性质是水上绘制图画的关键。而颜料的调配中通常会加入添加剂（使颜料分子带电）、牛胆汁和水。请分组探究牛胆汁用量和颜料滴入量对颜料密度和饱和度的影响。

［学生分组活动］首先使用0.1毫升的注射器向点滴板的四个凹穴中加入0.015毫升绿颜料和0.03毫升蒸馏水，并分别加入0.00毫升、0.01毫升、0.02毫升、0.03毫升的牛胆汁，混合均匀制备颜料。其次从中取半滴颜料加入四份画液中，观察发现不同牛胆汁含量的颜料均能够浮在水面并扩散，但含量更高的颜料扩散速度更快，中间颜色最淡，边缘颜色最浓。最后往盛有5毫升画液的试管中滴入半滴颜料，每隔3秒添加半滴，观察到颜料的变化如图5所示，下沉的颜料无法用于作画。

［教师提问］由探究颜料实验的现象可知，牛胆汁对颜料的密度和饱和度产生了影响。牛胆汁中富含牛磺酸，如图6所示，牛磺酸分子有分子和两性离子两种结构。分析其结构的特点，推测牛磺酸分子和颜料分子之间存在哪些作用力？解释牛磺酸的性质及其如何影响颜料的密度？

［资料卡片2］牛磺酸分子中因氨基和磺酸基的存在展现出双亲性，即亲水和疏水的特性。这使得它能够有效地降低颜料与水之间的表面张力，促进颜料在水面上的扩散。牛磺酸是一种作为两性离子的有机化合物，其分子结构中同时存在正电荷（氨基）和负电荷（磺酸基）［7］。

［学生1］分子之间存在范德华力，结合资料分析牛磺酸的分子结构中含有氨基和磺酸基，它们之间可能还存在氢键。

［学生2］牛磺酸分子中的磺酸基和氨基都是亲水基团与水分子相互吸引，而疏水基团与颜料分子相互作用。牛磺酸分子相当于一层保护膜，防止颜料分子紧密接触，所以颜料密度较小能够浮于液面。

［学生3］由于牛磺酸的双电荷结构，使其磺酸基带负电和氨基带正电，与带电荷的颜料微粒存在静电作用，而静电排斥力可以防止颜料微粒相互吸引形成团簇而聚集在一起。

［小结］牛磺酸是一种具有表面活性的化合物，具有较强的分散性和润湿性，能够作为一种表面活性剂。

4.4 分析颜料在液面上的扩散现象

［学生分组活动］学生在塑料托盘中倒入400毫升画液，并在液面上滴入蓝颜料，颜料由中心向外扩散，形成近似圆形的图案。当颜料接触到器壁或与其他颜料相遇时，图案转变为不规则形状。加入其他颜料时颜色分布变化相似［图7-（1）～（5）］，使用画针划动液面可形成复杂的图案［图7-（6）］。

［教师提问］根据现象和所学知识，猜想颜料扩散过程与什么有关？

［学生回答］猜想1：颜料分子热运动有关，颜料分子自发地从高浓度区域向低浓度区域运动。猜想2：与分子受力平衡有关，含有牛胆汁的颜料作为表面活性剂可以降低水的表面张力，打破了液面的平衡状态，因此颜料分子发生扩散运动。

［教师提问］我们学过水的熔点、沸点和密度等奇特性质与水分子之间存在氢键有关。根据价层电子对互斥（VSEPR）模型，水分子的空间结构是怎样的？水分子间的氢键有什么特点？

［学生］水分子的VSEPR模型为四面体形，略去氧原子2个sp3杂化轨道中的孤电子对，得到水分子的空间构型为V形。因为氢键具有方向性和饱和性，所以水分子中的氧原子能够与另外水分子中的氢原子沿着孤电子对所在的sp3杂化轨道方向形成氢键，每个水分子最多只能与4个水分子形成氢键。

［教师追问］根据资料信息和水分子间的氢键解释水的表面张力。

［资料卡片3］水分子之间存在吸引力（实线）和排斥力（虚线）。在远离水表面的地方，由于水分子的分布较对称因此存在平衡力。然而在水表面附近，水分子的上下对称性被破坏，为了保持垂直方向上的力平衡，向上的排斥力与向下的吸引力相等。与水面方向平行的方向上水分子分布依然较对称，因此并没有理由使平行于水表面方向的排斥力和吸引力相等。这就导致水的表面存在一个平行于水表面的拉力，即水的表面张力（如图8所示）［8］。

［学生］在液体内部，水分子通过氢键形成四面体结构。在液体表面上，水分子与上方的空气分子不形成氢键，导致了表面水分子的排列不规则。表面水分子倾向于与内部水分子相互作用尽可能形成数目多的氢键来增加表面的有序性。

［拓展视野］在生产生活中，科学家利用水的表面张力开发了油水分离膜技术，有效地分离油和水，实现环境友好的资源回收［9］。

［布置任务］这些具有视觉冲击的颜色图案的形成过程就是分子间相互作用的过程，让我们发挥想象力感受和创作水上画作。

4.5 解释拓印图案的原理

［学生活动］学生自主设计并使用工具绘画，随后将白纸、书签、面具和玻璃杯等材料轻轻压在画液表面，将颜料图案转移到载体上完成拓印。展示部分学生的项目作品如图9所示。

［教师提问］液面拓印图案时，多角度猜想载体和液面上的颜料分子之间发生怎样的相互作用？

［学生讨论］猜想1：颜料分子、添加剂与载体表面分子存在粘附力，颜料分子通过载体表面的直接接触转移。猜想2：纸张的主要成分纤维素属于长链的多糖化合物，通过范德华力和氢键紧密地结合形成坚固的纤维，水及颜料溶液通过纤维相互缠绕和重叠形成的微小的空隙上升到纸布。

［教师追问］如何评价非遗湿拓画？

［学生评价］非遗湿拓画作为一种艺术创作技艺，其制作过程体现了绿色化学思想。我们使用的画粉来源于可再生的植物资源，且画液可以循环使用，减少化学废物的产生。此外，拓印过程和图画的长期稳定性无需额外消耗能量。

［总结］通过探秘非遗湿拓画的教学实践活动，我们能够直观地观察和感觉到物质分子结构的极性如何通过氢键和范德华力影响画粉在水溶液中的溶解度等。这种从宏观→微观→宏观→微观视角的观察过程，不仅加深了我们对分子结构与物质性质内在关系的理解，而且让我们学会了如何将这些原理应用于创作书签、书封、面具和烧杯等艺术作品，从而将化学知识与日常生活和艺术创作结合起来。

5 项目教学反思及改进建议

在“分子结构与物质的性质”项目式复习教学中，通过“非遗湿拓画”作为教学情境设计了可支持学生探究和创作的教学活动，激发了学生的兴趣和主动性，有效调节了紧张的学习气氛。学生在探讨和解释画粉的溶解性、牛磺酸的表面活性、水的表面张力和纤维素的粘附性过程中整合了本节课的核心知识，加深了对分子结构及物质性质内在联系的认识，自主建构了“分子结构-分子间作用力-物质性质”的认识思路，在学习过程的表现中体现了微粒观、定性与定量、结构决定性质等化学思想与化学观念，达成了项目教学目标。将非物质文化遗产有机融入化学课堂教学时需要关注以下几点：

（1） 根据皮亚杰的认知发展理论，学生在面对适当难度的任务时学习效果最佳。非遗融入化学教学时需随时以学生的反馈来调整项目任务的难度，确保挑战性与可达成性保持平衡。

（2） 保证学生学习的主体地位。每节课安排至少15分钟的小组讨论环节，鼓励学生交流讨论和表达观点，有助于学生在更抽象的认识层面上理解知识，从而更灵活地运用知识解决问题。

（3） 努力提升教师的文化素养，增进对非遗中科学原理、人文内涵和艺术魅力的理解，不断丰富化学教学内容，从而促进学生在人文知识、科学常识、智慧和精神层面的发展。

此外，还可以化学科普活动的形式，将该教学内容应用于非正式教育场所，如博物馆、艺术馆和美术馆等，通过亲手实践与体验来感受化学原理与艺术创作的结合，提升公众的科学素养，激发人们对非遗的兴趣，积极参与到传承和创新非遗中。

参考文献：

［1］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学选择性必修2·物质结构与性质［M］. 北京：人民教育出版社， 2020： 52～59.

［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 39～42.

［3］林波， 杨洁， 陈向阳. 基于项目式学习的高三化学反应原理专题复习——以“二氧化碳催化加氢生产甲醇”为例［J］.化学教学， 2021， （12）： 58～64.

［4］Liang Y Y， Li M J， Tian C J， et al. Study reporting an elective chemistry course titled “the mysteries of chemistry in intangible cultural heritage” to fulfill the vision of science literacy ［J］. Journal of Chemical Education， 2023， 100（7）： 2654～2663.

［5］［宋］苏易简. 文房四谱［M］. 北京： 中华书局， 2011： 199.

［6］Azadbakht M， Montaseri H， Mohammadi－Samani S， et al. Physicochemical characterization of astragalus campylorhynchus gum exudate and its modification to tragacanth utilizable in pharmacy ［J］. Acta Poloniae Pharmaceutica， 2017， （74）： 1913～1920.

［7］S. Bio. 两性离子——定义、结构、示例［EB/OL］. （2023-06-24）［2023-09-15］（https：//microbiologynote.com/zh－CN/zwitterion－definition－structure－examples/#Are_all_amino_acids_zwitterions.

［8］Marchand A， Weijs J H， Snoeijer J H， et al. Why is surface tension a force parallel to the interface？ ［J］. American Journal of Physics， 2011， 79（10）： 999～1008.

［9］陈超奇， 李兆双， 黄钦等. 油水分离膜材料制备及其应用研究进展［J］. 化工新型材料， 2023， 51（9）： 1～7.

（江西省学位与研究生教育教学改革研究项目（JXYJG-2022-061）；江西省高等学校教学改革课题（JXJG-21-2-46）；江西省基础教育研究课题（SZUSDHX2022-1034）；中国化学会化学教育委员会“十四五”规划2022年课题（HJ2022-0014）。

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