利用“姆潘巴效应”改进氢键教学_吴秋红.pdf

*福建省本科高校教育教学改革研究项目(F B J G 2 0 2 0 0 0 5 5);福建省线下一流本科课程建设项目(闽教高 2 0 1 92 3号)*通信联系人,E-m a i l:z h a n g y h m n n u.e d u.c n利用“姆潘巴效应”改进氢键教学*吴秋红 程水芳 张燕辉*(闽南师范大学化学化工与环境学院 福建漳州 3 6 3 0 0 0)摘要 教学设计要重视实验探究的作用,以问题驱动课堂教学,从原有知识和现有知识的认知冲突中,策划高质量的学习活动。基于“姆潘巴效应”分子理论说,以“热水与冷水谁先结冰”为探究主题,以验证“姆潘巴效应”实验为主线,引导学生从分子水平的角度分析“姆潘巴效应”。通过将氢键理论贯穿到整个教学过程中,丰富氢键教学实践,让学生体验科学探究的过程,从而搭建宏观物质与微观世界的桥梁。关键词 氢键 姆潘巴效应 问题驱动 实验探究D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 1 0 2 4 4 水与人类的生活密切相关,水结成冰是生活中常见的现象。教师在教学中引入真实问题情境,有助于聚焦学习主题,解决学习问题1-2。以“氢键”教学设计为例,选取生活中最常见的水为素材,以验证“姆潘巴效应”实验为主线开展教学活动,把化学实验带入到课堂教学,不仅能最大限度地激发学生学习的主动性,还能满足学生对实验的浓厚兴趣3。在同等冷却条件、同等质量水的前提下,人们通常会认为温度低的水会比温度高的水更快一步结冰。“姆潘巴效应”打破了这一传统观念。1 9 6 9年,一个名为姆潘巴的中学生,在一次课外活动中发现了一种现象:热牛奶比常温牛奶结冰快。随后他在奥斯波恩的帮助下又进行多次实验,并共同发表了论文。同等冷却条件、同等质量和同等体积下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰,这种现象也因此被称为“姆潘巴效应”(M p e m b a e f f e c t)。对于“姆潘巴效应”,国内外研究成果丰富。研究表明,对“姆潘巴效应”产生重要影响的因素主要包括水的蒸发、水中的溶解气体、温度梯度造成的对流和过冷4以及分子理论说。根据分子理论说的研究成果,水分子中氢键的作用导致了“姆潘巴效应”的产生。本节课主要基于分子理论这一解释,引导学生从分子水平的角度解释“姆潘巴效应”,将氢键理论贯穿到整个教学过程中,同时培养并发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学态度与社会责任等化学学科核心素养5-6。1 教材分析氢键这节课的内容,选自苏教版高中化学必修1专题5第2单元微粒之间的相互作用力。但在苏教版新教材必修1中,氢键是分子间作用力知识点中的“拓展视野”栏目内容,对氢键的相关知识进行了简单介绍。另外,在苏教版选修2 物质结构与性质中进一步介绍了氢键,将氢键与范德华力、化学键进行比较,分析氢键的特点和作用。氢键的学习是学生进行微观结构探析的重点和难点。在 普通高中化学课程标准(2 0 1 7年版2 0 2 0年修订)中,要求学生“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的广泛存在及重要作用,能说明分子间作用力(含氢键)对物质熔、沸点的影响,能列举含有氢键的物质及其性质特点”7。悉数高考化学试题,氢键作为一个很小的考点,但出现次数却很频繁,常与化学键、范德华力等概念一同考查。学生对知识的接受程度、对抽象概念的理解深度和能否会应用知识都是判断学生学习情况的重要标志。在苏教版必修教材中,教材上有关氢键的知识点不多,学生理解难度大。“双减”政策下学生学习模式发生了转变,教师应跳出“教教材”的桎梏,做学生自主学习的好帮手,帮助学生开拓视野,引导其进行科学探究8-9。通过将“姆潘巴效应”运用到氢键的教学中,可丰富教学内容,提高课堂教学的趣味性。2 学生基础分析与教学分析在学习氢键之前,学生已经有离子键和共价键28化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期相关概念,掌握了原子核外电子排布规律,为氢键的学习奠定了基础。从以往学生的学习情况来看,对于“氢键”的误解包括以下几点:(1)将氢键等同于化学键,出现知识网络错乱;(2)认为有氢原子就能形成氢键;(3)不能判断是否存在氢键;(4)不能说明由氢键导致的物理性质变化。学生容易出现的这些问题,与教师的片面教学有很大关系。传授式教学注重概念的讲解辨析,忽视了与生活实际的联系。学生对知识点理解不够透彻,面对复杂真实的问题就毫无头绪。在现实生活中,氢键扮演着重要角色。从生命化学的角度,生命体的遗传物质D N A通过氢键形成双螺旋结构;在物理和化学科学的探索中,人们发现通过氢键作用,所以冰浮在水面上;在新加坡南洋理工大学孙长庆与张熙的研究结论分子理论说中,氢键在“姆潘巴效应”中发挥了重要的作用1 0。氢键这节课的内容本身难度较高,因此教师不仅要讲清知识点,还要联系生活实际,精心设计活动,在学生认知基础上发展学生的化学学科核心素养,其教学分析如图1所示。F i g.1 T e a c h i n g a n a l y s i s图1 教学分析3 设计思路在课前,教师为学生提供相关学习资料,帮助学生巩固范德华力的成因及其作用范围,为这节课的学习奠定基础。在教学过程中,教师主要介绍氢键理论以及“姆潘巴效应”。氢键形成的实质是学生必须掌握的内容,也是解锁“姆潘巴效应”的关键。教师以问题驱动课堂教学,通过物质性质的反常现象引起学生的认知冲突,结合实验探究、视频教学等多种方式引导学生在自主学习中领悟新知,同时充分利用“姆潘巴效应”蕴含的思政教育价值,引导学生从榜样中汲取精神力量,激发学生的学习内驱力,其教学流程图如图2所示。F i g.2 T e a c h i n g p r o c e s s图2 教学流程4 教学实录4.1 情境导入、问题讨论 引入氢键【教师】介绍“姆潘巴效应”。【教师】播放“姆潘巴效应”实验操作视频片段 “加热自来水升高水温”。【教师】在加热的过程中,分子间距如何变化?【学生】猜测分子间距越来越大。【教师】展示固体、液体、气体分子模型形态(图3)。F i g.3 T h e m o d e l m o r p h o l o g y o f s o l i d(a),l i q u i d(b)a n d g a s(c)m o l e c u l a r图3 固体(a)、液体(b)、气体(c)分子模型形态 【教师】分子间距为什么越来越大?【学生】通过加热,水吸收了热量,使得水分子无规则热运动加快,分子间隙增加。【教师】分子间隙的增加需要吸收热量,这说明了什么?【学生】分子之间存在相互作用力,水分子需382 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)要吸收热量以克服分子间作用力。【板书】(图4)一、分子间作用力的相关概念与特点F i g.4 T h e t y p e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f i n t e r m o l e c u l a r f o r c e s图4 分子间作用力的类型与特点4.2 联系旧知、深化新知 认识氢键【教师】分别将6 m L的6 0,5 0 及4 0 的水置于冰箱(B C D 2 2 3 WD P T型),在-1 8 冷冻条件下,用数显温度计(XMD 1 1 0型)观察水温变化。通过观察热电偶温度计示数的变化(图5),可以发现温度如何变化?F i g.5 T h e a p p a r a t u s o f M p e m b a e f f e c t e x p e r i m e n t图5 姆潘巴效应实验仪器【课件展示】播放“姆潘巴效应”实验操作视频片段 “将同等质量的热水和冷水放置于同等冷却条件下”。【学生】一开始热水大概每秒下降0.1,之后速率减小,1 0 s后冷水也开始降温,但降温速率极慢。【教师】水在一个标准大气压下熔点为0,为什么水的熔沸点较高?【课件展示】同主族非金属元素氢化物沸点(图6);非金属元素C,N,O,F的电负性和原子半径(表1)。【教师】联系之前所学的知识,同主族元素氢化物的熔沸点有什么关系?【学生】原子序数增大,分子质量越大,范德华力也越大,同主族元素氢化物熔沸点由上到下依次升高。【教师】第A,A,A,A族元素氢化物特殊的沸点变化规律,说明了什么?【学生猜想】分子间可能存在另一种作用力。【教师讲解】除了范德华力,分子之间还存在一种类似于静电引力的作用力,它的强度比范德华F i g.6 B o i l i n g p o i n t o f h y d r i d e o f n o n m e t a l l i c e l e m e n t s o f t h e s a m e m a i n g r o u p图6 同主族非金属元素氢化物的沸点表1 部分元素的性质T a b l e 1 T h e n a t u r e o f s o m e e l e m e n t s元素电负性原子半径/p mC2.57 7N37 0O3.56 6F46 4力大一些,但比化学键小得多,与电负性大的原子(N,F,O等)形成共价键的氢原子,会与另一带负电荷的强电负性原子发生相互作用,这种相互作用称为氢键1 1。【课件展示】水分子间氢键(图7)。F i g.7 S c h e m a t i c d i a g r a m o f h y d r o g e n b o n d b e t w e e n w a t e r m o l e c u l e s图7 水分子间氢键示意图【教师】根据水分子间氢键的示意图,可以得到哪些信息?氢键的形成条件是什么?【学生】(1)相邻的水分子之间可以形成氢键,每个水分子可以与相邻的4个水分子形成4个氢键。(2)氢原子带正电荷,与另一个水分子中带负电荷的氧原子之间形成氢键。【教师归纳】(1)水是极性分子,水分子中氧的电负性大且半径小,由于氢和氧之间的共用电子对偏向氧,使得氧原子带上部分单位的负电荷,而氢原子几乎成为“裸露”的质子。当2个水分子相互靠近时,带48化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期部分正电荷的氢原子与带部分负电荷的氧原子之间就会产生氢键1 2。(2)氢键必须沿着特定方向才能成键。氧原子的孤电子对所在轨道的轴,应尽可能与另外一个水分子的HO在同一直线上,且每个水分子最多只能和周围4个水分子形成氢键,说明氢键具有方向性和饱和性。【板书】(图8)二、氢键的形成条件F i g.8 C o n d i t i o n s o f a t o m s f o r m i n g h y d r o g e n b o n d s图8 形成氢键的原子的条件【课件展示】液态水、冰晶体中的氢键1 3。【教师】为什么冰能浮在水面上?【学生】讨论比较液态水和冰中的氢键。【教师总结】氢键具有方向性和饱和性。水结成冰时水分子间可以最大程度地形成氢键,导致冰晶体微观结构中存在大的空隙,因此冰的体积膨胀、密度减小,因此冰能浮在水面上。4.3 氢键知识的拓展与应用 再识氢键【教师】同学们猜测最后会出现什么现象?怎么得到结论?【学生】普遍认为冷水结冰更快,一些学生持不同意见,但不能解释原因。【课件展示】倍速播放水结冰过程视频。【教师】观察到什么实验结果?降温快的是哪一组?【学生】6 m L 6 0 的水降温速度最快,比其他2组早结冰。【课件展示】相同降温条件下6 m L不同温度水的降温曲线(图9)。【教师】通过实验可以发现,在一定条件下会出现“姆潘巴效应”。“姆潘巴效应”存在什么科学奥秘?从分子水平的角度来看,请同学们结合资料分析氢键是怎么影响“姆潘巴效应”的?【课件展示】资料1:影响“姆潘巴效应”的因素1 4。资料2:美国加州理工学院院士W i l l i a m A.G o d d a r d I I I和韩国学者J a e h y e o k J i n通过实验对F i g.9 T h e c o o l i n g c u r v e s o f 6 m L w a t e r a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s u n d e r t h e s a m e c o o l i n g c o n d i t i o n图9 相同降温条件下6 m L不同温度水的降温曲线“姆潘巴效应”的解释1 5。资料3:不同温度中水分子的氢键(图1 0)1 0,1 6。F i g.1 0 H y d r o g e n b o n d s o f w a t e r m o l e c u l e s a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s:(a)c o l d w a t e r a n d(b)h o t w a t e r图1 0 不同温度中水分子的氢键:(a)冷水,(b)热水【学生】(1)水分子间氢键的作用是导致“姆潘巴效应”的一个重要因素。(2)液态水温度升高,水分子之间距离越大,氢键越长。【教师讲解】从分子水平的视角来看,加热后被拉长的氢键包含着较高能量,就像一根被拉长的弹簧,加热就是拉开弹簧,而结冰就是压缩弹簧,将热水结冰类比于拉开的弹簧收缩,由于冷水和热水初始状态不同,一段时间后,热水放出能量的速度会超过冷水,并且以更大的“加速度”继续放热,此时就会出现“姆潘巴效应”,最终得出热水比冷水结冰快的结论。【教师】列举“姆潘巴效应”在生活中的应用。【学生】(1)在寒冷的冬天,用热水洗的衣服会比用冷582 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)水洗的衣服更易结冰。(2)热水管比冷水管更易发生冻结。【教师】“姆潘巴效应”可以很好地解释一些生活常识,例如冬天要用冷水而不用温水洗车,还有生活中常见的速冻米面,其制作过程也充分应用了“姆潘巴效应”。人们还应深入挖掘“姆潘巴效应”的潜在应用价值,指导实际生产生活。【课件展示】教师在验证“姆潘巴效应”实验过程中的经验总结:水的体积不宜过多,用6 m L水时更方便观测到“姆潘巴效应”4。热水和冷水的温差不宜过大,有文献报道温差在5 3 5 范围可观测到“姆潘巴效应”1 7,但实验中发现在4 06 0 内,温差2 0 能观测到“姆潘巴效应”。选择与实验内容相适宜的实验仪器,特别要注意要保证温度计的探头能够浸入固液中,准确测量温度。【教师】但是验证“姆潘巴效应”的实验过程并不是一帆风顺,请同学们根据实验提示,在前人已有实验基础上,自主设计实验方案并进行操作,验证“姆潘巴效应”。5 教学反思5.1 用实验检验真理,用真理引导实验化学是一门源自实验探究的学科。实验是连接宏观现象与微观世界的桥梁。化学实验不仅能给学生带来愉悦的课堂体验,还能促进学生化学学科核心素养的发展。因此,将抽象的知识点以实验的方式呈现,用实验服务理论教学,是课堂教学设计必须思考的关键。本节课以“热水与冷水谁先结冰”为探究主题,以验证“姆潘巴效应”实验为主线,用实验检验真理,从而引出氢键的概念,进一步解释了“冰为什么可以浮在水面上”。同时,运用真理引导实验,引导学生将抽象化的氢键结构具体化、掌握氢键对物质沸点的影响并学会及时运用所学知识说明实验现象。教师以学科核心素养为导向,以发展思维为目标,以实验探究为核心进行情境化教学,才能最大程度激发学生学习的主动性,引导学生自觉从W h y(为什么)、W h a t(是什么)转向H o w(怎么做),实现育人价值。5.2 用科研服务教学,以问题驱动教学本节课在教学设计中做了适度拓展,利用“姆潘巴效应”进行氢键教学设计,使学生对氢键的认识从概念到结构,进一步深化到应用的进展。实际上,随着科学研究的深入,氢键理论也在不断丰富和更新。教师应不断提高国际化视野,与时俱进,把科研动态融入到学科教学设计中。在问题驱动教学策略中,以怎样的问题为载体,用怎样的问题引导课堂教学,问题驱动链设计的科学与否都将影响学生学习的效果。科学探究本就是发现并解决问题的过程,在抽象的“氢键”概念引入前,教师以生活情境问题呈现,在学生已有知识的基础上步步激疑,引导分析氢化物沸点的变化,进一步掌握氢键理论,甚至能够推导姆潘巴效应形成原因。教师设计好知识问题链,创设情境引导学生观察思考,发挥教学智慧,才能形成以学生为主体的课堂教学,实现知识从灌输式接受转为结构性输出。5.3 视频教学优势,挖掘课程思政元素实验视频与动画课件相比,更具真实性和操作性,可以随时播放或回看片段,由于“姆潘巴效应”的验证实验耗时长,所需时间远远超出一节课,且教室里实验条件有限,无法在课堂中展示完成,因此本节课选用视频实验进行替代。在“双减”政策下,保证教学效率的同时更要兼顾教学质量,减轻了学业负担,突出的是学生自主能力的培养。如果姆潘巴在日常学习生活中没有积极性,不是一个能够自主学习的孩子,他就不可能发现这个后来以自己名字命名的现象。因此,教师应充分利用教学素材,激发学生精神力量,用榜样鼓舞自己,“姆潘巴效应”实验所需器材简单,步骤环节也不多,教师还可以通过布置课后任务,让学生自主设计实验方案,验证“姆潘巴效应”,进一步巩固在课堂中学习的知识,鼓励他们思考导致“姆潘巴效应”的其他原因,不断激发学生的学习自主性。参 考 文 献1 崔博雅,袁振东.化学教育(中英文),2 0 2 1,4 2(1 1):1 0 3-1 0 82 王全,王磊.化学教育(中英文),2 0 2 0,4 1(5):4 5-5 23 李淑妮,翟全国,蒋育澄,等.化学教育(中英文),2 0 1 9,4 0(2 2):1 5-2 04 黄兴奎.荆楚理工学院学报,2 0 1 4,2 9(6):8 2-8 65 刘样,胡久华.化学教育(中英文),2 0 2 1,4 2(1 1):4 1-4 86 庄严,郑长龙,赵红杰,等.化学教育(中英文),2 0 2 1,4 2(1 9):4 2-4 87 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2 0 1 7 年版2 0 2 0年修订).北京:人民教育出版社,2 0 2 0:3 9-4 28 王雨,毕华林.化学教育(中英文),2 0 2 0,4 1(1 7):7 9-8 59 历晶,刘瑞.化学教育(中英文),2 0 2 1,4 1(1 7):6 6-7 168化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期1 0 黄景妹,倪敏,冯杰.物理通报,2 0 1 4(8):1 0 3-1 0 61 1 王祖浩.普通高中教科书:物质结构与性质(化学选择性必修2).南京:江苏凤凰教育出版社,2 0 2 1:7 9-8 31 2 吴萍萍,宋磊,殷长龙,等.化学教育(中英文),2 0 2 2,4 3(4):7 5-8 01 3 王祖浩.普通高中教科书:化学第一册(必修).南京:江苏凤凰教育出版社,2 0 2 1:1 3 1-1 3 21 4 张希,孙长庆.第十四届全国物理力学学术会议缩编文集.成都:中国力学学会物理力学专业委员会,2 0 1 6:9 01 5T a o Y W,Z o u W L,J i a J T,e t a l.J o u r n a l o f C h e m i c a l T h e-o r y a n d C o m p u t a t i o n,2 0 1 7,1 3(1):5 5-7 61 6S u n C Q,Z h a n g X,Z h e n g W T.C h e m i c a l S c i e n c e,2 0 1 2,3(5):1 4 5 5-1 4 5 91 7 王禹欣,侯吉旋.物理与工程,2 0 1 5,2 5(5):7 9-8 0U s i n g M p e m b a E f f e c t t o I m p r o v e H y d r o g e n B o n d i n g T e a c h i n gWU Q i u-H o n g C H E N G S h u i-F a n g Z HA N G Y a n-H u i*(C o l l e g e o f C h e m i s t r y,C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d E n v i r o n m e n t,M i n n a n N o r m a l U n i v e r s i t y,Z h a n g z h o u 3 6 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T e a c h i n g d e s i g n s h o u l d a t t a c h i m p o r t a n c e t o t h e r o l e o f e x p e r i m e n t a l i n q u i r y,d r i v e c l a s s r o o m t e a c h i n g w i t h q u e s t i o n s,a n d p l a n h i g h-q u a l i t y l e a r n i n g a c t i v i t i e s f r o m t h e c o g n i-t i v e c o n f l i c t b e t w e e n t h e o r i g i n a l k n o w l e d g e a n d e x i s t i n g k n o w l e d g e.B a s e d o n M p e m b a e f f e c t m o l e c u l a r t h e o r y,t h i s p a p e r t a k e s“W h o f r e e z e s f i r s t,h o t w a t e r o r c o l d w a t e r”a s t h e t h e m e o f e x p l o i t a t i o n a n d“t o v e r i f y t h e e f f e c t o f M p e m b a e x p e r i m e n t”a s t h e m a i n i d e a t o g u i d e s t u d e n t s t o a n a l y z e M p e m b a p h e n o m e n o n f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f m o l e c u l a r l e v e l.A n d t h e n t h e t h e o r y o f h y d r o g e n b o n d i s c a r r i e d t h r o u g h t h e w h o l e t e a c h i n g p r o c e s s,e n r i c h i n g t h e t e a c h i n g p r a c t i c e o f h y d r o g e n b o n d,l e a d i n g s t u d e n t s t o e x p e r i e n c e t h e p r o c e s s o f i n q u i r y-b a s e d s c i e n c e a n d b u i l d i n g a b r i d g e b e t w e e n m a c r o s c o p i c m a t e r i a l a n d m i c r o s c o p i c w o r l d.K e y w o r d s h y d r o g e n b o n d;M p e m b a e f f e c t;p r o b l e m-d r i v e n;i n q u i r y-b a s e d e x p e r i m e n t782 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)