蘆 峰 張建釗 梁佳祺
（一）由化學(xué)高考題引發(fā)的爭議
2023年遼寧省高考化學(xué)試卷中的第17（2）題如下：
該題考查噻吩和吡咯的沸點(diǎn)差異的原因。標(biāo)準(zhǔn)答案指出吡咯分子間存在氫鍵而導(dǎo)致其沸點(diǎn)高于噻吩。然而，試題公布后，一些高中教師對這個(gè)問題的科學(xué)性提出了質(zhì)疑。疑慮集中在吡咯分子間是否存在氫鍵。提出質(zhì)疑的教師認(rèn)為，形成氫鍵的電負(fù)性原子必須具有孤對電子，且與電正性的H 原子軌道重疊。但是吡咯分子中氮原子的非雜化p 電子對參與了吡咯環(huán)的π 鍵的形成，因此吡咯分子間不存在氫鍵。這就對該高考試題的科學(xué)性產(chǎn)生了質(zhì)疑，認(rèn)為該題不嚴(yán)謹(jǐn)。
（二）基于高考題進(jìn)行問卷調(diào)查
基于高考題引發(fā)的爭議，為了探查高中化學(xué)教師對于氫鍵本質(zhì)認(rèn)識的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)如下四個(gè)題目。
題目1：與氫原子形成氫鍵的電負(fù)性原子或基團(tuán)必須具備孤對電子嗎？
題目2：決定氫鍵方向性的因素有哪些？
題目3：在D—H…A 鍵中，如果A 原子與H 原子距離非常近，也許形成了共價(jià)鍵，距離比較遠(yuǎn)時(shí)，可能只存在范德華作用，距離介于兩者之間時(shí)，則可能形成了氫鍵。這一基于距離認(rèn)識相互作用方式的表述，您認(rèn)同嗎？
題目4：如果您認(rèn)為與氫原子形成氫鍵的電負(fù)性原子或基團(tuán)必須具備孤對電子，依據(jù)是什么？
本次調(diào)研對象為在職高中化學(xué)教師，共回收153 份有效問卷，調(diào)研結(jié)果如表1所示。
表1 高中教師對氫鍵認(rèn)識的現(xiàn)狀
從問卷調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，教師對氫鍵的理解認(rèn)識存在偏差，主要表現(xiàn)在：79.08%的教師認(rèn)為氫鍵的形成需要有孤對電子，教師對氫鍵的特征認(rèn)識和辨別視角僅局限于是否有孤對電子，對從化學(xué)學(xué)科視角認(rèn)識氫鍵本質(zhì)存在不足。對氫鍵本質(zhì)認(rèn)識只基于孤對電子，49.02%的調(diào)查對象不能基于氫鍵特征參數(shù)認(rèn)識或辨別氫鍵。
1999年，Vladimír 等人通過研究吡咯二聚體得出吡咯分子間存在氫鍵的結(jié)論[1]。從分子間的庫侖力角度對吡咯分子間氫鍵作用能進(jìn)行計(jì)算。即：吡咯分子中N—H 中的H 原子近乎“裸露”，顯示出很強(qiáng)的電正性，與其鄰近的另一吡咯環(huán)分子內(nèi)的大π 鍵致使這個(gè)吡咯環(huán)有很強(qiáng)的電負(fù)性，二者間具有較強(qiáng)的靜電引力，形成氫鍵。
吡咯分子間氫鍵的方向如何呢？如圖1所示。
圖1 吡咯二聚體的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)[1]
從圖1 可以看出，兩個(gè)分子間是反向非平行結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橐粋€(gè)分子的N—H 中電正性的H 原子與另一分子的π 體系負(fù)電荷之間相互吸引，以及兩分子的π 體系相互排斥綜合作用的結(jié)果，這叫作π-π 堆積。在高中教學(xué)中，π-π 堆積作用在高中教材闡述石墨結(jié)構(gòu)時(shí)是有所體現(xiàn)的。石墨層狀分子之間就存在π-π 平行堆積，由于兩個(gè)六元環(huán)的π 體系相互排斥，π-π 堆積并不采取上下重疊方式，而是每一層六元環(huán)的中心正對相鄰六元環(huán)的頂。
（一）人教版高中化學(xué)教材對氫鍵的界定
人教版高中教材《化學(xué)·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》（2019年版）將氫鍵的概念界定為：“由已經(jīng)與電負(fù)性很大的原子形成共價(jià)鍵的氫原子與另一個(gè)電負(fù)性很大的原子之間的作用力。”教材從電負(fù)性視角闡述了氫鍵的形成，電負(fù)性較大的原子致使與其相連的氫原子具有較強(qiáng)的正電性，而另一個(gè)電負(fù)性較大的原子帶有較強(qiáng)的負(fù)電性，因此氫鍵的形成是電性吸引的結(jié)果。教材對氫鍵的作用強(qiáng)度予以了特殊的說明：“與化學(xué)鍵比較，氫鍵屬于一種較弱的作用力，比化學(xué)鍵小1～2 個(gè)數(shù)量級，不屬于化學(xué)鍵。”這么說明氫鍵的形成不是軌道間的相互作用。
（二）大學(xué)化學(xué)教材對氫鍵的界定
表1 結(jié)果顯示，30.07%的高中化學(xué)教師是根據(jù)大學(xué)教材的闡述，認(rèn)為與氫形成氫鍵的電負(fù)性原子必須具有孤對電子。
大學(xué)教材對氫鍵的界定主要基于相互作用對象視角分析。《物理化學(xué)（第四版）》[2]和《新大學(xué)化學(xué)》[3]等強(qiáng)調(diào)氫鍵模型中N、O、F 原子強(qiáng)電負(fù)性對小半徑原子以及孤對電子的作用。然而，《無機(jī)化學(xué)（第二版）》[4]、《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》[5]和《普通化學(xué)（第六版）》[6]等主要從質(zhì)子受體基團(tuán)的存在以及鍵能和鍵長的特征性參數(shù)等角度對氫鍵進(jìn)行了闡述，這幾本化學(xué)學(xué)科書籍對氫鍵的解釋包容性更強(qiáng)，其相互作用的發(fā)生不局限于孤對電子，而是擴(kuò)大至質(zhì)子受體，如吡咯分子的π 體系就可以作為氫鍵中的質(zhì)子受體，對氫鍵本質(zhì)的認(rèn)識具有更強(qiáng)的解釋力。
可見，有些學(xué)科書籍只基于常規(guī)氫鍵的形態(tài)對氫鍵及其形成條件進(jìn)行闡述，而忽略了非常規(guī)氫鍵，這可能會導(dǎo)致高中教師對氫鍵概念的理解產(chǎn)生偏差。實(shí)際上，2011年IUPAC（國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會）給出了最新的氫鍵定義，明確了常規(guī)氫鍵與非常規(guī)氫鍵的統(tǒng)一性[7]。吡咯分子間形成的就是非常規(guī)氫鍵。因此，對于氫鍵的理解和教學(xué)應(yīng)充分考慮其多樣性和復(fù)雜性。
（一）認(rèn)真研讀，準(zhǔn)確理解教材內(nèi)容
1.教材是重要的課程資源，是教師教和學(xué)生學(xué)的重要參考資料。在新課程理念指導(dǎo)下，高中化學(xué)教材強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生建立化學(xué)學(xué)科觀念，體現(xiàn)了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展、社會需求的特征。教師應(yīng)該認(rèn)真研讀教材中的每一個(gè)詞句，準(zhǔn)確理解其中的內(nèi)涵。例如，教材強(qiáng)調(diào)氫鍵的本質(zhì)是靜電引力，即庫侖力，而非以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的軌道間相互作用。所以孤對電子只是帶有強(qiáng)電負(fù)性，而不是像配位鍵一樣，孤對電子與空軌道間的相互作用。再如，關(guān)于“構(gòu)造原理”，教材強(qiáng)調(diào)了這一思維模型和假想過程的科學(xué)普遍性。對于短周期元素原子第一電離能的鋸齒狀變化，從電子排斥能和半滿結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行了深度解析，并強(qiáng)調(diào)了定量計(jì)算的重要性。教材集成兩個(gè)相似但不同的概念，如原子的電離能和元素的電負(fù)性，著力提升學(xué)生的理解能力。這種綜合方法不僅能夠幫助學(xué)生深入理解科學(xué)知識，還提供了不同的認(rèn)識視角。
2.教材通過“探究”欄目引導(dǎo)學(xué)生繪制電負(fù)性變化曲線和第一電離能變化曲線。對比和分析這兩個(gè)概念，也可以促進(jìn)知識深度學(xué)習(xí)和多角度理解認(rèn)識。這種融合多視角的教學(xué)方法有助于增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識理解，增強(qiáng)科學(xué)思維能力。這為重新思考如何優(yōu)化和改進(jìn)課堂教學(xué)策略提供了一個(gè)新的角度。
（二）基于學(xué)科理解，建構(gòu)認(rèn)識視角和認(rèn)識思路
1.引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)認(rèn)識視角與認(rèn)識思路。科學(xué)思維方式主要包含兩個(gè)要素：“從哪兒想”和“怎么想”。這兩個(gè)要素在本質(zhì)上屬于認(rèn)識視角和認(rèn)識思路范疇。認(rèn)識視角主要是指認(rèn)識物質(zhì)及其變化的特征與規(guī)律的角度或切入點(diǎn)。而認(rèn)識思路則是指認(rèn)識物質(zhì)及其變化的特征與規(guī)律的程序、路徑或框架。這兩個(gè)方面對于學(xué)生找到解決問題的突破口以及構(gòu)建解決問題的框架具有重要價(jià)值[8]。新的教學(xué)課程已經(jīng)將“基本思路與方法”納入化學(xué)課程內(nèi)容。因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)認(rèn)識視角，并總結(jié)和概括認(rèn)識思路。例如，在教授氫鍵時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察不同的氫鍵、共價(jià)鍵、范德華力的作用能數(shù)據(jù)和作用距離。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建鍵能和鍵長認(rèn)識視角，并形成基于鍵能與鍵長判斷化學(xué)相互作用類型的一般思路。
2.教師在教學(xué)過程中，還應(yīng)該注重顯性化和結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)認(rèn)識視角，以落實(shí)化學(xué)課程內(nèi)容，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維方式。例如，在教授“水溶液中物質(zhì)轉(zhuǎn)化程度的探究”時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)三個(gè)學(xué)習(xí)板塊，其中學(xué)習(xí)板塊一為認(rèn)識水體系中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度，學(xué)習(xí)板塊二為改變水體系中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度。在前兩個(gè)板塊中幫助學(xué)生建構(gòu)濃度商和反應(yīng)耦合視角認(rèn)識和改變水體系中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度。學(xué)習(xí)板塊三為基于濃度商和耦合視角評價(jià)一項(xiàng)前沿研究成果以評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。實(shí)踐研究表明，這種教學(xué)方式能夠?qū)⒋蟾拍睿ㄋw系中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度）的建構(gòu)與學(xué)生科學(xué)思維方式的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來，從而有效地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展[9]。
（三）轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，從傳授化學(xué)知識到培養(yǎng)化學(xué)思維
1.基于學(xué)科前沿，轉(zhuǎn)變知識理解。教師需要根據(jù)IUPAC 在2011年發(fā)布的氫鍵定義，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行教學(xué)，不再執(zhí)著于過去多年形成的固有理解。教師不僅要關(guān)注化學(xué)學(xué)科的最新發(fā)展，還要緊跟國際科學(xué)教育的最新研究動向。例如，Talanquer 提出轉(zhuǎn)變教學(xué)方式應(yīng)注重開發(fā)和實(shí)施新型課程，深入地講解核心理念而非涵蓋多個(gè)主題，將不同單元的核心理念以明確定義的學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行連接，引導(dǎo)學(xué)生了解并采用現(xiàn)代的化學(xué)思維和問題解決方式，同時(shí)讓學(xué)生參與到實(shí)際的決策制定和問題解決活動中。這一方式代表了與傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)截然不同的教育模式，將重點(diǎn)從傳授化學(xué)知識轉(zhuǎn)向培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維，有助于學(xué)生更好地應(yīng)對21世紀(jì)化學(xué)研究和化學(xué)教育研究的實(shí)踐、思考和應(yīng)用[10]。例如，在“通過學(xué)科核心問題和教學(xué)視角來重塑化學(xué)思維”一文中，通過構(gòu)建包含三個(gè)學(xué)科核心問題和12 個(gè)領(lǐng)域特定視角的化學(xué)思維框架，為培育化學(xué)思維提供了新的視角[11]。國際科學(xué)教育已經(jīng)從“教知識”轉(zhuǎn)向?yàn)椤敖趟季S”。
2.轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，培養(yǎng)思維方式。將教學(xué)焦點(diǎn)從傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維，這種轉(zhuǎn)變符合21世紀(jì)的教育改革發(fā)展趨勢，幫助學(xué)生更好地解決真實(shí)問題，提高學(xué)生對生產(chǎn)生活中實(shí)際問題和新知識學(xué)習(xí)問題的解決能力。在這個(gè)過程中，教師的角色不再僅僅是知識的傳播者，更是引導(dǎo)者和促進(jìn)者，通過多元化的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對氫鍵等化學(xué)概念的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動思考、積極探索。在素養(yǎng)的培育過程中，強(qiáng)調(diào)知識、技能、態(tài)度的整合與超越[12]。
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