跨学科理念下的化学主题教学实践：以“生命之氢”主题教学为例

跨学科理念下的化学主题教学实践：以“生命之氢”主题教学为例一、教学主题及教学现状分析《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出：教师应重视跨学科内容主题的选择和组织，加强化学与物理学、生物学、地理学、材料科学和环境科学等学科的联系，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律，帮助学生拓宽视野、开阔思路，综合运用化学及其他学科的知识分析解决有关问题，发展学生的科学素养。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》也提及：生物学和数学、技术、工程学、信息科学是相互渗透、共同发展的，加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，这将有利于学生建立科学的生命观，逐步形成正确的世界观，发展生物学学科核心素养。真实情境中的问题，多数是多学科交叉的复杂问题。教师组织实施跨学科主题教学，有利于学生提升解决复杂问题的能力，形成、发展学科核心素养。此外，许多科学前沿的研究也属于跨学科的成果，如2024年的诺贝尔化学奖，颁给为“蛋白质设计和蛋白质结构预测领域”作出贡献的三位科学家，这个领域正是化学、生物学与人工智能的交叉研究方向。“氢键”隶属于选修三《物质结构与性质》，人教版、苏教版、鲁科版三个版本教材的相关内容均涉及化学与生物学、化学与生命的内容拓展，融入了跨学科思想，说明本节课的内容适合开展跨学科主题教学。氢键的形成、特点及其对物质性质的影响，被安排在化学键、分子间作用力之后，学生可以运用类比的方法自主学习氢键的基本知识。本节课的学习难点在于：联系生物学科知识，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，用氢键的知识解释和氢键有关的生命现象，体会氢键对生命物质的高级结构和生物活性的重要意义，从而明白学习氢键的意义。通过在中国知网上以“氢键”为关键词搜索相关课例，我们发现：“氢键”教学设计多数以分析氢键形成原因、影响物质性质的理论知识为侧重点，如徐慧在《以数字化探究实验引领“分子间作用力”教学》一文中侧重以实验引导学生理解氢键；高杰等在《培养学生高级思维能力的“分子间作用力与物质性质”探究教学》一文中通过氢键模型的建构培养学生的高阶思维能力；吴秋红等创新性地利用“姆潘巴效应”改进氢键教学，将氢键理论知识贯穿在“姆潘巴效应”的分析中，丰富了氢键教学内容。这些设计虽各有优势，但很少重笔墨地介绍氢键在生命活动中的重要作用。基于此，我们以“生命之氢”为主题设计、实施跨学科主题教学。这一角度的选取不仅拓展了氢键的学习角度、丰富了氢键的教学内容，而且使学生产生了对生命的敬畏之心，感受到化学和生物学的学科价值。二、学习目标根据上述教学主题分析，我们设置了如下学习目标：通过微课学习，初步知道氢键的形成条件、类型、特点以及氢键对物质性质的影响。通过探究水分子中氢键的形成过程，体会氢键的特点；通过建立模型并利用模型来解释冰密度比水小的原因，理解氢键的饱和性和方向性，提高从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题的能力。对蛋白质、DNA的结构、功能、特点作出合理的解释，用分析、推理、建模等方法认识氢键的本质特征；增强证据意识和逻辑能力，形成“结构决定性质”的观念。学生通过探究生命中的氢键，感受氢键对生命诞生的重要意义，形成对生命的敬畏之心，感受化学的学科价值。三、整体教学设计本节课的设计主要采取问题导向式的模式，以问题为核心，以解决问题为驱动力，设置真实、有意义的情境，让学生通过解决真实问题来学习隐含于问题背后的知识，形成解决问题的技能。具体设计流程如表1所示。表1

"生命之氢"整体教学设计流程根据对教学主题和教学目标的分析，我们围绕着“生命”这一主题，选取了水、DNA、蛋白质这三种物质，针对其中跟氢键有关的性质进行研究（如水的熔沸点高、密度反常，DNA呈双螺旋结构，蛋白质的空间结构和溶解性特殊）。我们发现这三种物质在参与形成生命的过程中，氢键均起到了举足轻重的作用。据此，我们对本节课进行如下设计：课前，学生观看“氢键”微课，根据课前任务单的指引，自学氢键相关知识。课堂上，教师以“生命与氢键”为情境线分三个环节教学：环节一以“生命之源——水与氢键”为主题，引导学生根据水的熔沸点异常升高认识氢键对物质熔沸点的影响，搭建冰的缔合分子构型，体会氢键的饱和性和方向性，了解“冰的密度小于水”对于生命诞生的重要意义。环节二以“生命密码——DNA与氢键”为主题，引导学生利用碱基纸片模型拼搭氢键，进一步理解氢键的形成条件，分析DNA的生命功能，理解氢键的强弱，运用相关实验进一步深化理解。环节三以“生命基础——蛋白质与氢键”为主题，引导学生认识氨基酸形成蛋白质的过程，书写可能存在的氢键结构，通过了解蛋白质的水溶性理解氢键形成对物质溶解性的影响。四、教学实录节选环节一：生命之源——水与氢键师：说起生命之源，水当之无愧。为何水能够孕育生命，这和水的理化性质有何关系？请同学们观看小视频（动画《平博士密码》第11集“水与生命”片段），并结合课堂学习任务单里的资料卡片思考：水的哪些物理特性使得生命得以诞生？水的这些物理特性是否和氢键有关？生1：水的熔沸点较高，常温下呈液态，这是生命可以诞生的重要条件之一。师：为什么说水的熔沸点较高？有没有数据支持？或者能用什么物质进行对比？生2：教材有VIA族元素简单氢化物沸点比较，按分子晶体熔沸点变化规律推测，水的沸点应该比硫化氢低，常温下应该为气体，但水沸点异常升高，常温下为液体。师：这个和氢键有关系吗？能不能试着解释一下原因？生3：水分子间除了分子间作用力，还形成了比分子间作用力稍强的分子间氢键，因此在气化时需要吸收更多的能量以克服更大的作用力，所以沸点较高。师：视频还提到了水的哪些物理特性能保证生命的诞生和延续？生4：冰因密度低于水而漂浮在水面上，即使在低温时深海处也不易结冰，这保证了海洋生物的生存。师：冰的密度为什么会比水小？这个特性和氢键有关吗？请阅读教材第81页的内容，用教材表述回答。生5：每个水分子的两对孤对电子和两个氢原子沿着四个sp3杂化轨道的方向分别与相邻水分子形成氢键，因此每个水分子只能与周围四个水分子接触。水分子之间形成的孔穴造成冰晶体的微观空间存在空隙，宏观表现为冰的密度比水的密度小。师：那你觉得这与氢键的什么性质有关呢？生6：与氢键的饱和性和方向性有关。形成氢键的三个原子尽可能在一条直线上，氢原子尽量与Y原子的孤对电子方向一致，此时氢键最强。评价任务：利用模型和牙签，参考教材插图，搭建一个水分子和其他水分子形成氢键的模型，观察一个水分子最多和几个水分子形成氢键，通过氢键形成的缔合分子是什么构型。教师拍照并上传部分学生作品，请学生根据结构模型解释氢键的饱和性和方向性（图1）。图1

学生搭建的水缔合分子模型生7：通过冰的缔合结构可以看出，由于空间问题，一个氢原子只能和一个Y原子结合形成氢键，Y原子中的一对孤对电子也只能和一个氢原子形成氢键。因此，一个水分子最多能和4个水分子形成氢键。师：这就是冰的空间结构，氢键的存在赋予了水高沸点、密度反常等特性，让海洋生命得以诞生。设计意图：教师通过评价学生制作水缔合分子模型，及时诊断学生对氢键饱和性和方向性的理解程度，实现“教—学—评”一体化。环节二：生命密码——DNA和氢键师：生命体内的DNA储存了生命的秘密，保证了生命的延续。你们已经学过了DNA的结构和功能，那么，DNA的结构特点是什么？如何实现遗传信息的传递？生8：DNA通过碱基的互补配对形成了双螺旋结构，通过半保留复制实现遗传信息的传递。配对和解旋过程也和氢键有关！碱基之间通过氢键进行互补配对；DNA复制的第一步解旋，碱基之间的氢键断裂。师：不错，同学们已经发现了生命的密码！评价任务：在碱基互补配对过程中，为什么胸腺嘧啶（Ｔ）只能和腺嘌呤（Ａ）配对，胞嘧啶（Ｃ）只能和鸟嘌呤（Ｇ）配对呢？观察四种碱基的结构，根据氢键形成的条件，利用碱基纸片模型将嘌呤和嘧啶进行适配，寻找嘌呤和嘧啶之间形成氢键的可能性，比较一下不同的成键方式，看看哪种配对方式更稳定。学生利用碱基纸片模型将嘌呤和嘧啶进行适配，拼接出可能形成氢键的图形，分析各种拼接方式形成的氢键数目（如图2）。学生通过拼接出不同的可能存在的情况，分析DNA两条链反向时，胞嘧啶内侧的氧原子、氮原子、氢原子，可分别与鸟嘌呤内侧的氢原子、氢原子、氧原子形成3个氢键，胸腺嘧啶内侧的氧原子、氢原子，刚好分别与腺嘌呤内侧的氢原子、氮原子形成2个氢键。其他配对方式也有机会形成氢键，但形成氢键数目明显减少（如图3）。图2

碱基配对情况图3

碱基配对其他可能情况师：相信同学们在配对的过程中，对氢键的形成条件有了更直观的了解，对DNA中的碱基互补配对原则也有了更深刻的认识。不难看出，在DNA储存、传递遗传信息的过程中，氢键扮演着重要的角色。这两个过程体现了氢键的什么特点？生9：双螺旋结构最重要的是其稳定性，所以碱基配对的作用力不能太弱，否则容易断裂，遗传信息可能无法准确存储。但生命体传递遗传信息时又需要解旋，这个时候又要求碱基配对的作用力不能太强，否则需要耗费太多能量，不利于复制，这正好和氢键的强弱特点吻合——比范德华力强，但比化学键弱。师：也许这就是生命在进化过程中自我选择的最优结果。为了更好地认识氢键的强弱，现在请同学们完成一个小实验。实验：用同规格的胶头滴管在玻璃片上分别滴一滴水、一滴汽油，观察液滴形状，并和水银开关中的水银形状比较。学生完成实验，描述实验现象：汽油的液滴散开范围比较大，几乎完全摊开为薄薄的一层液面；水滴散开范围比较小，有明显的液滴形状；水银则凝聚在一起呈球形。师：液滴的形状特点是由液体的表面张力决定的，表面张力大的液体更容易形成球形的液滴。而在相同条件下，不同液体表面张力的差异是由微粒间的作用力引起的。微粒间作用力越大，表面张力越大。根据这个信息，同学们可以得到什么结论呢？生10：氢键比范德华力强，比化学键弱。师：不同的作用力强度不同，不同的氢键之间是否也有强弱的差别呢？如何比较？生11：我觉得氢键的强弱和X-H之间的极性以及Y原子和其他原子之间的极性强弱有关。极性越强，H的电正性、Y原子的电负性就越明显，其静电作用就越强，即氢键越强。设计意图：教师利用“碱基纸片适配氢键”活动诊断学生对氢键形成条件的认识水平，培养学生基于证据的假设推理能力，即要求学生通过实验直观认识氢键相对于化学键、分子间作用力的强弱，从宏观现象推理微观解释，增强实验探究意识，发展宏观辨识与微观探析核心素养。环节三（略）四、教学效果与启示通过本节课的学习，学生掌握了氢键的形成、特点和对物质性质的影响，明白氢键不可替代的生物学意义，对生命和自然的敬畏感油然而生。学生讶异于氢键与生命的密切关联，沉浸在氢键特性对生命意义的步步探索中。在环环相扣问题的指引下，学生发现一处又一处的细节，将生命与氢键联系起来并深入思考，主动建构氢键的相关知识并用于解释生命现象。学生不仅得到实验结论，还在实验过程中发展了实验探究、证据推理等学科素养。“生命之氢”跨学科主题教学，将化学知识和生物学知识有机融合，通过层层递进设问，促使学生渐渐深入理解，以系统性思维厘清教材抽象知识（跳跃性较强），让学生对生命世界充满了无限的遐想。由本节课可见，跨学科主题教学的设问不局限于某个学科，而依托于真实的、贴近学生生活认知的情境；跨学科主题教学能够推动学生提取、分析和运用多学科知识，综合多学科的知识和方法讨论、解决问题，可有效弥补分科教学带来的弊端；跨学科主题教学能够催生深度学习、培育核心素养，让学生更全面地认识所学，以