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無(wú)獨(dú)有偶。2022年全國(guó)甲卷作文題給出了《紅樓夢(mèng)》“大觀園試才題對(duì)額”時(shí)的一個(gè)情節(jié)，提示考生“眾人給匾額題名，或直接移用，或借鑒化用，或根據(jù)情境獨(dú)創(chuàng)，產(chǎn)生了不同的藝術(shù)效果?！?/span>全國(guó)新高考Ⅰ卷則要求考生對(duì)通過(guò)圍棋三個(gè)術(shù)語(yǔ)“本手、妙手、俗手”，寫(xiě)出感悟與思考。

可以看出，近兩年高考無(wú)論是語(yǔ)文、數(shù)學(xué)還是英語(yǔ)，都擴(kuò)大了試題的開(kāi)放性與靈活度，常以生活情境呈現(xiàn)，注重考察的是學(xué)生提取信息、構(gòu)建模型、解決問(wèn)題的能力。

這就是情境化命題。新高考改革以來(lái)，情境化已成為重要的命題趨勢(shì)。那么，何為情境化命題？考生又該如何備考呢？

最近幾年高考命題中越來(lái)越重視情境化，在情境中考察學(xué)生。但在各個(gè)學(xué)科中，情境設(shè)計(jì)并不一致。根據(jù)教育部考試中心九個(gè)學(xué)科命題專(zhuān)家提出的“基于高考評(píng)價(jià)體系的學(xué)科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑”，2022年高考各門(mén)學(xué)科的情境分類(lèi)、具體內(nèi)容、命題指向，可以概括如下表：

化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)的核心，整個(gè)化學(xué)學(xué)科可以說(shuō)是圍繞著化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生以及如何發(fā)生發(fā)展起

來(lái)的，因此化學(xué)反應(yīng)是物理化學(xué)教學(xué)的重中之重，也是一大難點(diǎn)。簡(jiǎn)單碰撞理論建立于20世紀(jì)初，

是最常用的化學(xué)反應(yīng)速率理論之一。傳統(tǒng)的碰撞理論認(rèn)為反應(yīng)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需要的能量來(lái)自

分子間的相互碰撞，這種碰撞要具有特定的方向性而且碰撞能量需要達(dá)到一定的閾值。根據(jù)碰撞理

論推導(dǎo)出的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)公式(1)明確了阿倫尼烏斯公式中指前因子的物理含義，其與溫度的平

方根成正比[1–3]。公式(1)中k為碰撞反應(yīng)速率常數(shù)，dAB為碰撞分子A和B直徑和的一半，L為阿伏伽德

羅常數(shù)，T為溫度，μ為分子A和B的約化質(zhì)量，R為理想氣體常數(shù)，E為發(fā)生反應(yīng)所需的最小能量，p

為空間因子。

簡(jiǎn)單碰撞理論的基本假設(shè)是把碰撞分子看作是簡(jiǎn)單的硬球，無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用。在課程教

學(xué)過(guò)程中，這一假設(shè)會(huì)作為該理論的一大缺點(diǎn)被重點(diǎn)提及，用于說(shuō)明簡(jiǎn)單碰撞理論的模型過(guò)于簡(jiǎn)單，

使得計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差，但是由于缺乏有力的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，學(xué)生普遍對(duì)簡(jiǎn)單硬球模型

理解不深。進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，關(guān)于碰撞理論的最新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也日漸增多，

這些前沿實(shí)驗(yàn)讓人們對(duì)化學(xué)反應(yīng)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，也為物理化學(xué)課堂教學(xué)提供了豐富的素材。

近年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐中，筆者選擇在碰撞理論這節(jié)課的教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生研讀相關(guān)的前沿科研文獻(xiàn)，仔

細(xì)分析最新的雙分子碰撞反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而深入理解并掌握碰撞理論相關(guān)知識(shí)。課后，學(xué)生再

自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在分析最新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中理解科學(xué)家的思考過(guò)程，進(jìn)而既加深了對(duì)碰撞理論相關(guān)

知識(shí)的理解，又為自己今后的科研實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 SN2親核取代反應(yīng)

SN2親核取代反應(yīng)是講授碰撞理論的一個(gè)最典型案例。在有機(jī)化學(xué)課堂上，SN2反應(yīng)通常用來(lái)說(shuō)

明產(chǎn)物的手性，而物理化學(xué)課堂上通常用來(lái)說(shuō)明碰撞反應(yīng)的發(fā)生需要具有方向性，即必須是有效碰

撞。這里選取氣相中氯負(fù)離子進(jìn)攻碘代甲烷反應(yīng)作為課堂實(shí)例。在SN2親核取代反應(yīng)過(guò)程中，氯負(fù)離

子沿著C―I鍵軸方向進(jìn)攻碳原子，隨著Cl―C距離縮短，C―I鍵變長(zhǎng)，最后C―I鍵完全斷裂，生成

C―Cl鍵。圖1是這一SN2親核取代反應(yīng)的體系總勢(shì)能隨著反應(yīng)坐標(biāo)g (C―I鍵長(zhǎng)和C―Cl鍵長(zhǎng)之差)的

變化曲線。如果反應(yīng)中的受進(jìn)攻的碳具有手性，則反應(yīng)后手性碳的立體化學(xué)會(huì)發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，也稱(chēng)

“瓦爾登翻轉(zhuǎn)”，這也是SN2反應(yīng)在立體化學(xué)上的重要特征

                             1  氯負(fù)離子進(jìn)攻碘代甲烷發(fā)生SN2親核取代反應(yīng)的勢(shì)能面[4]

課堂講授到這里，學(xué)生普遍認(rèn)可化學(xué)反應(yīng)的碰撞理論，結(jié)合公式推導(dǎo)深入地分析微觀理論和宏

觀反應(yīng)速率方程緊密聯(lián)系，加深了學(xué)生從歸納總結(jié)到分析推導(dǎo)的認(rèn)識(shí)。然而，這里教師開(kāi)始引導(dǎo)學(xué)

生思考一個(gè)問(wèn)題，既然從反應(yīng)物和產(chǎn)物看來(lái)碰撞理論是合理的，那么能不能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步研究

這個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，更加精確地驗(yàn)證碰撞理論？

接著，教師引領(lǐng)學(xué)生在課堂上研讀2008年發(fā)表在Science雜志上的一篇科研文章[4]。文中作者應(yīng)

用交叉分子束實(shí)驗(yàn)方法，在真空中用氯負(fù)離子轟擊碘代甲烷。實(shí)驗(yàn)中可以精準(zhǔn)控制氯負(fù)離子的動(dòng)能

和動(dòng)量，并且可以測(cè)定產(chǎn)物中碘負(fù)離子的動(dòng)能和動(dòng)量，進(jìn)而確定碰撞前后的能量轉(zhuǎn)移和分配，讓人

們更加深入地了解SN2親核取代反應(yīng)過(guò)程中的細(xì)節(jié)。

圖2是氯負(fù)離子不同相對(duì)入射能量時(shí)產(chǎn)物碘負(fù)離子的速率分布圖，橫縱坐標(biāo)均為碘負(fù)離子的速

率，而光斑從藍(lán)到紅代表觀測(cè)到的粒子概率由小到大。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)圖2中4個(gè)圖存在明顯的不同。其

中圖2c與傳統(tǒng)的碰撞理論非常接近，當(dāng)入射氯負(fù)離子的相對(duì)動(dòng)能為1.07 eV時(shí)，SN2親核取代反應(yīng)符

合傳統(tǒng)的碰撞理論，碘負(fù)離子的速率分布集中在一個(gè)特定方向。然而，當(dāng)氯負(fù)離子的入射相對(duì)動(dòng)能

減小時(shí)，雖然還能發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的特征，但是中心處卻開(kāi)始出現(xiàn)明顯光斑，說(shuō)明有碘負(fù)離子在中心附近

出現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)動(dòng)能繼續(xù)減少到0.39eV時(shí)，實(shí)驗(yàn)中則只發(fā)現(xiàn)在中心處成概率分布的光斑，不再有前述

的碰撞特征的光斑。反之，當(dāng)氯負(fù)離子的入射相對(duì)動(dòng)能增大到1.90eV時(shí)，雖然碰撞的特征變得更加

明顯，但是中心處仍然出現(xiàn)明顯光斑。通過(guò)觀察具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生開(kāi)始思考雖然SN2親核取代反

應(yīng)的產(chǎn)物沒(méi)有變化，但是在不同的相對(duì)入射能量下，SN2親核取代反應(yīng)的具體方式應(yīng)該有所不同，應(yīng)

該存在和傳統(tǒng)碰撞理論不同的反應(yīng)路徑。這種由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象反推實(shí)驗(yàn)事實(shí)的能力可以極大地鍛煉學(xué)生

思考能力。在教學(xué)中，筆者會(huì)用DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作為類(lèi)比，半個(gè)多世紀(jì)前沃森和克里克通過(guò)一張十

分漂亮的DNA晶體X射線衍射照片確定了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。

       圖2  氯負(fù)離子和碘代甲烷SN2親核取代反應(yīng)產(chǎn)物碘負(fù)離子的速率分布圖[4]

                                        電子版為彩圖

課堂上，筆者會(huì)帶領(lǐng)學(xué)生分析圖2c與圖2a明顯不同可能來(lái)自哪里，是否源自簡(jiǎn)單碰撞理論過(guò)于

簡(jiǎn)單的模型。當(dāng)入射能量低時(shí)，最可能的情況是氯負(fù)離子難以把碘負(fù)離子碰撞出去，而會(huì)在反應(yīng)中

途停留更久的時(shí)間，反應(yīng)變慢，而碰撞的平動(dòng)能也可能會(huì)轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)動(dòng)能，這才可以解釋碘負(fù)離子的

離去不再有特定的方向性。分析看似合理，但如何能直觀清晰地觀察化學(xué)反應(yīng)一直是化學(xué)工作者孜

孜以求的興趣所在。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)通常都是飛秒級(jí)別，實(shí)驗(yàn)中很難捕捉到反應(yīng)進(jìn)行的細(xì)節(jié)，而化學(xué)

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬則可以讓我們換一種方式看到反應(yīng)進(jìn)行的具體情況。圖3是文獻(xiàn)中動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)

的當(dāng)相對(duì)碰撞能量為1.90 eV時(shí)一種非直接碰撞反應(yīng)路徑，圖中所示的是截取不同時(shí)間下的反應(yīng)情

況。當(dāng)氯負(fù)離子側(cè)面撞擊碘代甲烷時(shí)，造成甲基繞著重原子碘旋轉(zhuǎn)，碰撞的平動(dòng)能轉(zhuǎn)變成碘代甲烷

的轉(zhuǎn)動(dòng)能，這種旋轉(zhuǎn)大概持續(xù)400飛秒，最后氯負(fù)離子在背后進(jìn)攻到碳原子，取代碘負(fù)離子。直接碰

撞取代的反應(yīng)方式存在著明顯的方向性，而這種非直接碰撞的反應(yīng)方式最顯著的特征是發(fā)生碰撞到

生成產(chǎn)物過(guò)程中經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，使得碘負(fù)離子的離去不再具有特定的方向性。當(dāng)然，文獻(xiàn)中動(dòng)力

學(xué)模擬也發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典碰撞理論所預(yù)測(cè)的反應(yīng)路徑。學(xué)生在課堂上通過(guò)觀看各種典型的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模

擬的動(dòng)畫(huà)展示(詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]的支持材料)，對(duì)SN2親核取代反應(yīng)有了更深入的了解。清楚了簡(jiǎn)單碰

撞理論模型所做的假設(shè)和真實(shí)反應(yīng)之間的差別，即碰撞分子不能簡(jiǎn)單地用硬球來(lái)代替，了解了簡(jiǎn)單

碰撞理論的適用范圍。

課堂最后，還會(huì)為學(xué)生留了一個(gè)思考題，讓他們課后自行思考解決：有機(jī)反應(yīng)通常不是在氣相

中發(fā)生，而是在溶液中進(jìn)行，那么前面所講的結(jié)論適不適用于溶液中的反應(yīng)呢？如果不適用，應(yīng)該

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證當(dāng)前的理論或者發(fā)現(xiàn)新的理論？相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究可以讓學(xué)生課后自己檢

索文獻(xiàn)獲得[5]，并在一周后每人提交一份文獻(xiàn)匯報(bào)

              圖3  氯負(fù)離子和碘代甲烷SN2親核取代反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬示意圖[4]

本門(mén)課程結(jié)束之后，我們也收集了學(xué)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)。學(xué)生普遍反映“老師能從學(xué)生特點(diǎn)出發(fā)，

在課堂授課過(guò)程中讓學(xué)生探究新知識(shí)，理解新知識(shí)，通過(guò)案例解析，從表面看本質(zhì)，環(huán)節(jié)緊湊，重

難點(diǎn)突出，設(shè)計(jì)合理，課堂效果好，充分激發(fā)學(xué)生思維”。