化學(xué)前沿知識在高中有機化學(xué)物質(zhì)研究教學(xué)活動中的應(yīng)用

李申申

摘 要：在新課程改革的背景下，教育部門更加注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。將化學(xué)前沿知識融入化學(xué)課堂教學(xué)，更有利于核心素養(yǎng)的落地。闡述化學(xué)前沿知識的價值，以化學(xué)前沿知識作為背景，以研究有機化合物的步驟和方法為例，進行教學(xué)活動的設(shè)計，展現(xiàn)化學(xué)前沿知識在化學(xué)教學(xué)中的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：化學(xué)前沿知識;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);有機物;教學(xué)活動

2020年年初，一場突如其來的疫情，讓國人的生活都按下了暫停鍵，也更加凸顯了化學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科在科學(xué)研究中的重要地位。在新一輪的課程改革中，教育部門要求以“學(xué)生為本”“素養(yǎng)為本”，更加注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在此背景下，將化學(xué)前沿知識融入日?；瘜W(xué)教學(xué)是十分必要的。學(xué)生通過化學(xué)前沿知識，完成化學(xué)知識框架的建構(gòu)、拓展及延伸，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”。

1 ? ?化學(xué)前沿知識的概念界定及價值

1.1 ?化學(xué)前沿知識的概念界定

化學(xué)前沿知識是指某一化學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果以及正在進行的研究課題和該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢等，其概念具有一定的相對性，因為科學(xué)研究并不存在絕對的前沿性知識[1]?；瘜W(xué)前沿知識的范疇主要包括日常生活中的綠色化學(xué)、納米材料以及新型抗癌藥物等[2]，與人類生活的衣食住行緊密結(jié)合，比如用于檢測新冠肺炎的核酸檢測試劑盒、新冠肺炎疫苗的研發(fā)、藥物的合成等?？茖W(xué)研究是一個長期、持續(xù)、不斷發(fā)展的過程，所帶來的科研成果統(tǒng)稱為化學(xué)前沿知識。在新課程改革的背景下，化學(xué)前沿知識對于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要價值。

1.2 ?化學(xué)前沿知識的價值

在培養(yǎng)核心素養(yǎng)的背景下，化學(xué)前沿知識的價值主要包括3個方面。

1.2.1 ?科學(xué)價值

化學(xué)前沿知識是科研人員不斷探索和積累的成果，具備一定的科學(xué)價值?；瘜W(xué)是一門以實驗和實踐為基礎(chǔ)的實驗性學(xué)科，以實驗和實踐來支撐理論性知識，能夠幫助學(xué)生認識事物發(fā)展的規(guī)律、事物的變化，使其能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)。在新課改背景下，使學(xué)生掌握必要的科學(xué)探究方法是高中化學(xué)教學(xué)的主要目標之一[3]?；瘜W(xué)前沿知識研究的過程恰恰就是承載科學(xué)研究方法、傳遞科學(xué)價值，將其引入化學(xué)教學(xué)中也要注意科學(xué)性及合理性，教師要將其轉(zhuǎn)化為學(xué)生認知范圍內(nèi)的知識。

1.2.2 ?育人價值

化學(xué)前沿知識在教學(xué)中恰當?shù)囊?，不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，還能增強學(xué)生對化學(xué)科研的認識，培養(yǎng)學(xué)生對科研的興趣以及民族自豪感。比如諾貝爾獎的獲得者屠呦呦發(fā)現(xiàn)青蒿素，成功研制出HPV疫苗。

1.2.3 ?教學(xué)價值

化學(xué)前沿知識可以作為教學(xué)情景創(chuàng)設(shè)的素材，更新教材上的老舊知識，拓展并延伸學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)課堂結(jié)合現(xiàn)代研究成果，可開拓學(xué)生視野，啟迪學(xué)生思維，形成科學(xué)探究模型，達到“促進教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量”的目的[4]。

化學(xué)前沿知識的選取依據(jù)是化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)教學(xué)目標的設(shè)定來進行化學(xué)教學(xué)活動的設(shè)計，在活動中彰顯化學(xué)前沿知識在培養(yǎng)核心素養(yǎng)背景下的價值。本研究以青蒿素的發(fā)現(xiàn)過程為背景來進行天然有機化合物的研究—利用人教版-選修五來研究有機化合物的步驟和方法。

2 ? ?化學(xué)前沿知識的選取及教學(xué)活動設(shè)計思路

2.1 ?化學(xué)前沿知識的選取

化學(xué)前沿知識的選取主要根據(jù)教學(xué)大綱的要求。除此之外，還需要考慮所選素材的科學(xué)性、完整性、啟發(fā)性、生動性、語言的通俗性以及是否具有爭議性。教師在進行教學(xué)活動設(shè)計以及素材選取時，需要注意以下幾個方面：首先，教師在課前應(yīng)充分研讀教學(xué)大綱和教材，分析學(xué)情，制定課堂教學(xué)方案和目的[4];其次，確定素材，利用與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的關(guān)鍵詞查閱化學(xué)前沿知識;最后，在查閱后，將素材進行分類、篩選、備用。

以人教版-選修五研究有機化合物的步驟和方法為例，本節(jié)課的內(nèi)容重點介紹了有機化合物的分離與提純（蒸餾、重結(jié)晶、萃取、色譜法）、元素分析與相對分子質(zhì)量的測定（元素分析、相對分子質(zhì)量的測定-質(zhì)譜法）以及分子結(jié)構(gòu)的鑒定（紅外光譜、核磁共振氫譜）3個部分知識，恰好構(gòu)成研究天然有機化合物的基本步驟與方法。

選取青蒿素作為化學(xué)前沿素材的主要原因為：一是青蒿素是近年來被頻繁提及的有機物，在中、高題目中作為考試素材，而且關(guān)于青蒿素被列入化學(xué)史的議題被多次提出，體現(xiàn)青蒿素作為化學(xué)史料的重要地位;二是青蒿素的發(fā)現(xiàn)過程與本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容相契合，青蒿素的發(fā)現(xiàn)者屠呦呦也因此獲得諾貝爾獎，可增強學(xué)生的民族自豪感;三是青蒿素作為治療瘧疾的藥，可以拯救無數(shù)人的生命。

2.2 ?教學(xué)活動設(shè)計思路

以線索的方式再現(xiàn)青蒿素被發(fā)現(xiàn)的歷史，引導(dǎo)學(xué)生分析并思考值得研究的問題，在不斷研究與解決問題的過程中，從感悟到應(yīng)用再到掌握科學(xué)方法[5]。教學(xué)活動設(shè)計思路包括3條線：第一條是情景線，青蒿素作為情景素材和教學(xué)環(huán)節(jié)的切入點;第二條是知識線，將大綱要求的知識線與青蒿素的情景線對應(yīng)，以情景線承載所學(xué)知識;第三條線是素養(yǎng)線，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)?；谶@3條線進行教學(xué)活動的設(shè)計。

3 ? ?化學(xué)前沿知識在有機化合物教學(xué)中的教學(xué)活動設(shè)計

依據(jù)教學(xué)設(shè)計思路進行具體的教學(xué)活動設(shè)計，為化學(xué)前沿知識在化學(xué)教學(xué)中的可操作性、可行性提供實踐依據(jù);化學(xué)前沿知識在化學(xué)核心素養(yǎng)中發(fā)揮的作用和價值具體真實，使核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不再空洞。

（1）環(huán)節(jié)一：情景導(dǎo)入—諾貝爾醫(yī)學(xué)獎獲得者屠呦呦。

（教師）大家觀看圖片，她是誰呢？她獲得了什么獎？她發(fā)現(xiàn)了什么呢？

（學(xué)生）她是諾貝爾醫(yī)學(xué)獎的獲得者屠呦呦，她發(fā)現(xiàn)了抗瘧神藥—青蒿素。

（教師）當時她獲獎時國人都很振奮，是第一個我們本土培養(yǎng)出來的諾貝爾獎獲得者，她研究發(fā)現(xiàn)了青蒿素。青蒿素的問世，使得抗擊瘧疾取得了突破性的進展。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年與2010年相比，全球瘧疾新增感染人數(shù)下降37%，死亡率下降60%，可折算為620萬人的生命被拯救[6]。

（過渡）這么神奇的藥物是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？下面我們跟著科學(xué)家的視角探索青蒿素的發(fā)現(xiàn)歷程。

（教師）為什么要研制青蒿素呢？這還要從一種疾?。ǒ懠玻┱f起。接下來我們看看資料卡片，說出抗擊瘧疾的重要性。

（學(xué)生）瘧疾對人的生命健康危害極大，而且是通過我們最常見的蚊子來傳播的。

（2）環(huán)節(jié)二：建構(gòu)新知—分離、提純。

（教師）同學(xué)們說的非常正確，正因為這樣才要進行青蒿素的研究，那么最開始是如何提取青蒿素的呢？其實東晉時期，著名的醫(yī)師葛洪在《肘后備急方》中記錄了提取青蒿的方法，“青蒿一握，以水二升，漬絞取汁，盡服之”[7]，而屠呦呦正是受此啟發(fā)，這個啟發(fā)是什么？

（學(xué)生）這個啟發(fā)是萃取。

（老師）萃取青蒿素時需要進行萃取劑的選取，因為青蒿素是有機物，易溶于有機溶劑，且在低溫下的萃取效果更好。屠呦呦選取的萃取劑是過乙醚和乙醇，但最終確定的是乙醚，這是為什么呢？

（學(xué)生）乙醚的萃取效果好。

（老師）正確，乙醚和乙醇都是有機溶劑，乙醚的沸點低于乙醇（乙醇中含有氫鍵），有利于形成低溫環(huán)境。

（3）環(huán)節(jié)三：建構(gòu)新知—元素組成及分析方法。

（過渡）青蒿素的發(fā)現(xiàn)過程是十分曲折的，屠呦呦在參考了《肘后備急方》后，終于在1972年提取了抗瘧的有效成分，并命名為青蒿素。這是一種只含C、H、O 3種元素的有機物，分子式為C15H22O5，是熔點在156～157 ℃的無色晶體[8]。

（老師）同學(xué)們思考以下幾個問題：確定元素組成的方法有哪些？上述方法中哪個是定性分析法，哪個是定量法，或者既是定性分析又是定量分析？有機物的實驗式又叫最簡式，如何確定？以CH3CH3為例，最簡式、分子式、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡式是什么？

（學(xué)生）李比希法，現(xiàn)代元素分析儀，二者既包括定性分析又包括定量分析。通過以上方法，即可確定各原子的最簡整數(shù)比，由此確定實驗式：

（4）環(huán)節(jié)四：建構(gòu)新知—質(zhì)譜法。

（老師）那么當我們知道實驗式之后如何確定分子式呢？

（學(xué)生）需要知道相對分子質(zhì)量才能確定分子式。

（老師）沒錯，在我們高中范圍內(nèi)，有機物的相對分子質(zhì)量的測定一般采用的方法是質(zhì)譜法（Mass Spectrometry，MS）。用高能電子流轟擊樣品分子，使該分子失去電子變成帶正電荷的分子離子和碎片離子[9]。兩者因具有不同的相對分子質(zhì)量，在磁場的作用下，到達檢測器的時間有別，結(jié)果被記錄為質(zhì)譜圖[9]。最右邊的分子離子峰則為未知物A的相對分子質(zhì)量。

（老師）觀看教材上的質(zhì)譜圖，我們發(fā)現(xiàn)，最右側(cè)的離子峰CH3CH2+OH表示的就是未知物A的相對分子質(zhì)量。未知物A的相對分子質(zhì)量是46。青蒿素分子式的確定也是依賴于此，在1975年年初便確定了青蒿素是分子式為C15H22O5的倍半萜內(nèi)酯化合物，不含羥基和雙鍵[10]。

（5）環(huán)節(jié)五：鞏固新知。

（教師）今天，我們以青蒿素為例，學(xué)會探究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的方法，而探究這些的目的就是應(yīng)用并造福人類。青蒿素可以用來治療瘧疾。大家可以在課后繼續(xù)查閱文獻和資料，深入了解青蒿素，本節(jié)課我們就上到這里。

4 ? ?結(jié)語

化學(xué)前沿知識在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用有很多，成熟的案例相對較少。大膽地嘗試將化學(xué)前沿知識與化學(xué)課堂教學(xué)進行深度融合。在新課程改革的背景下，及時更新教材知識，拓展學(xué)生知識面，發(fā)散學(xué)生思維，形成科學(xué)探究的思維方法，建構(gòu)實驗探究模型，使化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)能夠真正轉(zhuǎn)化并內(nèi)化為學(xué)生的核心素養(yǎng)。

[參考文獻]

[1]季春陽，付偉憑，廖志剛.新課程實施中對化學(xué)前沿知識課程資源的開發(fā)與利用[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2008（4）：32-33.

[2]李美霞.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的前沿知識在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].煙臺：魯東大學(xué)，2019.

[3]陸偉.淺談化學(xué)前沿知識融入高中化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（16）：8-9.

[4]舒青龍，馮潔，翁美芝.“科學(xué)前沿進課堂”—高校生物化學(xué)特色教學(xué)初探[J].生命的化學(xué)，2017，37（6）：1095-1099.

[5]柯馨瑤，盧偉.以青蒿素為背景培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計—科學(xué)家怎樣研究有機物[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（9）：101-106.

[6]袁嵐峰.諾貝爾獎后又有突破，屠呦呦發(fā)現(xiàn)青蒿素是怎樣的貢獻[EB/OL].（2018-04-17）[2021-02-20].https：//www.sohu.com/a/228534765_788170.

[7]張鐵軍，王于方，劉丹，等.天然藥物化學(xué)史話：青蒿素—中藥研究的豐碑[J].中草藥，2016，47（19）：3351-3360.

[8]馬子頌，許秀華.屠呦呦回顧青蒿素發(fā)現(xiàn)艱難歷程[EB/OL].（2016-11-20）[2021-02-20].http：//www.360doc.com/content/16/1120/20/37859631_608068446.shtml.

[9]課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書·化學(xué)·選修5[M].北京：人民教育出版社，2007.

[10]吳毓林.青蒿素—歷史和現(xiàn)實的啟示[J].化學(xué)進展，2009，21（11）：2365-2371.