基于科學態(tài)度與社會責任核心素養(yǎng)下的以青蒿素的發(fā)現(xiàn)為背景的教學實踐
——以“研究有機化合物的一般步驟和方法”為例

吉林 李宏博

研究有機物的一般步驟和方法這節(jié)課非常接近化學科研的研究模式。而屠呦呦對青蒿素的發(fā)現(xiàn)、提取，以及對其組成、結(jié)構(gòu)的探索，再到發(fā)現(xiàn)抗瘧性更強的青蒿素類衍生物，這一歷程恰好可以向?qū)W生展現(xiàn)科學家研究時的所思所想以及研究有機物的基本思路。因此，本節(jié)課以青蒿素的研究歷程為載體。帶領(lǐng)學生學習研究并利用有機物的一般步驟和方法。讓學生了解科研工作的同時，培養(yǎng)學生的化學研究興趣和科學探究精神。

一、教學現(xiàn)狀分析

在中國特色社會主義新時代的背景下，教育的根本目的是育人。在普通高中的化學教學中，培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)成為首要任務，培養(yǎng)學生具備解決與化學相關(guān)實際問題的能力，理解化學學科在生產(chǎn)生活中的重要應用和重大意義。因此高中化學教育更不應該局限在化學相關(guān)知識的范圍內(nèi)，教師應以基礎(chǔ)知識為載體，利用自身優(yōu)勢，精心設(shè)計教學過程，開闊學生的視野，在理解基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，讓學生從宏觀上感受化學的歷史發(fā)展過程及對人類生活的重大貢獻。同時在強基計劃的背景下，國家更注重對基礎(chǔ)學科拔尖人才的培養(yǎng)，突出基礎(chǔ)學科的支撐和引領(lǐng)作用。

在學習“研究有機化合物的一般步驟和方法”這節(jié)課之前，學生學習了有機化合物的結(jié)構(gòu)特點。在學生對有機物整體有了一定的了解的基礎(chǔ)上，進一步讓學生了解研究有機物的一般步驟和方法，并從中體驗研究或合成有機物的過程。同時在強基計劃的背景下，國家更注重對基礎(chǔ)學科拔尖人才的培養(yǎng)，本節(jié)內(nèi)容與化學科學研究的模式非常接近，因此可以讓學生切身感受化學學科科學研究的過程。激發(fā)學生對化學研究的興趣。幫助有天賦的學生早日確定自己的研究方向，規(guī)劃自己的未來。為強基計劃輸送人才。

在內(nèi)容上，新教材與老教材相比，新教材將本章的“有機化合物的分類”和“有機化合物的結(jié)構(gòu)特點”合為一節(jié)，同時刪去了“有機化合物的命名”。使得本節(jié)內(nèi)容更加簡潔。降低了學生的學習難度。本章相當于對必修二有機部分的總結(jié)。同時在學生對物質(zhì)“結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”有了更深的理解基礎(chǔ)上為更深入的了解有機物做鋪墊。

本節(jié)課以青蒿素的研究歷程為情境線，以研究有機化合物的一般步驟和方法為知識線，以培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)為素養(yǎng)線，三線合一，讓學生對有機物的研究過程和有機合成的重大意義有整體性的認識，培養(yǎng)學生對有機化學的研究興趣和科學探究精神。

二、核心素養(yǎng)背景下的教學設(shè)計

1.教學目標

(1)教師以青蒿素的研究歷程為素材，通過對其化學原理的解讀和人文精神的挖掘，引導學生建立研究有機化合物的基本思路，發(fā)展學生的科學態(tài)度和人文素養(yǎng)。

(2)教師通過分析青蒿素提純過程，幫助學生掌握物質(zhì)分離提純的基本技能，建立“通過物質(zhì)性質(zhì)的差異選擇分離提純方法”的方法模型。

(3)通過對青蒿素組成和結(jié)構(gòu)測定過程，掌握通過儀器分析結(jié)果和通過譜圖中的有效信息推測分子結(jié)構(gòu)的能力，發(fā)展學生的證據(jù)推理意識。

2.教學流程設(shè)計圖

圖1

3.教學流程

環(huán)節(jié)一 青蒿素的發(fā)現(xiàn)

【教師活動】通過播放瘧疾視頻創(chuàng)設(shè)情境，讓大家了解3000多年來，瘧疾對人類的巨大危害，同時引出瘧疾終結(jié)者——青蒿素的發(fā)現(xiàn)史，通過化學史激發(fā)學生對有機物的認知欲望和學習興趣。培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)二 青蒿素的分離、提純

【學生活動】要想研究青蒿素的組成，結(jié)構(gòu)。首先要通過分離提純得到有機物純品。青蒿素又是如何分離提純的呢？通過閱讀資料卡片，根據(jù)青蒿素的性質(zhì)設(shè)計出從青蒿中提取青蒿素的實驗方案。

青蒿素為無色針狀結(jié)晶，熔點為156～157℃，易溶于乙醇(沸點：78℃)、乙醚(沸點：35℃)，微溶于冷石油醚，幾乎不溶于水。因其具有特殊的過氧基團，它對熱不穩(wěn)定，易受濕、熱和還原性物質(zhì)的影響而分解。

圖2

【成果展示】通過閱讀、分析和討論，學生可以總結(jié)出分離提取青蒿素的實驗方案。根據(jù)資料卡片，選取萃取的方法從青蒿葉中分離提純獲取青蒿素；根據(jù)青蒿素對熱不穩(wěn)定的性質(zhì)選取沸點更低的乙醚為萃取劑；為了萃取的更加充分，萃取前先將青蒿葉剪成碎片；萃取后通過蒸餾將萃取劑和青蒿素分離；再通過色譜法得到青蒿素純品。

圖3

【歸納總結(jié)】在對青蒿素的分離提純的探究過程中教師可帶領(lǐng)學生復習常用的分離方法：萃取，過濾，蒸餾，色譜法等。

【設(shè)計意圖】學生通過閱讀青蒿素的相關(guān)資料，鍛煉學生利用化學相關(guān)知識提取信息的能力。再通過分析得出青蒿素的性質(zhì)，互相討論探究得出從青蒿中分離提取青蒿素的實驗方案。診斷學生綜合運用化學知識解決實際問題的能力以及證據(jù)推理能力。

【教師活動】同學們是在已知青蒿素的性質(zhì)前提下，設(shè)計出了合理方案。而當年屠呦呦在不知道任何物質(zhì)性質(zhì)信息的情況下。獲得了青蒿素的醇提取物。但通過實驗發(fā)現(xiàn)，青蒿素對瘧原蟲的抑制率很低，效果并不理想，大家思考一下，問題到底出在哪里呢？

【教師活動】屠呦呦使用的萃取劑是常用的乙醇，分離乙醇和青蒿素時需要加熱蒸餾，高溫造成了青蒿素結(jié)構(gòu)中過氧基團的分解。而過氧基正是抗瘧的活性位點。失敗之后她又查閱文獻，在《肘后備急方》中找到了關(guān)于治療瘧疾的描述：“青蒿一握，以水二升漬，絞取汁，盡服之”。為什么要絞取汁，不是像傳統(tǒng)煎藥那樣，加熱萃取呢？她從中獲得啟發(fā)，意識到青蒿素可能對溫度敏感，所以把萃取劑從高沸點的乙醇換成低沸點的乙醚，最終得到了青蒿素純品。

環(huán)節(jié)三 青蒿素組成、結(jié)構(gòu)的測定

【教師活動】通過分離提純得到了青蒿素純品，但還不知道青蒿素的組成和結(jié)構(gòu)，接下來需要借助現(xiàn)代先進的分析儀器將其組成和結(jié)構(gòu)表征出來。由于青蒿素的結(jié)構(gòu)非常復雜，對于初學者難以分析。所以先對相對簡單的有機物，通過現(xiàn)代分析儀器對其組成和結(jié)構(gòu)進行表征，了解每個分析儀器的原理和作用。老師在實驗室找到了一瓶沒有標簽的有機物，通過大家的課前預習，討論如何利用測試儀器確定該有機物的組成和結(jié)構(gòu)？

【學生活動】學生通過課前預習，結(jié)合每種測試儀器的原理，經(jīng)小組討論后，能夠得出確定有機物組成結(jié)構(gòu)的一般思路。

圖4

【設(shè)計意圖】先用簡單的有機物乙醇，通過現(xiàn)代分析儀器對其組成和結(jié)構(gòu)進行表征，使學生了解每個儀器的原理和作用，培養(yǎng)學生的證據(jù)推理與模型認知能力。

【學生活動】通過對乙醇組成結(jié)構(gòu)表征過程的分析，思考如何通過分析儀器表征出青蒿素的組成和結(jié)構(gòu)呢？

【成果展示】

圖5

【歸納總結(jié)】青蒿素組成和結(jié)構(gòu)的確定與上述方法類似，通過元素分析儀確定了青蒿素的實驗式；通過質(zhì)譜儀確定了青蒿素的分子式；通過紅外光譜儀和核磁共振氫譜儀確定了青蒿素的部分結(jié)構(gòu)；通過X射線衍射儀得到了更細致的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，包括鍵長鍵角，最終確定出青蒿素的結(jié)構(gòu)。青蒿素結(jié)構(gòu)的確定耗費了近7年時間，由多個大學和科研所共同合作完成，每一步的測試都需要大量的專家分析討論，最終才確認了青蒿素的結(jié)構(gòu)為倍半萜內(nèi)酯化合物。青蒿素的發(fā)現(xiàn)歷程正是研究有機化合物的一般步驟和方法。

環(huán)節(jié)四 研究有機物組成結(jié)構(gòu)的意義

【教師活動】當分離得到青蒿素純品，就可以投入使用，為什么還要表征它的組成和結(jié)構(gòu)呢？

圖6

當確定了青蒿素的組成和結(jié)構(gòu)，就可以通過有機合成的方法大批量生產(chǎn)，不需要再從青蒿中絞取汁，盡服之。而且，現(xiàn)在廣泛使用的青蒿素并不是最初的青蒿素，而是通過人工改性，得到的物質(zhì)性質(zhì)更加穩(wěn)定，對瘧疾抑制率更好的青蒿素衍生物—雙氫青蒿素。這也是研究有機物組成和結(jié)構(gòu)的意義所在。

【設(shè)計意圖】教師通過青蒿素的例子向?qū)W生展示，實際上現(xiàn)在用的不是最初的青蒿素，而是通過人工改性合成的抗瘧效果更好的青蒿素衍生物。讓學生掌握有機物組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及應用之間的關(guān)系。也讓學生們對有機物的研究過程和有機合成的重大意義有整體性的認識，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任感。

【主題升華】《詩經(jīng)》中有這樣一句話：“呦呦鹿鳴，食野之蒿”。屠呦呦名字中的呦呦二字正是他父親取自《詩經(jīng)》，有的人說也就是從出生那天開始，她的命運便與青蒿結(jié)下了不解之緣，也是她通過自己的畢生努力，最后以蒿草青青，回報了整個社會。

三、教學反思

1.本節(jié)教學設(shè)計特色：以青蒿素為載體，將分離提純和結(jié)構(gòu)表征部分抽象的理論知識轉(zhuǎn)換成科學研究中的實際問題。學生學習起來更加真實，參與度非常高。

2.亮點：當教師提問“通過分離提純得到青蒿素以后，直接就可以使用，為什么還要表征它的組成和結(jié)構(gòu)”時，學生準確地說出為了人工大量合成，可以降低成本。這也使教師認識到學生的思維是十分廣闊的，只要老師精心設(shè)計問題，學生得到正確的引導，課堂效果是不可預料的。也再次深刻體會到“教為主導，學為主體”新課改理念的獨到之處。

3.在新高考改革的背景下，無論是課堂教學還是高考試題中，更加重視以真實情境為載體，應以解決實際問題為驅(qū)動任務，以學科知識為解決問題的工具，在課堂中培養(yǎng)學生的化學關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)。這也要求教師改變傳統(tǒng)的教學模式，在真實的情境下精細設(shè)計實際問題，實現(xiàn)從知識教學向素養(yǎng)落實的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)更多的有志于服務國家重大戰(zhàn)略需求且綜合素質(zhì)優(yōu)秀的創(chuàng)新性人才。為我國的基礎(chǔ)學科輸送力量。

本文是長春市教育科學“十四五”規(guī)劃課題———“強基計劃背景下化學拔尖人才培養(yǎng)策略研究”(項目編號:JKBLX2021229)階段性成果。