基于化學(xué)模塊融合的項目式教學(xué)
——以“阿司匹林的合成及結(jié)構(gòu)修飾”為例

佘曉敏 江合佩

（1.廈門雙十中學(xué)，福建 廈門 361015；2.廈門市教育科學(xué)研究院，福建 廈門 361003）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》明確提出“教師在教學(xué)中應(yīng)重視創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的形成和發(fā)展”。［1］項目式學(xué)習(xí)倡導(dǎo)基于真實情境提出挑戰(zhàn)性任務(wù)，以學(xué)生為中心開展多樣化學(xué)習(xí)活動，在學(xué)習(xí)成果展示中評估素養(yǎng)發(fā)展水平。［2］王磊團隊為高中化學(xué)必修課程、選擇性必修課程研發(fā)了系列微項目，引領(lǐng)高中化學(xué)課程素養(yǎng)導(dǎo)向的教育改革。［3］江合佩團隊遴選社會性熱點議題、化工生產(chǎn)問題、身邊化學(xué)問題等真實情境，設(shè)計項目學(xué)習(xí)活動，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，豐富項目式學(xué)習(xí)教學(xué)案例。［4］

目前以阿司匹林為主題設(shè)計的教學(xué)案例集中在有機合成方向。高宏等以“阿司匹林的前世今生”設(shè)計有機合成單元復(fù)習(xí)課例。［5］徐敏等以青蒿素、水楊酸、阿司匹林等藥物分子結(jié)構(gòu)修飾的發(fā)展史為素材設(shè)計習(xí)題發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。［6］孫磊等以化學(xué)史為真實情境進行水楊酸、阿司匹林及其衍生物的有機合成教學(xué)。［7］真實問題的復(fù)雜性必然要求學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決問題。本文以“阿司匹林的合成與結(jié)構(gòu)修飾”項目開展有機化學(xué)復(fù)習(xí)課程，旨在豐富化學(xué)模塊融合項目式教學(xué)案例。

一、項目簡介

《阿司匹林的合成及結(jié)構(gòu)修飾》是為高二學(xué)生在完成必修1 和2、選擇性必修3“烴及其衍生物的性質(zhì)”后所開發(fā)的有機復(fù)習(xí)課教學(xué)案例。本案例依托阿司匹林的藥物發(fā)展史，學(xué)生圍繞阿司匹林的合成與結(jié)構(gòu)修飾問題，探討“阿司匹林的有效成分檢測”“水楊酸的酸性研究”“由水楊酸合成乙酰水楊酸”“阿司匹林結(jié)構(gòu)修飾”等問題，融合“官能團”“有機合成”“氫鍵”“反應(yīng)機理”“實驗探究”等多模塊核心知識。學(xué)生在教師設(shè)計的真實情境下進行不同復(fù)雜和陌生程度的問題解決活動，通過小組合作、實驗探究、討論交流等多樣化方式解決問題，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、項目主題選擇

（一）突出化學(xué)學(xué)科價值

“阿司匹林的合成與結(jié)構(gòu)修飾”項目凸顯化學(xué)學(xué)科的社會價值。阿司匹林藥物應(yīng)用歷史已超過百年，是藥物醫(yī)藥史上三大經(jīng)典藥物之一，至今仍是應(yīng)用最廣的解熱、鎮(zhèn)痛和抗炎藥物。從水楊苷的提取到乙酰水楊酸的人工合成，再到阿司匹林藥物結(jié)構(gòu)修飾，是化學(xué)家認(rèn)識物質(zhì)、合成物質(zhì)、改造物質(zhì)的科學(xué)研究過程。［8］

（二）彰顯化學(xué)模塊融合

三、項目教學(xué)目標(biāo)

本項目聚焦有機物化合物官能團與性質(zhì)、有機反應(yīng)與化學(xué)鍵變化、有機合成與分離提純、根據(jù)需求進行藥物結(jié)構(gòu)修飾等學(xué)科核心問題，具體目標(biāo)如下：通過阿司匹林有效成分檢測的實驗探究活動，進行酚、羧酸和酯的官能團檢測，幫助學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實、勇于實踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實踐能力；通過應(yīng)用化學(xué)鍵及氫鍵的知識，進行水楊酸的酸性研究，幫助學(xué)生進一步鞏固結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的學(xué)科核心觀念；通過水楊酸合成乙酰水楊酸的反應(yīng)機理分析及分離提純路線設(shè)計活動，幫助學(xué)生構(gòu)建酚酯的合成及利用有機物溶解性差異進行分離提純的模型；通過阿司匹林結(jié)構(gòu)修飾活動的開展，提升綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決真實問題的能力。

四、項目教學(xué)規(guī)劃

本項目從“真實情境”和“挑戰(zhàn)性任務(wù)”項目式學(xué)習(xí)兩大要素及重點發(fā)展的學(xué)科核心素養(yǎng)進行“阿司匹林的合成與結(jié)構(gòu)修飾”項目教學(xué)規(guī)劃（見圖1）。

查閱阿司匹林的藥物說明書，提出挑戰(zhàn)性任務(wù)“設(shè)計實驗檢驗阿司匹林有效成分”，重點發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”維度的核心素養(yǎng)。從柳葉煎茶到水楊酸提取，再到乙酰水楊酸的合成，體驗天然植物到合成藥物的演變過程。比較水楊酸與其他有機酸電離平衡常數(shù)的數(shù)據(jù)，進行“水楊酸的酸性研究”，重點發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理的學(xué)科核心素養(yǎng)?！坝伤畻钏岷铣梢阴Ｋ畻钏帷?，重點構(gòu)建從化學(xué)鍵變化及反應(yīng)機理視角認(rèn)識有機反應(yīng)的模型；利用有機物與有機鹽的溶解性差異，進行乙酰水楊酸分離提純路線設(shè)計，重點發(fā)展有機物分離提純“模型認(rèn)知”維度的核心素養(yǎng)。最后讓學(xué)生模擬藥物設(shè)計者的身份，融合化學(xué)學(xué)科知識和藥物使用常識，提出進一步優(yōu)化藥物結(jié)構(gòu)的設(shè)想，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和勇于創(chuàng)新的精神。

五、項目教學(xué)實施

下面對該項目式教學(xué)實施過程及教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行說明。

（一）根據(jù)官能團性質(zhì)進行有機物的檢測實驗——阿司匹林有效成分檢測

［提出挑戰(zhàn)性任務(wù)］根據(jù)所提供的試劑及用品（阿司匹林、飽和NaHCO3溶液、1 mol ·L?1NaOH 溶液、1%FeCl3溶液、乙醇、蒸餾水、pH 試紙），設(shè)計實驗檢驗其官能團。

［學(xué)生活動］學(xué)生進行了阿司匹林溶解性實驗、酸性實驗、水解及產(chǎn)物檢測實驗。

［實施效果］課堂上學(xué)生動手實驗的熱情很高。阿司匹林在不同條件下水解，使用FeCl3溶液進行水解產(chǎn)物中酚羥基檢測時，實驗現(xiàn)象各異（見圖2），有順利觀察到紫色的、有看到紅褐色沉淀的，還有產(chǎn)生大量氣體。針對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，小組討論，進一步通過實驗驗證溶液酸堿性會影響酚羥基的檢測。

（二）應(yīng)用化學(xué)鍵及氫鍵知識進行有機物酸性比較——水楊酸酸性研究

［提供資料］25℃，幾種有機酸的電離平衡常數(shù)（見圖3）。

［提出探究問題］為什么水楊酸對胃腸的刺激很大，乙酰水楊酸則可以減少刺激作用？從結(jié)構(gòu)角度分析，Ka1（水楊酸）>Ka（苯甲酸）、Ka2（水楊酸）

［學(xué)生活動］通過查閱有機酸的電離平衡常數(shù)，結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的知識，研究水楊酸酸性問題，發(fā)現(xiàn)分子內(nèi)氫鍵的形成會影響有機物的酸性，認(rèn)識到水楊酸轉(zhuǎn)化為乙酰水楊酸的必要性。

［實施效果］從阿司匹林藥物發(fā)展史中提出科學(xué)問題，將“水楊酸對胃腸的刺激很大，而乙酰水楊酸能減少刺激作用”的生活實際問題轉(zhuǎn)化為“比較水楊酸和乙酰水楊酸酸性”的化學(xué)問題。對于高二的學(xué)生，可以通過搭建水楊酸在水中的電離過程，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)的視角對水楊酸中羧基與苯甲酸羧基、酚羥基與苯酚酚羥基的電離難易程度進行比較。幫助學(xué)生認(rèn)識到水楊酸分子內(nèi)的氫鍵的形成（），造成Ka1（水楊酸）>Ka（苯甲酸）；酸根離子內(nèi)的氫鍵的形成（）造成Ka2（水楊酸）

（三）構(gòu)建酚酯合成及有機物分離提純模型——由水楊酸合成乙酰水楊酸

［提供資料］實驗室合成乙酰水楊酸：

［提出探究問題］與實驗室合成乙酸乙酯相比，為什么該反應(yīng)的反應(yīng)物使用乙酸酐代替乙酸？為什么濃硫酸可以起催化作用？

［提供資料］酯化機理：

［學(xué)生活動］從酸性條件下合成乙酸乙酯的反應(yīng)機理中發(fā)現(xiàn)，酯化反應(yīng)速率受限于醇分子中羥基上孤電子對進攻能力；而酚羥基上孤電子對與苯環(huán)形成p?π 共軛效應(yīng)，酯化難度增大，需要選擇酯化能力更強的乙酸酐進行酯化。

［實施效果］融合大π 鍵及反應(yīng)機理等不同模塊的核心知識，從化學(xué)鍵視角分析有機物結(jié)構(gòu)及催化機理，幫助學(xué)生深入理解乙酰水楊酸的合成機理及原料和催化劑的選擇。

［提出挑戰(zhàn)性任務(wù)］設(shè)計乙酰水楊酸分離提純路線。

［學(xué)生活動］分析合成反應(yīng)中可能的副反應(yīng)，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物與殘留的反應(yīng)物、副產(chǎn)物之間的性質(zhì)差異設(shè)計乙酰水楊酸分離提純路線（見圖4）。［9］

［實施效果］乙酰水楊酸的分離提純路線設(shè)計，任務(wù)難度比較大，需要小組合作完成。在高二化學(xué)教學(xué)實施過程中，需要教師提供更多的學(xué)習(xí)支持，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析直至建構(gòu)基于有機物溶解性差異進行分離提純的模型（有機物→有機鹽→有機物）。在高三化學(xué)教學(xué)實施過程中，可與乙酸乙酯分離提純實驗進行對比研究，進一步優(yōu)化有機物分離提純模型。

（四）融合化學(xué)學(xué)科知識和藥物使用常識進一步優(yōu)化藥物結(jié)構(gòu)的設(shè)想——阿司匹林結(jié)構(gòu)修飾

［提供資料］1938 年，英國內(nèi)科醫(yī)生阿瑟·杜斯韋特研究發(fā)現(xiàn)，病人服用阿司匹林造成胃出血不良反應(yīng)的原因是阿司匹林在胃中溶解速度太慢，致使藥物附著在胃壁上，造成胃粘膜損傷。

［提出挑戰(zhàn)性任務(wù)］如何降低阿司匹林對胃腸道的不良反應(yīng)？

［學(xué)生活動］學(xué)生以藥物設(shè)計者的身份，提出進一步優(yōu)化藥物結(jié)構(gòu)的設(shè)想。

［實施效果］學(xué)生不僅能提出制成鈉鹽、糖衣處理、酯化處理、增加氨基等方法，還能結(jié)合生活經(jīng)驗提出緩釋劑，甚至使用了生物學(xué)科甘油酶的知識。教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合提出的解決方案和阿司匹林藥物的發(fā)展史，總結(jié)提出阿司匹林結(jié)構(gòu)修飾的方向（見圖5）。［10］

六、項目教學(xué)反思

（一）落實項目式學(xué)習(xí)要素

項目規(guī)劃重點圍繞項目式學(xué)習(xí)真實性挑戰(zhàn)性問題，項目實施圍繞學(xué)生“核心素養(yǎng)發(fā)展”要素展開。這里重點說明項目實施過程中“持續(xù)性的探究”這一要素。在FeCl3溶液檢測酚羥基的實驗中，出現(xiàn)溶液酸堿性影響檢測結(jié)果，可圍繞該異?，F(xiàn)象進一步探究。在阿司匹林合成及分離提純方案設(shè)計基礎(chǔ)上，有條件的學(xué)?？蛇M一步開展阿司匹林的合成綜合實驗。在阿司匹林結(jié)構(gòu)修飾中，腸溶包衣及緩釋阿司匹林可以結(jié)合高分子知識進行合成路線設(shè)計，并進一步學(xué)習(xí)科學(xué)使用藥物的相關(guān)知識。

以下展示部分學(xué)生設(shè)計的分離提純路線（見圖6）。圖6?a 學(xué)生在設(shè)計乙酰水楊酸轉(zhuǎn)化為乙酰水楊酸鈉時選擇NaOH 溶液，孤立看待羧基的轉(zhuǎn)化，未能注意到該體系中酯基也會受到影響。圖6?b 學(xué)生利用有機物溶解度差異進行分離提純后，未能考慮到將有機鹽轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物。圖6?c 學(xué)生能寫出分離提純過程的關(guān)鍵物質(zhì)及操作，但未能清楚表達(dá)出體系中具體物質(zhì)的變化。從成分復(fù)雜的合成液中分離出目標(biāo)產(chǎn)物，學(xué)生在分離提純路線設(shè)計和交流展示過程中，及時發(fā)現(xiàn)問題，不斷修正路線，不僅可以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，還有利于有序思維的培養(yǎng)。

在分離提純路線設(shè)計時，有些學(xué)生因不能確定乙酰水楊酸轉(zhuǎn)化為乙酰水楊酸鈉后溶解性變化，乙酰水楊酸在NaOH 溶液作用下是否發(fā)生水解，乙醇能否增大乙酰水楊酸的溶解性，需要重新使用阿司匹林進行性質(zhì)實驗，課堂上同一時間會出現(xiàn)不同的學(xué)生活動，這也是項目式學(xué)習(xí)特點之一。

（二）基于化學(xué)模塊融合的項目式教學(xué)

有機復(fù)習(xí)課“基于化學(xué)模塊融合的項目式教學(xué)”的實施路徑如圖7 所示。該項目選取“阿司匹林的合成及結(jié)構(gòu)修飾”為主題開展項目式有機化學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)，凸顯了學(xué)科多模塊知識的融合，實現(xiàn)了跨學(xué)科知識的整合，為項目式有機化學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)提供了實踐經(jīng)驗。