基于科研事實(shí)的高中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究
——以“一種新型配位聚合物的合成及性能研究”為例

葉燕珠 張 昕 林秀鑾

（1.福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；2.三明市第二中學(xué)，福建 三明 365000；3.永安市第一中學(xué)，福建 永安 366000）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》提倡綜合使用多種模式開展選修課程的教學(xué)，鼓勵教師組織學(xué)生進(jìn)行主題式實(shí)踐活動與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動。［1］項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種系統(tǒng)的教學(xué)方法，教師將具體的項(xiàng)目分解成若干學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)的情境提出問題，并指導(dǎo)學(xué)生圍繞學(xué)習(xí)任務(wù)動手實(shí)踐操作，運(yùn)用所學(xué)知識和相關(guān)信息解決問題，形成真實(shí)情境下的復(fù)雜問題解決思路。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)將學(xué)科知識與生產(chǎn)生活實(shí)踐緊密結(jié)合，賦予知識遠(yuǎn)遷移的功能及價(jià)值，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力及遷移創(chuàng)新能力。［2］過渡金屬配位聚合物具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的理化性能，在材料科學(xué)、催化化學(xué)和光學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。本文以當(dāng)前配位化學(xué)的研究熱點(diǎn)為背景，以“新型配位聚合物{［Cd2（H2O）（C6H4NO2）3（C12H8N2）2］［TaF6］}n（簡稱配位聚合物1）的合成及性能研究”為項(xiàng)目載體，［3］引導(dǎo)學(xué)生基于科研事實(shí)，體驗(yàn)和感受科學(xué)研究的一般過程，綜合運(yùn)用無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)原理及結(jié)構(gòu)化學(xué)等學(xué)科知識解決真實(shí)的問題。

一、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

一是通過配位聚合物1 的分子組成和結(jié)構(gòu)分析，了解現(xiàn)代化學(xué)研究技術(shù)的前沿，認(rèn)識常見的結(jié)構(gòu)表征方法，拓寬視野的同時發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”維度的學(xué)科核心素養(yǎng)。

二是通過動手搭建配位聚合物1 的分子結(jié)構(gòu)模型，直觀地認(rèn)識分子結(jié)構(gòu)及空間構(gòu)型，發(fā)展宏微結(jié)合、證據(jù)推理等學(xué)科核心素養(yǎng)。

三是通過探究配位聚合物1 的性能和用途，深入認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與用途的關(guān)系，認(rèn)識研究物質(zhì)的基本方法與價(jià)值，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”維度的學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

以配位聚合物1 的合成→結(jié)構(gòu)分析→性能研究為主線，組織學(xué)生開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動，具體的項(xiàng)目任務(wù)分解及教學(xué)流程如表1 所示。

表1 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

三、項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

［課前布置任務(wù)］以小組為單位進(jìn)行合作學(xué)習(xí)：課前查閱文獻(xiàn)資料，了解現(xiàn)代化學(xué)研究技術(shù)的前沿，了解分子組成和結(jié)構(gòu)的常見表征手段及儀器分析方法。

（一）任務(wù)1：研究配位聚合物1 的合成方案

［情境引入］過渡金屬具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，能與許多有機(jī)配體形成穩(wěn)定的配位聚合物，此類配位聚合物在催化、磁性、發(fā)光和殺菌等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。今天大家一起來研究一種新型的配位聚合物{［Cd2（H2O）（C6H4NO2）3（C12H8N2）2］［TaF6］}n（配位聚合物1）的合成和性能。

［教師］配位聚合物1 的合成方案如下：取0.17 g Ta2O5，加入0.36 g 40 wt% HF 中，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至30mL 內(nèi)襯聚四氟乙烯的水熱釜中，于165°C 下加熱18小時，冷卻后加入0.23 g Cd（CH3COO）2·2H2O、0.25 g 3?吡啶羧酸、0.27 g 1，10?鄰菲啰啉、2.0 mL 乙二醇和3.0 mL H2O，攪拌均勻。將混合液轉(zhuǎn)移至30ml 內(nèi)襯聚四氟乙烯的水熱反應(yīng)釜中，在165°C 下加熱168 小時。冷卻至室溫，分離得到黃色塊狀晶體。［3］請同學(xué)們思考以下問題：

［導(dǎo)引問題］（1）Ta2O5加入HF 中，在加熱的條件下發(fā)生了什么反應(yīng)？請用化學(xué)方程式表示。

（2）制備中加入乙二醇的作用是什么？

（3）實(shí)驗(yàn)室中如何分離和提純黃色塊狀晶體？需要用到哪些實(shí)驗(yàn)儀器？

（4）3?吡啶羧酸的結(jié)構(gòu)如圖所示：

根據(jù)物質(zhì)中的含氧官能團(tuán)，預(yù)測該物質(zhì)具有哪些化學(xué)性質(zhì)？

（5）1，10 ?鄰菲啰啉的結(jié)構(gòu)如圖所示：

分子中最多有多少個原子共平面？

一個1，10 ?鄰菲啰啉分子可形成幾個配位鍵？

［設(shè)計(jì)意圖］通過研究合成方案，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)原理的視角分析實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合分析解決問題的能力。通過物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析，引導(dǎo)學(xué)生有理有據(jù)地推測其性質(zhì)，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的學(xué)科觀念。通過晶體的分離和提純，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握物質(zhì)分離和提純的基本思路和方法，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

（二）任務(wù)2：分析配位聚合物1 的組成和結(jié)構(gòu)

［導(dǎo)引問題］通過課前查閱資料，大家了解到哪些常見的分子組成和結(jié)構(gòu)的表征方法？請舉例說明。

［小組1 交流展示］小組1 代表匯報(bào)文獻(xiàn)檢索以及資源分析結(jié)果（表2）并舉例說明具體的表征方法。

表2 常見分子組成和結(jié)構(gòu)的表征方法

［導(dǎo)引問題］通過質(zhì)譜法測定該物質(zhì)的相對分子質(zhì)量為1263。假設(shè)其分子式為CxHyCd2F6NzO7Ta，已知其中C、H、N 的質(zhì)量百分含量分別為C%：39.86%，H%：2.37%，N%：7.75%，該物質(zhì)的分子式應(yīng)該如何表示？

［學(xué)生活動］通過計(jì)算確定該物質(zhì)的分子式為C42H30Cd2F6N7O7Ta。

［教師］該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)中包含三個3?吡啶羧酸鹽陰離子、兩個Cd2+陽離子、兩個1，10?鄰菲啰啉配體、一個［TaF6］?陰離子和一個孤立的水分子。每個Cd2+陽離子與一個3?吡啶羧酸鹽陰離子配體上的兩個O 原子、一個1，10?鄰菲啰啉配體上的兩個N 原子，兩個不同3?吡啶羧酸鹽陰離子配體上的兩個N 原子配位，從而形成一個略微扭曲的八面體。［3］

［導(dǎo)引問題］在該物質(zhì)中：

（1）非金屬元素電負(fù)性由大到小的順序是什么？

（3）Cd（II）陽離子的配位數(shù)為多少？

（4）［TaF6］?陰離子的空間構(gòu)型如何表示？其中提供空軌道的是什么原子？提供孤電子對的是什么原子？

［師生互動］師生交流討論，教師指導(dǎo)學(xué)生通過一系列有梯度的問題串解決，對物質(zhì)的組成、分子式、分子中原子的連接方式、雜化類型以及空間構(gòu)型等進(jìn)行一個比較系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和梳理。

［設(shè)計(jì)意圖］通過課前查閱文獻(xiàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生了解現(xiàn)代化學(xué)研究技術(shù)的前沿，拓寬學(xué)生視野的同時培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和信息加工處理能力。基于真實(shí)的情景，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，通過配位聚合物1 的分子結(jié)構(gòu)分析，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識分子的組成和結(jié)構(gòu)，有效整合元素化合物知識、原子軌道理論以及分子空間構(gòu)型等教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等知識的深度融合，發(fā)展學(xué)生宏微結(jié)合、證據(jù)推理等學(xué)科核心素養(yǎng)。

（三）任務(wù)3：搭建配位聚合物1 的分子結(jié)構(gòu)模型

［教師］根據(jù)前面提供的配位聚合物1 的組成和結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合該物質(zhì)的主要鍵長和鍵角數(shù)據(jù)（多媒體展示），請大家以小組為單位，利用泡沫板、坐標(biāo)紙、竹簽（雙頭尖）、尺子、泡沫球、馬克筆、牙簽等實(shí)驗(yàn)材料搭建該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)模型。

［學(xué)生活動］小組合作搭建配位聚合物1 的分子結(jié)構(gòu)模型。

［教師提示］具體搭建方法可以分三個階段：

階段一：確定Cd（II）陽離子和［TaF6］?陰離子和水分子的空間位置；

階段二：確定3?吡啶羧酸鹽陰離子和1，10?鄰菲啰啉配體中碳骨架和氮原子的位置；

階段三：補(bǔ)充H 原子，完成結(jié)構(gòu)模型搭建。

［小組2 匯報(bào)交流］小組2 代表展示本組搭建的分子結(jié)構(gòu)模型，分享模型搭建的體會。

［點(diǎn)評］師生共同評價(jià)結(jié)構(gòu)模型搭建成果，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)模型搭建方法并通過多媒體展示配位聚合物1 的分子結(jié)構(gòu)（圖1）。

［多媒體展示］

［教師］在配位聚合物1 的晶體堆積結(jié)構(gòu)中，每個3?吡啶羧酸鹽陰離子配體分別與兩個Cd2+陽離子連接，每個Cd2+陽離子分別與3 個3?吡啶羧酸鹽陰離子配體和1 個1，10?鄰菲啰啉配體配位，4 個Cd2+陽離子與4 個3?吡啶羧酸鹽陰離子配體連接形成大小為11.156 ?×11.156 ? 的四元環(huán)。配位聚合物1 的一維鏈結(jié)構(gòu)及晶胞如圖2 所示。［3］

（四）任務(wù)4：推斷配位聚合物的鍵合形式

［教師］通過X?射線單晶衍射技術(shù)可測定單晶分子的鍵長、鍵角、成鍵電子密度、構(gòu)型以及晶格中分子的實(shí)際排列情況等，進(jìn)而獲得其三維空間結(jié)構(gòu)。請大家依據(jù)配位聚合物1 的主要鍵長數(shù)據(jù)（表3），結(jié)合官能團(tuán)類型、配位聚合物1 的超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3）以及提供給大家的常見化學(xué)鍵的鍵長資料，判斷配位聚合物1 中存在哪些鍵合形式。［3］

表3 配位聚合物1 的主要鍵長

［多媒體展示］

［多媒體展示］

［小組3 匯報(bào)交流］小組3 代表匯報(bào)配位聚合物1中存在的主要化學(xué)鍵，并指出分子間存在的三種類型氫鍵：O（水）?H…O、C?H…O 和C?H…F。

［交流討論］教師幫助學(xué)生一起梳理化學(xué)鍵、分子間作用力等相關(guān)概念，歸納小結(jié)幾種常見的鍵合形式及其在物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)中的作用，分析氫鍵及π?π 堆積在構(gòu)該物質(zhì)超分子結(jié)構(gòu)中的作用。

［設(shè)計(jì)意圖］引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的知識解決真實(shí)的問題，加深學(xué)生對化學(xué)鍵、分子間作用力等化學(xué)核心概念的理解。幫助學(xué)生學(xué)會從鍵長和結(jié)構(gòu)的視角判斷氫鍵的存在，結(jié)合晶體的超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)一步認(rèn)識氫鍵及π?π 堆積在晶體結(jié)構(gòu)中的作用。引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)的科研素材對陌生、復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，形成研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思維模型，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”維度的核心素養(yǎng)。

（五）任務(wù)5：探究配位聚合物1 的性能和用途

［學(xué)習(xí)資料］教師提供熒光性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系的文獻(xiàn)資料供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

［教師］室溫下，固態(tài)配位聚合物1 的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜如圖4 所示，依據(jù)發(fā)射峰可計(jì)算出其色度坐標(biāo)x 和y 分別為0.15231 和0.78836，如CIE（1931）色度圖（圖5a）所示［3］。

［導(dǎo)引問題］（1）結(jié)合文獻(xiàn)資料及上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷配位聚合物1 能發(fā)出有什么顏色的熒光？

（2）配位聚合物1 的熒光衰減曲線及擬合曲線如圖5b 所示，與參考文獻(xiàn)中的同類配位聚合物{［Cu2（C6H4NO2）2（C12H8N2）2］［Ta2OF10］}n 相比，［4］哪個物質(zhì)的熒光壽命更長？其可能的原因是什么？

（3）結(jié)合配位聚合物1 的結(jié)構(gòu)和性能，推測其可能具有哪些方面的用途？

［知識鋪墊］教師簡要介紹熒光衰減曲線及其擬合方法。

［小組4 匯報(bào)交流］小組4 代表匯報(bào)熒光產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，依據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷配位聚合物1 發(fā)出綠光，主要?dú)w因于的3?吡啶羧酸鹽陰離子和1，10?鄰菲啰啉配體的π*?π 躍遷。［4］

［教師］教師利用多媒體展示{［Cu2（C6H4NO2）2（C12H8N2）2］［Ta2OF10］}n 的分子結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生對比研究配位聚合物1 和{［Cu2（C6H4NO2）2（C12H8N2）2］［Ta2OF10］}n 的結(jié)構(gòu)差異性，進(jìn)而分析配位聚合物1 熒光壽命更長的原因。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合配位聚合物1 的結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)一步推測其可能的用途，在拓展學(xué)生知識面的同時進(jìn)一步強(qiáng)化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科觀念。

［設(shè)計(jì)意圖］通過配位聚合物1 的發(fā)光性能研究，引導(dǎo)學(xué)生將中學(xué)已有的光譜知識拓展到對陌生、復(fù)雜化合物的研究上，加深學(xué)生對核外電子運(yùn)動規(guī)律的理解，完善“吸收光譜—發(fā)射光譜”的知識體系。通過事實(shí)性研究，幫助學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科觀念，理清陌生化合物探究的基本思路，建立起研究目標(biāo)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會對真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖像加以分析和應(yīng)用，建立對數(shù)據(jù)圖像分析的模型認(rèn)知，并能夠?qū)⒋苏J(rèn)知運(yùn)用于解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示物質(zhì)的本質(zhì)特征。

四、結(jié)語

將真實(shí)的科研成果轉(zhuǎn)化而成的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)素材，蘊(yùn)含著豐富的趣味性和實(shí)用性，不僅可以激發(fā)學(xué)生對科研的興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證研究與邏輯推理能力?；诳蒲惺聦?shí)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)需要利用中學(xué)化學(xué)的核心知識來解構(gòu)科學(xué)前沿素材，將具體項(xiàng)目分解成若干學(xué)習(xí)任務(wù)，通過一系列驅(qū)動性問題對孤立的、碎片化的知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)與整合，并運(yùn)用于解決真實(shí)復(fù)雜情境中的問題。［5］通過一個個學(xué)習(xí)任務(wù)的推進(jìn)和完成，幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，形成從解決單個問題到解決一類問題的思路，引領(lǐng)學(xué)生深刻體會學(xué)科的價(jià)值，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。［5］