“520化學(xué)桌游”簡易旋光儀教具的搭建與教學(xué)實(shí)踐

摘要： 以樂高積木為基材，使用LED或激光光源、偏振片、量角器和比色皿等搭建“520化學(xué)桌游”簡易旋光儀實(shí)驗(yàn)教具并測定物質(zhì)的旋光度，開發(fā)科普實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)表明：（1）搭建的旋光儀測量酒石酸、果糖與蔗糖的旋光度實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想，符合中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求；（2）該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對手性概念與旋光性物質(zhì)的理解，達(dá)成科普教育目的。

關(guān)鍵詞： 手性物質(zhì)； 樂高積木； 簡易旋光儀； 520化學(xué)桌游； 化學(xué)科普實(shí)驗(yàn)

文章編號： 1005-6629（2024）06-0068-07 中圖分類號： G633．8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

1.1 手性物質(zhì)的重要性及對其認(rèn)識的欠缺

1848年，巴斯德通過緩慢蒸發(fā)結(jié)晶外消旋酒石酸鉀銨水溶液得到兩種互為異構(gòu)體的晶體，其溶液使偏振光向不同方向偏轉(zhuǎn)。1966年，手性分子的定義被正式確立。手性是自然界中的普遍特征。于生命現(xiàn)象而言，構(gòu)成生命體的核糖核酸、蛋白質(zhì)、氨基酸等均為手性化合物；在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)藥作為保護(hù)作物、防治病蟲害的重要化學(xué)藥劑，獲正式登記并商品化的農(nóng)藥在全球有650多種，其中手性農(nóng)藥有200多種，我國目前約40%的農(nóng)藥生產(chǎn)銷售市場屬于手性農(nóng)藥［1］；在醫(yī)藥領(lǐng)域，中國藥典2010年版中具有手性中心的藥物占43．22%，預(yù)計(jì)未來幾年，手性藥物將占新合成藥物比例的80%以上［2］。由于手性對映體具有不同選擇性，其活性、毒性等往往存在較大差異。隨著當(dāng)今生物、材料、能源等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，手性技術(shù)已成為化學(xué)研究中一項(xiàng)極具前景的重要技術(shù)。

于中學(xué)階段化學(xué)教學(xué)而言，人教版高中化學(xué)教材中僅有選擇性必修3“科學(xué)史話”板塊簡單提及了“對映異構(gòu)”概念，即兩種異構(gòu)體像人的左右手，互為鏡像卻不能重合的異構(gòu)現(xiàn)象。人們對手性物質(zhì)的概念認(rèn)知較為淺顯，對其性質(zhì)差異、應(yīng)用價(jià)值及對映體危害的了解更為欠缺。

1.2 基于樂高積木實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)的已有成果及不足

以“Lego”為關(guān)鍵詞在Journal of Chemical Education進(jìn)行檢索，有18篇將樂高積木用于實(shí)驗(yàn)的案例，模擬化學(xué)反應(yīng)機(jī)理或搭建簡易的化學(xué)檢測儀器。以“旋光儀”為關(guān)鍵詞再次篩選，有1篇與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)性最高［3］。其基于樂高積木搭建旋光儀，用于演示旋光度與溶液濃度、光程、溫度和波長的函數(shù)關(guān)系，測定柑橘滑雪蠟清除劑中檸檬烯的含量等。以“樂高積木”為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)平臺檢索，有6篇利用樂高積木開展科學(xué)教學(xué)的案例，其中化學(xué)相關(guān)案例僅2篇，其一通過搭建簡易光度計(jì)實(shí)現(xiàn)Fe（Ⅲ）的定量測定，用于本科普通化學(xué)教學(xué)；另一基于樂高積木構(gòu)建模塊化激光誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng)，引入本科儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以上實(shí)驗(yàn)的機(jī)理與內(nèi)容較為復(fù)雜，用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并不適用于中學(xué)教學(xué)。

1.3 基于樂高積木的“520化學(xué)桌游”的融合與創(chuàng)新

最新第三版《玩轉(zhuǎn)520化學(xué)桌游》［4］包括兩本書、兩個(gè)骰子、五副牌、一副飛行棋，具有6款游戲。其內(nèi)容主要依托化學(xué)用語（元素符號、化學(xué)式、化學(xué)方程式等）基礎(chǔ)知識設(shè)計(jì)，解決了化學(xué)用語學(xué)習(xí)難的問題。但其僅停留在理論層面的學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)方面的內(nèi)容尚欠缺。

本研究進(jìn)一步開發(fā)樂高實(shí)驗(yàn)教具。樂高積木具有成本低、易獲得、便捷便攜、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，以此為架構(gòu)的簡易裝置將復(fù)雜儀器簡單化、可視化。在驗(yàn)證裝置具有良好可行性的基礎(chǔ)上，以“化學(xué)桌游”形式融入化學(xué)教學(xué)，將日常玩具帶到課堂中，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在搭建積木的過程中理解儀器構(gòu)造，在實(shí)驗(yàn)過程中更直觀地理解實(shí)驗(yàn)原理，從而達(dá)到“520化學(xué)桌游”讓學(xué)生在玩中學(xué)、快樂學(xué)的目標(biāo)。

1.4 待解決的問題

2016年北京《中考化學(xué)考試說明》在“試卷題型”部分明確設(shè)置了科普閱讀理解題，考察學(xué)生接受、整合信息的能力［5］，隨即，山西等多地試卷也出現(xiàn)此類試題［6］。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》［7］指出，學(xué)業(yè)水平考試命題應(yīng)以真實(shí)情境為測試載體，試題情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)緊密聯(lián)系學(xué)生學(xué)習(xí)和生活實(shí)際，體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境發(fā)展的成果。教師在教學(xué)中不應(yīng)局限于課本上的有限知識，更應(yīng)注重向外科普，向?qū)挃U(kuò)展，培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力與科學(xué)精神。

本研究利用樂高積木搭建“520化學(xué)桌游”簡易旋光儀，以“化學(xué)桌游”為教學(xué)形式，以自然界的手性現(xiàn)象為情境，緊密聯(lián)系生活，具有科普教育意義。人教版高中化學(xué)教材中雖提及“對映異構(gòu)”，但其概念在“科學(xué)史話”板塊中體現(xiàn)，學(xué)生對其了解甚少，本研究對高中教學(xué)具有補(bǔ)充意義。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 旋光度與比旋光度

溶液的旋光度［8］可以表征手性分子的性質(zhì)，使偏振光振動(dòng)平面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的為右旋，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的為左旋。旋光度用αtλ表示，t為測定時(shí)的溫度，λ為光源波長。

若把分子結(jié)構(gòu)外的因素固定，此時(shí)測得的旋光度可作為該分子的特有常數(shù)，即比旋光度，通常用［α］tλ表示。現(xiàn)行相關(guān)教材中比旋光度的計(jì)算公式和單位并不統(tǒng)一［9］，以邢其毅等著的《基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)（上）》［10］為例，該教材指出比旋光度［α］tλ指某純凈液態(tài)物質(zhì)在管長l為1dm、密度ρ為1g·cm-3、溫度為t、波長為λ時(shí)的旋光度α。溶液的旋光度和比旋光度與手性分子的結(jié)構(gòu)、光路長度、溶劑種類、光源波長［11］、溫度與濃度［12］等因素有關(guān)。

若以去離子水為溶劑，物質(zhì)在濃度ρ（單位為g·mL-1）或光路長度l（單位為dm）條件下測得旋光度αtλ，可通過以下公式換算為比旋光度［α］tλ。

t為測定時(shí)的溫度，單位為℃；λ為光源波長，單位為nm，一般用鈉光燈（波長為589nm）；［α］tλ單位為°·mL/（dm·g）。

由于溫度影響手性物質(zhì)的旋光性，所以將溶液裝入樣品池時(shí)，應(yīng)盡可能避免手掌接觸導(dǎo)致溫度對其產(chǎn)生影響。精密測定時(shí)，需使用裝有恒溫夾套的旋光管［13］。

2.2 測定原理

旋光儀主要由光源、偏振器、樣品池、檢測器等組成。在測量時(shí)，偏振器會(huì)濾掉其余方向的光線，只保留一個(gè)方向的偏振光，偏振光通過樣品后偏振面的振動(dòng)方向改變。最后，檢測器檢測通過溶液后的偏振光方向并記錄其旋轉(zhuǎn)角度。測得的旋光度可用來計(jì)算物質(zhì)的比旋光度，從而了解其手性屬性。

3 實(shí)驗(yàn)用品

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

樂高積木、超輕黏土、比色皿（1cm；3個(gè)）、偏振片（2片）、量角器（1個(gè)）、LED光源（3個(gè)；650nm、 589nm、 532nm）、激光筆（2支；650nm、 532nm）、臺秤（0.01g）、燒杯、量筒、玻璃棒、試劑分裝瓶

3.2 實(shí)驗(yàn)藥品

果糖（合肥千盛，A.R.）、蔗糖（合肥千盛，A.R.）、L-（+）-酒石酸（上海國藥，A.R.）、D-（-）-酒石酸（上海國藥，A.R.）

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理簡圖（圖1），以樂高積木為基礎(chǔ)材料，用光源、比色皿、偏振片、量角器組建“520化學(xué)桌游”簡易旋光儀。大小不合適的積木塊，用超輕黏土進(jìn)行填補(bǔ)。裝置包括三部分：第一部分為光源，LED燈可拆卸，用于更換不同光源；第二部分為偏振架，用樂高積木搭建“門框”將偏振片固定，方便實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察現(xiàn)象與記錄數(shù)據(jù)；第三部分為樣品池與旋光度檢測組件，偏振片和量角器可靈活調(diào)節(jié)。裝置每部分可拆分，有利于教師在教學(xué)活動(dòng)中展示和介紹各組件的構(gòu)造及功能。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 裝置搭建

利用樂高積木、比色皿、偏振片、LED光源（589nm）與量角器搭建簡易旋光儀。向比色皿中加入去離子水，打開光源，調(diào)整靠近光源的偏振片1，使遠(yuǎn)離光源的偏振片2指向量角器90°時(shí)視野處于最暗的位置，此時(shí)兩個(gè)偏振片的透振方向垂直，透射光亮度最暗（圖2）。

4.2 一對對映體相同濃度溶液的旋光度測定

分別稱取2.80g L-（+）-酒石酸、D-（-）-酒石酸固體、兩者1∶1的混合物，溶解于3.5mL去離子水后轉(zhuǎn)入試劑分裝瓶，配成0.80g/mL的L-（+）-酒石酸溶液、D-（-）-酒石酸溶液、（±）-酒石酸溶液。

分別向比色皿中加入溶液，打開光源，旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離光源的偏振片2，使視野再次達(dá)到最暗位置，記錄旋轉(zhuǎn)角度。

4.3 一種手性物質(zhì)不同濃度溶液的旋光度測定

分別稱取1.40g、1.75g、2.10g、2.45g、2.80g果糖和蔗糖，溶解于3.5mL去離子水后轉(zhuǎn)入試劑分裝瓶，配成0.40g/mL、0.50g/mL、0.60g/mL、0.70g/mL、0.80g/mL的果糖和蔗糖溶液，測定其旋光度（圖3）。

4.4 不同波長與類型光源下的旋光度測定

分別用650nm和532nm的LED與激光光源，測定0.50g/mL蔗糖溶液的旋光度，對比不同光源下的實(shí)驗(yàn)效果。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 一對對映體相同濃度溶液的旋光度測定結(jié)果及分析

25℃條件下，采用589nm的LED黃色光源，測定0.80g/mL酒石酸溶液的旋光度。劉麒麟等人測定了25℃時(shí)0.08g/mL酒石酸溶液在通過10cm樣品管長時(shí)的旋光度［14］。根據(jù)比例關(guān)系，該數(shù)據(jù)與本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等效。參照其使用WSS-2S旋光儀測定的等效值，結(jié)果相差不大（見表1）。

5.2 一種手性物質(zhì)不同濃度溶液的旋光度測定結(jié)果及分析

25℃條件下，采用589nm的LED黃色光源，測定不同濃度果糖與蔗糖溶液的旋光度。參照于少芬等人的研究數(shù)據(jù)，果糖和蔗糖溶液25℃時(shí)比旋光度分別為-89.08°和66.34°［15］。本實(shí)驗(yàn)測得的果糖溶液比旋光度誤差小于1.0%，蔗糖溶液比旋光度誤差不超過2.0%（見表2）。

綜上，本方法搭建的簡易旋光儀實(shí)驗(yàn)測量效果較為理想，可用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)。

5.3 不同波長與類型光源下的旋光度測定結(jié)果及分析

在25℃條件下，分別采用650nm的紅色LED和激光光源、532nm的綠色LED和激光光源，測定0.50g/mL蔗糖溶液的旋光度。依據(jù)張?jiān)奇玫难芯拷Y(jié)論“25℃時(shí)，蔗糖溶液的旋光率與激光波長倒數(shù)的平方關(guān)系”［16］，計(jì)算比旋光度（見表3）。

對比計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果相差不大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察，相較于LED光源，采用激光光源的實(shí)驗(yàn)效果更易觀察；對于紅、黃、綠三種顏色，即三種不同波長的光源，其余條件相同，采用波長更短的綠色光源測得的旋光度更大，現(xiàn)象更易觀察［17］。

綜上，在基于本實(shí)驗(yàn)的化學(xué)科普課堂中，采用綠色激光光源實(shí)驗(yàn)效果更好。

6 教學(xué)實(shí)踐流程與效果

6.1 教學(xué)流程

基于本研究設(shè)計(jì)化學(xué)科普課堂的“3×5”教學(xué)流程［18，19］，見圖4?！?”是指教學(xué)的三個(gè)步驟，分別是在情境中提出問題、在活動(dòng)中解決問題、在應(yīng)用中評價(jià)問題；“5”是指教學(xué)的五個(gè)環(huán)節(jié)。

6.2 教學(xué)效果

將以上設(shè)計(jì)面向未接觸化學(xué)和已學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)生群體進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，以調(diào)查問卷的形式對教學(xué)效果及學(xué)生滿意度進(jìn)行調(diào)查。

對于未接觸化學(xué)的學(xué)生群體A，以“手性”為測查重點(diǎn)，對100位學(xué)生進(jìn)行調(diào)查。男女比例為67∶33，其中小學(xué)五、六年級學(xué)生52人，初二年級學(xué)生48人。對于已學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)生群體B，以“手性分子的旋光性”為測查重點(diǎn)，對164位高三學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，男女比例為83∶81。其已了解對映異構(gòu)現(xiàn)象，且具備判斷碳原子是否具有手性的能力?？傮w來看，學(xué)生知識掌握程度與課程體驗(yàn)感良好，采用五點(diǎn)量表法的調(diào)查結(jié)果見圖5。

對主觀題答題情況進(jìn)行詞頻分析，見表4?？疾烊后wA對手性的理解描述：80%的學(xué)生能認(rèn)識對映體之間對稱但不完全重合的性質(zhì)，其中70%的學(xué)生能明確描述出“鏡像對稱”。考察群體B對旋光性的理解：87.2%的學(xué)生能認(rèn)識手性的旋光性能使光線偏轉(zhuǎn)，56.1%的學(xué)生能準(zhǔn)確描述使偏振光的偏振面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)?？傮w來看，學(xué)生能夠基本理解課堂教學(xué)的相關(guān)概念，但對概念的專業(yè)性描述水平有待提高。

7 總結(jié)與建議

7.1 研究總結(jié)與意義

中學(xué)教學(xué)由于課時(shí)、環(huán)境等因素的限制，一些對反應(yīng)條件要求苛刻或所需儀器較大型、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)很難開展。利用樂高積木開發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置，成本低，易操作，將儀器構(gòu)造直觀化、簡單化，操作可行性大大提高?；凇?20化學(xué)桌游”解決化學(xué)用語的理論知識學(xué)習(xí)難的問題，本研究通過學(xué)生動(dòng)手搭建裝置，促進(jìn)解決中學(xué)階段學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面原理思考淺顯、本質(zhì)理解不夠深刻的問題；聯(lián)系生活實(shí)際進(jìn)行教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)觀等化學(xué)學(xué)科基本觀念。

本研究作為科普實(shí)驗(yàn)，面向群體廣泛，期望通過此實(shí)驗(yàn)?zāi)茏尭嗳苏J(rèn)識手性，能意識到手性的重要性以及手性污染環(huán)境問題的嚴(yán)峻性，從而能在生活中注意過期手性藥物的處理等相關(guān)行為，為環(huán)境治理問題貢獻(xiàn)微薄之力。

7.2 教學(xué)建議

（1） 教學(xué)不必拘泥于教材，可適當(dāng)進(jìn)行科普拓展。教材中的內(nèi)容是有限的，而當(dāng)今考試的命題更加情境化和多元化，題海戰(zhàn)術(shù)也不足以滿足考察要求。教師可將教材中“資料卡”“科學(xué)史話”等拓展欄目作為深度理解的閱讀素材［20］，鼓勵(lì)學(xué)生閱讀課外科普讀物，提高閱讀理解的能力。本研究即是人教版高中化學(xué)選擇性必修3第一章第一節(jié)“科學(xué)史話”板塊的拓展教學(xué)。

（2） 注重課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生探究能力。義務(wù)教育與普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提倡的學(xué)科核心素養(yǎng)均包含“科學(xué)探究”［21，22］。在保證安全的前提下將實(shí)驗(yàn)融入課堂，將抽象的理論知識以具象的實(shí)驗(yàn)事實(shí)呈現(xiàn)出來，有助于學(xué)生對知識的理解，提升學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新能力。教學(xué)過程中學(xué)生動(dòng)手搭建儀器、測定樣品的旋光度，有助于活躍課堂氛圍，提高學(xué)生的課堂參與度。

（3） 設(shè)計(jì)問題推動(dòng)課堂，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主思考。提升學(xué)生自主思考意識和能力是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的核心內(nèi)容［23］。教師可采取由淺入深、由易到難的方式設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生自主思考［24］。本研究教學(xué)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)均設(shè)置趨動(dòng)性問題，推動(dòng)課程環(huán)環(huán)遞進(jìn)。

（4） 教學(xué)理論聯(lián)系生活，提高社會(huì)責(zé)任意識。綠色教育已納入常規(guī)教育中［25］，教師應(yīng)深入研究教材，將綠色教育理念與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將知識應(yīng)用于生活，關(guān)注綠色化學(xué)，提高社會(huì)責(zé)任意識。本研究的教學(xué)讓學(xué)生認(rèn)識到手性物質(zhì)的價(jià)值及其對環(huán)境的危害，學(xué)會(huì)正確處理生活中的過期藥物，樹立保護(hù)環(huán)境的意識與責(zé)任。

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*2020年廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃研究生示范課程建設(shè)項(xiàng)目“化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究（手持技術(shù)）”（編號：2020SFKC023）；2020年廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“化學(xué)卓越教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新能力的‘四聯(lián)動(dòng)’培養(yǎng)范式——以教育部東芝杯全國師范大學(xué)化學(xué)教學(xué)創(chuàng)新大賽獲獎(jiǎng)作品為例”的研究成果。

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