化學前沿知識在高中有機化學物質研究教學活動中的應用

李申申

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

關鍵詞：化學前沿知識;化學學科核心素養;有機物;教學活動

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，也更加凸顯了化學作為一門基礎學科在科學研究中的重要地位。在新一輪的課程改革中，教育部門要求以“學生為本”“素養為本”，更加注重學生核心素養的培養。在此背景下，將化學前沿知識融入日常化學教學是十分必要的。學生通過化學前沿知識，完成化學知識框架的建構、拓展及延伸，更有利于培養學生的“科學態度與社會責任”。

1 ? ?化學前沿知識的概念界定及價值

1.1 ?化學前沿知識的概念界定

化學前沿知識是指某一化學領域的最新研究成果以及正在進行的研究課題和該領域的發展趨勢等，其概念具有一定的相對性，因為科學研究并不存在絕對的前沿性知識[1]。化學前沿知識的范疇主要包括日常生活中的綠色化學、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、藥物的合成等。科學研究是一個長期、持續、不斷發展的過程，所帶來的科研成果統稱為化學前沿知識。在新課程改革的背景下，化學前沿知識對于學生核心素養的培養具有重要價值。

1.2 ?化學前沿知識的價值

在培養核心素養的背景下，化學前沿知識的價值主要包括3個方面。

1.2.1 ?科學價值

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

1.2.2 ?育人價值

化學前沿知識在教學中恰當的引入，不僅能提高學生學習的興趣，培養學生的創新精神和實踐能力，還能增強學生對化學科研的認識，培養學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現青蒿素，成功研制出HPV疫苗。

1.2.3 ?教學價值

化學前沿知識可以作為教學情景創設的素材，更新教材上的老舊知識，拓展并延伸學生的知識結構。化學課堂結合現代研究成果，可開拓學生視野，啟迪學生思維，形成科學探究模型，達到“促進教學改革，提高教學質量”的目的[4]。

化學前沿知識的選取依據是化學教學內容，根據教學目標的設定來進行化學教學活動的設計，在活動中彰顯化學前沿知識在培養核心素養背景下的價值。本研究以青蒿素的發現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 ? ?化學前沿知識的選取及教學活動設計思路

2.1 ?化學前沿知識的選取

化學前沿知識的選取主要根據教學大綱的要求。除此之外，還需要考慮所選素材的科學性、完整性、啟發性、生動性、語言的通俗性以及是否具有爭議性。教師在進行教學活動設計以及素材選取時，需要注意以下幾個方面：首先，教師在課前應充分研讀教學大綱和教材，分析學情，制定課堂教學方案和目的[4];其次，確定素材，利用與教學內容相關的關鍵詞查閱化學前沿知識;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，本節課的內容重點介紹了有機化合物的分離與提純（蒸餾、重結晶、萃取、色譜法）、元素分析與相對分子質量的測定（元素分析、相對分子質量的測定-質譜法）以及分子結構的鑒定（紅外光譜、核磁共振氫譜）3個部分知識，恰好構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，而且關于青蒿素被列入化學史的議題被多次提出，體現青蒿素作為化學史料的重要地位;二是青蒿素的發現過程與本節課的教學內容相契合，青蒿素的發現者屠呦呦也因此獲得諾貝爾獎，可增強學生的民族自豪感;三是青蒿素作為治療瘧疾的藥，可以拯救無數人的生命。

2.2 ?教學活動設計思路

以線索的方式再現青蒿素被發現的歷史，引導學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，從感悟到應用再到掌握科學方法[5]。教學活動設計思路包括3條線：第一條是情景線，青蒿素作為情景素材和教學環節的切入點;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，以情景線承載所學知識;第三條線是素養線，培養學生的化學核心素養。基于這3條線進行教學活動的設計。

3 ? ?化學前沿知識在有機化合物教學中的教學活動設計

依據教學設計思路進行具體的教學活動設計，為化學前沿知識在化學教學中的可操作性、可行性提供實踐依據;化學前沿知識在化學核心素養中發揮的作用和價值具體真實，使核心素養的培養不再空洞。

（1）環節一：情景導入—諾貝爾醫學獎獲得者屠呦呦。

（教師）大家觀看圖片，她是誰呢？她獲得了什么獎？她發現了什么呢？

（學生）她是諾貝爾醫學獎的獲得者屠呦呦，她發現了抗瘧神藥—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出來的諾貝爾獎獲得者，她研究發現了青蒿素。青蒿素的問世，使得抗擊瘧疾取得了突破性的進展。據相關數據統計，2015年與2010年相比，全球瘧疾新增感染人數下降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現的呢？下面我們跟著科學家的視角探索青蒿素的發現歷程。

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

（學生）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）環節二：建構新知—分離、提純。

（教師）同學們說的非常正確，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，這個啟發是什么？

（學生）這個啟發是萃取。

（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），有利于形成低溫環境。

（3）環節三：建構新知—元素組成及分析方法。

（過渡）青蒿素的發現過程是十分曲折的，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、結構式、結構簡式是什么？

（學生）李比希法，現代元素分析儀，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比，由此確定實驗式：

（4）環節四：建構新知—質譜法。

（老師）那么當我們知道實驗式之后如何確定分子式呢？

（學生）需要知道相對分子質量才能確定分子式。

（老師）沒錯，在我們高中范圍內，有機物的相對分子質量的測定一般采用的方法是質譜法（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量，在磁場的作用下，到達檢測器的時間有別，結果被記錄為質譜圖[9]。最右邊的分子離子峰則為未知物A的相對分子質量。

（老師）觀看教材上的質譜圖，我們發現，最右側的離子峰CH3CH2+OH表示的就是未知物A的相對分子質量。未知物A的相對分子質量是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的倍半萜內酯化合物，不含羥基和雙鍵[10]。

（5）環節五：鞏固新知。

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

4 ? ?結語

化學前沿知識在化學教學中的應用有很多，成熟的案例相對較少。大膽地嘗試將化學前沿知識與化學課堂教學進行深度融合。在新課程改革的背景下，及時更新教材知識，拓展學生知識面，發散學生思維，形成科學探究的思維方法，建構實驗探究模型，使化學學科核心素養能夠真正轉化并內化為學生的核心素養。

[參考文獻]

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

[2]李美霞.基于學科核心素養的前沿知識在中學化學教學中的應用研究[D].煙臺：魯東大學，2019.

[3]陸偉.淺談化學前沿知識融入高中化學教學的應用[J].中學化學教學參考，2019（16）：8-9.

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

[5]柯馨瑤，盧偉.以青蒿素為背景培養化學學科核心素養的教學設計—科學家怎樣研究有機物[J].化學教育（中英文），2020，41（9）：101-106.

[6]袁嵐峰.諾貝爾獎后又有突破，屠呦呦發現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現艱難歷程[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·選修5[M].北京：人民教育出版社，2007.

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