以“醫用口罩”為情境的“高分子材料”教學設計

陳潔 曾昭沄

摘要：從口罩的宏觀性能、用途出發推測口罩材料具有的微觀結構，再大膽推測其材料，最后用紅外光譜實驗進行驗證。讓學生樹立證據意識，建立證據、分析、推理三者之間的邏輯關系。從中體驗高分子材料開發通用方法：“產品功能一材料性質一材料結構一材料選擇”模型。通過對熔噴布抗病毒原理的探究，讓學生從功能出發建立熔噴布結構模型，體會化學在人類發展進程中起到的重要作用，樹立正確的學科觀念。

關鍵詞：真實情境；防病毒口罩；核心素養；有機高分子

文章編號：1008-0546（2022）11-0040-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.009

2015年3月教育部印發《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，中國基礎教育邁人以促進學生“核心素養”發展為目標，“立德樹人”為根本任務的新時代。課堂教學的培養目標從只關注知識的掌握轉變為運用知識解決實際問題，在問題解決中培養學生化學思維的方法和過程，探尋化學學習的意義。通過高中化學學習，學生能夠用科學的眼光、理性的思維看待世界，即形成正確的價值觀，成為人格健全、全面發展的人。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出：“化學學科教學應以最基本的原理為核心，結構化課程內容，以單元整體教學設計為引領，將真實情境作為學習的載體應用在教學中，確能促進學生化學學科核心素養的形成和發展，學生學習的內在動機能被積極地調動起來，激發學生深度學習的發生。情境教學已不是一種簡單的教學手段，而是貫穿于教學的一種教學法。[1]當學生學習的內容與科學技術、現實生活情境結合時，學生學習的知識、技能才能夠真正被理解和掌握，且易于遷移到生活中的實際問題解決情境中再應用。

2020年初的新冠肺炎疫情，給我國人民的健康帶來了巨大威脅。在抗擊新冠肺炎疫情中，合成高分子材料發揮了關鍵作用。無論是常規防護的口罩還是專業防護設備，甚至價格昂貴的體外膜肺氧合，以及火神山、雷神山醫院的建設，展現了高分子材料的中堅作用。展示了有機化學在利用自然資源，創造美好生活方面的重大貢獻。

人教版選擇性必修3第五章“合成高分子”一章內容包括：第一課時——學習掌握聚合反應；第二課時——介紹常見的高分子材料；本節“高分子材料的應用”是本單元教學的第三課時．本節課將醫用口罩作為情境素材，引領學生從產品性能人手分析產品材料的結構特征，從而預測猜想產品原料，進而探究原料的排列方式及其如何實現防護的功能。

一、教學分析

高分子材料在初中和高中必修教材中都有介紹，但限于學生的知識基礎，其內容多為常識性介紹。在選擇性必修3中整個模塊的最后設計了高分子材料一節內容，目的是讓學生綜合運用多方面的知識，從微觀結構的層面來分析和認識高分子材料的組成、合成方法和性質。本節課是在學生學習了合成高分子的基本方法及介紹了常見高分子材料后進行的。以高分子材料化學知識為載體，以醫用口罩材料真實情境為橋梁，學生在探究口罩材料的學習過程中，順理成章地運用建構主義理論，在原有認知的基礎上，去理解世界、解決問題，構建新的知識體系，在建構新知識體系過程中提高能力，提升素養。[2]

二、教學設計思路

以防病毒口罩材料尋找為主線，引導學生從口罩的宏觀性能、用途出發，推測口罩材料可能具有的微觀結構，再進行大膽推測可能是哪種材料，最后用實驗進行驗證推測的正確性。由口罩材料的尋找讓學生體會高分子材料開發的通用方法：“產品功能—>材料性質—>材料結構—>材料選擇”。通過熔噴布組成和結構的探究樹立學生證據意識，建立證據、分析、推理三者之間的邏輯關系。通過對熔噴布透氣性和抗病毒作用原理的探究，讓學生從功能出發建立熔噴布結構模型，體驗功能型有機高分子材料研發過程，體會化學在人類發展進程中起到的重要作用，樹立正確的學科觀念。[3]

利用N95口罩與普通醫用口罩的熔噴布厚度的對比，再結合學生佩戴口罩的親身體驗，讓學生體會醫務工作者的艱辛。通過抗疫回顧，讓學生體會到我國社會主義制度的優越性，增強學生的制度自信，民族白豪感進而增強愛國熱情。

大量的廢棄口罩在自然界中難降解，造成環境污染。引導學生從環境保護、可持續發展的視角探討“一次性口罩”是否可以重復使用，了解可光降解或微生物降解有機高分子材料。見圖1。

三、教學過程

教學環節1：引入情境

回顧2020年武漢發生的新冠肺炎疫情，展示中國抗疫關鍵節點，讓學生體會中國抗疫取得的偉大成就，增強學生民族自豪感，同時引出作為防疫重要物資口罩材料的學習。

設計意圖：以口罩作為本節課學習的情境主線，使熟悉的常用物品與學科知識相融合進行教學，能提高學生學習興趣，積極主動地投入學習中。

教學環節2：醫用口罩材料的選擇

設計意圖：遵循認知規律，引導學生由宏觀性質推測微觀結構特征再到材料的選擇，體會結構性質用途的關聯性，評價和發展學生宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。通過分析猜想驗證這一過程的探究，讓學生體會科學研究的思路，樹立證據意識。見圖2。

教學環節3：聚丙烯的來源和制備

教師提前打印好有關石油化T的相關材料，讓學生從中找到相關有用的信息。見圖3。

學生書寫丙烯制備聚丙烯的化學反應方程式：

設計意圖：讓學生了解口罩材料的來源，學習獲取原材料的途徑和方法。培養學生高效利用資料，提取有用信息的能力。見圖4。

教學環節4：如何制備柔軟的聚丙烯纖維

設計意圖：通過探究由聚丙烯樹脂制備口罩材料熔噴布，讓學生進一步認識線性結構和熱塑性塑料的特點。通過熔點相似的蔗糖制作棉花糖的學生實驗，培養學生知識的遷移類比能力、實驗能力；提高學生學習化學的興趣。通過觀看工業生產熔噴布視頻，增長學生見識，提高理論研究與實際生產的聯系性。見圖5、圖6。

教學環節5：口罩如何做到透氣且防病毒的？

設計意圖：學生先思考再動手繪制多種聚丙烯纖維排列情況，再通過發散性思維，展示多種排列方式，進而經分析鎖定可能的結構。能有效地對學生進行宏觀用途、性質與微觀結構關系的化學學科核心素養的培養。數碼顯微鏡的直觀觀察能樹立證據意識，得到真實的口罩材料微觀結構。通過熔噴布的“熔噴”視頻，讓學生理解理論研究與工業生產的密不可分，體會到化學與我們的生活息息相關，對人類進步有著不可替代的促進作用。見圖7。

教學環節6：驗證“熔噴布”的靜電吸附性

學生使用可視數碼顯微鏡觀察到口罩纖維的微觀結構（見圖8、圖9），口罩無紡布是無規則的網狀交錯結構，交錯中有很多大小不等的空隙。對粒徑小于1um的病毒，口罩的阻隔病毒作用效果會較差。在口罩的過濾層駐極，增加靜電荷吸附病毒，增強過濾效率，還不會增加空氣阻力。[4]因此，口罩阻隔病毒的方式是兩種，一種是機械過濾，一種是靜電吸附。靜電吸附起到了更重要的作用，制作口罩時，熔噴布提前進行電暈駐極注入電荷。

設計意圖：本環節融合了學生已有的物理知識，利用簡單的方式驗證熔噴布靜電的存在。學生在實驗中可能會忽略空白對照實驗，可以在交流點評環節教師加以補充，完善思維的嚴謹性。另外在點評環節教師也可以適時增加一些簡單有趣的靜電實驗，烘托課堂氣氛，激勵學生的創新意識。見圖10。

教學環節7：口罩熔噴布的污染與防治

設計意圖：本環節從降低環境污染，可持續發展的角度出發，讓學生探尋防治污染的方法。在開發可降解的環保口罩的設計思路中運用到了本節課學習的新材料的研究思路和方法，是對本節課的學習檢驗和提升。培養了學生的創新精神和實踐能力；增強了學生合理利用資源和環境保護意識；利于讓學生形成正確的價值觀。見圖11、圖12。

四、教學實踐反思

本節課選取防病毒口罩作為情境素材，學生每天使用口罩但對口罩的材料及防病毒原理一無所知，因此學生對本節課充滿期待，能完全投入到學習中，能真探究，真參與，真思考，實現學科育人的價值。

通過遠程連線長春應用化學研究所高分子物理與化學重點實驗室的李老師，用紅外光譜儀分析學生推測的口罩材料結構的正確性，使得教學更有說服力，讓學生體驗科研儀器檢測的精準高效性。

生物實驗室的可視化數碼顯微鏡，可以觀察不透光的實物，非常適合本節課使用。可視化數碼顯微鏡的使用讓學生能觀察口罩熔噴布的纖維結構，對孔徑的大小、纖維的粗細有直觀的體驗，更有利于學生理解防病毒的原理，實現認識水平的跨越。有效驅動學生思考宏觀現象背后的微觀原理，體會實際生活與化學科學的緊密聯系，培養學生用“科學的眼光”洞察生活的能力。

整節課以教師引領學生思考、探究為主，促進了學生學習方式的轉變。建立起了產品與原料之間關聯的設計思路，滲透了可持續發展的原料觀和可降解的產品觀，引起學生對科學發展觀的思考。以抗疫物資口罩為研究對象，引導學生學會用科學的視角認識和理解客觀世界，科學看待日常防疫的必要性，用化學知識和方法解決生活生產中的問題，在探究的過程中實現學科育人的思政目標。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部．普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[s]．北京．人民教育出版社．2020.

[2]韓梅，秦冰，高中化學學科中的社會責任素養內涵及課程內容指向探析——以必修課程為例[J]．化學教學，2020（2）： 9-12．

[3]葉依叢，邵傳強．基于發展學生學科核心素養的有機高分子單元教學設計——以“防病毒口罩濾芯材料的設計與發展”為例[J]．化學教學．2021（1）：52-58.

[4]顏靜，李宇琛，“新冠肺炎”抗疫中使用的重要高分子材料[J]．大學化學．2020.35（12）：71-76．