前沿科技資源轉化為中學教育資源的實踐與啟示

周慶華 何彩霞

摘要：以“分子篩”為例，嘗試將前沿科技資源轉化為中學教育資源。從化學視角去解讀前沿科技資源“分子篩”，梳理其中的化學知識、實驗方法、研究思維，與中學化學建立聯系，并結合化學學科核心素養，確定教學目標，精選教學內容，設計教學過程，實現向教育資源的轉化。最后，總結提煉出前沿科技資源轉化為中學教育資源的路徑與方法。

關鍵詞：分子篩;前沿科技資源;中學教育資源;教學轉化

文章編號：1008-0546（2022）06-0012-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.003

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在“基本理念”指出“選擇體現基礎性和時代性的化學課程內容”“結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念”口1。北京教育學院與中科院聯合舉辦的“前沿科技資源轉化為高中理科教育資源的實踐探索”高級研修班為我們一線中學化學教師提供了走進中科院，與科學家，與化學前沿接觸的機會。在中科院過程所我們深度參與了分子篩的研究過程，聆聽了多位科學家有關分子篩的講座，進入實驗室，研究人員為我們詳細介紹、演示了分子篩的合成、表征、性能測試等整個研究環節，與科學家就分子篩的問題進行座談，面對面地進行交流。通過這次學習，我們深刻感受到分子篩的應用非常廣泛，可以作高效干燥劑、選擇性吸附劑、催化劑、離子交換劑等，在工業、環保、生活等多個領域發揮重要作用。如2020年11月9日，中科院大連化物所“第三代甲醇制烯烴技術”通過科技成果鑒定，年產值超2000億元，其核心技術就是利用了改進的分子篩催化劑。國內外多個研究機構有分子篩的研究方向，在一些頂級期刊上經常會有關分子篩的文章，2021年7月16日，Science上刊登了兩篇跟沸石分子篩相關的研究論文[2，3]。中國化學會已舉辦了20屆全國分子篩學術大會。在中國知網以篇名方式搜索“分子篩”，結果顯示有22000多篇文章，這些足以說明分子篩在當今前沿科技領域占有一席之地。回看分子篩內容在中學教材以及教學中，涉及很少，特別是新課標弱化了硅鋁，中學生基本沒有機會接觸分子篩。在中國知網以篇名方式搜索“分子篩中學”，結果顯示有0篇文章，面對之間如此大的差距，我們覺得有必要做有關“分子篩”前沿科技資源轉化中學教育資源的嘗試。同時，前沿科技資源作為真實、陌生、綜合的學習素材，為學生解決真實情境下不同復雜程度的化學問題提供了素養表現的機會，有利于學生化學學科核心素養的形成、發展和評價。

一、對“分子篩”的認識

1932年，McBain提出了“分子篩”的概念，用以表示能在分子水平上對物質進行篩分的多孔材料。有關“分子篩”的科技資料豐富且學術性強，為了能轉化為中學可用的教學資源，需按照中學化學常用的的學科邏輯，即用途、組成、結構、性質或性能及合成對“分子篩”資料進行梳理。

分析文獻，發現科學家對分子篩的研究大致過程如下：通過改變原料成分以及控制合成條件制備分子篩，借助各種儀器表征分子篩的組成、結構、性能等，推測可能具有的用途，然后在各種實驗中發現分子篩的實際作用（分離、催化等）。

基于上述梳理分子篩知識，發現可以與中學化學教學建立一些聯系（見表1）。

分子篩知識與新課標中必修課程：化學科學與實驗探究、常見的無機物及其應用、物質結構基礎及化學反應規律、化學與社會發展;選擇性必修課程“物質結構與性質”：原子結構與元素的性質、微粒間的相互作用與物質的性質、研究物質結構的方法與價值等主題可以建立一定的聯系。將“分子篩”相關內容設計成中學學習內容，可以作為選擇性必修課程“物質結構與性質”拓展課，也可以作為選修課程“發展中的化學科學”學習內容。教學應以分子篩知識的學習為載體，體現中學化學知識與化學前沿之間的聯系，重點放在知識應用探究，思維方法遷移等。

二、“分子篩”學習設計

在分析分子篩的基本知識結構及研究思維特點的基礎上，結合高中化學新課標相關要求以及學生學情，我們進行了“分子篩”教學設計。

1.教學目標

（1）能在分析文獻的基礎上歸納出目前分子篩研究熱點內容與方向。

（2）在學習分子篩的過程中，體驗科學家研究過程、實驗方法、研究思維。知道現代科學儀器在測定物質組成、結構及性能中的應用。

（3）能夠發現分子篩與中學化學之間聯系，將中學化學的原理、方法遷移“分子篩”學習中。能夠對分子篩資料中文字、圖、表提供的信息，準確地提取實質性內容，并與中學知識整合。了解中學知識、方法及學科觀念在前沿科技中的應用。

（4）知道分子篩在生產、生活中廣泛應用，理解化學、技術、社會和環境之間的相互關系，贊賞化學對社會發展的貢獻。

2.學習流程

以分子篩科技資源為基礎，結合化學課程標準，符合學生的認知特點，從體現化學學科特點，用途——組成、結構——制備的思路來設計學習流程（表2），將科技資源轉化為教學資源。

3.學習過程與主要活動設計

環節1：感知分子篩

【教師提供材料】1.工業甲苯制對二甲苯。分子篩具有獨特而均一的孔道結構，較大的比表面積，較強的酸中心和氧化一還原活性中心，孔道內有能起極化作用的強大靜電場，是性能優異的催化劑。同時，分子篩特殊的孔道和孔徑只允許某些特定分子形狀和結構的產物分子擴散出孔道（見圖1）。工業上利用分子篩擇性催化的性能可以將甲苯歧化選擇性生成對二甲苯。

2.分子篩制氧。家庭分子篩制氧機通電就能得到濃度高達900-/0以上氧氣，速度快，使用壽命長。制氧原理是利用分子篩對氮氣吸附能力較對氧氣的強，實現氮氣和氧氣的分離，從而得到高濃度的氧氣。

3.去除廢水中氨氮。沸石分子篩對NH4+具有很強的選擇性吸附，廢水中NH4+與分子篩孔道中平衡骨架負電荷的陽離子發生交換而被吸附。在廢水中氨氮初始濃度小于100mg/L時，氨氮去除率可達60%以上。

【學生活動】閱讀材料，歸納出分子篩的主要用途：催化與分離。分子篩在生產、生活、環保方面等用途是因為分子篩具有催化、吸附以及離子交換等性能，該性能與其孔道、孔徑及組成有關。進一步提煉出“組成、結構決定性能，性能決定用途”化學觀念。

環節2：認識分子篩

【教師提供材料】展示幾種工業常用的分子篩，雖然外貌、形狀各異，但微觀結構相似。

展示幾種典型分子篩的結構（見圖2）。

【學生活動】以小組為單位，分析分子篩組成、結構特點：

1.骨架一般由Si、Al及0元素組成，基本結構是【SiO4】四面體 、【AlO4】四面體 ;四面體中每個氧原子都是共用的;相鄰的兩個四面體之間只能共用一個氧原子;兩個鋁氧四面體不直接相連。

2.四面體通過共用氧原子形成多元環;各種環通過共用氧原子相互連接成三維的籠;由籠再進一步排列形成各種分子篩。

【教師提問】分析分子篩骨架中Si、Al成鍵方式。

【學生回答】Si核外價電子排布3s23p2，采用sp3雜化，與4個O成鍵，形成【SiO4】四面體;Al核外價電子排布3s23pl，采用sp3雜化，與3個O成鍵，還有1個p空軌道與O孤對電子成鍵，形成【AlO4】四面體。

【教師提供材料】展示分子篩透射電鏡圖（圖3）。

【學生活動】從放大倍數的分子篩電鏡圖，發現分子篩結構特點：在結構上有許多孔徑均勻的孔道和排列整齊的孔穴;有很大的比表面積。

環節3：設計分子篩

【學生活動】根據分子篩的組成及結構規律，以小組為單位設計一種分子篩，并組裝出球棍模型。根據化學鍵的鍵長及原子半徑，估算模型中孔徑大小。

【教師提供材料】多元環的孔徑（見表3）

【教師提供材料】分子篩的合成受原料、堿度、陳化時間、晶化溫度和時間等影響[4]。

【學生活動】閱讀材料，歸納影響分子篩合成因素，為自己設計的分子篩尋找最佳合成條件。如堿度大會使分子篩的粒子變小并且粒徑分布變窄，有利于生成富鋁;溫度越高得到的分子篩的尺寸和孔體積越小。

環節4：表征分子篩

【教師提供材料】分子篩常用表征內容及儀器（見表4）

【學生活動】閱讀材料，歸納分子篩主要表征內容及表征手段，初步了解現代儀器在分子篩中的應用。

【教師提供材料】酸性是決定分子篩催化活性和選擇性的重要因素。酸強度、酸中心類型和酸量的改變會很大程度地影響分子篩的催化活性和選擇性[3]。純硅型的分子篩是沒有酸性的，因此也不具備催化性能。可以用鋁原子取代分子篩骨架中硅原子，使分子篩產生酸性，解釋原因。

【學生活動】由于Al是+3價，Si是+4價，這樣的取代會使骨架帶負電荷，可以吸引陽離子H+平衡電荷，這樣就產生了酸性。

【教師追問】如何測定分子篩總酸量？

【學生活動】聯想中學酸堿中和滴定，可以用酸堿滴定法測定總酸量。利用指示劑，用已知濃度的堿滴定一定量的分子篩，通過消耗堿的量計算分子篩的總酸量。也可以采用返滴定法，讓堿與分子篩充分作用，再用已知濃度的酸去滴定剩余堿的量。

【教師追問】由于NaOH能與分子篩骨架Si、Al作用，在實際酸性測定中最常用的是有機堿正丁胺直接滴定和返滴定法[6]。實際消耗丁胺的量，大于分子篩能提供的H+的量，解釋可能的原因？（提示：由于晶格缺陷，在分子篩骨架中，有部分Al與3個O結合[7]。）

【學生活動】在分子篩骨架中，Al采用sp3雜化與O成鍵。由于有部分Al與3個0結合，還有空軌道可以與N的孤對電子結合，形成配位鍵，消耗丁胺。

【教師追問】如何測定分子篩外表面、孔道及孔口等位置酸性？

【學生活動】可以利用不同半徑大小的有機堿與分子篩不同部位作用進行測定。

【教師提問】堿性氣體分子如NH3會在分子篩酸性表面發生吸附，強酸位點對堿性氣體的作用力比弱酸位點強。如何測定酸強度？

【學生活動】聯想氣態氫化物、銨鹽熱穩定性。將預先充分吸附了NH3的分子篩，通過程序升溫的方法使NH3從酸性位上脫附出來，通過測定脫附出來的NH3的量，從而得到分子篩的總酸量。通過計算各溫度下脫附NH3的量，可得到各種酸位的酸量。

【教師講述】與有機中基團之間的相互影響類似，還可以利用有機堿與分子篩酸性位點作用，使其核磁、紅外等特征峰發生位移，進行推斷。

環節5：發展分子篩

【教師提問】預測分子篩的未來發展趨勢。

【學生活動】小組討論，從原料、合成、用途等方面進行考慮。

原料：原料易得、多樣;骨架元素更加豐富（目前骨架元素主要是Si、Al、P）。

合成：有成熟的理論指導精準合成，能調控孔徑大小、形狀、維數、走向以及孔壁的組成與性質，孔道排列，按需定制;合成過程節能、綠色環保、高效;表征手段更加豐富、直接、快捷方便。

用途：研究分子篩作用機理的方法和理論更加完善;尋找提高其吸附容量和選擇性;發現新用途。

【教師提供材料】提供分子篩最新發展及專家預測[6]： 從無機多孔骨架到金屬有機多孔骨架。通過改變分子篩的組成、類型與結構，開拓了分子篩催化新領域，如分子篩堿催化、雙功能及多功能催化、超大微孔分子篩催化、氧化還原催化及手性催化。大集成電路中低介電常數的多孔材料、MRI造影劑、微型激光、藥物包埋與控釋等。與其他學科如物理、數學、計算機、材料及生命科學滲透與交叉，進一步促進分子篩發展。深刻理解“結構——功能——合成”規律，進入分子工程領域，以功能為導向，借助計算機模擬技術，進行結構設計，定向合成。

三、啟示

在采訪華為總裁任正非時，一位記者提到“我去參觀了華為實驗室，有很多新鮮的發明，比如防腐蝕設備、熱傳導……，我發現都是高中化學的原理，但是運用起來非常神奇。”如何實現化學知識、方法以及思維在新情境、復雜情境下的遷移，創造性地解決問題，這需要培養學生創新意識、創新能力。意識是培養出來的，能力是訓練出來的。教材由于更新周期較長，內容更加注重概念、原理等基礎性知識，為了彌補學科前沿的不足，在平時的教學中，教師可以將前沿科技成果轉化為科普閱讀、科學探究等形式的教學資源。

前沿科技資源轉化為教育資源，主要是尋找前沿科技成果與中學化學之間的聯系，找到對接點或生長點，根據內容或聯系的多少決定使用方式。若聯系較少可以將其作為科普閱讀、知識拓展，若聯系較多可以將其作為課堂教學素材，教學重點定為知識應用探究，思維方法遷移等，教學形式可以為課堂教學、項目式學習、校本等。

當面對前沿科技資源時，要從化學視角去解讀：反應是如何進行的，反應條件是如何控制的，產物是如何分離提純的，物質的組成及結構是如何確定的;物質的性質及性能是如何測定的，實驗結果是如何從實驗現象及數據歸納得出的，實驗結論是如何利用實驗結果進行推理的。梳理其中的化學知識、實驗方法、研究思維，與中學化學知識建立聯系，挖掘在化學學科核心素養發展方面的獨特價值，并結合學生的認知水平，設立基于化學學科核心素養發展的教學目標，確定教學環節，實現向教育資源的轉化。通過情境的創設，問題的構建，活動的設計，引導學生解讀、探究，梳理文獻中的化學知識及規律、實驗方法、推理路徑、邏輯結構、創新點，體會化學原理創造性應用，建構和形成化學學科的核心觀念。通過前沿科技成果轉化為學習資源，讓學生對未知保持好奇心，激發探究的熱情，喚醒創造性解決問題的意識。同時，可以讓學生加深對知識的理解，優化認知結構，轉變思維方式，提升思維水平，提高創新能力。

作為化學教師，明確將前沿科技資源轉化為高中化學教育資源的意義，深刻理解課標內容及理念，持續關注化學學科前沿研究最新成果，加深對化學學科及化學教學本質理解，提升對資源轉化的理論素養與實踐能力，不斷創作出優質的資源轉化案例，更好地促進學生發展。在將前沿科技資源轉化為高中化學教育資源過程中，教師需要查閱大量相關文獻，梳理多方面內容，準確理解前沿科技資源;需要學科專家參與，保證內容的科學性;也需要學科教學專家的指導，保證教學設計的合理性;需要反復修改打磨，工作量很大，需要團隊分工合作。

參考文獻

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