將前沿科學(xué)融入STSE綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)*
——以“聚離子液體應(yīng)用于油水分離”為例

羅廖莉 李忠恒 鞏永銳 周麗梅**

（1.西華師范大學(xué)化學(xué)教育研究所 四川 南充 637000；2.南充高級中學(xué) 四川 南充 637000）

前沿科學(xué)是指在科技領(lǐng)域具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性的內(nèi)容，是未來科技更新?lián)Q代和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)，是科技創(chuàng)新能力的綜合體現(xiàn)。新課程改革下，高中化學(xué)教材新增了前沿科學(xué)板塊，［1］這些內(nèi)容不需要學(xué)生掌握，但有利于學(xué)生對已有知識的擴(kuò)展運(yùn)用，了解當(dāng)下科研熱點(diǎn)，培養(yǎng)并激發(fā)其科學(xué)創(chuàng)新思維。STSE 綜合實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)從常見的社會問題入手，思考利用化學(xué)科學(xué)技術(shù)知識解決社會問題，［2］培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境和科技創(chuàng)新改善生活的意識，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。將科學(xué)前沿融入到STSE綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生利用最新的科學(xué)技術(shù)知識來解決實(shí)際問題，有助于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用能力。

一、選題背景

“油水分離”實(shí)驗(yàn)是根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在選修課程系列中提出的圍繞材料性質(zhì)與性能探究，材料開發(fā)與生產(chǎn)，以及新型材料設(shè)計(jì)等開展的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。［3］聚離子液體是將離子液體單體聚合，在重復(fù)單元上具有陰、陽離子基團(tuán)的一類離子液體聚合物，兼具離子液體與聚合物的優(yōu)點(diǎn)，克服了離子液體的流動性，近年來成為了材料領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)。［4］學(xué)生在化學(xué)2（必修）階段對自由基聚合有初步的學(xué)習(xí)，在選擇性必修3“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”階段，掌握了有機(jī)物的合成及原理，將聚離子液體這一前沿科學(xué)知識融入STSE 綜合實(shí)驗(yàn)中，選取內(nèi)容具有時效性、適合性，符合學(xué)生認(rèn)知范圍。隨著世界貿(mào)易的迅速發(fā)展，石油和汽油等被廣泛使用，石油泄漏和船舶事故導(dǎo)致海洋河流油污染嚴(yán)重，如何處理油污染成為了一個世界難題，而聚離子液體因其具有可調(diào)變的親疏水性，可以用于油水分離，從而有望解決這一難題。［4］本課擬在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上，查閱文獻(xiàn)資料，了解科研前沿，拓寬科學(xué)眼界，靈活運(yùn)用化學(xué)知識，服務(wù)社會生活，解決環(huán)境問題。

二、教學(xué)流程

見圖1。

圖1 聚離子液體應(yīng)用于油水分離教學(xué)流程

三、“油水分離”實(shí)驗(yàn)具體教學(xué)過程

1.根據(jù)真實(shí)情景，確定課題

教師提供近期發(fā)生的火山噴發(fā)導(dǎo)致海底石油泄漏造成嚴(yán)重的石油污染的視頻資料、中國河流油污染新聞和處理油污染的文獻(xiàn)資料，［5，6］創(chuàng)設(shè)真實(shí)的社會熱點(diǎn)問題情景引發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生回憶所學(xué)的污水處理知識，分析確定課題。學(xué)生根據(jù)教師提供的資料，小組交流討論，整理出油污染影響以及目前處理油污染的方法（見圖2 和圖3），確定利用化學(xué)處理法進(jìn)行油水分離的課題。

圖2 油污染影響

圖3 具體處理油污染方法

設(shè)計(jì)意圖：基于目前環(huán)境污染中油污染的嚴(yán)重性以及利用綠色科技解決油水分離是世界性難題的真實(shí)社會問題，提供相關(guān)資料視頻激發(fā)學(xué)生保護(hù)環(huán)境的社會責(zé)任感，使學(xué)生真正積極參與到此次教學(xué)活動中。

2.了解前沿科學(xué)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教師組織學(xué)生分組查閱利用膜分離法處理油污染的資料，并向?qū)W生提供部分利用前沿科學(xué)技術(shù)處理油污染的文獻(xiàn)內(nèi)容。［4］學(xué)生對于文獻(xiàn)的閱讀理解存在一定的困難，需要教師講解引導(dǎo)學(xué)生基于所學(xué)的有機(jī)化學(xué)知識去理解前沿科學(xué)技術(shù)的內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生從功能高分子材料方面去設(shè)計(jì)油水分離的實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生在老師提供的文獻(xiàn)資料以及講解下認(rèn)識到所要制備的聚離子液體屬于親水疏油性材料，將其負(fù)載在濾紙上，通過吸附水發(fā)生溶脹，在濾紙上形成一層水膜，待分離的油水混合物經(jīng)過修飾后的濾紙時，其中的水相能順利通過水膜，而油相被阻隔，從而實(shí)現(xiàn)油水相的分離。于是，學(xué)生小組從以下文字中分析思考進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的有效信息，完成油水分離實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并在課堂上分享報(bào)告。教師提供制備聚離子液體的方法如下：

實(shí)驗(yàn)開始前，先依次用丙酮和去離子水對直徑為5 cm 的燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行超聲波清洗，然后在60 ℃的烘箱中干燥，備用；將1-乙烯基-3-正丁基咪唑鎓溴鹽（1.8490 g，8 mmol）、丙烯酸（0.5765 g，8 mmol）、1，4-二乙烯基苯（0.2604 g，2 mmol）、光引發(fā)劑（0.1343 g）和3 mL的N，N-二甲基甲酰胺溶解在250 mL燒杯中，超聲處理15 min 形成透明溶液，之后將清洗好的不銹鋼網(wǎng)片浸入單體混合物中超聲15 min，完全濕潤取出網(wǎng)片放置在玻璃窗格（7×7 cm）上，水平暴露于365 nm紫外線下自由基聚合1 h。反應(yīng)結(jié)束后，用丙酮和去離子水洗滌三次，去除未聚合的單體，獲得純凈的聚離子液體，然后在60 ℃的烘箱中干燥過夜。［7］

教師對于各小組提出的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價和改進(jìn)，將文獻(xiàn)資料中的金屬網(wǎng)改為濾紙，降低實(shí)驗(yàn)成本的同時也能使聚離子液體有效負(fù)載；不再使用丙酮洗滌，用水洗滌也能達(dá)到本實(shí)驗(yàn)要求，并且減少了有毒試劑的使用；使用布氏漏斗改用為具多孔玻璃板抽濾漏斗，其透明玻璃材料以及對照實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生清晰觀察到油水分離的狀態(tài)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，體驗(yàn)與眾不同的有機(jī)實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：在以學(xué)生為主，教師為輔的課堂上，學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)，融入聚離子液體內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生有機(jī)會接觸化學(xué)前沿知識，增進(jìn)其對前沿科技的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，感受前沿科學(xué)技術(shù)對于社會環(huán)境改善的魅力，幫助學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)和掌握科學(xué)技術(shù)對未來社會發(fā)展的重要性。

3.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見表1）

表1 實(shí)驗(yàn)的具體過程

設(shè)計(jì)意圖：做中學(xué)，學(xué)生通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程感受化學(xué)研究人員的科研工作，不僅能增強(qiáng)其實(shí)驗(yàn)操作能力，學(xué)習(xí)如何處理實(shí)驗(yàn)過程中突發(fā)的事件，還能提高溝通協(xié)助能力和凝聚團(tuán)隊(duì)精神。

4.成果交流

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生將觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊中，并將實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題反思總結(jié)在報(bào)告冊中，進(jìn)行小組匯報(bào)展示。小組互換實(shí)驗(yàn)報(bào)告并指出報(bào)告冊中可能存在的問題，互相打分后，上交教師查閱檢查。收集全班的實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，教師根據(jù)學(xué)生報(bào)告中未解決的問題，再次同全班分析討論。最后，呼吁同學(xué)們愛護(hù)環(huán)境，充分認(rèn)識人與自然和諧共存和綠色發(fā)展的重要性，深刻理解“綠水青山就是金山銀山”的意義，建立綠色化學(xué)的理念，增強(qiáng)社會責(zé)任感和愛國情懷。綜合此次實(shí)驗(yàn)中各小組的表現(xiàn)，評選出優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)小組。優(yōu)秀小組實(shí)驗(yàn)報(bào)告如表2所示：

表2 學(xué)生小組優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)報(bào)告

（續(xù)表2）

設(shè)計(jì)意圖：通過分享交流以及對可持續(xù)發(fā)展的思考，使學(xué)生深刻理解化學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境之間的相互聯(lián)系，關(guān)注科技改變生活和綠色化學(xué)，提升學(xué)生的“社會責(zé)任”素養(yǎng)；完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完整參與實(shí)驗(yàn)過程，促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)“知、情、意、行”的統(tǒng)一。

四、總結(jié)

國外一直在進(jìn)行向中學(xué)生介紹前沿科學(xué)的工作，然而我國開展此項(xiàng)工作較晚，且西部地區(qū)在這方面的教學(xué)工作還較滯后。通過將聚離子液體融入STSE綜合實(shí)驗(yàn)課外活動，能有效地向?qū)W生介紹前沿科學(xué)理論，深入了解化學(xué)領(lǐng)域的最新研究方向，更新化學(xué)觀念，應(yīng)用化學(xué)知識，增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作能力，養(yǎng)成勤于實(shí)踐、善于合作、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神，［3］實(shí)現(xiàn)從學(xué)習(xí)知識到能力等素養(yǎng)的綜合培養(yǎng)，逐步發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才培養(yǎng)。