前沿科技资源转化为中学教育资源的实践与启示

周庆华 何彩霞

摘要：以“分子筛”为例，尝试将前沿科技资源转化为中学教育资源。从化学视角去解读前沿科技资源“分子筛”，梳理其中的化学知识、实验方法、研究思维，与中学化学建立联系，并结合化学学科核心素养，确定教学目标，精选教学内容，设计教学过程，实现向教育资源的转化。最后，总结提炼出前沿科技资源转化为中学教育资源的路径与方法。

关键词：分子筛;前沿科技资源;中学教育资源;教学转化

文章编号：1008-0546（2022）06-0012-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.003

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在“基本理念”指出“选择体现基础性和时代性的化学课程内容”“结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念”口1。北京教育学院与中科院联合举办的“前沿科技资源转化为高中理科教育资源的实践探索”高级研修班为我们一线中学化学教师提供了走进中科院，与科学家，与化学前沿接触的机会。在中科院过程所我们深度参与了分子筛的研究过程，聆听了多位科学家有关分子筛的讲座，进入实验室，研究人员为我们详细介绍、演示了分子筛的合成、表征、性能测试等整个研究环节，与科学家就分子筛的问题进行座谈，面对面地进行交流。通过这次学习，我们深刻感受到分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化剂、离子交换剂等，在工业、环保、生活等多个领域发挥重要作用。如2020年11月9日，中科院大连化物所“第三代甲醇制烯烃技术”通过科技成果鉴定，年产值超2000亿元，其核心技术就是利用了改进的分子筛催化剂。国内外多个研究机构有分子筛的研究方向，在一些顶级期刊上经常会有关分子筛的文章，2021年7月16日，Science上刊登了两篇跟沸石分子筛相关的研究论文[2，3]。中国化学会已举办了20届全国分子筛学术大会。在中国知网以篇名方式搜索“分子筛”，结果显示有22000多篇文章，这些足以说明分子筛在当今前沿科技领域占有一席之地。回看分子筛内容在中学教材以及教学中，涉及很少，特别是新课标弱化了硅铝，中学生基本没有机会接触分子筛。在中国知网以篇名方式搜索“分子筛中学”，结果显示有0篇文章，面对之间如此大的差距，我们觉得有必要做有关“分子筛”前沿科技资源转化中学教育资源的尝试。同时，前沿科技资源作为真实、陌生、综合的学习素材，为学生解决真实情境下不同复杂程度的化学问题提供了素养表现的机会，有利于学生化学学科核心素养的形成、发展和评价。

一、对“分子筛”的认识

1932年，McBain提出了“分子筛”的概念，用以表示能在分子水平上对物质进行筛分的多孔材料。有关“分子筛”的科技资料丰富且学术性强，为了能转化为中学可用的教学资源，需按照中学化学常用的的学科逻辑，即用途、组成、结构、性质或性能及合成对“分子筛”资料进行梳理。

分析文献，发现科学家对分子筛的研究大致过程如下：通过改变原料成分以及控制合成条件制备分子筛，借助各种仪器表征分子筛的组成、结构、性能等，推测可能具有的用途，然后在各种实验中发现分子筛的实际作用（分离、催化等）。

基于上述梳理分子筛知识，发现可以与中学化学教学建立一些联系（见表1）。

分子筛知识与新课标中必修课程：化学科学与实验探究、常见的无机物及其应用、物质结构基础及化学反应规律、化学与社会发展;选择性必修课程“物质结构与性质”：原子结构与元素的性质、微粒间的相互作用与物质的性质、研究物质结构的方法与价值等主题可以建立一定的联系。将“分子筛”相关内容设计成中学学习内容，可以作为选择性必修课程“物质结构与性质”拓展课，也可以作为选修课程“发展中的化学科学”学习内容。教学应以分子筛知识的学习为载体，体现中学化学知识与化学前沿之间的联系，重点放在知识应用探究，思维方法迁移等。

二、“分子筛”学习设计

在分析分子筛的基本知识结构及研究思维特点的基础上，结合高中化学新课标相关要求以及学生学情，我们进行了“分子筛”教学设计。

1.教学目标

（1）能在分析文献的基础上归纳出目前分子筛研究热点内容与方向。

（2）在学习分子筛的过程中，体验科学家研究过程、实验方法、研究思维。知道现代科学仪器在测定物质组成、结构及性能中的应用。

（3）能够发现分子筛与中学化学之间联系，将中学化学的原理、方法迁移“分子筛”学习中。能够对分子筛资料中文字、图、表提供的信息，准确地提取实质性内容，并与中学知识整合。了解中学知识、方法及学科观念在前沿科技中的应用。

（4）知道分子筛在生产、生活中广泛应用，理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的贡献。

2.学习流程

以分子筛科技资源为基础，结合化学课程标准，符合学生的认知特点，从体现化学学科特点，用途——组成、结构——制备的思路来设计学习流程（表2），将科技资源转化为教学资源。

3.学习过程与主要活动设计

环节1：感知分子筛

【教师提供材料】1.工业甲苯制对二甲苯。分子筛具有独特而均一的孔道结构，较大的比表面积，较强的酸中心和氧化一还原活性中心，孔道内有能起极化作用的強大静电场，是性能优异的催化剂。同时，分子筛特殊的孔道和孔径只允许某些特定分子形状和结构的产物分子扩散出孔道（见图1）。工业上利用分子筛择性催化的性能可以将甲苯歧化选择性生成对二甲苯。

2.分子筛制氧。家庭分子筛制氧机通电就能得到浓度高达900-/0以上氧气，速度快，使用寿命长。制氧原理是利用分子筛对氮气吸附能力较对氧气的强，实现氮气和氧气的分离，从而得到高浓度的氧气。

3.去除废水中氨氮。沸石分子筛对NH4+具有很强的选择性吸附，废水中NH4+与分子筛孔道中平衡骨架负电荷的阳离子发生交换而被吸附。在废水中氨氮初始浓度小于100mg/L时，氨氮去除率可达60%以上。

【学生活动】阅读材料，归纳出分子筛的主要用途：催化与分离。分子筛在生产、生活、环保方面等用途是因为分子筛具有催化、吸附以及离子交换等性能，该性能与其孔道、孔径及组成有关。进一步提炼出“组成、结构决定性能，性能决定用途”化学观念。

环节2：认识分子筛

【教师提供材料】展示几种工业常用的分子筛，虽然外貌、形状各异，但微观结构相似。

展示几种典型分子筛的结构（见图2）。

【学生活动】以小组为单位，分析分子筛组成、结构特点：

1.骨架一般由Si、Al及0元素组成，基本结构是【SiO4】四面体 、【AlO4】四面体 ;四面体中每个氧原子都是共用的;相邻的两个四面体之间只能共用一个氧原子;两个铝氧四面体不直接相连。

2.四面体通过共用氧原子形成多元环;各种环通过共用氧原子相互连接成三维的笼;由笼再进一步排列形成各种分子筛。

【教师提问】分析分子筛骨架中Si、Al成键方式。

【学生回答】Si核外价电子排布3s23p2，采用sp3杂化，与4个O成键，形成【SiO4】四面体;Al核外价电子排布3s23pl，采用sp3杂化，与3个O成键，还有1个p空轨道与O孤对电子成键，形成【AlO4】四面体。

【教师提供材料】展示分子筛透射电镜图（图3）。

【学生活动】从放大倍数的分子筛电镜图，发现分子筛结构特点：在结构上有许多孔径均匀的孔道和排列整齐的孔穴;有很大的比表面积。

环节3：设计分子筛

【学生活动】根据分子筛的组成及结构规律，以小组为单位设计一种分子筛，并组装出球棍模型。根据化学键的键长及原子半径，估算模型中孔径大小。

【教师提供材料】多元环的孔径（见表3）

【教师提供材料】分子筛的合成受原料、碱度、陈化时间、晶化温度和时间等影响[4]。

【学生活动】阅读材料，归纳影响分子筛合成因素，为自己设计的分子筛寻找最佳合成条件。如碱度大会使分子筛的粒子变小并且粒径分布变窄，有利于生成富铝;温度越高得到的分子筛的尺寸和孔体积越小。

环节4：表征分子筛

【教师提供材料】分子筛常用表征内容及仪器（见表4）

【学生活动】阅读材料，归纳分子筛主要表征内容及表征手段，初步了解现代仪器在分子筛中的应用。

【教师提供材料】酸性是决定分子筛催化活性和选择性的重要因素。酸强度、酸中心类型和酸量的改变会很大程度地影响分子筛的催化活性和选择性[3]。纯硅型的分子筛是没有酸性的，因此也不具备催化性能。可以用铝原子取代分子筛骨架中硅原子，使分子筛产生酸性，解释原因。

【学生活动】由于Al是+3价，Si是+4价，这样的取代会使骨架带负电荷，可以吸引阳离子H+平衡电荷，这样就产生了酸性。

【教师追问】如何测定分子筛总酸量？

【学生活动】联想中学酸碱中和滴定，可以用酸碱滴定法测定总酸量。利用指示剂，用已知浓度的碱滴定一定量的分子筛，通过消耗碱的量计算分子筛的总酸量。也可以采用返滴定法，让碱与分子筛充分作用，再用已知浓度的酸去滴定剩余碱的量。

【教师追问】由于NaOH能与分子筛骨架Si、Al作用，在实际酸性测定中最常用的是有机碱正丁胺直接滴定和返滴定法[6]。实际消耗丁胺的量，大于分子筛能提供的H+的量，解释可能的原因？（提示：由于晶格缺陷，在分子筛骨架中，有部分Al与3个O结合[7]。）

【学生活动】在分子筛骨架中，Al采用sp3杂化与O成键。由于有部分Al与3个0结合，还有空轨道可以与N的孤对电子结合，形成配位键，消耗丁胺。

【教师追问】如何测定分子筛外表面、孔道及孔口等位置酸性？

【学生活动】可以利用不同半径大小的有机碱与分子筛不同部位作用进行测定。

【教师提问】碱性气体分子如NH3会在分子筛酸性表面发生吸附，强酸位点对碱性气体的作用力比弱酸位点强。如何测定酸强度？

【学生活动】联想气态氢化物、铵盐热稳定性。将预先充分吸附了NH3的分子筛，通过程序升温的方法使NH3从酸性位上脱附出来，通过测定脱附出来的NH3的量，从而得到分子筛的总酸量。通过计算各温度下脱附NH3的量，可得到各种酸位的酸量。

【教师讲述】与有机中基团之间的相互影响类似，还可以利用有机碱与分子筛酸性位点作用，使其核磁、红外等特征峰发生位移，进行推断。

环节5：发展分子筛

【教师提问】预测分子筛的未来发展趋势。

【学生活动】小组讨论，从原料、合成、用途等方面进行考虑。

原料：原料易得、多样;骨架元素更加丰富（目前骨架元素主要是Si、Al、P）。

合成：有成熟的理论指导精准合成，能调控孔径大小、形状、维数、走向以及孔壁的组成与性质，孔道排列，按需定制;合成过程节能、绿色环保、高效;表征手段更加丰富、直接、快捷方便。

用途：研究分子筛作用机理的方法和理论更加完善;寻找提高其吸附容量和选择性;发现新用途。

【教师提供材料】提供分子筛最新发展及专家预测[6]： 从无机多孔骨架到金属有机多孔骨架。通过改变分子篩的组成、类型与结构，开拓了分子筛催化新领域，如分子筛碱催化、双功能及多功能催化、超大微孔分子筛催化、氧化还原催化及手性催化。大集成电路中低介电常数的多孔材料、MRI造影剂、微型激光、药物包埋与控释等。与其他学科如物理、数学、计算机、材料及生命科学渗透与交叉，进一步促进分子筛发展。深刻理解“结构——功能——合成”规律，进入分子工程领域，以功能为导向，借助计算机模拟技术，进行结构设计，定向合成。

三、启示

在采访华为总裁任正非时，一位记者提到“我去参观了华为实验室，有很多新鲜的发明，比如防腐蚀设备、热传导……，我发现都是高中化学的原理，但是运用起来非常神奇。”如何实现化学知识、方法以及思维在新情境、复杂情境下的迁移，创造性地解决问题，这需要培养学生创新意识、创新能力。意识是培养出来的，能力是训练出来的。教材由于更新周期较长，内容更加注重概念、原理等基础性知识，为了弥补学科前沿的不足，在平时的教学中，教师可以将前沿科技成果转化为科普阅读、科学探究等形式的教学资源。

前沿科技资源转化为教育资源，主要是寻找前沿科技成果与中学化学之间的联系，找到对接点或生长点，根据内容或联系的多少决定使用方式。若联系较少可以将其作为科普阅读、知识拓展，若联系较多可以将其作为课堂教学素材，教学重点定为知识应用探究，思维方法迁移等，教学形式可以为课堂教学、项目式学习、校本等。

当面对前沿科技资源时，要从化学视角去解读：反应是如何进行的，反应条件是如何控制的，产物是如何分离提纯的，物质的组成及结构是如何确定的;物质的性质及性能是如何测定的，实验结果是如何从实验现象及数据归纳得出的，实验结论是如何利用實验结果进行推理的。梳理其中的化学知识、实验方法、研究思维，与中学化学知识建立联系，挖掘在化学学科核心素养发展方面的独特价值，并结合学生的认知水平，设立基于化学学科核心素养发展的教学目标，确定教学环节，实现向教育资源的转化。通过情境的创设，问题的构建，活动的设计，引导学生解读、探究，梳理文献中的化学知识及规律、实验方法、推理路径、逻辑结构、创新点，体会化学原理创造性应用，建构和形成化学学科的核心观念。通过前沿科技成果转化为学习资源，让学生对未知保持好奇心，激发探究的热情，唤醒创造性解决问题的意识。同时，可以让学生加深对知识的理解，优化认知结构，转变思维方式，提升思维水平，提高创新能力。

作为化学教师，明确将前沿科技资源转化为高中化学教育资源的意义，深刻理解课标内容及理念，持续关注化学学科前沿研究最新成果，加深对化学学科及化学教学本质理解，提升对资源转化的理论素养与实践能力，不断创作出优质的资源转化案例，更好地促进学生发展。在将前沿科技资源转化为高中化学教育资源过程中，教师需要查阅大量相关文献，梳理多方面内容，准确理解前沿科技资源;需要学科专家参与，保证内容的科学性;也需要学科教学专家的指导，保证教学设计的合理性;需要反复修改打磨，工作量很大，需要团队分工合作。

参考文献

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Benjamin E.R.Snyder， Max L.Bols， Hannah M.Rhoda， et a1. Cage effects control the mechanism of methane hydroxyl-ation in zeolites[J]. Science， 2021， 373（ 6552）： 327-331.

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[5]傅硕果.改性ZSM-5分子筛酸性研究[D].兰州：兰州理工大学，2010.

[6]刘萌，吴志杰，潘涛.沸石分子筛酸性质表征方法研究进展[J].应用化学，2020，37（1）：1-15.

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