基于科学态度与社会责任核心素养下的以青蒿素的发现为背景的教学实践——以“研究有机化合物的一般步骤和方法”为例

吉林 李宏博

研究有机物的一般步骤和方法这节课非常接近化学科研的研究模式。而屠呦呦对青蒿素的发现、提取，以及对其组成、结构的探索，再到发现抗疟性更强的青蒿素类衍生物，这一历程恰好可以向学生展现科学家研究时的所思所想以及研究有机物的基本思路。因此，本节课以青蒿素的研究历程为载体。带领学生学习研究并利用有机物的一般步骤和方法。让学生了解科研工作的同时，培养学生的化学研究兴趣和科学探究精神。

一、教学现状分析

在中国特色社会主义新时代的背景下，教育的根本目的是育人。在普通高中的化学教学中，培养学生的化学学科核心素养成为首要任务，培养学生具备解决与化学相关实际问题的能力，理解化学学科在生产生活中的重要应用和重大意义。因此高中化学教育更不应该局限在化学相关知识的范围内，教师应以基础知识为载体，利用自身优势，精心设计教学过程，开阔学生的视野，在理解基础知识的基础上，让学生从宏观上感受化学的历史发展过程及对人类生活的重大贡献。同时在强基计划的背景下，国家更注重对基础学科拔尖人才的培养，突出基础学科的支撑和引领作用。

在学习“研究有机化合物的一般步骤和方法”这节课之前，学生学习了有机化合物的结构特点。在学生对有机物整体有了一定的了解的基础上，进一步让学生了解研究有机物的一般步骤和方法，并从中体验研究或合成有机物的过程。同时在强基计划的背景下，国家更注重对基础学科拔尖人才的培养，本节内容与化学科学研究的模式非常接近，因此可以让学生切身感受化学学科科学研究的过程。激发学生对化学研究的兴趣。帮助有天赋的学生早日确定自己的研究方向，规划自己的未来。为强基计划输送人才。

在内容上，新教材与老教材相比，新教材将本章的“有机化合物的分类”和“有机化合物的结构特点”合为一节，同时删去了“有机化合物的命名”。使得本节内容更加简洁。降低了学生的学习难度。本章相当于对必修二有机部分的总结。同时在学生对物质“结构与性质”有了更深的理解基础上为更深入的了解有机物做铺垫。

本节课以青蒿素的研究历程为情境线，以研究有机化合物的一般步骤和方法为知识线，以培养学生的化学学科核心素养为素养线，三线合一，让学生对有机物的研究过程和有机合成的重大意义有整体性的认识，培养学生对有机化学的研究兴趣和科学探究精神。

二、核心素养背景下的教学设计

1.教学目标

(1)教师以青蒿素的研究历程为素材，通过对其化学原理的解读和人文精神的挖掘，引导学生建立研究有机化合物的基本思路，发展学生的科学态度和人文素养。

(2)教师通过分析青蒿素提纯过程，帮助学生掌握物质分离提纯的基本技能，建立“通过物质性质的差异选择分离提纯方法”的方法模型。

(3)通过对青蒿素组成和结构测定过程，掌握通过仪器分析结果和通过谱图中的有效信息推测分子结构的能力，发展学生的证据推理意识。

2.教学流程设计图

图1

3.教学流程

环节一 青蒿素的发现

【教师活动】通过播放疟疾视频创设情境，让大家了解3000多年来，疟疾对人类的巨大危害，同时引出疟疾终结者——青蒿素的发现史，通过化学史激发学生对有机物的认知欲望和学习兴趣。培养学生科学态度与社会责任的核心素养。

环节二 青蒿素的分离、提纯

【学生活动】要想研究青蒿素的组成，结构。首先要通过分离提纯得到有机物纯品。青蒿素又是如何分离提纯的呢？通过阅读资料卡片，根据青蒿素的性质设计出从青蒿中提取青蒿素的实验方案。

青蒿素为无色针状结晶，熔点为156～157℃，易溶于乙醇(沸点：78℃)、乙醚(沸点：35℃)，微溶于冷石油醚，几乎不溶于水。因其具有特殊的过氧基团，它对热不稳定，易受湿、热和还原性物质的影响而分解。

图2

【成果展示】通过阅读、分析和讨论，学生可以总结出分离提取青蒿素的实验方案。根据资料卡片，选取萃取的方法从青蒿叶中分离提纯获取青蒿素；根据青蒿素对热不稳定的性质选取沸点更低的乙醚为萃取剂；为了萃取的更加充分，萃取前先将青蒿叶剪成碎片；萃取后通过蒸馏将萃取剂和青蒿素分离；再通过色谱法得到青蒿素纯品。

图3

【归纳总结】在对青蒿素的分离提纯的探究过程中教师可带领学生复习常用的分离方法：萃取，过滤，蒸馏，色谱法等。

【设计意图】学生通过阅读青蒿素的相关资料，锻炼学生利用化学相关知识提取信息的能力。再通过分析得出青蒿素的性质，互相讨论探究得出从青蒿中分离提取青蒿素的实验方案。诊断学生综合运用化学知识解决实际问题的能力以及证据推理能力。

【教师活动】同学们是在已知青蒿素的性质前提下，设计出了合理方案。而当年屠呦呦在不知道任何物质性质信息的情况下。获得了青蒿素的醇提取物。但通过实验发现，青蒿素对疟原虫的抑制率很低，效果并不理想，大家思考一下，问题到底出在哪里呢？

【教师活动】屠呦呦使用的萃取剂是常用的乙醇，分离乙醇和青蒿素时需要加热蒸馏，高温造成了青蒿素结构中过氧基团的分解。而过氧基正是抗疟的活性位点。失败之后她又查阅文献，在《肘后备急方》中找到了关于治疗疟疾的描述：“青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之”。为什么要绞取汁，不是像传统煎药那样，加热萃取呢？她从中获得启发，意识到青蒿素可能对温度敏感，所以把萃取剂从高沸点的乙醇换成低沸点的乙醚，最终得到了青蒿素纯品。

环节三 青蒿素组成、结构的测定

【教师活动】通过分离提纯得到了青蒿素纯品，但还不知道青蒿素的组成和结构，接下来需要借助现代先进的分析仪器将其组成和结构表征出来。由于青蒿素的结构非常复杂，对于初学者难以分析。所以先对相对简单的有机物，通过现代分析仪器对其组成和结构进行表征，了解每个分析仪器的原理和作用。老师在实验室找到了一瓶没有标签的有机物，通过大家的课前预习，讨论如何利用测试仪器确定该有机物的组成和结构？

【学生活动】学生通过课前预习，结合每种测试仪器的原理，经小组讨论后，能够得出确定有机物组成结构的一般思路。

图4

【设计意图】先用简单的有机物乙醇，通过现代分析仪器对其组成和结构进行表征，使学生了解每个仪器的原理和作用，培养学生的证据推理与模型认知能力。

【学生活动】通过对乙醇组成结构表征过程的分析，思考如何通过分析仪器表征出青蒿素的组成和结构呢？

【成果展示】

图5

【归纳总结】青蒿素组成和结构的确定与上述方法类似，通过元素分析仪确定了青蒿素的实验式；通过质谱仪确定了青蒿素的分子式；通过红外光谱仪和核磁共振氢谱仪确定了青蒿素的部分结构；通过X射线衍射仪得到了更细致的结构数据，包括键长键角，最终确定出青蒿素的结构。青蒿素结构的确定耗费了近7年时间，由多个大学和科研所共同合作完成，每一步的测试都需要大量的专家分析讨论，最终才确认了青蒿素的结构为倍半萜内酯化合物。青蒿素的发现历程正是研究有机化合物的一般步骤和方法。

环节四 研究有机物组成结构的意义

【教师活动】当分离得到青蒿素纯品，就可以投入使用，为什么还要表征它的组成和结构呢？

图6

当确定了青蒿素的组成和结构，就可以通过有机合成的方法大批量生产，不需要再从青蒿中绞取汁，尽服之。而且，现在广泛使用的青蒿素并不是最初的青蒿素，而是通过人工改性，得到的物质性质更加稳定，对疟疾抑制率更好的青蒿素衍生物—双氢青蒿素。这也是研究有机物组成和结构的意义所在。

【设计意图】教师通过青蒿素的例子向学生展示，实际上现在用的不是最初的青蒿素，而是通过人工改性合成的抗疟效果更好的青蒿素衍生物。让学生掌握有机物组成、结构、性质以及应用之间的关系。也让学生们对有机物的研究过程和有机合成的重大意义有整体性的认识，培养学生的科学态度与社会责任感。

【主题升华】《诗经》中有这样一句话：“呦呦鹿鸣，食野之蒿”。屠呦呦名字中的呦呦二字正是他父亲取自《诗经》，有的人说也就是从出生那天开始，她的命运便与青蒿结下了不解之缘，也是她通过自己的毕生努力，最后以蒿草青青，回报了整个社会。

三、教学反思

1.本节教学设计特色：以青蒿素为载体，将分离提纯和结构表征部分抽象的理论知识转换成科学研究中的实际问题。学生学习起来更加真实，参与度非常高。

2.亮点：当教师提问“通过分离提纯得到青蒿素以后，直接就可以使用，为什么还要表征它的组成和结构”时，学生准确地说出为了人工大量合成，可以降低成本。这也使教师认识到学生的思维是十分广阔的，只要老师精心设计问题，学生得到正确的引导，课堂效果是不可预料的。也再次深刻体会到“教为主导，学为主体”新课改理念的独到之处。

3.在新高考改革的背景下，无论是课堂教学还是高考试题中，更加重视以真实情境为载体，应以解决实际问题为驱动任务，以学科知识为解决问题的工具，在课堂中培养学生的化学关键能力和核心素养。这也要求教师改变传统的教学模式，在真实的情境下精细设计实际问题，实现从知识教学向素养落实的转化，培养更多的有志于服务国家重大战略需求且综合素质优秀的创新性人才。为我国的基础学科输送力量。

本文是长春市教育科学“十四五”规划课题———“强基计划背景下化学拔尖人才培养策略研究”(项目编号:JKBLX2021229)阶段性成果。