| 标题 | 以发展学生化学核心素养为本的“手性分子”教学设计 |
| 范文 | 张丽丽 徐敏 摘要： 分析手性分子内容对促进学生化学核心素养发展的价值。以手性概念的建立、手性分离、手性合成以及“反应停”事件等为载体，通过设计搭建分子模型、“区分左右手”游戏和角色扮演等体验性活动、跨学科知识整合等教学策略，以此促进学生“宏微辨析”“创新素养”以及“科学态度与社会责任”等具体核心素养目标的落实。 关键词： 化学核心素养; 手性分子; 教学设计 文章编号： 10056629（2019）4004906中图分类号： G633.8文献标识码： B 1 “手性分子”内容对促进学生化学核心素养发展的价值分析 化学核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，是学生通过学习逐渐形成的正确价值观念、必备品格和关键能力[1]。高中化学新课程标准对“手性分子”要求体现结构与性质关系，强调构成生命体的氨基酸具有手性特征、手性分子在药物研究中的应用等。基于此，本研究将“手性分子”所授内容确定为“手性分子结构”、“手性分离”、“手性合成”，将其与生活、社会、科技密切相关，而且与生命科学相关联，作为培养学生化学核心素养的重要素材。具体表现为： （1） “手性分子结构”是学生深入认识“空间立体结构”和“结构决定性质”这一化学学科核心观念不可或缺的核心知识，是“宏微辨析”思维方式的具体表现形式。通过这部分内容的学习，将突破学生关于“完全重叠”的空间认识障碍，具体地说，学生存在“对称就能重叠”的错误认识。本研究帮助学生建立正确认识： 两个互为镜像的分子内部的所有原子分别在三维空间上完全重合即为“完全重叠”，是同种分子，反之为不同种分子。并从立体异构的角度对同分异构进行重新分类，即由于原子在三维空间排布不同而产生的异构，从而建立新的关于“分子结构不同”的微观认识角度。基于对反应停分子的探究，将促使学生认识到，互为手性异构的物质由于空间排布不同的细微差距，导致两者在人体内以不同的途径被吸收、活化或降解[2]，因此会表现出截然不同的生理活性，从而形成“结构决定性质和功能”的认识;并形成分析解释、预测手性现象的能力。 （2） 交叉内容“酶”是培养学生“创新”素养的重要载体。学生基于对酶的手性认识，能够创造性地联想到利用催化剂的手性实现手性合成。将生活中“握手”的经验远迁移，创造性地设想“手性分离”的方法。 （3） 与手性内容相关的“反应停事件”源于真实问题情境，同时又与生命科学、职业道德和价值取向等相关联。将学生置身于问题情境中，通过角色扮演，获得真切的情感体验，这对于培养“科学态度与社会责任”的化学核心素养具有重要的作用。 2 促进学生化学核心素养发展的教学过程设计 2.1 建立手性异构的概念，发展“宏微辨析”的素养 2.1.1 发现神奇的手性，建立关于“手性”的感性认识 [教师]在自然界和生命体以及药物合成中存在许多左右对称的形态，如枫叶、兜兰等植物以 化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018. [3]李平. 科学推理的自然化[J]. 哲学研究， 1998， （4）： 71～79. [4][5]罗玛. 证据推理科学能力的实证研究[D]. 上海： 华东师范大学博士学位论文， 2018. [7]张继华. 科学探究推理研究[D]. 重庆： 西南大学博士学位论文， 2012. [8]王德胜主编， 化学方法论[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2007： 93～94. 及攀缘和缠绕植物的茎蔓旋向、细菌、DNA、糖类等。生活中我們照镜子时也会发现，镜子里的“自己”和现实中的我们，左右相反、完全对称，这种关系称作互为镜像关系。 [教师]图1是一对互为镜像关系的反应停分子，其中右边的分子有中枢镇静和抑制作用，左边的分子有强烈的胎儿致畸性，如果孕妇服用会导致婴儿肢体畸形，称为“海豹肢畸形儿”。 [教师]上述这些互为镜像关系的物质能完全重叠吗？ [学生活动]以左手和右手为例进行观察。 [学生1]手心与手心相对，可重叠。 [学生2]若手心重叠，手背和手背却不能重叠，因此左右手不能完全重叠。 [教师]人和镜子里的自己也是互为镜像关系，当脸重叠时，后脑勺不能重叠。我们把互为镜像关系，但又不能重叠的现象，称之为“手性现象”。这种现象在自然界尤其是生命体中普遍存在。 设计意图： 将“手性”与自然界、生活中互为镜像关系的现象相关联，着眼于宏观层面，建立关于“手性”的感性认识。 2.1.2 自主搭建分子模型，探究手性分子形成的条件 [教师]每个小组桌上都放有CH2ClBr、 CHFClBr分子模型，请制作其镜像分子的模型，并思考以下问题： 互为镜像关系的分子是同种分子吗？什么样的分子具有手性呢？ [学生活动]搭建CH2ClBr、 CHFClBr对应镜像分子的模型，并逐一汇报。 [学生1]CH2ClBr中碳原子连有两个相同的原子，通过旋转一定的角度，两个互为镜像关系的分子能够完全重叠，所以属于同种分子，没有手性（见图2）。 图2 展示CH2ClBr与其镜像分子重叠情况 [学生2]CHFClBr中碳原子连接四个不相同的原子，做任意旋转都无法使两个分子完全重叠，因此两者互为同分异构，分子具有手性。互为镜像关系的分子可能是同种分子，也可能是不同种分子（见图3）。 图3 展示CHFClBr与其镜像分子重叠情况 [教师]CHFClBr与其镜像分子在空间上不能重叠，本质上是因为其分子内没有任何对称因素（对称点、线、面），而CH2ClBr与其镜像在三维空间上所有原子能够完全重叠，是因为其分子内存在对称性（对称面）。 [板书]见图4。 图4 教学板书1 设计意图： 通过搭建分子模型，有利于学生从三维空间观察分子内部原子的排布及相互关系，帮助学生突破对“有机物空间立体结构”和“立体异构”的认知障碍，从微观层面理解“手性异构”出现的本质原因。 2.1.3 发展学生形成“结构决定性质和功能”的观念性认识 [教师]“反应停”的两种互为镜像的分子为什么具有手性？说明判断的依据。 [学生]能够找到手性碳原子。 [教师]为什么含有双键或三键的碳原子不能形成手性碳原子？ [学生]手性碳原子是同一个碳原子上连有四个不同的原子（基团），因此它必须连有四个单键，不能含有双键或三键。 [教师]双键和三键的分子存有对称因素，分子与其镜像能够完全重叠，因此不存在手性，属于同种分子。 [教师]“反应停”的两种互为镜像的分子结构相似，为什么却有截然不同的生理活性？ [学生]两种镜像分子虽然结构相似，但两者在三维空间排布不同，可能会导致具有截然不同的生理活性。 [教师]互为手性异构的物质由于空间排布不同的细微差距，导致两者在人体内以不同的途径被吸收、活化或降解[3]，因此会表现出截然不同的生理活性。结构决定性质和功能！ 设计意图： 培养学生能够从原子层面分析解释、预测手性现象的能力，又能通过辨识宏观生理活性的不同预测手性分子微观结构的细微差距，从而形成“结构决定性质和功能”的观念性认识。 2.1.4 从空间立体结构的角度发展学生对同分异构体中关于“结构不同”的认识 [教师]你对同分异构体中关于“结构的不同”有哪些新的认识？ [学生]之前学习了同分异构包括碳链异构、官能团种类和位置异构，今天又认识了由于空间立体排布不同而产生的异构。 [教师]我们之前也学习过由于空间排布不同而产生的异构，那是什么异构？ [学生]顺反异构。 [板书]见图5。 同分异构碳链异构 官能团种类和位置异构 立体异构 （空间排布不同）顺反异构 手性异构 设计意图： 从微观层面建立对同分异构体中关于“结构不同”新的认识角度。 2.2 通过手性分离与手性合成教学，发展学生“创新素养” 2.2.1 学生做游戏“区分左右手”，创意联想手性分离的方法 [教师]1848年，法国生物学家巴斯德在研究酒石酸盐时，用显微镜仔细观察其晶体结构，发现有两种互为镜像的形式（见图6），并小心翼翼地用镊子将它们分离出来。这是人类首次发现分子的手性并成功地通过手工拆分出手性异构体[4]。但利用拣选晶体的方式进行手性分离并不能经常奏效。 [教师]在化学合成中，通常产生两种比例相等的手性异构体。但是在自然界中往往只存在单一的手性物质，例如： 喇叭花的花蔓几乎都是右旋的，当我们把右旋的喇叭花蔓强行左旋缠绕时，它会自动恢复右旋;海螺是右撇子世家，出现左旋螺壳概率是百万分之一。 [教师]如何更好地进行手性异构体分离呢？我们先做个游戏： 当你闭上眼睛时，如何区分对方的左手或者右手呢？ [学生活动]做游戏，并逐一汇报。 [学生1]通过握手的方式，闭眼同学伸出右手，与对方同学握手，如果觉得顺说明对方同学伸出的是右手，反之是左手。 [学生2]利用镜像关系，如果闭眼同学伸出右手，与对方同学伸出的手五指一一对应，表明对方同学伸出的是左手，反之是右手。 [教师]“区分左右手”的游戏对我们有何启示？如何分离手性异构体？ [学生]可能像区分左右手一样，利用一种有手性的试剂和其中一种手性分子相吻合进行分离。 [教师]科学家进行手性异构体分离时，通过制造手性环境，利用具有手性的试剂和其中一种手性分子相匹配，继而形成新的化合物进行分离，然后再将该化合物拆分，得到其中一种手性异构体。如一个酸的外消旋体（等量的一对对映体）可以用一种旋光的碱同它起反应变成两个互为非对映异构体的盐。它们的溶解度不一样，选择适当的溶剂可以用分步结晶的方法把它们分开。再加无机酸使某一种旋光的酸游离出来。 设计意图： 立足于学生已有的生活经验，将生活中“握手”的经验远迁移，创造性地设想“手性分离”的方法。 2.2.2 跨学科知识整合，创造性地完成手性合成的设计，培养学生的创新思维能力 [教师]酶为什么具有专一性？ [学生1]生物中学习到，酶对所作用的底物有严格的选择性。一种酶只能催化一种物质或一类分子结构相似的物质，促其进行一定的化学反应（见图7）。 [学生2]猜测可能如同握手一样，双方分别用右手相匹配。每一种酶可能具有特定的手性构型，只催化和其空间构型相吻合的特定手性底物的反应。 [教师]酶的手性是如何产生的呢？ [学生]酶属于蛋白质，可能是因为蛋白质具有手性，而构成蛋白质的基本单元——氨基酸也可能具有手性。 [教师]提供证据（见图8）。 [教师]在化学合成中，往往产生混有两种手性异构的物质，分离起来比较麻烦，那么有没有一种方法能够合成其中某一种手性异构体呢？ [学生]酶是一种催化剂，只催化和其手性构型相匹配的物质（高度的专一性），猜想可以用酶作催化剂的方法，合成其中一种手性异构体。 [教师]我为大家的设想点赞！在2001年，三位科学家用手性催化剂合成了一种手性药物，此项研究获得了诺贝尔化学奖。该合成方法是手性催化剂（其催化原理可参见图9）只催化或者主要催化一种手性分子的合成，因此可以只得到或者主要得到一种手性分子，不得到或者基本不得到它的手性异构分子，这种合成方法称为手性合成（不对称合成）[5]。美国科学家威廉·诺尔斯应用手性膦配体与金属铑形成的络合物为催化剂，在世界上第一个发明了不对称催化氢化反应。以这一反应为基础，威廉·诺尔斯利用不对称氢化方法实现了工业合成治療帕金森病的L多巴这一手性药物，极大地促进了手性分子在医学领域研究的发展，手性合成也为药物生产带来了巨大的经济效益。 设计意图： 基于核心素养的培养需要创造真实的情景、实际问题的解决，甚至需要跨学科知识之间的关联。本环节以交叉内容“酶”为起点，设计两个问题表征不同、抽象元素相似的活动，目的在于学生通过将“酶的专一性”进行抽象概括，继而将相似的抽象认识远迁移到新的情景中，用来指导产生手性合成的大胆想象，激发学生创造的欲望，促使其创新思维能力得到真正提升。 2.3 角色扮演“反应停”事件，发展学生“科学态度与社会责任”的素养 [教师]手性分离和手性合成意义非凡，但是历史上却发生过悲惨的“反应停”事件。请同学们阅读以下资料。 [资料]20世纪50年代镇定剂市场大有赚头，制药公司非常乐意去探索和这些镇定剂分子在化学特性上类似的化合物。1954年德国格兰泰药厂的化学家昆兹合成了中文药名为“反应停”的分子，其分子结构与二氮平相似（见图10），但该分子存在手性异构。左手性分子[（S）异构体]有强烈的胎儿致畸性，右手性分子[（R）异构体]有中枢镇静和抑制作用（见图1）。尽管当时的科学家和制药商都知道人工合成的“反应停”药物中存在等量的一对手性分子，但他们侥幸地认为这对手性异构体不会带来危害。于是说服自己相信，“反应停”和二氮平一样也具有良好的镇定作用。在没有做严格的生物活性和毒性试验的情况下，就草率地将其推进上市，并吹嘘“反应停”能迅速止痛且能够减轻孕妇的妊娠反应，无任何副作用。然而，不久1.2万余名畸形儿就被生下来了[6]。 [教师]思考以下问题： 请你站在生产商、科学家的角度思考，他们为什么做出上述的行为？如何能够避免“反应停”事件的再次发生？ [学生1]药品与我们的生命安全息息相关。生产商以赚取更多利润为目的，不择手段，在知道产生等量的手性药物时，为了减少成本而不进行手性分离。为利益所驱而故意夸大“反应停”的药效。 [学生2]科学家有可能被利益所收买或者迫于压力和威胁，也有可能是存在侥幸心理，安全意识淡薄，或者经验主义，认为结构相似则功能就相同等。 [学生3]为避免“反应停”事件的再次发生，生产商和科学家要抵制各种利益上的诱惑，严格按照生产规程进行药品生产，提高临床前研究水平;药品审批部门要加强药品上市前的严格审查等。 [学生4]国家应该制定相应的法律法规，才能制约这些人的行为。 [教师]事件发生后又过了几十年，有科学家发现，“反应停”（R）异构体会在体内迅速转化成（S）异构体并达到平衡，因此认为即使分离后单一给药也不能避免其毒副作用。那么是不是就不需要手性分离了呢？ [学生1]毒副作用是不可能避免的，但是通过手性分离出一种手性异构体，能够大大降低其对身体的毒副作用。 [教师]“反应停”事件涉及全球40多个国家，但美国人却逃过这一灾难，归功于医生凯尔西。她发现关于“反应停”的临床研究数据不足，面对各种威胁，顶住了压力，极力反对“反应停”在美国上市。凯尔西拯救了整个国家的新生儿，她被称为“抵制史上最大药害事件女英雄”[7]。 [教师]“反应停”事件是不是化学给人类带来的灾难？ [学生]“反应停”事件是人的价值取向出现问题导致的悲惨事件，化学本身没有问题，关键是看人们如何利用它。用在合适的地方它就是对我们有利的，如果居心不良的话它就会带来危害。 [教师]在“反应停”事件中科学家的科学态度、价值取向至关重要，决定了化学研究成果为人类健康、社会发展带来的是利还是弊。化学作为一门科学，不是社会问题的根源所在，“反应停”事件是人为导致的悲剧！ [教师]近几年，科学家通过研究又发现“反应停”新的药理价值： 有抑制肿瘤坏死因子（TNFa）作用，有抗肿瘤血管新生作用，还有治疗麻风结节性红斑的作用和治疗多发性骨髓瘤的作用等，“反应停”药物走向了新生，这说明事物是在不断向前发展的。科学家秉承“科学态度与社会责任”，旨在促使化学的发展在社会发展中起巨大的作用！ 设计意图： 通过“反应停”的真实事件，使学生获得真切的情感体验，形成正确的价值判断，深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的重大贡献，从而发展学生“科学态度与社会责任”的化学核心素养。 3 教学反思 “手性分子”蕴含着发展学生核心素养的丰富资源，教学各环节的设计均以促成学生核心素养发展为目标。因此，教學素材选取应与社会热点话题相关，问题情境的创设是真实的，学习方式凸显学生活动的体验性和层次性，体现能力的进阶。这对于帮助学生获得知识、形成能力，培养科学态度与社会责任感具有着重要的意义。 当然，以发展学生核心素养为本的教学，不是通过一个活动或一节课就能实现的，需要后续长期的、持久的、不断强化的过程。 参考文献： [1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 3. [2][3]张学红. 手性属性与手性药物[J]. 化学教学， 2008， （3）： 39～41. [4][5]人民教育出版社等. 普通高中课程标准实验教科书·物质结构与性质[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 53～55. [6][7]罗德·霍夫曼. 大师说化学[M]. 桂林： 漓江出版社， 2017： 136～146. |
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