文化自信背景下“講好中國科學家故事”的教學設計

朱鵬飛 孫逸明

摘要：當前的化學教學中，教育內容的主體是西方科學研究的成果，較少見中國科學家的貢獻。針對這一問題，在蘇教版《有機化學基礎》“科學家怎樣研究有機物”單元中，選取我國科學家對青蒿素的研究素材，從有機物的分離提純、結構測定、結構修飾和合成三方面講好中國科學家故事，注重體現中國化學家對現代科學技術發展的貢獻，增強文化自信，幫助學生發展“科學態度和社會責任”素養。

關鍵詞：文化自信; 中國科學家; 物質分離提純; 結構測定

文章編號：1005-6629（2020）09-0053-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1?引言

文化自信是“一個民族、一個國家、一個政黨對自身所擁有的文化及其價值的充分肯定和積極踐行”，是“對自身文化生命力的堅定信心和對自身優秀傳統文化的堅守和創新”[1]。從內容來看，它是指對中華民族優秀傳統文化、中國革命文化和社會主義先進文化的自信[2]。普通高中化學課程標準（2017年版）指出，課程內容要有機融入社會主義核心價值觀、中華優秀傳統文化、革命文化和社會主義先進文化教育內容，不斷增強文化自信[3]。在此精神指導下，新版的高中化學教材特別重視體現文化自信相關內容的編寫，精選體現中國特色的情境素材，注重傳統文化和中國化學家對現代科學技術發展的貢獻。

查閱相關文獻發現，化學教學體現文化自信的研究成果并不多，中學化學教育的內容主體是西方科學研究的成果，較少見中國科學家的貢獻。究其原因，一方面，近代科學發端于西方，移植并本土化融合西方化學學科體系后，我國化學學科才得以誕生和發展;另一方面，中國科學家對化學學科的發展作出諸多貢獻，中學教育研究者對其挖掘不夠，目前僅有侯氏制堿法和人工合成結晶牛胰島素等少數實例進入教材。如何在中小學科學教育中融入我國科技發展的重要成果，激發青少年探索科技未知和攻克科技難題的熱情，增強民族自信心和自豪感是亟待突破的問題[4]。筆者認為，可行的方法之一就是講好中國科學家的故事，精選我國科學家的真實案例，挖掘這些案例背后蘊含的真知灼見。

蘇教版《有機化學基礎》教科書專題1第二單元“科學家怎樣研究有機物”主要內容包括有機物組成、結構和反應的研究。根據自身的教學實踐，結合與其他教師的交流反饋，筆者發現，這部分內容涉及的知識點較少，高考考查的難度也不大，但一些分析儀器和分析技術的原理理解難度較大。因此，在實際教學過程中，通常僅結合簡單有機物的結構簡要分析燃燒法、質譜法、紅外光譜法等原理，很少研究知識的素養價值。學術期刊上鮮見相關的教學成果，也在一定程度上反映出以上教學現狀[5]。2016年，再次開展這部分內容的教學時，教材中的一段話吸引了筆者的注意：“人類對有機化合物的研究經歷了‘從天然的動植物中提取、分離出一些純凈物‘研究有機化合物的組成、結構、性質和應用‘根據需要對有機化合物分子進行設計和合成的不同的發展過程，這是有機化學發展的必經之路。”這段話清晰地描述了科學家研究有機化合物的過程，不僅指出了測定有機物結構的一般方法，還展示了科學家研究有機物的內容、過程和創新。這部分教學內容可以實現科學知識的情意價值。

近年來，學術界越發關注科學知識的情意價值。從形成和發展的過程來看，科學知識不是簡單的認識成果，而是科學家們刻苦勤奮、鍥而不舍地追求真理，以生命和熱情譜寫的壯麗華章，與信息層面的科學知識相比，科學知識背后隱藏的真實的科學發現歷史，對學生有著更深遠的人文教育內涵[6]。在2011年和2015年，我國科學家屠呦呦憑借其對青蒿素研究作出的杰出貢獻分別獲得美國拉斯克醫學獎及諾貝爾生理學或醫學獎。筆者通過閱讀相關文獻后發現：瘧疾曾經嚴重威脅全人類的安全，自1967年起，我國500多名科研人員聯合開發抗瘧新藥，花費近二十年時間，先后經歷提取有效成分、獲得晶體、測定結構、合成與修飾、廣泛應用的過程。我國科學家發揚了不畏艱難、通力合作、勇于創新的科研精神，為戰勝瘧疾、挽救成千上萬人的生命作出了巨大貢獻[7]。在“科學家怎樣研究有機物”的教學中，筆者精心選取中國科學家研究青蒿素的情境素材，講好中國科學家的故事，整合科學知識的信息價值、探究價值和情意價值，先后進行多輪次教學。現將主要的教學設計思路和教學過程陳述如下，期待能為其他教師的教學提供有益的借鑒。

2?教學設計思路和目標

2.1?教學設計思路

筆者所處的地區目前處于“實施新課標，使用舊教材”的教材過渡期。設計教學時，應先認真研讀新課標，對比新舊課標相關內容標準的差異，再確定教學內容，篩選教學素材。表1比較了新舊課標內容標準的差異，可以概括為：精簡了“元素含量測定”，弱化了“實驗方法”，強化了“儀器分析”。《普通高中化學課程標準（2017年版）解讀》指出，弱化化學分析手段，適當強化儀器分析手段的原因是新型儀器技術已經成為當前有機化學研究的基本工具。由于學生仍舊使用舊教材，本節課并未過多弱化實驗方法，同時強化儀器分析的內容，考慮到本節課素材青蒿素結構的測定不僅需要紅外光譜、核磁共振，更依賴于X射線衍射，它是確定有機物空間結構的重要手段，故而本節課簡要介紹X射線衍射的測定方法。

在教學過程中，以“中國科學家對青蒿素的研究”為素材，依次介紹天然產物的分離和提純、有機物組成和結構的測定、有機物的結構修飾和合成（見圖1）。該素材有以下三個方面的重要意義：第一，青蒿素的發現和研究本身就是科學創新，是我國對世界科學發展的重要貢獻;第二，中國科學家對青蒿素的提取、結構測定、合成和應用均進行了大量的研究，完整地展現了科學家研究有機物的全過程，與教學內容密切相關;第三，一大批化學工作者為青蒿素的研究孜孜不倦、夙興夜寐，甚至以身殉職，他們的故事值得流傳，他們的堅強信念和敬業精神能夠激勵青少年樹立遠大理想、歷練品格，增進青少年對“科學態度和社會責任”的認識。

有機物組成和結構的測定是“科學家怎樣研究有機物”單元的核心內容。我國科學家研究青蒿素的歷程相當艱辛，使用了各種各樣的實驗和儀器分析方法，青蒿素的結構較為復雜，相關圖譜不易理解，不宜將青蒿素作為直接的探究對象。相反，乳酸（α-羥基丙酸）結構較為簡單，相關圖譜易懂，在食品、醫療等行業有廣泛的應用，又是學生較為熟悉的物質。因此，經過討論，筆者將乳酸作為補充探究對象，設計相應的實驗活動，在青蒿素研究的背景下幫助學生充分理解研究有機物的過程和方法。

為了激發學生參與課堂教學的熱情，避免化學史料的平鋪直敘，筆者采取了若干措施。第一，精心挖掘亮點素材：屠呦呦提取抗瘧疾有效成分、倪慕云等還原青蒿素并探究其結構、梁麗利用X射線衍射技術最終確定青蒿素的分子結構;第二，設計驅動性較強的問題：測定有機物的結構可以從哪些角度入手、確定官能團的種類及碳骨架是否等價于確定有機物的結構;第三，演示青蒿素分子空間模型的搭建方法。

2.2?教學目標

通過對青蒿素的發現、研究與應用的交流研討，了解科學家研究有機物的過程，掌握有機物結構測定的一般方法，培養“科學態度和社會責任”等學科核心素養。

知道紅外光譜、核磁共振等現代儀器分析方法在有機化合物分子結構測定中的應用，能結合簡單圖譜信息分析、判斷有機化合物的分子結構。

3?教學過程

3.1?有機物分離與提純的研究

[引入]上世紀六七十年代，我國一大批科技工作者對青蒿素開展了大量的研究，為戰勝瘧疾、挽救成千上萬人的生命作出了巨大貢獻。屠呦呦女士是其中的佼佼者，獲得了2015年諾貝爾生理學或醫學獎，成為我國第一位獲得諾貝爾科學獎項的本土科學家。那么，科學家是如何研究有機物的？今天，我們一起踏上青蒿素的研究之旅。

[提問]這幅圖片（見圖2）出現在2015年諾貝爾獎發布的關于青蒿素的文獻中。請同學們認真觀察，結合我們已有的認識，思考青蒿素的研究可能會經歷怎樣的過程。

[學生]圖片有植物青蒿，說明需要從天然植物分離提純出青蒿素，然后測定其結構。

[教師]總結討論結果，說明科學家對有機物的研究包括：天然產物的分離和提純、物質組成和結構的測定及物質結構修飾和合成。

[化學史實1]為什么我國要研究青蒿素？青蒿素的研究發端于20世紀60年代的越南戰爭，當時瘧疾肆虐，瘧原蟲已經對治瘧特效藥氯喹產生了抗藥性。瘧疾流行嚴重的越南向中國政府尋求幫助。1967年5月，國家科委和總后勤部召開研究瘧疾防治藥物的工作會議，確定了“523項目”，集中全國科技力量，共同研發抗瘧藥。523項目組篩選了大量化合物和中草藥，中藥青蒿（植物黃花蒿）進入了人們的視野[11]。

[提問]從青蒿中提取抗瘧疾的有效成分是科學家研究的首要內容。請大家回憶一下常見的物質分離和提純的方法有哪些？

[學生]過濾、萃取、分液和蒸餾等。

[教師]屠呦呦之所以獲得諾貝爾獎，原因之一是她首次使用乙醚提取青蒿中的有效成分。在今天看來，這一方法非常簡單，那么在幾十年前經歷了怎樣的發現過程呢？

[化學史實2]1969年，屠呦呦研究小組發現中藥青蒿具有抗瘧疾效果，但用水煎熬青蒿所得的提取劑無效，青蒿的乙醇提取物藥效也不高。屠呦呦看了東晉葛洪《肘后備急方》中將青蒿“絞汁”用藥的經驗，從“青蒿一握，以水二升漬，絞取汁，盡服之”截瘧，想到高溫可能會破壞青蒿提取物，改用沸點比乙醇低的乙醚萃取。經反復實驗，于1971年分離獲得的青蒿中性提取物樣品顯示對鼠瘧原蟲100%抑制率[12]。

3.2?有機化合物組成和結構測定的研究

3.2.1?有機物組成的研究

[過渡]屠呦呦研究小組成功分離并結晶出青蒿素后，緊接著面臨的關鍵問題是測定其組成和結構，你覺得可以從哪些角度測定有機物的結構？

[學生]所含元素種類、分子式、相對分子質量、官能團及其在碳骨架上的位置等。

[教師]總結學生回答，歸納測定有機物組成和結構的角度（見圖3）。

[教師]如何確定青蒿素的元素種類及元素原子最簡整數比呢？請閱讀課本信息提示（李比希法測定和元素分析儀法測定）。

[化學史實3]1972年，青蒿素分子結構的測定工作啟動，一大批化學工作者為此進行了艱苦卓絕的奮斗，借助元素分析儀，測出青蒿素中C的質量分數為63.72%、H為7.86%，不含有奎寧等抗瘧藥物中常含有的N;利用質譜儀測得青蒿素的相對分子質量為282，由此確定青蒿素的分子式為C15H22O5[13]。

[教師]展示乳酸樣品。它是人體運動過程中代謝的產物，除了元素分析儀，我們還可以使用李比希法測定其元素組成。將9.0g有機物R在裝置中充分氧化燃燒，并使其產物依次通過高氯酸鎂、燒堿石棉，發現兩者分別增重5.4g和13.2g，質譜儀測定其相對分子質量為90，請計算乳酸分子式。

[學生]C3H6O3。

3.2.2?有機物結構的測定

[教師]青蒿素的分子式一經確定，42個原子的空間排布便成了亟待解決的難題。我們需要測定碳骨架結構和官能團的種類及位置。請大家相互討論，可以通過哪些方法進一步探索青蒿素的分子結構。

[學生]學生1：根據高一所學的知識，官能團可以通過其特征反應來判斷。例如醛基可以發生銀鏡反應。

學生2：可以先列出其可能含有的結構，然后逐一檢驗。

學生3：乳酸的結構測定可以采用剛才同學說的方法，但青蒿素含15個碳原子，同分異構體較多，我覺得首先確定其含有哪些官能團，再確定碳骨架是鏈狀的還是環狀的。

[教師]科學家研究的思路和我們剛才的討論是一致的，那就是通過化學反應和儀器分析確定含有哪些官能團。青蒿素能被硼氫化鈉還原，且還原產物分子式為C15H24O5，已知硼氫化鈉不與碳碳雙鍵或碳碳三鍵反應。你覺得這一實驗說明青蒿素中存在何種官能團？

[學生]青蒿素與其被還原后的產物分子式相差2個H，說明其含有羰基。

[化學史實4]除了上述實驗外，科學家用碘量法和三苯膦定量方法證明青蒿素分子內存在過氧鍵;用堿處理青蒿素，或在常溫常壓下以鈀-碳酸鈣為催化劑使其氫化，分子即失去過氧鍵;羰基能被硼氫化鈉還原成羥基，再用三氧化鉻氧化，羥基又轉化為羰基?？茖W家還通過紅外光譜發現，青蒿素具有一個六元環內酯（1745cm-1）和過氧鍵（831cm-1， 881cm-1， 1115cm-1），這與化學方法測定的結論基本一致[14]。

[教師]紅外光譜是利用有機化合物分子中不同基團的特征吸收頻率不同，測試并記錄有機化合物對一定波長范圍的紅外光吸收情況，根據紅外光譜分析，可以初步判斷該有機化合物中具有哪些基團。

[教師]展示乳酸的紅外光譜圖（見圖4）。根據譜圖分析其可能含有哪些基團？

[教師]核磁共振譜是樣品分子在特定磁場中吸收一定頻率的電磁輻射而產生的圖譜，圖譜中的信號反映了原子核的運動狀態，信號的位置和強度與原子核所處的環境密切相關。常見的核磁共振譜包括氫譜和碳譜。核磁共振氫譜中，處于不同化學環境中的氫原子在圖譜上對應信號峰的位置不同，而且峰的面積與氫原子數成正比，由此可推斷出有機化合物分子中不同化學環境的氫原子數目的比值。通過核磁共振氫譜，我們可以判斷青蒿素中每個碳原子所連的氫原子數目（見圖6）。

[教師]展示乳酸的核磁共振氫譜圖（見圖7）。乳酸中有四種化學環境不同的氫原子，其個數比為3∶1∶1∶1，結合紅外光譜信息，請大家寫出乳酸的結構式。

[學生]CH3CH（OH）COOH。

[過渡]通過化學方法和波譜分析我們已經初步了解了青蒿素的結構，那么至此青蒿素的空間結構完全確定了嗎？

[教師]無論是化學反應還是波譜分析只能確定青蒿素分子的若干片段，這些片段的排列有多種可能，結果不唯一。分子的立體空間結構究竟如何仍是一個有待解決的問題。

[化學史實6]20世紀70年代初我國科學家用X射線衍射方法成功測定了胰島素的立體結構。受此啟發，523項目將測定青蒿素立體結構的任務交給了中國科學院生物物理研究所。梁麗、李鵬飛發揚攻克胰島素結構的精神，不畏艱難，勇于創新，在動亂封閉的時代，運用新方法通過單晶X射線衍射技術確定了青蒿素的三維分子結構及其具有活性的絕對構型。X射線衍射能夠測定晶體中晶胞參數，推算得到晶胞中所有原子的坐標，從而計算出原子間的距離，判斷哪些原子間存在化學鍵以及化學鍵的類型，最終確定分子的空間結構[16]。

[教師]演示青蒿素分子空間模型的搭建方法。

3.3?青蒿素結構的修飾和合成研究

[過渡]科學家發現青蒿素可治療瘧疾并了解其中的原理后，又發現其存在一些缺陷。研發療效更高的抗瘧藥物，就需要改變青蒿素的結構，這稱為有機物結構的修飾。

[化學史實7]在青蒿素的結構中，過氧鍵是主要的抗瘧活性基團。在保留過氧鍵的基礎上，將內酯環的羰基還原成羥基可以增加藥效，還原產物成為雙氫青蒿素，這是新一代抗瘧藥，其藥效比青蒿素高十倍。若在羥基上引入乙?；?，抗瘧活性可進一步提高。這表明，在保留過氧鍵的基礎上，修飾部分結構可以提高藥物的生物活性。這一構效關系的發現為新藥創制提供了思路。在此思路指導下，青蒿琥酯、蒿甲醚等抗瘧藥先后研發上市[17]。

[教師]青蒿素研究的另外關鍵一步是人工合成。在進行合成工作前我們需要設計合成路線，后續我們將深入地學習有機合成內容。

[化學史實8]在明確了青蒿素的空間結構后，科研人員便開始致力于其化學全合成工作。從1978年到1984年初，研究人員歷時5年多實現了青蒿素的全合成，目前青蒿素的全合成已經有多種途徑。上海有機化學研究所許杏祥等完成了我國首次青蒿素的全合成，他們以香草醛為原料，經過中間體青蒿酸最后合成青蒿素，整個過程需要近20步反應[18～20]。

[討論]今天這節課我們以青蒿素的發現、研究和應用為主體了解科學家如何研究有機物，你覺得我國科學家對青蒿素的研究給你留下了怎樣的啟示？

[總結]始于上世紀六十年代的青蒿素研究歷程，反映了我國科學家們的執著與堅韌、智慧與才能、開拓與進取，群策群力追求科學的精神，希望同學們能夠繼續努力，發揚光大，將來探索科技未知，實現個人與國家的共同成長。

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