前沿科技資源轉(zhuǎn)化為中學(xué)教育資源的實(shí)踐與啟示

周慶華 何彩霞

摘要：以“分子篩”為例，嘗試將前沿科技資源轉(zhuǎn)化為中學(xué)教育資源。從化學(xué)視角去解讀前沿科技資源“分子篩”，梳理其中的化學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法、研究思維，與中學(xué)化學(xué)建立聯(lián)系，并結(jié)合化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，確定教學(xué)目標(biāo)，精選教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)向教育資源的轉(zhuǎn)化。最后，總結(jié)提煉出前沿科技資源轉(zhuǎn)化為中學(xué)教育資源的路徑與方法。

關(guān)鍵詞：分子篩;前沿科技資源;中學(xué)教育資源;教學(xué)轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06-0012-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.003

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“基本理念”指出“選擇體現(xiàn)基礎(chǔ)性和時(shí)代性的化學(xué)課程內(nèi)容”“結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念”口1。北京教育學(xué)院與中科院聯(lián)合舉辦的“前沿科技資源轉(zhuǎn)化為高中理科教育資源的實(shí)踐探索”高級(jí)研修班為我們一線中學(xué)化學(xué)教師提供了走進(jìn)中科院，與科學(xué)家，與化學(xué)前沿接觸的機(jī)會(huì)。在中科院過程所我們深度參與了分子篩的研究過程，聆聽了多位科學(xué)家有關(guān)分子篩的講座，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，研究人員為我們?cè)敿?xì)介紹、演示了分子篩的合成、表征、性能測(cè)試等整個(gè)研究環(huán)節(jié)，與科學(xué)家就分子篩的問題進(jìn)行座談，面對(duì)面地進(jìn)行交流。通過這次學(xué)習(xí)，我們深刻感受到分子篩的應(yīng)用非常廣泛，可以作高效干燥劑、選擇性吸附劑、催化劑、離子交換劑等，在工業(yè)、環(huán)保、生活等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。如2020年11月9日，中科院大連化物所“第三代甲醇制烯烴技術(shù)”通過科技成果鑒定，年產(chǎn)值超2000億元，其核心技術(shù)就是利用了改進(jìn)的分子篩催化劑。國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)有分子篩的研究方向，在一些頂級(jí)期刊上經(jīng)常會(huì)有關(guān)分子篩的文章，2021年7月16日，Science上刊登了兩篇跟沸石分子篩相關(guān)的研究論文[2，3]。中國(guó)化學(xué)會(huì)已舉辦了20屆全國(guó)分子篩學(xué)術(shù)大會(huì)。在中國(guó)知網(wǎng)以篇名方式搜索“分子篩”，結(jié)果顯示有22000多篇文章，這些足以說明分子篩在當(dāng)今前沿科技領(lǐng)域占有一席之地?；乜捶肿雍Y內(nèi)容在中學(xué)教材以及教學(xué)中，涉及很少，特別是新課標(biāo)弱化了硅鋁，中學(xué)生基本沒有機(jī)會(huì)接觸分子篩。在中國(guó)知網(wǎng)以篇名方式搜索“分子篩中學(xué)”，結(jié)果顯示有0篇文章，面對(duì)之間如此大的差距，我們覺得有必要做有關(guān)“分子篩”前沿科技資源轉(zhuǎn)化中學(xué)教育資源的嘗試。同時(shí)，前沿科技資源作為真實(shí)、陌生、綜合的學(xué)習(xí)素材，為學(xué)生解決真實(shí)情境下不同復(fù)雜程度的化學(xué)問題提供了素養(yǎng)表現(xiàn)的機(jī)會(huì)，有利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成、發(fā)展和評(píng)價(jià)。

一、對(duì)“分子篩”的認(rèn)識(shí)

1932年，McBain提出了“分子篩”的概念，用以表示能在分子水平上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行篩分的多孔材料。有關(guān)“分子篩”的科技資料豐富且學(xué)術(shù)性強(qiáng)，為了能轉(zhuǎn)化為中學(xué)可用的教學(xué)資源，需按照中學(xué)化學(xué)常用的的學(xué)科邏輯，即用途、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)或性能及合成對(duì)“分子篩”資料進(jìn)行梳理。

分析文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)科學(xué)家對(duì)分子篩的研究大致過程如下：通過改變?cè)铣煞忠约翱刂坪铣蓷l件制備分子篩，借助各種儀器表征分子篩的組成、結(jié)構(gòu)、性能等，推測(cè)可能具有的用途，然后在各種實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)分子篩的實(shí)際作用（分離、催化等）。

基于上述梳理分子篩知識(shí)，發(fā)現(xiàn)可以與中學(xué)化學(xué)教學(xué)建立一些聯(lián)系（見表1）。

分子篩知識(shí)與新課標(biāo)中必修課程：化學(xué)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究、常見的無機(jī)物及其應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、化學(xué)與社會(huì)發(fā)展;選擇性必修課程“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”：原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)、微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)、研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法與價(jià)值等主題可以建立一定的聯(lián)系。將“分子篩”相關(guān)內(nèi)容設(shè)計(jì)成中學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以作為選擇性必修課程“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”拓展課，也可以作為選修課程“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”學(xué)習(xí)內(nèi)容。教學(xué)應(yīng)以分子篩知識(shí)的學(xué)習(xí)為載體，體現(xiàn)中學(xué)化學(xué)知識(shí)與化學(xué)前沿之間的聯(lián)系，重點(diǎn)放在知識(shí)應(yīng)用探究，思維方法遷移等。

二、“分子篩”學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

在分析分子篩的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)及研究思維特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高中化學(xué)新課標(biāo)相關(guān)要求以及學(xué)生學(xué)情，我們進(jìn)行了“分子篩”教學(xué)設(shè)計(jì)。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）能在分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上歸納出目前分子篩研究熱點(diǎn)內(nèi)容與方向。

（2）在學(xué)習(xí)分子篩的過程中，體驗(yàn)科學(xué)家研究過程、實(shí)驗(yàn)方法、研究思維。知道現(xiàn)代科學(xué)儀器在測(cè)定物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及性能中的應(yīng)用。

（3）能夠發(fā)現(xiàn)分子篩與中學(xué)化學(xué)之間聯(lián)系，將中學(xué)化學(xué)的原理、方法遷移“分子篩”學(xué)習(xí)中。能夠?qū)Ψ肿雍Y資料中文字、圖、表提供的信息，準(zhǔn)確地提取實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，并與中學(xué)知識(shí)整合。了解中學(xué)知識(shí)、方法及學(xué)科觀念在前沿科技中的應(yīng)用。

（4）知道分子篩在生產(chǎn)、生活中廣泛應(yīng)用，理解化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間的相互關(guān)系，贊賞化學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

2.學(xué)習(xí)流程

以分子篩科技資源為基礎(chǔ)，結(jié)合化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，從體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，用途——組成、結(jié)構(gòu)——制備的思路來設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)流程（表2），將科技資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。

3.學(xué)習(xí)過程與主要活動(dòng)設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)1：感知分子篩

【教師提供材料】1.工業(yè)甲苯制對(duì)二甲苯。分子篩具有獨(dú)特而均一的孔道結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，較強(qiáng)的酸中心和氧化一還原活性中心，孔道內(nèi)有能起極化作用的強(qiáng)大靜電場(chǎng)，是性能優(yōu)異的催化劑。同時(shí)，分子篩特殊的孔道和孔徑只允許某些特定分子形狀和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物分子擴(kuò)散出孔道（見圖1）。工業(yè)上利用分子篩擇性催化的性能可以將甲苯歧化選擇性生成對(duì)二甲苯。

2.分子篩制氧。家庭分子篩制氧機(jī)通電就能得到濃度高達(dá)900-/0以上氧氣，速度快，使用壽命長(zhǎng)。制氧原理是利用分子篩對(duì)氮?dú)馕侥芰^對(duì)氧氣的強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x，從而得到高濃度的氧氣。

3.去除廢水中氨氮。沸石分子篩對(duì)NH4+具有很強(qiáng)的選擇性吸附，廢水中NH4+與分子篩孔道中平衡骨架負(fù)電荷的陽離子發(fā)生交換而被吸附。在廢水中氨氮初始濃度小于100mg/L時(shí)，氨氮去除率可達(dá)60%以上。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀材料，歸納出分子篩的主要用途：催化與分離。分子篩在生產(chǎn)、生活、環(huán)保方面等用途是因?yàn)榉肿雍Y具有催化、吸附以及離子交換等性能，該性能與其孔道、孔徑及組成有關(guān)。進(jìn)一步提煉出“組成、結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定用途”化學(xué)觀念。

環(huán)節(jié)2：認(rèn)識(shí)分子篩

【教師提供材料】展示幾種工業(yè)常用的分子篩，雖然外貌、形狀各異，但微觀結(jié)構(gòu)相似。

展示幾種典型分子篩的結(jié)構(gòu)（見圖2）。

【學(xué)生活動(dòng)】以小組為單位，分析分子篩組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1.骨架一般由Si、Al及0元素組成，基本結(jié)構(gòu)是【SiO4】四面體 、【AlO4】四面體 ;四面體中每個(gè)氧原子都是共用的;相鄰的兩個(gè)四面體之間只能共用一個(gè)氧原子;兩個(gè)鋁氧四面體不直接相連。

2.四面體通過共用氧原子形成多元環(huán);各種環(huán)通過共用氧原子相互連接成三維的籠;由籠再進(jìn)一步排列形成各種分子篩。

【教師提問】分析分子篩骨架中Si、Al成鍵方式。

【學(xué)生回答】Si核外價(jià)電子排布3s23p2，采用sp3雜化，與4個(gè)O成鍵，形成【SiO4】四面體;Al核外價(jià)電子排布3s23pl，采用sp3雜化，與3個(gè)O成鍵，還有1個(gè)p空軌道與O孤對(duì)電子成鍵，形成【AlO4】四面體。

【教師提供材料】展示分子篩透射電鏡圖（圖3）。

【學(xué)生活動(dòng)】從放大倍數(shù)的分子篩電鏡圖，發(fā)現(xiàn)分子篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上有許多孔徑均勻的孔道和排列整齊的孔穴;有很大的比表面積。

環(huán)節(jié)3：設(shè)計(jì)分子篩

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)分子篩的組成及結(jié)構(gòu)規(guī)律，以小組為單位設(shè)計(jì)一種分子篩，并組裝出球棍模型。根據(jù)化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)及原子半徑，估算模型中孔徑大小。

【教師提供材料】多元環(huán)的孔徑（見表3）

【教師提供材料】分子篩的合成受原料、堿度、陳化時(shí)間、晶化溫度和時(shí)間等影響[4]。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀材料，歸納影響分子篩合成因素，為自己設(shè)計(jì)的分子篩尋找最佳合成條件。如堿度大會(huì)使分子篩的粒子變小并且粒徑分布變窄，有利于生成富鋁;溫度越高得到的分子篩的尺寸和孔體積越小。

環(huán)節(jié)4：表征分子篩

【教師提供材料】分子篩常用表征內(nèi)容及儀器（見表4）

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀材料，歸納分子篩主要表征內(nèi)容及表征手段，初步了解現(xiàn)代儀器在分子篩中的應(yīng)用。

【教師提供材料】酸性是決定分子篩催化活性和選擇性的重要因素。酸強(qiáng)度、酸中心類型和酸量的改變會(huì)很大程度地影響分子篩的催化活性和選擇性[3]。純硅型的分子篩是沒有酸性的，因此也不具備催化性能?？梢杂娩X原子取代分子篩骨架中硅原子，使分子篩產(chǎn)生酸性，解釋原因。

【學(xué)生活動(dòng)】由于Al是+3價(jià)，Si是+4價(jià)，這樣的取代會(huì)使骨架帶負(fù)電荷，可以吸引陽離子H+平衡電荷，這樣就產(chǎn)生了酸性。

【教師追問】如何測(cè)定分子篩總酸量？

【學(xué)生活動(dòng)】聯(lián)想中學(xué)酸堿中和滴定，可以用酸堿滴定法測(cè)定總酸量。利用指示劑，用已知濃度的堿滴定一定量的分子篩，通過消耗堿的量計(jì)算分子篩的總酸量。也可以采用返滴定法，讓堿與分子篩充分作用，再用已知濃度的酸去滴定剩余堿的量。

【教師追問】由于NaOH能與分子篩骨架Si、Al作用，在實(shí)際酸性測(cè)定中最常用的是有機(jī)堿正丁胺直接滴定和返滴定法[6]。實(shí)際消耗丁胺的量，大于分子篩能提供的H+的量，解釋可能的原因？（提示：由于晶格缺陷，在分子篩骨架中，有部分Al與3個(gè)O結(jié)合[7]。）

【學(xué)生活動(dòng)】在分子篩骨架中，Al采用sp3雜化與O成鍵。由于有部分Al與3個(gè)0結(jié)合，還有空軌道可以與N的孤對(duì)電子結(jié)合，形成配位鍵，消耗丁胺。

【教師追問】如何測(cè)定分子篩外表面、孔道及孔口等位置酸性？

【學(xué)生活動(dòng)】可以利用不同半徑大小的有機(jī)堿與分子篩不同部位作用進(jìn)行測(cè)定。

【教師提問】堿性氣體分子如NH3會(huì)在分子篩酸性表面發(fā)生吸附，強(qiáng)酸位點(diǎn)對(duì)堿性氣體的作用力比弱酸位點(diǎn)強(qiáng)。如何測(cè)定酸強(qiáng)度？

【學(xué)生活動(dòng)】聯(lián)想氣態(tài)氫化物、銨鹽熱穩(wěn)定性。將預(yù)先充分吸附了NH3的分子篩，通過程序升溫的方法使NH3從酸性位上脫附出來，通過測(cè)定脫附出來的NH3的量，從而得到分子篩的總酸量。通過計(jì)算各溫度下脫附NH3的量，可得到各種酸位的酸量。

【教師講述】與有機(jī)中基團(tuán)之間的相互影響類似，還可以利用有機(jī)堿與分子篩酸性位點(diǎn)作用，使其核磁、紅外等特征峰發(fā)生位移，進(jìn)行推斷。

環(huán)節(jié)5：發(fā)展分子篩

【教師提問】預(yù)測(cè)分子篩的未來發(fā)展趨勢(shì)。

【學(xué)生活動(dòng)】小組討論，從原料、合成、用途等方面進(jìn)行考慮。

原料：原料易得、多樣;骨架元素更加豐富（目前骨架元素主要是Si、Al、P）。

合成：有成熟的理論指導(dǎo)精準(zhǔn)合成，能調(diào)控孔徑大小、形狀、維數(shù)、走向以及孔壁的組成與性質(zhì)，孔道排列，按需定制;合成過程節(jié)能、綠色環(huán)保、高效;表征手段更加豐富、直接、快捷方便。

用途：研究分子篩作用機(jī)理的方法和理論更加完善;尋找提高其吸附容量和選擇性;發(fā)現(xiàn)新用途。

【教師提供材料】提供分子篩最新發(fā)展及專家預(yù)測(cè)[6]： 從無機(jī)多孔骨架到金屬有機(jī)多孔骨架。通過改變分子篩的組成、類型與結(jié)構(gòu)，開拓了分子篩催化新領(lǐng)域，如分子篩堿催化、雙功能及多功能催化、超大微孔分子篩催化、氧化還原催化及手性催化。大集成電路中低介電常數(shù)的多孔材料、MRI造影劑、微型激光、藥物包埋與控釋等。與其他學(xué)科如物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料及生命科學(xué)滲透與交叉，進(jìn)一步促進(jìn)分子篩發(fā)展。深刻理解“結(jié)構(gòu)——功能——合成”規(guī)律，進(jìn)入分子工程領(lǐng)域，以功能為導(dǎo)向，借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定向合成。

三、啟示

在采訪華為總裁任正非時(shí)，一位記者提到“我去參觀了華為實(shí)驗(yàn)室，有很多新鮮的發(fā)明，比如防腐蝕設(shè)備、熱傳導(dǎo)……，我發(fā)現(xiàn)都是高中化學(xué)的原理，但是運(yùn)用起來非常神奇。”如何實(shí)現(xiàn)化學(xué)知識(shí)、方法以及思維在新情境、復(fù)雜情境下的遷移，創(chuàng)造性地解決問題，這需要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力。意識(shí)是培養(yǎng)出來的，能力是訓(xùn)練出來的。教材由于更新周期較長(zhǎng)，內(nèi)容更加注重概念、原理等基礎(chǔ)性知識(shí)，為了彌補(bǔ)學(xué)科前沿的不足，在平時(shí)的教學(xué)中，教師可以將前沿科技成果轉(zhuǎn)化為科普閱讀、科學(xué)探究等形式的教學(xué)資源。

前沿科技資源轉(zhuǎn)化為教育資源，主要是尋找前沿科技成果與中學(xué)化學(xué)之間的聯(lián)系，找到對(duì)接點(diǎn)或生長(zhǎng)點(diǎn)，根據(jù)內(nèi)容或聯(lián)系的多少?zèng)Q定使用方式。若聯(lián)系較少可以將其作為科普閱讀、知識(shí)拓展，若聯(lián)系較多可以將其作為課堂教學(xué)素材，教學(xué)重點(diǎn)定為知識(shí)應(yīng)用探究，思維方法遷移等，教學(xué)形式可以為課堂教學(xué)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、校本等。

當(dāng)面對(duì)前沿科技資源時(shí)，要從化學(xué)視角去解讀：反應(yīng)是如何進(jìn)行的，反應(yīng)條件是如何控制的，產(chǎn)物是如何分離提純的，物質(zhì)的組成及結(jié)構(gòu)是如何確定的;物質(zhì)的性質(zhì)及性能是如何測(cè)定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是如何從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)歸納得出的，實(shí)驗(yàn)結(jié)論是如何利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推理的。梳理其中的化學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法、研究思維，與中學(xué)化學(xué)知識(shí)建立聯(lián)系，挖掘在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展方面的獨(dú)特價(jià)值，并結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，設(shè)立基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)，確定教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)向教育資源的轉(zhuǎn)化。通過情境的創(chuàng)設(shè)，問題的構(gòu)建，活動(dòng)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生解讀、探究，梳理文獻(xiàn)中的化學(xué)知識(shí)及規(guī)律、實(shí)驗(yàn)方法、推理路徑、邏輯結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新點(diǎn)，體會(huì)化學(xué)原理創(chuàng)造性應(yīng)用，建構(gòu)和形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念。通過前沿科技成果轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)生對(duì)未知保持好奇心，激發(fā)探究的熱情，喚醒創(chuàng)造性解決問題的意識(shí)。同時(shí)，可以讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變思維方式，提升思維水平，提高創(chuàng)新能力。

作為化學(xué)教師，明確將前沿科技資源轉(zhuǎn)化為高中化學(xué)教育資源的意義，深刻理解課標(biāo)內(nèi)容及理念，持續(xù)關(guān)注化學(xué)學(xué)科前沿研究最新成果，加深對(duì)化學(xué)學(xué)科及化學(xué)教學(xué)本質(zhì)理解，提升對(duì)資源轉(zhuǎn)化的理論素養(yǎng)與實(shí)踐能力，不斷創(chuàng)作出優(yōu)質(zhì)的資源轉(zhuǎn)化案例，更好地促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。在將前沿科技資源轉(zhuǎn)化為高中化學(xué)教育資源過程中，教師需要查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，梳理多方面內(nèi)容，準(zhǔn)確理解前沿科技資源;需要學(xué)科專家參與，保證內(nèi)容的科學(xué)性;也需要學(xué)科教學(xué)專家的指導(dǎo)，保證教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性;需要反復(fù)修改打磨，工作量很大，需要團(tuán)隊(duì)分工合作。

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