将前沿科学融入STSE综合实验的教学*——以“聚离子液体应用于油水分离”为例

罗廖莉 李忠恒 巩永锐 周丽梅**

（1.西华师范大学化学教育研究所 四川 南充 637000；2.南充高级中学 四川 南充 637000）

前沿科学是指在科技领域具有前瞻性、先导性和探索性的内容，是未来科技更新换代和新兴产业发展的重要理论基础，是科技创新能力的综合体现。新课程改革下，高中化学教材新增了前沿科学板块，［1］这些内容不需要学生掌握，但有利于学生对已有知识的扩展运用，了解当下科研热点，培养并激发其科学创新思维。STSE 综合实验强调从常见的社会问题入手，思考利用化学科学技术知识解决社会问题，［2］培养学生保护环境和科技创新改善生活的意识，提升学生的化学学科核心素养。将科学前沿融入到STSE综合实验教学中，引导学生利用最新的科学技术知识来解决实际问题，有助于发展学生的创新和实际应用能力。

一、选题背景

“油水分离”实验是根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在选修课程系列中提出的围绕材料性质与性能探究，材料开发与生产，以及新型材料设计等开展的综合实验项目。［3］聚离子液体是将离子液体单体聚合，在重复单元上具有阴、阳离子基团的一类离子液体聚合物，兼具离子液体与聚合物的优点，克服了离子液体的流动性，近年来成为了材料领域研究的一个热点。［4］学生在化学2（必修）阶段对自由基聚合有初步的学习，在选择性必修3“有机化学基础”阶段，掌握了有机物的合成及原理，将聚离子液体这一前沿科学知识融入STSE 综合实验中，选取内容具有时效性、适合性，符合学生认知范围。随着世界贸易的迅速发展，石油和汽油等被广泛使用，石油泄漏和船舶事故导致海洋河流油污染严重，如何处理油污染成为了一个世界难题，而聚离子液体因其具有可调变的亲疏水性，可以用于油水分离，从而有望解决这一难题。［4］本课拟在学生已有知识的基础上，查阅文献资料，了解科研前沿，拓宽科学眼界，灵活运用化学知识，服务社会生活，解决环境问题。

二、教学流程

见图1。

图1 聚离子液体应用于油水分离教学流程

三、“油水分离”实验具体教学过程

1.根据真实情景，确定课题

教师提供近期发生的火山喷发导致海底石油泄漏造成严重的石油污染的视频资料、中国河流油污染新闻和处理油污染的文献资料，［5，6］创设真实的社会热点问题情景引发学生，引导学生回忆所学的污水处理知识，分析确定课题。学生根据教师提供的资料，小组交流讨论，整理出油污染影响以及目前处理油污染的方法（见图2 和图3），确定利用化学处理法进行油水分离的课题。

图2 油污染影响

图3 具体处理油污染方法

设计意图：基于目前环境污染中油污染的严重性以及利用绿色科技解决油水分离是世界性难题的真实社会问题，提供相关资料视频激发学生保护环境的社会责任感，使学生真正积极参与到此次教学活动中。

2.了解前沿科学，设计实验方案

教师组织学生分组查阅利用膜分离法处理油污染的资料，并向学生提供部分利用前沿科学技术处理油污染的文献内容。［4］学生对于文献的阅读理解存在一定的困难，需要教师讲解引导学生基于所学的有机化学知识去理解前沿科学技术的内容，启发学生从功能高分子材料方面去设计油水分离的实验方案。学生在老师提供的文献资料以及讲解下认识到所要制备的聚离子液体属于亲水疏油性材料，将其负载在滤纸上，通过吸附水发生溶胀，在滤纸上形成一层水膜，待分离的油水混合物经过修饰后的滤纸时，其中的水相能顺利通过水膜，而油相被阻隔，从而实现油水相的分离。于是，学生小组从以下文字中分析思考进行本实验的有效信息，完成油水分离实验设计并在课堂上分享报告。教师提供制备聚离子液体的方法如下：

实验开始前，先依次用丙酮和去离子水对直径为5 cm 的烧结不锈钢丝网进行超声波清洗，然后在60 ℃的烘箱中干燥，备用；将1-乙烯基-3-正丁基咪唑鎓溴盐（1.8490 g，8 mmol）、丙烯酸（0.5765 g，8 mmol）、1，4-二乙烯基苯（0.2604 g，2 mmol）、光引发剂（0.1343 g）和3 mL的N，N-二甲基甲酰胺溶解在250 mL烧杯中，超声处理15 min 形成透明溶液，之后将清洗好的不锈钢网片浸入单体混合物中超声15 min，完全湿润取出网片放置在玻璃窗格（7×7 cm）上，水平暴露于365 nm紫外线下自由基聚合1 h。反应结束后，用丙酮和去离子水洗涤三次，去除未聚合的单体，获得纯净的聚离子液体，然后在60 ℃的烘箱中干燥过夜。［7］

教师对于各小组提出的实验方案进行评价和改进，将文献资料中的金属网改为滤纸，降低实验成本的同时也能使聚离子液体有效负载；不再使用丙酮洗涤，用水洗涤也能达到本实验要求，并且减少了有毒试剂的使用；使用布氏漏斗改用为具多孔玻璃板抽滤漏斗，其透明玻璃材料以及对照实验能使学生清晰观察到油水分离的状态，增加实验的趣味性，体验与众不同的有机实验。

设计意图：在以学生为主，教师为辅的课堂上，学生自主探究实验，融入聚离子液体内容的实验让学生有机会接触化学前沿知识，增进其对前沿科技的认识，培养学生的科学态度，感受前沿科学技术对于社会环境改善的魅力，帮助学生理解科学的本质和掌握科学技术对未来社会发展的重要性。

3.进行实验（见表1）

表1 实验的具体过程

设计意图：做中学，学生通过真实的实验过程感受化学研究人员的科研工作，不仅能增强其实验操作能力，学习如何处理实验过程中突发的事件，还能提高沟通协助能力和凝聚团队精神。

4.成果交流

实验结束后，学生将观察到的实验结果补充到实验报告册中，并将实验过程中遇到的问题反思总结在报告册中，进行小组汇报展示。小组互换实验报告并指出报告册中可能存在的问题，互相打分后，上交教师查阅检查。收集全班的实验报告后，教师根据学生报告中未解决的问题，再次同全班分析讨论。最后，呼吁同学们爱护环境，充分认识人与自然和谐共存和绿色发展的重要性，深刻理解“绿水青山就是金山银山”的意义，建立绿色化学的理念，增强社会责任感和爱国情怀。综合此次实验中各小组的表现，评选出优秀实验小组。优秀小组实验报告如表2所示：

表2 学生小组优秀实验报告

（续表2）

设计意图：通过分享交流以及对可持续发展的思考，使学生深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互联系，关注科技改变生活和绿色化学，提升学生的“社会责任”素养；完成实验报告，完整参与实验过程，促进学生实现“知、情、意、行”的统一。

四、总结

国外一直在进行向中学生介绍前沿科学的工作，然而我国开展此项工作较晚，且西部地区在这方面的教学工作还较滞后。通过将聚离子液体融入STSE综合实验课外活动，能有效地向学生介绍前沿科学理论，深入了解化学领域的最新研究方向，更新化学观念，应用化学知识，增强化学实验操作能力，养成勤于实践、善于合作、敢于质疑和勇于创新的精神，［3］实现从学习知识到能力等素养的综合培养，逐步发展学生的化学学科核心素养，实现具有创新能力的应用型人才培养。