高中化学学科实践中培养学生创新能力的路径探析——以“有机合成”为例

袁小建 (江苏省天一中学 214101)

创新能力是核心素养的关键体现,培育学生创新能力是时代的需求,需要教师通过学科实践来实现。所谓学科实践,指的是具有学科意蕴的典型实践,即学科专业共同体怀着共享的愿景与价值观,运用该学科的概念、思想与工具,整合心理过程与操控技能,解决真实情境中问题的一套典型做法。学科实践让学生的学习从“知识本位”走向“素养本位”,在分析、归纳、证明等高阶思维的运用中发展创新能力。

一、精选情境素材, 进入真实生活情境, 通过揭示矛盾激发学生创新意识

课堂情境素材的选取需充分考虑趣味性。真实而有吸引力的情境,是开展学科实践活动的良好载体,可以有效激发学生的学习兴趣。

当下课堂普遍存在学习知识和真实生活脱节,课堂学习被简化为符号的传递,显得枯燥、乏味,很难吸引学生,不能让学生产生学习和探究的渴望。学生没有学习的主动性,培养创新能力就无从谈起。

本节课以紫杉醇的发现、研究、合成带领学生进入真实生活情境,建立“课堂知识”和“生活知识”之间的联系。紫杉醇是美国国立癌症研究所与美国农业部寻找天然药用物质的合作项目的成果,科学家历经20年,从3万多个样本中发现的迄今为止最优秀的天然抗癌药物。物质本身自带光环,能够牢牢吸引学生的眼球。为进一步激发学生学习兴趣,教师在教学中通过整合素材,创设了三组矛盾:一是紫杉醇的巨大抗癌价值和昂贵价格难以推广的矛盾。天然紫杉醇抗癌性能非常优异,可以挽救无数人的生命,但是难以获得,30吨干树皮才能得到约100克紫杉醇,成本高达150万美元。二是全合成紫杉醇的路径复杂(39步)、产率低(0.07%)和实现工业化生产之间的矛盾。工业化生产需要考虑设备成本等综合效益,而全合成路径显然不能满足工业化生产的要求。三是实际工业合成反应原理和课本所学知识之间的矛盾。课本知识往往是理想的模型,而实际工业生产需要立足实际,综合考量。学生在知识运用中产生冲突和碰撞。三组矛盾可以激发学生浓厚的研究兴趣,引领着学生层层深入、积极探索,运用已学知识,立足现有经验,用学科专学的思维方式思考,催生学生创新意识的产生,为学生创新能力的发展提供肥沃的土壤。

二、创设合作平台, 构建学习共同体, 在合作学习中激活学生创新思维

学习共同体是以完成共同的学习任务为载体,以促进成员全面成长为目的,强调在学习过程中以相互作用式的学习观做指导,通过人际沟通、交流和分享各种学习资源而相互影响、相互促进的基层学习集体。学习共同体的核心是“合作学习”,“合作学习”概念是建立在科学交往观基础上的,旨在鼓励学生发挥群体智慧和个体综合技能,共同完成学习任务。合作的前提是平等和尊重,合作的特点是发挥每个人的优势,合作的过程是在和谐氛围中激荡思维的过程,在互相交流、互相质疑中启迪智慧、生成智慧的过程。

当前部分学生存在交往无能力的现实困难,当下课堂普遍存在“教师讲,学生听”“教师问,学生答”的单调模式,没有构建学习共同体或流于表面,课堂上学生思维不够活跃,学生合作学习不能真实发生,创新思维难以有效生长。

本节课中,教师立足构建学习共同体,把学生分为若干小组,给每个组员设定相应的岗位和任务,开展基于完成以下目标的合作学习:(1)分析全合成紫杉醇的流程图,通过讨论和思考,提炼并形成解决有机合成问题的一般思路和方法。(2)分析紫杉醇逆向合成的路径,感悟逆合成分析法的思维逻辑,掌握有机合成最基本的分析方法。(3)分析微观探析(化学键断裂和形成)和宏观反应(物质的变化)间的联系,寻找解决有机合成问题的视角。通过合作学习完成任务后,由小组推荐代表汇报学习心得,其他小组可质疑和询问,所有学生可以回答这些质疑和询问,充分调动全班学生的积极性,充分拓展学习共同体的空间。这一过程中,教室学习氛围浓厚,学生学习热情高涨,学生在问答之间激荡出创新思维的火花。

通过学习共同体的构建,在“合作学习”的过程中,学生有了深度的思考、积极的交流、自由的表达、相互的启迪,激活了创新思维的发生和发展。

三、运用学科方法, 解决复杂问题, 在深度学习中提升学生创新能力

“深度学习”是“学习者能动地参与教学的总称”,深度学习并不是从传递特定知识内容的教科书开始的,而是从揭示问题开始的。在深度学习中,学习者围绕问题,引出种种思考与解决方法。创新能力需要学生进入深度学习,在解决真实的复杂问题中形成专家思维,发展和提升创新能力。

通过实地走访无锡紫杉药业公司,我们获取大量的生产原理信息和图片资料,经过整合和设计,呈现出有研究价值的真实情境中的复杂问题。

呈现1:无锡紫杉药业公司生产紫杉醇的反应原理。

学生需要解决以下问题:(1)物质变化中涉及哪些官能团? (2)羟基反应为何有选择性? (3)如何解决基团反应选择性和目的性的矛盾? 在研究和讨论中,学生提出了一些基于事实,又超越高中学科知识的猜想。例如,羟基在不同环境中的活性差异、反应条件的选择性、周围基团的空间位阻影响、有针对性的保护基团,等等。

呈现2:无锡紫杉药业的生产工艺。

工艺步骤第一步,乙酰化反应第二步,上保护反应第三步,加侧链反应第四步,水解反应 第五步,精制试剂 10-DAB 巴卡亭Ⅲ(BaccatinⅣ)7-三乙硅基巴卡亭Ⅲ,紫杉醇侧链酸 紫杉醇前体 紫杉醇粗品条件 溶剂、催化剂 溶剂、催化剂 溶剂、催化剂 溶剂、催化剂 溶剂操作 搅 拌, 后 处 理、干燥干燥 搅拌,后处理、干燥 搅拌,后处理、干燥搅 拌, 后 处 理、柱层析,洗脱、浓缩、结晶产品 巴卡亭Ⅲ(BaccatinⅣ)7-三乙硅基巴卡亭Ⅲ 紫杉醇前体 紫杉醇粗品 紫杉醇Paclitaxel

学生需要解决以下问题:(1)各步工艺有什么共同之处? (2)为什么每一步都需要分离产品?(3)采用哪些分离操作? 学生立足生产生活实际,结合已学知识和生活经验,提出了很多富有创造性的回答。例如,溶剂的作用不仅溶解物质,也可能用于分离物质;溶剂和催化剂的选用是公司核心技术,关系到产率和质量;每一步中间体的分离可以提高最终产品的纯度;药物中的杂质可能对人体有不良影响,等等。

学生在复杂情境中展开分析和思考,综合运用猜测、论证、推理等方法,寻找解决问题的答案,学生的创新能力得到充分的锻炼和提升。张华教授说:“让学生在创造中长大,而不是长大后创造。”以上学生亲手解决复杂问题的过程,正是学生在创造中成长、在成长中孕育创新能力的过程。

四、渗透学科德育, 培塑科学家精神, 为学生创新能力的发展指明方向

科学家精神包含“胸怀祖国、服务人民的爱国精神,勇攀高峰、敢为人先的创新精神,追求真理、严谨治学的求实精神,淡泊名利、潜心研究的奉献精神,集智攻关、团结协作的协同精神,甘为人梯、奖掖后学的育人精神”六方面的重要内容,凝聚了科技工作者的崇高道德品质和价值追求,深刻体现出伟大的中国精神,彰显出强大的中国力量,蕴含着深厚的育人价值。创新,必然伴随着走进“深水区”和“无人区”,需要不断突破、勇开先河。没有精神力量的强大支撑和正确引领,创新必然寸步难行。总结钱学森、袁隆平、黄大年等科学家的伟大创新和杰出成就,无不折射出科学家精神的耀眼光辉。

本节课用故事的形式呈现科学家研究合成紫杉醇的过程。20世纪80年代,全球20个顶尖科学家团队开展了全合成紫杉醇研究,通过十几年的时间,有5个团队先后宣布合成成功,为人类广泛使用紫杉醇打开了一扇窗,体现了人类命运共同体的内涵。2021年,我国南方科技大学李闯创团队,经过长期探索,通过21步(目前国际上最短的紫杉醇全合成路线)实现紫杉醇的高效不对称全合成,推动了全合成紫杉醇的技术发展,充分展示了我国科学家的风采。法国科学家皮埃尔·波蒂埃发现10-DAB,并以此为原料合成紫杉醇,在长期的研究中,他还发现疗效更好的抗癌药“多西他赛”,造福了万千患者。创新发现的背后,是长期潜心研究后的灵光一闪。利用这些故事自然引发学生的思考,使学生必然经历价值澄清和价值选择的过程,从而在学生心中埋下科学家精神的种子。创新需要不断突破现有理论和成果,历经各种挫折甚至失败。科学家精神的塑造,为学生创新能力的发展指明了方向。