張麗麗 徐敏

摘要： 分析手性分子內(nèi)容對促進學生化學核心素養(yǎng)發(fā)展的價值。以手性概念的建立、手性分離、手性合成以及“反應?！笔录葹檩d體，通過設計搭建分子模型、“區(qū)分左右手”游戲和角色扮演等體驗性活動、跨學科知識整合等教學策略，以此促進學生“宏微辨析”“創(chuàng)新素養(yǎng)”以及“科學態(tài)度與社會責任”等具體核心素養(yǎng)目標的落實。

關鍵詞： 化學核心素養(yǎng); 手性分子; 教學設計

文章編號： 10056629（2019）4004906中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 “手性分子”內(nèi)容對促進學生化學核心素養(yǎng)發(fā)展的價值分析

化學核心素養(yǎng)是學生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學生通過學習逐漸形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力[1]。高中化學新課程標準對“手性分子”要求體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關系，強調(diào)構(gòu)成生命體的氨基酸具有手性特征、手性分子在藥物研究中的應用等?；诖耍狙芯繉ⅰ笆中苑肿印彼趦?nèi)容確定為“手性分子結(jié)構(gòu)”、“手性分離”、“手性合成”，將其與生活、社會、科技密切相關，而且與生命科學相關聯(lián)，作為培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的重要素材。具體表現(xiàn)為：

（1） “手性分子結(jié)構(gòu)”是學生深入認識“空間立體結(jié)構(gòu)”和“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一化學學科核心觀念不可或缺的核心知識，是“宏微辨析”思維方式的具體表現(xiàn)形式。通過這部分內(nèi)容的學習，將突破學生關于“完全重疊”的空間認識障礙，具體地說，學生存在“對稱就能重疊”的錯誤認識。本研究幫助學生建立正確認識： 兩個互為鏡像的分子內(nèi)部的所有原子分別在三維空間上完全重合即為“完全重疊”，是同種分子，反之為不同種分子。并從立體異構(gòu)的角度對同分異構(gòu)進行重新分類，即由于原子在三維空間排布不同而產(chǎn)生的異構(gòu)，從而建立新的關于“分子結(jié)構(gòu)不同”的微觀認識角度?；趯Ψ磻７肿拥奶骄?，將促使學生認識到，互為手性異構(gòu)的物質(zhì)由于空間排布不同的細微差距，導致兩者在人體內(nèi)以不同的途徑被吸收、活化或降解[2]，因此會表現(xiàn)出截然不同的生理活性，從而形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)和功能”的認識;并形成分析解釋、預測手性現(xiàn)象的能力。

（2） 交叉內(nèi)容“酶”是培養(yǎng)學生“創(chuàng)新”素養(yǎng)的重要載體。學生基于對酶的手性認識，能夠創(chuàng)造性地聯(lián)想到利用催化劑的手性實現(xiàn)手性合成。將生活中“握手”的經(jīng)驗遠遷移，創(chuàng)造性地設想“手性分離”的方法。

（3） 與手性內(nèi)容相關的“反應停事件”源于真實問題情境，同時又與生命科學、職業(yè)道德和價值取向等相關聯(lián)。將學生置身于問題情境中，通過角色扮演，獲得真切的情感體驗，這對于培養(yǎng)“科學態(tài)度與社會責任”的化學核心素養(yǎng)具有重要的作用。

2 促進學生化學核心素養(yǎng)發(fā)展的教學過程設計

2.1 建立手性異構(gòu)的概念，發(fā)展“宏微辨析”的素養(yǎng)

2.1.1 發(fā)現(xiàn)神奇的手性，建立關于“手性”的感性認識

[教師]在自然界和生命體以及藥物合成中存在許多左右對稱的形態(tài)，如楓葉、兜蘭等植物以

化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]李平. 科學推理的自然化[J]. 哲學研究， 1998， （4）： 71～79.

[4][5]羅瑪. 證據(jù)推理科學能力的實證研究[D]. 上海： 華東師范大學博士學位論文， 2018.

[7]張繼華. 科學探究推理研究[D]. 重慶： 西南大學博士學位論文， 2012.

[8]王德勝主編， 化學方法論[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2007： 93～94.

及攀緣和纏繞植物的莖蔓旋向、細菌、DNA、糖類等。生活中我們照鏡子時也會發(fā)現(xiàn)，鏡子里的“自己”和現(xiàn)實中的我們，左右相反、完全對稱，這種關系稱作互為鏡像關系。

[教師]圖1是一對互為鏡像關系的反應停分子，其中右邊的分子有中樞鎮(zhèn)靜和抑制作用，左邊的分子有強烈的胎兒致畸性，如果孕婦服用會導致嬰兒肢體畸形，稱為“海豹肢畸形兒”。

[教師]上述這些互為鏡像關系的物質(zhì)能完全重疊嗎？

[學生活動]以左手和右手為例進行觀察。

[學生1]手心與手心相對，可重疊。

[學生2]若手心重疊，手背和手背卻不能重疊，因此左右手不能完全重疊。

[教師]人和鏡子里的自己也是互為鏡像關系，當臉重疊時，后腦勺不能重疊。我們把互為鏡像關系，但又不能重疊的現(xiàn)象，稱之為“手性現(xiàn)象”。這種現(xiàn)象在自然界尤其是生命體中普遍存在。

設計意圖： 將“手性”與自然界、生活中互為鏡像關系的現(xiàn)象相關聯(lián)，著眼于宏觀層面，建立關于“手性”的感性認識。

2.1.2 自主搭建分子模型，探究手性分子形成的條件

[教師]每個小組桌上都放有CH2ClBr、 CHFClBr分子模型，請制作其鏡像分子的模型，并思考以下問題： 互為鏡像關系的分子是同種分子嗎？什么樣的分子具有手性呢？

[學生活動]搭建CH2ClBr、 CHFClBr對應鏡像分子的模型，并逐一匯報。

[學生1]CH2ClBr中碳原子連有兩個相同的原子，通過旋轉(zhuǎn)一定的角度，兩個互為鏡像關系的分子能夠完全重疊，所以屬于同種分子，沒有手性（見圖2）。

圖2 展示CH2ClBr與其鏡像分子重疊情況

[學生2]CHFClBr中碳原子連接四個不相同的原子，做任意旋轉(zhuǎn)都無法使兩個分子完全重疊，因此兩者互為同分異構(gòu)，分子具有手性?；殓R像關系的分子可能是同種分子，也可能是不同種分子（見圖3）。

圖3 展示CHFClBr與其鏡像分子重疊情況

[教師]CHFClBr與其鏡像分子在空間上不能重疊，本質(zhì)上是因為其分子內(nèi)沒有任何對稱因素（對稱點、線、面），而CH2ClBr與其鏡像在三維空間上所有原子能夠完全重疊，是因為其分子內(nèi)存在對稱性（對稱面）。

[板書]見圖4。

圖4 教學板書1

設計意圖： 通過搭建分子模型，有利于學生從三維空間觀察分子內(nèi)部原子的排布及相互關系，幫助學生突破對“有機物空間立體結(jié)構(gòu)”和“立體異構(gòu)”的認知障礙，從微觀層面理解“手性異構(gòu)”出現(xiàn)的本質(zhì)原因。

2.1.3 發(fā)展學生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)和功能”的觀念性認識

[教師]“反應?！钡膬煞N互為鏡像的分子為什么具有手性？說明判斷的依據(jù)。

[學生]能夠找到手性碳原子。

[教師]為什么含有雙鍵或三鍵的碳原子不能形成手性碳原子？

[學生]手性碳原子是同一個碳原子上連有四個不同的原子（基團），因此它必須連有四個單鍵，不能含有雙鍵或三鍵。

[教師]雙鍵和三鍵的分子存有對稱因素，分子與其鏡像能夠完全重疊，因此不存在手性，屬于同種分子。

[教師]“反應?！钡膬煞N互為鏡像的分子結(jié)構(gòu)相似，為什么卻有截然不同的生理活性？

[學生]兩種鏡像分子雖然結(jié)構(gòu)相似，但兩者在三維空間排布不同，可能會導致具有截然不同的生理活性。

[教師]互為手性異構(gòu)的物質(zhì)由于空間排布不同的細微差距，導致兩者在人體內(nèi)以不同的途徑被吸收、活化或降解[3]，因此會表現(xiàn)出截然不同的生理活性。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)和功能！

設計意圖： 培養(yǎng)學生能夠從原子層面分析解釋、預測手性現(xiàn)象的能力，又能通過辨識宏觀生理活性的不同預測手性分子微觀結(jié)構(gòu)的細微差距，從而形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)和功能”的觀念性認識。

2.1.4 從空間立體結(jié)構(gòu)的角度發(fā)展學生對同分異構(gòu)體中關于“結(jié)構(gòu)不同”的認識

[教師]你對同分異構(gòu)體中關于“結(jié)構(gòu)的不同”有哪些新的認識？

[學生]之前學習了同分異構(gòu)包括碳鏈異構(gòu)、官能團種類和位置異構(gòu)，今天又認識了由于空間立體排布不同而產(chǎn)生的異構(gòu)。

[教師]我們之前也學習過由于空間排布不同而產(chǎn)生的異構(gòu)，那是什么異構(gòu)？

[學生]順反異構(gòu)。

[板書]見圖5。

同分異構(gòu)碳鏈異構(gòu)

官能團種類和位置異構(gòu)

立體異構(gòu)

（空間排布不同）順反異構(gòu)

手性異構(gòu)

設計意圖： 從微觀層面建立對同分異構(gòu)體中關于“結(jié)構(gòu)不同”新的認識角度。

2.2 通過手性分離與手性合成教學，發(fā)展學生“創(chuàng)新素養(yǎng)”

2.2.1 學生做游戲“區(qū)分左右手”，創(chuàng)意聯(lián)想手性分離的方法

[教師]1848年，法國生物學家巴斯德在研究酒石酸鹽時，用顯微鏡仔細觀察其晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有兩種互為鏡像的形式（見圖6），并小心翼翼地用鑷子將它們分離出來。這是人類首次發(fā)現(xiàn)分子的手性并成功地通過手工拆分出手性異構(gòu)體[4]。但利用揀選晶體的方式進行手性分離并不能經(jīng)常奏效。

[教師]在化學合成中，通常產(chǎn)生兩種比例相等的手性異構(gòu)體。但是在自然界中往往只存在單一的手性物質(zhì)，例如： 喇叭花的花蔓幾乎都是右旋的，當我們把右旋的喇叭花蔓強行左旋纏繞時，它會自動恢復右旋;海螺是右撇子世家，出現(xiàn)左旋螺殼概率是百萬分之一。

[教師]如何更好地進行手性異構(gòu)體分離呢？我們先做個游戲： 當你閉上眼睛時，如何區(qū)分對方的左手或者右手呢？

[學生活動]做游戲，并逐一匯報。

[學生1]通過握手的方式，閉眼同學伸出右手，與對方同學握手，如果覺得順說明對方同學伸出的是右手，反之是左手。

[學生2]利用鏡像關系，如果閉眼同學伸出右手，與對方同學伸出的手五指一一對應，表明對方同學伸出的是左手，反之是右手。

[教師]“區(qū)分左右手”的游戲?qū)ξ覀冇泻螁⑹荆咳绾畏蛛x手性異構(gòu)體？

[學生]可能像區(qū)分左右手一樣，利用一種有手性的試劑和其中一種手性分子相吻合進行分離。

[教師]科學家進行手性異構(gòu)體分離時，通過制造手性環(huán)境，利用具有手性的試劑和其中一種手性分子相匹配，繼而形成新的化合物進行分離，然后再將該化合物拆分，得到其中一種手性異構(gòu)體。如一個酸的外消旋體（等量的一對對映體）可以用一種旋光的堿同它起反應變成兩個互為非對映異構(gòu)體的鹽。它們的溶解度不一樣，選擇適當?shù)娜軇┛梢杂梅植浇Y(jié)晶的方法把它們分開。再加無機酸使某一種旋光的酸游離出來。

設計意圖： 立足于學生已有的生活經(jīng)驗，將生活中“握手”的經(jīng)驗遠遷移，創(chuàng)造性地設想“手性分離”的方法。

2.2.2 跨學科知識整合，創(chuàng)造性地完成手性合成的設計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力

[教師]酶為什么具有專一性？

[學生1]生物中學習到，酶對所作用的底物有嚴格的選擇性。一種酶只能催化一種物質(zhì)或一類分子結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，促其進行一定的化學反應（見圖7）。

[學生2]猜測可能如同握手一樣，雙方分別用右手相匹配。每一種酶可能具有特定的手性構(gòu)型，只催化和其空間構(gòu)型相吻合的特定手性底物的反應。

[教師]酶的手性是如何產(chǎn)生的呢？

[學生]酶屬于蛋白質(zhì)，可能是因為蛋白質(zhì)具有手性，而構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單元——氨基酸也可能具有手性。

[教師]提供證據(jù)（見圖8）。

[教師]在化學合成中，往往產(chǎn)生混有兩種手性異構(gòu)的物質(zhì)，分離起來比較麻煩，那么有沒有一種方法能夠合成其中某一種手性異構(gòu)體呢？

[學生]酶是一種催化劑，只催化和其手性構(gòu)型相匹配的物質(zhì)（高度的專一性），猜想可以用酶作催化劑的方法，合成其中一種手性異構(gòu)體。

[教師]我為大家的設想點贊！在2001年，三位科學家用手性催化劑合成了一種手性藥物，此項研究獲得了諾貝爾化學獎。該合成方法是手性催化劑（其催化原理可參見圖9）只催化或者主要催化一種手性分子的合成，因此可以只得到或者主要得到一種手性分子，不得到或者基本不得到它的手性異構(gòu)分子，這種合成方法稱為手性合成（不對稱合成）[5]。美國科學家威廉·諾爾斯應用手性膦配體與金屬銠形成的絡合物為催化劑，在世界上第一個發(fā)明了不對稱催化氫化反應。以這一反應為基礎，威廉·諾爾斯利用不對稱氫化方法實現(xiàn)了工業(yè)合成治療帕金森病的L多巴這一手性藥物，極大地促進了手性分子在醫(yī)學領域研究的發(fā)展，手性合成也為藥物生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

設計意圖： 基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要創(chuàng)造真實的情景、實際問題的解決，甚至需要跨學科知識之間的關聯(lián)。本環(huán)節(jié)以交叉內(nèi)容“酶”為起點，設計兩個問題表征不同、抽象元素相似的活動，目的在于學生通過將“酶的專一性”進行抽象概括，繼而將相似的抽象認識遠遷移到新的情景中，用來指導產(chǎn)生手性合成的大膽想象，激發(fā)學生創(chuàng)造的欲望，促使其創(chuàng)新思維能力得到真正提升。

2.3 角色扮演“反應?！笔录l(fā)展學生“科學態(tài)度與社會責任”的素養(yǎng)

[教師]手性分離和手性合成意義非凡，但是歷史上卻發(fā)生過悲慘的“反應?！笔录?。請同學們閱讀以下資料。

[資料]20世紀50年代鎮(zhèn)定劑市場大有賺頭，制藥公司非常樂意去探索和這些鎮(zhèn)定劑分子在化學特性上類似的化合物。1954年德國格蘭泰藥廠的化學家昆茲合成了中文藥名為“反應?！钡姆肿?，其分子結(jié)構(gòu)與二氮平相似（見圖10），但該分子存在手性異構(gòu)。左手性分子[（S）異構(gòu)體]有強烈的胎兒致畸性，右手性分子[（R）異構(gòu)體]有中樞鎮(zhèn)靜和抑制作用（見圖1）。盡管當時的科學家和制藥商都知道人工合成的“反應?！彼幬镏写嬖诘攘康囊粚κ中苑肿?，但他們僥幸地認為這對手性異構(gòu)體不會帶來危害。于是說服自己相信，“反應?！焙投揭粯右簿哂辛己玫逆?zhèn)定作用。在沒有做嚴格的生物活性和毒性試驗的情況下，就草率地將其推進上市，并吹噓“反應?！蹦苎杆僦雇辞夷軌驕p輕孕婦的妊娠反應，無任何副作用。然而，不久1.2萬余名畸形兒就被生下來了[6]。

[教師]思考以下問題： 請你站在生產(chǎn)商、科學家的角度思考，他們?yōu)槭裁醋龀錾鲜龅男袨?？如何能夠避免“反應?！笔录脑俅伟l(fā)生？

[學生1]藥品與我們的生命安全息息相關。生產(chǎn)商以賺取更多利潤為目的，不擇手段，在知道產(chǎn)生等量的手性藥物時，為了減少成本而不進行手性分離。為利益所驅(qū)而故意夸大“反應?！钡乃幮?。

[學生2]科學家有可能被利益所收買或者迫于壓力和威脅，也有可能是存在僥幸心理，安全意識淡薄，或者經(jīng)驗主義，認為結(jié)構(gòu)相似則功能就相同等。

[學生3]為避免“反應?！笔录脑俅伟l(fā)生，生產(chǎn)商和科學家要抵制各種利益上的誘惑，嚴格按照生產(chǎn)規(guī)程進行藥品生產(chǎn)，提高臨床前研究水平;藥品審批部門要加強藥品上市前的嚴格審查等。

[學生4]國家應該制定相應的法律法規(guī)，才能制約這些人的行為。

[教師]事件發(fā)生后又過了幾十年，有科學家發(fā)現(xiàn)，“反應?！保≧）異構(gòu)體會在體內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化成（S）異構(gòu)體并達到平衡，因此認為即使分離后單一給藥也不能避免其毒副作用。那么是不是就不需要手性分離了呢？

[學生1]毒副作用是不可能避免的，但是通過手性分離出一種手性異構(gòu)體，能夠大大降低其對身體的毒副作用。

[教師]“反應?！笔录婕叭?0多個國家，但美國人卻逃過這一災難，歸功于醫(yī)生凱爾西。她發(fā)現(xiàn)關于“反應?！钡呐R床研究數(shù)據(jù)不足，面對各種威脅，頂住了壓力，極力反對“反應?！痹诿绹鲜小P爾西拯救了整個國家的新生兒，她被稱為“抵制史上最大藥害事件女英雄”[7]。

[教師]“反應?！笔录遣皇腔瘜W給人類帶來的災難？

[學生]“反應?！笔录侨说膬r值取向出現(xiàn)問題導致的悲慘事件，化學本身沒有問題，關鍵是看人們?nèi)绾卫盟?。用在合適的地方它就是對我們有利的，如果居心不良的話它就會帶來危害。

[教師]在“反應停”事件中科學家的科學態(tài)度、價值取向至關重要，決定了化學研究成果為人類健康、社會發(fā)展帶來的是利還是弊。化學作為一門科學，不是社會問題的根源所在，“反應?！笔录侨藶閷е碌谋瘎?！

[教師]近幾年，科學家通過研究又發(fā)現(xiàn)“反應?！毙碌乃幚韮r值： 有抑制腫瘤壞死因子（TNFa）作用，有抗腫瘤血管新生作用，還有治療麻風結(jié)節(jié)性紅斑的作用和治療多發(fā)性骨髓瘤的作用等，“反應?！彼幬镒呦蛄诵律?，這說明事物是在不斷向前發(fā)展的?？茖W家秉承“科學態(tài)度與社會責任”，旨在促使化學的發(fā)展在社會發(fā)展中起巨大的作用！

設計意圖： 通過“反應?！钡恼鎸嵤录?，使學生獲得真切的情感體驗，形成正確的價值判斷，深刻理解化學、技術、社會和環(huán)境之間的相互關系，贊賞化學對社會發(fā)展的重大貢獻，從而發(fā)展學生“科學態(tài)度與社會責任”的化學核心素養(yǎng)。

3 教學反思

“手性分子”蘊含著發(fā)展學生核心素養(yǎng)的豐富資源，教學各環(huán)節(jié)的設計均以促成學生核心素養(yǎng)發(fā)展為目標。因此，教學素材選取應與社會熱點話題相關，問題情境的創(chuàng)設是真實的，學習方式凸顯學生活動的體驗性和層次性，體現(xiàn)能力的進階。這對于幫助學生獲得知識、形成能力，培養(yǎng)科學態(tài)度與社會責任感具有著重要的意義。

當然，以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為本的教學，不是通過一個活動或一節(jié)課就能實現(xiàn)的，需要后續(xù)長期的、持久的、不斷強化的過程。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 3.

[2][3]張學紅. 手性屬性與手性藥物[J]. 化學教學， 2008， （3）： 39～41.

[4][5]人民教育出版社等. 普通高中課程標準實驗教科書·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 53～55.

[6][7]羅德·霍夫曼. 大師說化學[M]. 桂林： 漓江出版社， 2017： 136～146.