STSE教育理念与大学有机化学教学的融合
时间：2023-03-10 16:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王 轩
（海军工程大学 基础部化学与材料教研室，湖北 武汉 430033）
有机化学是化学的重要组成部分，被广泛应用于高分子材料、生物、环保、医药、理化研究等领域。随着社会的持续发展及科技的稳步创新，传统的化学教学范式无法承担新的教学需求，实现应用侧改革成为大学化学教育的新思路。为了让学生将信息转化为知识、将知识内化为智慧、将智慧整合为德行，STSE理念应运而生，包括科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society）、环境（Environment）。依托STSE理念可突出化学教育的科学、技术、社会、环境四大内核，有助于构建三维立体化知识网络，帮助学生构建系统知识模块，推动大学有机化学教育的纵深化发展，促进学生全面发展。
1.1 帮助学生掌握知识
大学有机化学是面向社会生产及研发的知识系统，属于科学范畴，既是学生认识有机化学的途径，又是创新化学教育模式的有力举措。大学有机化学教育要求学生具备丰富的有机化学知识，同时理解基本的科学概念、原理及规律，可通过科学实验及生活知识将理论转化为生产力，解决社会生活中的现实问题，这是大学有机化学教育的最终目标[1]。STSE教育理念提倡交叉式教学范式，在凸显学科交叉特征的同时，让学生掌握化学背后的社会性质，可使学生掌握基本概念和基本思想。
1.2 培养学生的探究能力
STSE教育理念强调教学活动与生活的关联，因此，该理念与大学有机化学融合后，可结合真实的问题情境开展复杂的科学探究活动，让学生依照自身经验、价值观等全面考虑问题。现实生活与理论构想有本质区别，理论构想建立在理想的状态下，而现实生活具有高度不可控性，导致常规教学模式培塑的人才无法及时适应现实与理论的差距，虽然可在很大程度上培养学术人才，但学术研究也需借助实践测验[2]。STSE理念可解决大学有机化学理论与现实矛盾的问题，回归化学开放、多元、可辩证的特点。基于STSE理念，可为学生预留更大的思考空间，培养学生的兴趣及创新思维。
2.1 明确教学目标
学生认知过程包括记忆、理解、应用、分析、评价、创造等，大学有机化学教学可根据学生的认知特点及STSE理念重新界定学习目标。设定学习目标时，需遵循两个原则：一是面向学生已有的知识储备，二是基于情境复杂程度设定不同的教学目标[3]。大学有机化学教学可分为低学段、中学段、高学段、专业研究4个层次。低学段为初次记忆，虽然有机化学知识在高中有所涉猎，但大学有机化学与高中存在较大区别，知识的深度与广度均得到提升。因此，在大学有机化学教学中，学生的初次记忆十分重要，可让学生建立更广阔的知识网络。
大学有机化学教学目标按照从低到高的层次分析包括辨识、分析、推理、创新等，如图1所示。底层学生的知识储备较少且对知识的掌握不够扎实，属于STSE初识阶段，即在高中有机化学知识的基础上，形成大学有机化学知识网络。中学段学生具备一定的分析能力及解释能力，意味着学生基本适应了大学有机化学，并且可站在更高的层面分析有机化学知识。高学段学生的知识储备相对丰富，可从有机元素结构中提取相关知识及方法，且具备独立思考的能力，可解决实际问题，在现实与理论中灵活切换。专业研究类学生具备足够的建模能力，可将思维转移到其他知识中，具备全域思考能力。大学有机化学教学需对不同学习阶段的学生实施不同的教学方案，基于STSE理念让所有学生具备科学思考的能力，学会总结、归纳及提炼常见的化学知识[4]。
图1 STSE理念下阶梯性学习目标
2.2 创设情境
大学生在学习科学概念之前已经具备基础的生活常识，得到部分经验性知识，此类概念被称为前科学概念。前科学概念主要由主观感受及认知组成，由于没有科学认定，需要通过科学教学帮助学生整理前科学认知。大学有机化学教学可从分子结构出发，教材中所有章节均包含有机分子结构的知识，为学生学习提供帮助[5]。在教学过程中，可让学生应用比较学习法，找出不同化学物质结构的差别和相同之处，创设片段式情境，让学生对所需知识进行总结与归纳，为后续有机化学性质的学习打好基础。例如，在烷烃、烯烃、炔烃教学中可创设片段式情境，烷烃是碳碳之间单键相连的结构，教材中列示了甲烷的分子四面体结构图，且对中心碳原子进行了杂化。在烯烃学习过程中，学生了解到烯烃的连接方式是碳原子双键连接，教材中列示了乙烯的结构图。在炔烃学习过程中，学生了解到烯烃是通过碳原子三键连接的，教材中列举了乙炔的平面直线型分析结构图。在烷烃、烯烃、炔烃教学中，可创设片段式情境，让学生找寻三者之间的内在关联。这三部分知识看似没有关联，其实可通过创设有机化学知识情境让学生发现三者结构的变化，即单键、双键、三键连接[6]。由于炔烃为三键连接，其表面有特殊性质的官能团，创设片段式情境可让学生了解不同有机化学元素的异同并掌握不同有机分子的特点，解决学生在学习过程中知识混淆的问题。
2.3 科学择取实验案例
在大学有机化学教学中，实验教学占比较大，教师在选取实验案例时，应结合生活实际及科学发展需求综合考量。2-氯苯甲酸苄酯作为药物常用有机元素，过渡金属催化方法具有用量少且无需预先官能团化的优势，但过渡金属昂贵且有毒，可应用2-氯苯甲酸苄酯制备实验，凸显技术、科学、社会、环境4个要素，实现与STSE理念的深度融合。实验前，学生需了解苄酯化合物的结构及用途，并明确实验目的。2-氯苯甲酸苄酯实验要求学生掌握制备方法及制备过程中的反应机理，同时熟悉加热回流、控温、薄层色谱检测、萃取、抽滤等操作，可检测元素纯度，并了解核磁氢谱和磁碳氢谱解析方法。
在实验教学中，教师搭建实验装置时需观察磨口连接位置是否漏气，如果漏气应立即处理，避免后续加热甲苯产生挥发气体对学生身体造成损害。在实验过程中，教师也可渗透甲苯加热挥发与环境污染之间的关系相关知识，让学生形成环保意识及科研意识。甲苯既是原料又是溶剂，由于反应不完全，容器内可能存在剩余甲苯，萃取分液之前应借助旋转蒸发仪去除未完全反应的甲苯，避免对后续实验产生影响。考虑到2-氯苯甲酸苄酯在乙酸乙酯中的溶解性，离子液体属于阴阳离子构成的盐且易溶于水，反应混合物内部需加入乙酸乙酯及水用于萃取分液。如果在夏季开展实验，由于气候干燥炎热，离子液体熔点较低，在干燥容器内，离子液体会出现部分熔化的问题，黏接度较大，此时易加大称量难度。总体而言，实验教学应从科研的角度入手，让学生掌握规范的实验流程。
2.4 挖掘化学本质
大学有机化学教学与STSE理念的融合需让学生认识到有机化学的科学特性，可将其称为有机化学的“灵魂”，两者的融合可理解为学生与有机化学“灵魂”的沟通。有机化学“灵魂”的学习建立在化学的“血肉”之上，即学生认知达到一定程度后，能在真正意义上理解化学。教师在授课过程中需有意识地强调有机化学的“灵魂”，让学生近距离感受化学的内涵，发挥STSE理念的作用[7]。首先，教师可引导学生对所学有机化学知识进行归类，并让学生寻找不同门类有机化学的异同，为学生深入理解化学知识提供保障，让学生理解有机化学的原理。例如，教师可将“共轭效应”与“诱导相应”比较教学，让学生找到两者的相同之处与不同之处，通过解答学生提出的问题培养学生的发散思维，持续提升学生思考问题的能力。在“共轭效应”教学中，教师可采用头脑风暴的方式让学生快速搜查脑海中已经存在的知识，让其认识到自身的不足。需要注意的是，教师在初次讲解“诱导效应”及“共轭效应”时，既要将知识梗概表述清楚，又要结合生动形象的案例将抽象的知识直观呈现出来。比如“诱导效应”具体指有机分子引入原子或基团后，分子内部成键电子云密度分布发生变化，导致化学键出现极化现象[8]。教师可引用常见的拔河比赛解释“诱导效应”，绳子等同于化学键，绳子长度为成键电子云密度，如果原子均为碳原子，代表绳子两边的人数及施加的力度相同，所以分布在绳子两侧的长度相同，不存在“诱导效应”。如果一方力度大于另一方，平衡被打破，意味着拉力大的氯原子—电负性较大的原子引入左边成键碳原子时会导致左边人数及力气大于右边，此时碳原子电子云密度大于右侧，引发化学键极化现象。总体而言，大学有机化学与STSE理念的融合应聚焦化学的“灵魂”，教师需带领学生了解化学的本质，帮助学生掌握化学知识。
STSE教育理念与大学有机化学教学的融合应明确教学目标，聚焦化学本质，科学选取实验案例，实现理论知识的实践转化及实践内容的现实转化，一方面丰富学生的知识储备，另一方面发展学生的科学素养，激发学生的学习兴趣，提升课堂教学效果。
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