視頻標簽：青蒿素

所屬欄目：高中化學優質課視頻

視頻課題：魯科版選擇性必修2物質結構與性質《青蒿素分子的結構測定》

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魯科版選擇性必修2物質結構與性質《青蒿素分子的結構測定》_高中_化學_王文娜

一、項目學習目標：
1．了解測定分子結構的一般思路與方法，認識晶體對于分子結構測定的獨特意義。
——鍛煉并提高“證據推理與模型認知”的化學核心素養。
2．知道利用晶體X射線衍射能夠測定原子坐標進而確定分子的空間結構，是測定分子結構的重要手段。
——鍛煉并提高“宏觀辨識與微觀探析”的化學核心素養。
3．體會分子結構測定對于建立與優化物質結構理論模型，認識、解釋和預測物質性質具有重要價值。
——鍛煉并提高“科學探究與創新意識”的化學核心素養。

• 教學目標：

1.通過屠呦呦獲得諾貝爾獎的視頻資料，讓學生了解青蒿素發明的背景，體會分子結構測定的意義。（科學態度與社會責任)
2. 通過問題驅動閱讀課本“項目活動1”，讓學生尋找研究人員在測定青蒿素分子結構過程中采用的實驗手段，及不同實驗手段為建立模型所提供的證據。知道利用晶體X射線衍射測定分子的空間結構，是測定分子結構的重要手段。（證據推理與模型認知）
3.引導學生模擬并體驗科學家的工作，展開測定青蒿素分子結構的探究，體會現代實驗手段在化學研究中的應用，認識借助實驗獲得證據進而建立物質結構模型的過程。（科學探究與創新意識）
4.引導學生利用提供的材料和工具動手拼插青蒿素的分子模型，鍛煉動手、動腦的綜合能力，體會科學家探索物質微觀結構并建立相關理論過程的艱辛，形成通過科學研究促進社會發展、造福人類命運共同體的意識。（科學態度與社會責任)

• 教學分析：

（一）、教材分析
    本項目承載著引導學生進一步提升對有關物質結構的基本認識，深入認識物質的結構與性質的關系、認識研究物質結構的方法和價值，發展“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”化學學科核心素養的使命。
   對于像青蒿素這樣較復雜的分子，其結構用一般的實驗方法難以精確測定，須采用晶體X射線衍射確定原子的空間位置，對分子空間結構進行精確測定。在本項目學習的過程中，設置學生動手搭建模型的環節，使學生能夠直觀地感受并深入理解晶體X射線衍射在測定分子結構方面的重要價值，通過總結形成研究物質結構的基本思路和方法。通過本項目的學習，學生可以知道分子具有一定的空間結構，分子的結構可以通過一定的實驗方法（如原子光譜、分子光譜、晶體X射線衍射等）來測定，通過大量的實驗測定發現分子結構具有一定的規律性（鍵長、鍵角等），這些結構規律可以用相關理論或結構模型來解釋（雜化軌道理論、價電子對互斥理論等)。
    通過教材的第二章和第三章的學習，由淺入深的讓學生認識物質的性質、變化和用途與物質的聚集狀態之間的關系，在研究物質的結構與性質時，不僅要研究微粒的空間排布情況和微粒之間的相互作用，還要研究物質的聚集狀態。本項目以“青蒿素分子的結構測定一晶體在分子結構測定中的應用”為載體，通過項目活動引導學生了解測定分子結構的一-般思路與方法，認識晶體對于分子結構測定的意義。基于學生認識的螺旋式上升發展，本章教材引領學生逐步體會物質的宏觀性質、微觀結構與結構理論模型三者之間的關系，推動了對物質結構的認識不斷走向深入。
（二）、學情分析
⑴學生在《有機化學》模塊的學習中已經接觸了物質分子式和結構的一般判斷方法，例如：紅外光譜、核磁共振氫譜、質譜等，但不論是常規的化學試驗方法，還是質譜、紅外光譜等儀器測定的手段都只能幫助我們認識分子的組成和官能團等結構特點，并借此推測分子的結構，但對于所含原子數較多的分子來說難以對其空間結構進行精準判斷。
⑵學生在本教材的第二章和第三章的學習中，已經對晶體的結構及分析晶胞可以了解分子的具體空間構型有深刻了解。在兩年的高中學習過程中有了一定的搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力，但仍有待提高。
四、教學重點：
教學重點：分析并引導、介紹研究物質結構與性質的一般方法和程序。
教學難點：拼插青蒿素的分子結構模型。
五、教學策略及方法
 本項目的主要目的是以青蒿素分子的結構測定為載體，引導學生初步認識利用晶定分子結構的意義以及借助原子位置確定分子空間結構的方法，形成利用晶體X射線衍射技術質結構的基本思路和方法。
【項目引入】
在本項目活動的實施過程中，可首先通過講述越南戰爭時期社會的需求和屠呦呦團隊分離提純青蒿素的科學史實，引導學生思考在發現青蒿素之后科學家必須要進行的重要工作測定青蒿素的分子結構。
【活動1：了解利用晶體測定分子結構的意義】
    簡要介紹青蒿素的組成與結構測定的文獻資料，為學生了解、討論并梳理測定分子結構的常用方法提供學習資源。學生通過閱讀文獻資料，了解、討論并梳理測定分子結構的常用方法。
引導學生通過估算樣品中的原子數，逐步明確對于較復雜的分子，以晶體為載體，通過晶體X射線衍射測定其分子結構是一種有效的實驗手段。
【活動2：借助原子位置確定分子空間結構】
    向學生介紹X射線衍射分析可以根據提供的電子云密度圖，并把電子云密度圖轉化成三維坐標，展示科學家測定青蒿素分子結構所進行的主要工作的材料，供學生思考借助晶體X射線衍射測定分子結構的基本思路。讓學生根據坐標親自動手擺放原子模型、根據鍵長信息確定鍵的位置和種類，具有很強的挑戰性。
【學生動手實踐】
    教師簡介青蒿素的晶胞參數及原子坐標的概念，并提供等比例放大的青蒿素分子中碳原子和氧原子的原子坐標信息。在此基礎上，學生分組合作，根據原子坐標信息利用泡沫板、泡沫球和毛衣針等將碳原子和氧原子的位置擺放并固定好。教師介紹如何利用鍵長數據，判斷相鄰原子間是否形成化學鍵以及形成什么類型的共價鍵。學生進一步分工合作，根據鍵長信息確定青蒿素分子中化學鍵的位置和種類，用竹簽等工具將成鍵原子連接起來，獲得青蒿素的分子骨架，再借助碳、氧原子的成鍵規律，將氫原子連接在所搭模型相應的原子上，獲得青蒿素分子的完整結構。

• 教學過程：

實施過程	活動內容	教師的準備	學生活動	活動意圖
項目導入	講述越南戰爭時期社會的需求和屠 呦呦團隊首次分離提純青蒿素的科學史實。 引導學生思考在發現青蒿素之后科 學家必須要進行的重要工作一結構測定。	2015年，中國中醫科學院的屠呦呦因為發現治療瘧疾新藥青蒿素獲得了諾貝爾生理學或醫學獎，她也是首位獲得諾貝爾科學類獎項的中國科學家。最近，88歲高齡的屠呦呦又帶著一系列重要成果再次刷屏了。比如說雙氫青蒿素對于治療紅斑狼瘡有著明顯效果。 那么當年屠呦呦在什么背景下開始研究青蒿素呢？我們一起來看一下【視頻1】	認真聆聽，用心感受。       觀看視頻，了解青蒿素研制的背景。	講述一個有年代感的史實,既能培養學生勇挑重擔的態度,又能提升學生的民族自豪感。 初步體會結構測定的必要性和價值。
		【過渡】中醫藥是中華文明的瑰寶。習大大也明確提出要遵循中醫藥發展規律，傳承精華，守正創新，加快推進中醫藥現代化，產業化，讓中華文明瑰寶煥發新的光彩。我們作為新時代的年輕人，更要好好學習，明年積極報考中醫藥大學，加入到我國中醫藥的研發大軍中，為祖國做貢獻。
		展示本項目的學習目標	明確本節課自己需要完成的主要任務	目標明確，才能有的放矢。
		【設問】屠呦呦從植物青蒿中提取了青蒿素。如果你是屠呦呦，接下來你準備做什么呢？	思考并回答：研究如何大規模生產，在青蒿素的基礎上進行改進，前提是確定青蒿素的結構。	讓學生了解所有的研究工作的前提是測定青蒿素的分子結構，因為這是開展其他工作的基礎。
活動1: 了解利用 晶體測定 分子結構 的意義	設計測定青蒿素分子結構的方法。 根據文獻資料提取青蒿素分子的結 構信息。 利用已知信息嘗試寫出青蒿素分子 的結構。	【過渡】通過這么多年的辛苦鉆研，屠呦呦團隊都做了哪些工作？請大家閱讀課本P117-118“項目活動1”，回答學案上的三個問題。	針對學案上的問題，認真閱讀課本上“項目活動1”的材料。	學以致用，了解在研究青蒿素的結構過程可能采用學過的結構測定方法。
		通過問題的解答讓學生體會質譜、紅外光譜、氫譜等儀器手段，只能幫助我們認識分子的官能團等結構特點，但對于含原子數較多的分子難以對其空間結構進行精確判斷。將研究轉向利用X射線衍射測定晶胞中各原子的位置最終確定青蒿素的具體結構。	交流學案上問題的答案。 思考老師的提問，并認真聆聽老師的解釋。	讓學生意識到核磁共振等方法面對復雜有機化合物時存在的局限性。體會科學家的研究工作多么繁瑣不易，同時激發后續自己動手實踐的興趣。
活動2: 借助原子 位置確定 分子空間 結構		科學家測定青蒿素分子結構進行的主要工作流程歸納為：1.確定晶胞參數 2.識別原子位置 3.建立原子坐標4.確定分子骨架  5.獲得完整結構	傾聽、記憶	明確結構測定的一般流程步驟。
	任務1:尋找測定青蒿素分子結構的新方法 。理解晶體X射線衍射的基本原理。	1.確定晶胞參數 播放微視頻“X射線衍射相分析”	認真觀看視頻，了解X射線衍射的基本原理和應用。	通過微視頻讓學生初步體會晶體X射線衍射的原理，獲取青蒿素的晶胞參數。 通過講述電子云密度圖與分子結構的關系，引導學生學會根據圖像識別并判斷青蒿素電子云密度圖中的分子信息。增加獲取解析青蒿素分子結構的新信息。
	任務2:分析用青蒿素電子密度圖直接解析青蒿素的分子結構,存在哪些問 題,思考解決方案。	2.識別原子位置 講述電子云密度圖與分子結構測定的關系，并展示青蒿素電子云密度圖。 【提問】如果用該圖來解析青蒿素的分子結構，你覺得存在哪些問題呢？影響結論的得出嗎？ 解釋原因	認真觀看，得出青蒿素分子中碳原子和氫原子的平面投影相對位置。 思考：圖中的電子云密度圖存在的問題：缺少了22個氫原子。
活動2: 借助原子 位置確定 分子空間 結構	任務3:初步搭建青蒿素分子模型。 分組合作,根據青蒿素的三維坐標信息,利用泡沫板、坐標紙、泡沫球和鋼簽等將青蒿素中所有氧原子和碳原子位置擺放并固定下來。	3.建立原子坐標 查閱資料,將電子密度圖轉化為三維坐標。		鍛煉學生的動手能力和團隊合作意識，初步體會青蒿素分子結構的立體性。       體會科學家確定青蒿素分子模型的不易，需要查閱大量資料，根據不同原子間鍵長不同，及各原子的價鍵理論，反復推敲，確定最終的碳、氧骨架。
		4.確定分子骨架     以一個晶胞的頂點為原點建立三維坐標，表示原子在晶胞中的位置 為學生提供泡沫板、坐標紙、鋼簽、泡沫球（用紅、藍色區分碳原子和氧原子）、牙簽等所需用具。	分小組動手實踐： ① 標記每個原子在xOy中的位置 ② 標記泡沫球 ③確定原子的z軸位置 ④將帶球鋼簽扎入泡沫板
	任務4.分組合作，根據鍵長信息確定青蒿素中化學鍵的種類和位置,確定青蒿素的碳原子和氧原子骨架。	引導學生回顧項目開始時已經知道的青蒿素結構中已確定的結構和信息，分析青蒿素球棍模型中存在的問題,尋找確定化學鍵位置的方法。 提供所需鍵長（放大5×108倍）  C-C約6.7cm，  C-O鍵長約6.15cm，  C=O鍵長約5.15cm，	根據老師的引導和原子間鍵長的關系，嘗試運用牙簽將碳原子和氧原子連接固定，得出分子的骨架。
	任務5:確定青蒿素分子的完整結構。	獲得完整結構   引導學生根據C.O原子連接關系和成鍵類型確定氫原子數目、位置。	小組合作，根據碳原子和氫原子的成鍵特點和位置，動手用牙簽將氫原子全部固定在正確位置上，從而得出青蒿素的完整分子結構。	結合前面課程分析所得信息進行推斷。鼓勵學生迎難而上，激發對科研的熱情，體會喜悅感與成就感。
項目成果 展示	學生展示匯報所搭建的青蒿素分子結構模型，并分享自己的體會與收獲。總結研究物質結構的一般思路。	指導小組進行成功展示并照相留念。 【板書】小結：認識物質結構的基本角度和基本思路。	展示本小組成功搭建的青蒿素分子結構模型。	前后呼應，總結結構鑒定的意義。體會科學探究永無止境。

• 項目實踐過程：

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