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视频标签：青蒿素

所属栏目：高中化学优质课视频

视频课题：鲁科版选择性必修2物质结构与性质《青蒿素分子的结构测定》

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鲁科版选择性必修2物质结构与性质《青蒿素分子的结构测定》_高中_化学_王文娜

一、项目学习目标：
1．了解测定分子结构的一般思路与方法，认识晶体对于分子结构测定的独特意义。
——锻炼并提高“证据推理与模型认知”的化学核心素养。
2．知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。
——锻炼并提高“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。
3．体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，认识、解释和预测物质性质具有重要价值。
——锻炼并提高“科学探究与创新意识”的化学核心素养。

• 教学目标：

1.通过屠呦呦获得诺贝尔奖的视频资料，让学生了解青蒿素发明的背景，体会分子结构测定的意义。（科学态度与社会责任)
2. 通过问题驱动阅读课本“项目活动1”，让学生寻找研究人员在测定青蒿素分子结构过程中采用的实验手段，及不同实验手段为建立模型所提供的证据。知道利用晶体X射线衍射测定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。（证据推理与模型认知）
3.引导学生模拟并体验科学家的工作，展开测定青蒿素分子结构的探究，体会现代实验手段在化学研究中的应用，认识借助实验获得证据进而建立物质结构模型的过程。（科学探究与创新意识）
4.引导学生利用提供的材料和工具动手拼插青蒿素的分子模型，锻炼动手、动脑的综合能力，体会科学家探索物质微观结构并建立相关理论过程的艰辛，形成通过科学研究促进社会发展、造福人类命运共同体的意识。（科学态度与社会责任)

• 教学分析：

（一）、教材分析
    本项目承载着引导学生进一步提升对有关物质结构的基本认识，深入认识物质的结构与性质的关系、认识研究物质结构的方法和价值，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的使命。
   对于像青蒿素这样较复杂的分子，其结构用一般的实验方法难以精确测定，须采用晶体X射线衍射确定原子的空间位置，对分子空间结构进行精确测定。在本项目学习的过程中，设置学生动手搭建模型的环节，使学生能够直观地感受并深入理解晶体X射线衍射在测定分子结构方面的重要价值，通过总结形成研究物质结构的基本思路和方法。通过本项目的学习，学生可以知道分子具有一定的空间结构，分子的结构可以通过一定的实验方法（如原子光谱、分子光谱、晶体X射线衍射等）来测定，通过大量的实验测定发现分子结构具有一定的规律性（键长、键角等），这些结构规律可以用相关理论或结构模型来解释（杂化轨道理论、价电子对互斥理论等)。
    通过教材的第二章和第三章的学习，由浅入深的让学生认识物质的性质、变化和用途与物质的聚集状态之间的关系，在研究物质的结构与性质时，不仅要研究微粒的空间排布情况和微粒之间的相互作用，还要研究物质的聚集状态。本项目以“青蒿素分子的结构测定一晶体在分子结构测定中的应用”为载体，通过项目活动引导学生了解测定分子结构的一-般思路与方法，认识晶体对于分子结构测定的意义。基于学生认识的螺旋式上升发展，本章教材引领学生逐步体会物质的宏观性质、微观结构与结构理论模型三者之间的关系，推动了对物质结构的认识不断走向深入。
（二）、学情分析
⑴学生在《有机化学》模块的学习中已经接触了物质分子式和结构的一般判断方法，例如：红外光谱、核磁共振氢谱、质谱等，但不论是常规的化学试验方法，还是质谱、红外光谱等仪器测定的手段都只能帮助我们认识分子的组成和官能团等结构特点，并借此推测分子的结构，但对于所含原子数较多的分子来说难以对其空间结构进行精准判断。
⑵学生在本教材的第二章和第三章的学习中，已经对晶体的结构及分析晶胞可以了解分子的具体空间构型有深刻了解。在两年的高中学习过程中有了一定的搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力，但仍有待提高。
四、教学重点：
教学重点：分析并引导、介绍研究物质结构与性质的一般方法和程序。
教学难点：拼插青蒿素的分子结构模型。
五、教学策略及方法
 本项目的主要目的是以青蒿素分子的结构测定为载体，引导学生初步认识利用晶定分子结构的意义以及借助原子位置确定分子空间结构的方法，形成利用晶体X射线衍射技术质结构的基本思路和方法。
【项目引入】
在本项目活动的实施过程中，可首先通过讲述越南战争时期社会的需求和屠呦呦团队分离提纯青蒿素的科学史实，引导学生思考在发现青蒿素之后科学家必须要进行的重要工作测定青蒿素的分子结构。
【活动1：了解利用晶体测定分子结构的意义】
    简要介绍青蒿素的组成与结构测定的文献资料，为学生了解、讨论并梳理测定分子结构的常用方法提供学习资源。学生通过阅读文献资料，了解、讨论并梳理测定分子结构的常用方法。
引导学生通过估算样品中的原子数，逐步明确对于较复杂的分子，以晶体为载体，通过晶体X射线衍射测定其分子结构是一种有效的实验手段。
【活动2：借助原子位置确定分子空间结构】
    向学生介绍X射线衍射分析可以根据提供的电子云密度图，并把电子云密度图转化成三维坐标，展示科学家测定青蒿素分子结构所进行的主要工作的材料，供学生思考借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路。让学生根据坐标亲自动手摆放原子模型、根据键长信息确定键的位置和种类，具有很强的挑战性。
【学生动手实践】
    教师简介青蒿素的晶胞参数及原子坐标的概念，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标信息。在此基础上，学生分组合作，根据原子坐标信息利用泡沫板、泡沫球和毛衣针等将碳原子和氧原子的位置摆放并固定好。教师介绍如何利用键长数据，判断相邻原子间是否形成化学键以及形成什么类型的共价键。学生进一步分工合作，根据键长信息确定青蒿素分子中化学键的位置和种类，用竹签等工具将成键原子连接起来，获得青蒿素的分子骨架，再借助碳、氧原子的成键规律，将氢原子连接在所搭模型相应的原子上，获得青蒿素分子的完整结构。

• 教学过程：

实施过程	活动内容	教师的准备	学生活动	活动意图
项目导入	讲述越南战争时期社会的需求和屠 呦呦团队首次分离提纯青蒿素的科学史实。 引导学生思考在发现青蒿素之后科 学家必须要进行的重要工作一结构测定。	2015年，中国中医科学院的屠呦呦因为发现治疗疟疾新药青蒿素获得了诺贝尔生理学或医学奖，她也是首位获得诺贝尔科学类奖项的中国科学家。最近，88岁高龄的屠呦呦又带着一系列重要成果再次刷屏了。比如说双氢青蒿素对于治疗红斑狼疮有着明显效果。 那么当年屠呦呦在什么背景下开始研究青蒿素呢？我们一起来看一下【视频1】	认真聆听，用心感受。       观看视频，了解青蒿素研制的背景。	讲述一个有年代感的史实,既能培养学生勇挑重担的态度,又能提升学生的民族自豪感。 初步体会结构测定的必要性和价值。
		【过渡】中医药是中华文明的瑰宝。习大大也明确提出要遵循中医药发展规律，传承精华，守正创新，加快推进中医药现代化，产业化，让中华文明瑰宝焕发新的光彩。我们作为新时代的年轻人，更要好好学习，明年积极报考中医药大学，加入到我国中医药的研发大军中，为祖国做贡献。
		展示本项目的学习目标	明确本节课自己需要完成的主要任务	目标明确，才能有的放矢。
		【设问】屠呦呦从植物青蒿中提取了青蒿素。如果你是屠呦呦，接下来你准备做什么呢？	思考并回答：研究如何大规模生产，在青蒿素的基础上进行改进，前提是确定青蒿素的结构。	让学生了解所有的研究工作的前提是测定青蒿素的分子结构，因为这是开展其他工作的基础。
活动1: 了解利用 晶体测定 分子结构 的意义	设计测定青蒿素分子结构的方法。 根据文献资料提取青蒿素分子的结 构信息。 利用已知信息尝试写出青蒿素分子 的结构。	【过渡】通过这么多年的辛苦钻研，屠呦呦团队都做了哪些工作？请大家阅读课本P117-118“项目活动1”，回答学案上的三个问题。	针对学案上的问题，认真阅读课本上“项目活动1”的材料。	学以致用，了解在研究青蒿素的结构过程可能采用学过的结构测定方法。
		通过问题的解答让学生体会质谱、红外光谱、氢谱等仪器手段，只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点，但对于含原子数较多的分子难以对其空间结构进行精确判断。将研究转向利用X射线衍射测定晶胞中各原子的位置最终确定青蒿素的具体结构。	交流学案上问题的答案。 思考老师的提问，并认真聆听老师的解释。	让学生意识到核磁共振等方法面对复杂有机化合物时存在的局限性。体会科学家的研究工作多么繁琐不易，同时激发后续自己动手实践的兴趣。
活动2: 借助原子 位置确定 分子空间 结构		科学家测定青蒿素分子结构进行的主要工作流程归纳为：1.确定晶胞参数 2.识别原子位置 3.建立原子坐标4.确定分子骨架  5.获得完整结构	倾听、记忆	明确结构测定的一般流程步骤。
	任务1:寻找测定青蒿素分子结构的新方法 。理解晶体X射线衍射的基本原理。	1.确定晶胞参数 播放微视频“X射线衍射相分析”	认真观看视频，了解X射线衍射的基本原理和应用。	通过微视频让学生初步体会晶体X射线衍射的原理，获取青蒿素的晶胞参数。 通过讲述电子云密度图与分子结构的关系，引导学生学会根据图像识别并判断青蒿素电子云密度图中的分子信息。增加获取解析青蒿素分子结构的新信息。
	任务2:分析用青蒿素电子密度图直接解析青蒿素的分子结构,存在哪些问 题,思考解决方案。	2.识别原子位置 讲述电子云密度图与分子结构测定的关系，并展示青蒿素电子云密度图。 【提问】如果用该图来解析青蒿素的分子结构，你觉得存在哪些问题呢？影响结论的得出吗？ 解释原因	认真观看，得出青蒿素分子中碳原子和氢原子的平面投影相对位置。 思考：图中的电子云密度图存在的问题：缺少了22个氢原子。
活动2: 借助原子 位置确定 分子空间 结构	任务3:初步搭建青蒿素分子模型。 分组合作,根据青蒿素的三维坐标信息,利用泡沫板、坐标纸、泡沫球和钢签等将青蒿素中所有氧原子和碳原子位置摆放并固定下来。	3.建立原子坐标 查阅资料,将电子密度图转化为三维坐标。		锻炼学生的动手能力和团队合作意识，初步体会青蒿素分子结构的立体性。       体会科学家确定青蒿素分子模型的不易，需要查阅大量资料，根据不同原子间键长不同，及各原子的价键理论，反复推敲，确定最终的碳、氧骨架。
		4.确定分子骨架     以一个晶胞的顶点为原点建立三维坐标，表示原子在晶胞中的位置 为学生提供泡沫板、坐标纸、钢签、泡沫球（用红、蓝色区分碳原子和氧原子）、牙签等所需用具。	分小组动手实践： ① 标记每个原子在xOy中的位置 ② 标记泡沫球 ③确定原子的z轴位置 ④将带球钢签扎入泡沫板
	任务4.分组合作，根据键长信息确定青蒿素中化学键的种类和位置,确定青蒿素的碳原子和氧原子骨架。	引导学生回顾项目开始时已经知道的青蒿素结构中已确定的结构和信息，分析青蒿素球棍模型中存在的问题,寻找确定化学键位置的方法。 提供所需键长（放大5×108倍）  C-C约6.7cm，  C-O键长约6.15cm，  C=O键长约5.15cm，	根据老师的引导和原子间键长的关系，尝试运用牙签将碳原子和氧原子连接固定，得出分子的骨架。
	任务5:确定青蒿素分子的完整结构。	获得完整结构   引导学生根据C.O原子连接关系和成键类型确定氢原子数目、位置。	小组合作，根据碳原子和氢原子的成键特点和位置，动手用牙签将氢原子全部固定在正确位置上，从而得出青蒿素的完整分子结构。	结合前面课程分析所得信息进行推断。鼓励学生迎难而上，激发对科研的热情，体会喜悦感与成就感。
项目成果 展示	学生展示汇报所搭建的青蒿素分子结构模型，并分享自己的体会与收获。总结研究物质结构的一般思路。	指导小组进行成功展示并照相留念。 【板书】小结：认识物质结构的基本角度和基本思路。	展示本小组成功搭建的青蒿素分子结构模型。	前后呼应，总结结构鉴定的意义。体会科学探究永无止境。

• 项目实践过程：

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