“淀粉综合利用”项目式学习_吴孝位.pdf

*2 0 2 1年度湖南省教育信息技术研究课题“互联网+条件下中学化学课堂教学模式创新研究”(课题编号:HN E T R 2 1 0 3 9)*通信联系人,E-m a i l:2 1 7 7 8 1 2 7 q q.c o m“淀粉综合利用”项目式学习*吴孝位1*何雨晴1 孙泽浩2(1.长沙市雅礼实验中学 湖南长沙 4 1 0 0 0 7;2.长沙市雅礼中学 湖南长沙 4 1 0 0 0 7)摘要 以“淀粉综合利用”为项目主题,开展高中化学“基本营养物质”中糖类的教学。学生通过完成“家庭制糖”“家庭制米酒”“家庭酿醋”等9个项目任务,在实践活动和课堂教学中掌握糖类水解的原理、糖类的性质及其转化。通过认识聚乳酸塑料及其使用价值、自制环保材料等实践活动,体会淀粉的综合利用在环境保护中起到的积极作用,落实科学态度与社会责任的化学核心素养。关键词 项目式学习 糖类 淀粉 综合利用D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 1 1 2 0 0 1 6 1 项目主题内容分析本课题的主题内容涉及人教版(2 0 1 9年版)高中化学必修第二册第七章第四节基本营养物质、选择性必修3第四章第一节糖类的相关内容。依据教学内容对学生学科核心素养发展的价值及学科核心知识在社会发展中的实际应用价值1,通过对比必修和选修教材相关内容、普通高中化学课程标准(2 0 1 7年版)的有关要求和教学建议,完成了本项目的设计。1.1 教学内容概述人教版(2 0 1 9年版)高中化学必修第二册“基本营养物质”课题中介绍了糖类、蛋白质和油脂的相关知识。教材的“信息搜索”栏目中,明确要求学生查阅资料,并结合生物课中利用糯米自制米酒的实践活动,分析其化学变化2。选择性必修3中指出淀粉不仅仅是食物的主要成分,也是重要的工业原料,利用淀粉发酵可以得到白酒、食醋;利用淀粉水解产生的葡萄糖为原料,可以生产可降解塑料(P L A)等3。本项目对以上教材内容进行有效整合,组织成符合学生的认知发展要求,贴近学生的生活经验的项目教学内容。1.2 课程标准的相关要求概述在 普通高中化学课程标准(2 0 1 7年版)中,建议利用我国酿酒技术与酒文化、我国酿醋技术与食醋文化等作为教学素材,让学生知道合成新物质是有机化学研究价值的重要体现。能从有机化合物及其性质的角度对实际问题进行分析、讨论和评价4。本项目组织学生进行家庭实验,学生通过实际操作,体会淀粉利用的中国传统酿造工艺,领略化学变化的魅力,感悟化学与生活的紧密联系,形成化学服务生活的思想。1.3 项目主题内容与培育核心素养的关系项目式教学注重知识的综合应用,让学生在收获知识和技能的同时获得知识素养的提升5。本项目设计期望通过学生实践活动,在完成“家庭制糖”“家庭制米酒”“家庭酿醋”等9个项目任务的过程中落实“科学探究与创新意识”核心素养。通过了解现代工艺中的淀粉综合利用,了解化学科学的发展对人类生活的积极意义,体会“绿色化学”的思想,形成S T S E的基本理念,培育“科学态度与社会责任”核心素养。2 项目教学目标(1)通过课前查阅资料,了解米糖、米酒、米醋的传统制作工艺,提升查阅文献、从文献中获取信息的能力,发展严谨求实的科学态度。(2)通过课堂实验探究,知道常见的糖类物质及其分类、理解醛基的基本性质及相关转化,学会设计实验解决相关问题,发展实验探究的核心素养。(3)通过对我国淀粉利用的传统工艺实践和对现代淀粉综合利用的了解,认识化学技术对于清洁生产、清洁能源等产业发展的重要性,体会化学学科的社会价值,发展科学态度的核心素养。(4)通过认识聚乳酸塑料及其使用价值,发展基于物料和能量角度的“绿色化学”观念,提升社会责任的核心素养。(5)通过家庭制醋的二次实践和以淀粉为原料制932 0 2 3年第4 4卷第5期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)备环保材料的设计和实验,将学习结果应用于实践,体验化学工艺的魅力,发展实验探究的核心素养。3 项目任务及教学流程结合项目主题“淀粉综合利用”设计4个教学环节,以不同的项目任务为载体,通过系列驱动性问题,系统地认识淀粉的综合利用,领略中国传统工艺的魅力,落实化学核心素养。本项目分为课前、课中、课后等3个阶段,具体任务见表1。表1 教学流程T a b l e 1 T e a c h i n g p r o c e s s项目环节项目任务驱动性问题学生活动设计意图环节1:认识中国传统工艺中的淀粉利用任务1:了解我国米糖、米酒、米醋的传统制作工艺,进行家庭实践活动;任务2:展示实践成果,分析过程中发生的化学变化1.为什么原料都是淀粉,却可以制得不同的产品?2.如何理解不同工艺流程中的条件控制?3.如何运用家庭工具完成以上工艺1.查阅资料,了解米糖、米酒、米醋的传统制作工艺;2.运用家庭工具,自制米糖、米酒、米醋;3.比较米糖、米酒、米醋的传统制作工艺,分析该过程中发生的化学变化和原理体验我国传统酿造工艺,学习用化学视角认识工艺原理环节2:对自制米糖、米酒、米醋进行产品检验和过程反思任务3:对自制米糖、米酒、米醋进行产品检验;任务4:讨论检验方法在生活实践中的其他应用1.如何检验制得的麦芽糖、乙醇、乙酸?2.大米是否完全转化成麦芽糖?3.如果未制得相应产品,分析失败原因1.利用麦芽糖、乙醇、乙酸的性质设计反应进行检验;2.系统设计实验方案,检验淀粉的水解程度;3.对设计的实验方案互相评价及优化基于官能团角度认识有机物的化学性质并设计检验实验,基于学科知识的组合迁移与创新应用环节3:认识聚乳酸塑料及其使用价值,畅想淀粉综合利用的发展前景任务5:讨论淀粉在现代工艺中的综合利用;任务6:了解聚乳酸塑料的制取工艺;任务7:畅想淀粉综合利用的发展前景1.淀粉在现代工艺中还可以制得什么产品?2.为什么要提倡使用聚乳酸塑料?3.使用大量的农副产品作为淀粉来源的原料,对此你的看法1.讨论交流,分析淀粉可能制得的衍生产品;2.从聚乳酸结构分析,聚乳酸为什么可降解,设计实验进行验证;3.对未来的研究方向,你有什么样的期待通过讨论淀粉在现代工艺中的应用,感悟化学的学科价值。理解可降解塑料对环境保护的积极意义,体验运用知识解决真实问题的过程,培养社会责任意识环 节4:二 次 实践,完成家庭制醋实验;通过制造环保材料的实践,感受化学之美任务8:探索家庭制醋实验的条件,提高成功率;任务9:以淀粉为原料,制造环保材料1.如何提高家庭制醋实验的成功率?2.如何以淀粉为原料制造环保材料,主要流程有哪些?3.制得的材料基本性能如何?你认为是否有可利用的前景,提出自己的设想1.改进工艺,再次完成家庭制醋实验;2.尝试以淀粉为原料制取环保材料;3.对制得的产品进行简单评价,判断是否有工业化利用前景,提出自己的看法把学习结果应用于实践改进和创新。通过学生二次实践,加强对综合利用的理解,学会从不同角度认知化学学科知识4 项目实施过程及学生学习成果4.1 认识中国传统工艺中的淀粉利用教师提前一个月布置任务,以淀粉为原料,查阅相关资料,利用传统工艺,通过小组合作完成“家庭制糖”“家庭制米酒”“家庭酿醋”等3个项目并展示成果。以下是部分学生的成果展示过程。教师请各小组代表展示成果并简单介绍酿造过程,大家可以对酿造过程中的问题进行交流讨论。首先,请第1小组同学展示家庭制糖过程。学生我们小组负责的是家庭制糖的实验,我们已经知道淀粉可以在麦芽糖酶的作用下转化成麦芽糖。在制作过程中我们遇到的第一个问题是如何获取麦芽糖酶,为尽量复原传统工艺,我们购买了小麦种子,把小麦洗净泡发,待萌出青芽后,切碎,加入到新煮熟并冷却的米饭中自然发酵。待发酵后用纱布过滤汁液,用大火熬煮,当看到汁液变浓稠即可获得饴糖,将饴糖不断拉扯,就可以得到常见的麦芽糖了。转化的化学方程式如下:(2 C6H1 0O5)n+nH2O麦芽糖酶nC1 2H2 2O1 1 学生在制作时,我们发现大米在熬煮的过程中变成了浆糊状,并且有较强的黏性,在某些程度上可以代替胶水。这样的现象引起了我们的兴趣,通过查阅资料发现,淀粉在转化成糖的过程中04化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第5期要先转化成糊精,我们认为浆糊状的物质可能就是糊精,中国古代字画的装裱中就用这个做胶水,具有天然环保的优点。因此,我们认为大米转化成麦芽糖的过程应该是多步反应,糊精是其中重要的中间产物,转化过程应该是这样:淀粉加热糊精催化剂麦芽糖。教师根据实践,你们觉得如何才能提高制糖的成功率?学生经过几次失败的实验和方案调整,我们才得到了麦芽糖。要提高制糖的成功率,最重要的过程是发酵,因此需要对麦芽的生长时间、大米和麦芽的比例、自然发酵的温度和时间进行比较精确地控制(见图1)。F i g.1 T h e p r o c e s s o f m a k i n g s u g a r i n s t u d e n t s h o m e s图1 学生家庭制糖的过程 教师中国酒文化源远流长,中国古代很早就有了用粮食酿酒的记载。下面请第2小组同学就酿酒过程进行展示。学生我们小组负责的是家庭制米酒的实验(图2),我们购买了糯米和酒曲,先将糯米煮熟并冷却,按照比例加入酒曲,充分搅拌均匀,做出酒窝。然后用纱布覆盖,保温发酵,大概2天就可以闻到明显的酒味。教师在转化过程中淀粉是直接转化成酒精吗?你能根据酒曲的成分和作用来分析吗?学生我们购买的酒曲主要成分是泽蓼、甘草、茯苓、丁香、米粉等。根据说明书和酒曲的制作工艺,我们知道,由于酒曲上生长有大量的微生物,还有微生物所分泌的酶,酶具有生物催化作用,可以加速将谷物中的淀粉等转变成糖、氨基酸等。糖分在酵母菌的酶的作用下,分解成乙醇,即酒精。教师在这个活动过程中,你们还有什么思考?学生1这个实验很容易成功,但是得到的米酒中酒精含量较低,于是我们想到可以利用蒸馏原理进行提纯,实验表明,可以得到纯度更高的米酒。学生2我们认为,要保证实验的成功率,提高产品纯度,主要应该对大米与酒曲的比例、发酵的温度和时间、蒸馏提纯的条件加以精确控制。F i g.2 T h e p r o c e s s o f m a k i n g r i c e w i n e a t h o m e图2 学生家庭制米酒的过程 第3小组学生我们小组负责的是家庭制醋的实验(图3),实验步骤相对简单,但是周期比较长。根据生物课学到的知识,我们知道酒在微生物的作用下可以变成醋,因此我们组在制得米酒之后,加入清水进行稀释,并在容器上覆盖纱布保证卫生,不要密封保证透气性,继续发酵,但是成功率不高,部分成员在家庭实验中未闻到明显醋味。教师大家认为没有得到预期现象的原因可能有哪些?学生1我认为可能是时间不够,还需要等待一段时间。142 0 2 3年第4 4卷第5期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)F i g.3 T h e p r o c e s s o f m a k i n g v i n e g a r i n a s t u d e n ts h o m e图3 学生家庭酿醋的过程 学生2也可能是加的清水过多,得到的产品太稀,闻不到醋味。学生3还有可能是家中的环境不利于微生物的繁殖,导致没有相应的酶做催化剂。教师为什么都是以淀粉为原料,却可以制得不同的产品?学生因为在不同的酿造工艺中条件不同,比如催化剂(酶)、温度、发酵时间等。结合几个小组的实验,我认为在淀粉的转化过程中,主要是按以下流程(图4)发生转化的。F i g.4 S t a r c h c o n v e r s i o n f l o w c h a r t d r a w n b y s t u d e n t s图4 学生绘制的淀粉转化流程