1. 引言
2020年3月，国家发改委和生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，明确指出要“有序禁止、限制部分塑料产品的生产、销售和使用”。塑料是一种质地轻、绝缘性好、耐腐蚀、易加工的高分子材料，被广泛应用于各个领域。但是，废弃的塑料却对环境危害巨大。2022年3月，荷兰科学家H. A. Leslie等在人类血液中首次发现微塑料，塑料通过生物链已经开始威胁人类健康[1]。近年，在碳中和背景下，为解决白色污染，有关可降解塑料的研究日益增加。塑料可按照原料分为石油基塑料和生物基塑料，其中，石油基可降解塑料以化石能源为原料，主要包括聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚ε-己内酯(PCL)等。而生物基可降解塑料以玉米、土豆、秸秆等为原料，主要包括聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)等。在微生物作用下，生物基可降解塑料先转化为小分子，再进一步转变为CO2和H2O等物质而消失。以淀粉为来源的生物塑料，可以被完全生物降解，可堆肥，对环境无污染[2]。这种材料可以代替传统石油基塑料，用于塑料包装材料、一次性餐饮具和食品容器等[3]。因此，生物可降解塑料是未来塑料工业发展的主流方向之一。
新课程标准指出化学实验对发展学生的化学学科核心素养具有重要作用，教师应积极探索以“素养为本”的实验教学，创设真实情境，组织多样化的实验探究活动，进行结构化教学[4] [5]。在高中阶段，学生对石油基塑料认识较深，但是对生物基塑料并不了解。在教材中提到可降解高分子是解决白色污染的重要手段[6]，但并未涉及合成可降解高分子的实验，学生从未接触过可降解高分子，很难对其产生感性认识。因此，本文以“可降解生物塑料的合成”为课题，聚焦社会热点，以“人类血液中首次发现微塑料”的真实情境，引导学生开展探究式学习，让学生体会绿色化学，发展化学学科核心素养，培养社会责任感。
2. 实验原理及创新点
2.1. 实验原理
淀粉属于多糖，分子中有很多羟基，形成了大量的分子内和分子间氢键。淀粉与醋酸反应形成醋酸酯淀粉，增加了空间位阻，破坏了淀粉分子间的氢键，提高了淀粉的水溶性，增加了透明度和稳定性。然而，这样制得的生物塑料硬而脆，不具备弹性和柔韧性，性能与常见的聚乙烯塑料相差较远。甘油(丙三醇)是一种增塑剂，丙三醇中含有羟基，可以与淀粉中的羟基形成氢键，从而减弱淀粉分子间氢键，增加淀粉之间的相对滑动性，提高生物塑料的柔韧性，使之富有弹性。同时，还可以加入着色剂，赋予生物塑料丰富多彩的颜色。
2.2. 实验创新点
(1) 创新性地合成了可降解生物塑料，让可降解高分子触手可及。紧跟时代热点，实现了化学、生物与材料的跨学科实验教学。
(2) 本实验采用了“一锅法”的有机合成方法制备了淀粉基可降解塑料，其性能与石油基塑料类似，有弹性、柔韧性和光泽感。由简单易得的原料不经中间处理，一步获得高分子材料，体现了简约、绿色、安全的实验原则。
(3) 学生分组探究影响淀粉基塑料性能的因素，培养了学生的团结合作意识和科学探究精神。使用不同色素进行探究实验，趣味性强。
(4) 学生撰写实验报告，提高了学生对信息获取加工、逻辑推理和归纳论证的关键能力，培养了学生严谨的科学态度。
3. 实验教学目标
基于新课程标准提出的“教、学、评”一体化的理念[4]，结合学生的学情，制定了以下的教学目标和评价目标见表1。
Table 1. Teaching objectives and evaluation objectives
表1. 教学目标和评价目标
教学目标 |
评价目标 |
(1) 了解可降解塑料的类型与应用。 |
(1) 通过实物显示与前沿问题讨论，诊断学生的理解与辩识能力以及科学态度与社会责任素养水平。 |
(2) 掌握合成生物塑料的方法，构建“工艺–结构–性能–应用”的认知模型。 |
(2) 通过合成路线分析、演示实验展示等活动，诊断学生的归纳与论证能力以及模型认知水平。 |
(3) 通过探究影响淀粉基塑料性能的因素，进一步体会“变量控制”的思维方法。 |
(3) 通过资料筛查和分组实验探究等活动，诊断学生的科学探究能力和证据推理能力。 |
4. 实验教学流程
Figure 1. Experimental teaching process
图1. 实验教学流程
本实验课出自人教版(2019)选择性必修3第五章第二节高分子材料的内容[6]。以“人类血液中首次发现微塑料”为情境主线，提取出化学核心知识，设计学习任务，在学习中发展学生化学学科核心素养[7]。实验教学流程如图1所示。
5. 实验教学过程
5.1. 创设情境，提出问题
【情境1】PPT展示：同时观看两组视频(如图2)。
Figure 2. Video comparison chart of petroleum-based polyethylene plastics (Left) and starch-based bioplastics synthesized in this experiment (Right)
图2. 聚乙烯石油基塑料(左)和本实验合成的淀粉基生物基塑料(右)的视频对比图
【教师】请大家回顾聚乙烯石油基塑料的性能和组成。
【学生】塑料的性能：有弹性、柔韧性、光泽感等。塑料的组成：主要成分是合成树脂，可以加入助剂，如增塑剂(提高柔韧性)、着色剂(赋予塑料各种颜色)和热稳定剂(提高耐热性)。
【教师】加入助剂，使用不同的工艺，就能控制塑料的结构，从而决定塑料的性能及其应用。尽管塑料给我们的生活带来了极大的便利，但白色污染也困扰着我们。
【情境2】近日，国际环境杂志上发表一篇文章，人类血液中首次发现微塑料，塑料颗粒能被人体吸收。那我们应该怎样解决白色污染呢？
【学生】在教材“科学·技术·社会”栏目中提到了解决办法，用淀粉、纤维素等原料合成可降解的高分子材料。
【教师】塑料可分为石油基塑料和生物基塑料，其中石油基也有可降解的塑料，随着禁塑政策的推行，生物基可降解塑料得到了蓬勃的发展。生物基可降解塑料的产品有生物塑料袋、面料、减震材料。以淀粉为来源的生物塑料能够被完全生物降解，可堆肥，对环境无污染。
设计意图：先从实物展示的视频引入，引发学生的兴趣。再引导学生想到用可降解生物塑料来解决白色污染，帮助学生建立环境和资源可持续发展的意识，发展学生“科学态度与社会责任”的核心素养。
5.2. 创新实验，解决问题
【教师】观看实验时，请同学们思考实验过程中涉及的知识。
【教师演示实验】可降解生物塑料的合成实验：在200 mL烧杯中加入1 g土豆淀粉、30 mL蒸馏水、1 mL食醋，1滴食用色素，搅拌均匀，加热，接近沸腾时，加入1 mL甘油，搅拌，可以看到液体变为粘稠状，继续搅拌，会发现液体变为透明，尽可能蒸发水分，停止加热。用坩埚钳将烧杯转移至石棉网上，将烧杯中液体分别转移至培养皿中，室温冷却干燥一天。干燥后的淀粉基生物塑料很薄，柔软且具有弹性和韧性，颜色均匀。
【学生】可以根据需要加入助剂，如醋酸、色素和甘油。通过培养皿等模具定型，冷却干燥后脱模即可。
【教师】本实验无毒无污染，符合“绿色化学”的原则，但在实际生产中仍然需要不断改进，以提升生物塑料的性能，从而让生物塑料承担起解决白色污染的重担。
设计意图：向学生强调在自主设计实验时应遵循“绿色化学”的原则。学生分析实验过程中所蕴含的化学知识，培养学生获取信息的能力，发展学生“科学探究与创新意识”的核心素养。
5.3. 分组实验，探究原理
【教师】在合成淀粉基生物塑料时，影响淀粉基塑料性能的因素有哪些？
【学生】醋酸、甘油、色素和淀粉来源可能会影响淀粉基塑料的性能。
【教师】为提高课堂效率，请同学们分为四组，分别探究醋酸、甘油、色素和淀粉来源对淀粉基塑料的性能的影响。
【学生】进行分组，交流讨论，制定小组实验方案，与教师讨论探究实验的可行性，然后小组合作，进行探究实验。
【学生分组实验】合作探究影响淀粉基塑料性能的因素。
【教师】请同学们根据探究实验结果，查阅资料，分析原因，交流讨论。然后请各小组组长进行实验结论汇报。
【学生小组1】我们组探究的影响因素是醋酸，用到的蓝色色素，控制的单一变量是有无醋酸。不加醋酸的样品均一性略差，结论是醋酸会影响淀粉基塑料的均一性。通过查阅资料，可以知道淀粉中含有大量羟基，一定条件下，可以和醋酸发生酯化反应，增加空间位阻，破坏淀粉分子间氢键，提高淀粉水溶性，可以增加生物塑料的透明度和均一性。
【学生小组2】我们组探究的影响因素是甘油，用到的黄色色素，控制的单一变量是有无甘油。不加甘油的样品质地硬而脆，不柔软，很难从培养皿中剥离，结论是甘油会影响淀粉基塑料的柔韧性。通过查阅资料，可以知道甘油(丙三醇)是一种增塑剂，丙三醇中有羟基，可以与淀粉中的羟基形成氢键，从而减弱淀粉分子间氢键，增加淀粉之间的相对滑动性，提高生物塑料的柔韧性，使之富有弹性。
【学生小组3】我们组探究的影响因素是色素，用到的红色色素，控制的单一变量是有无色素。不加色素的样品无色透明，结论是色素会改变淀粉基塑料的颜色。通过查阅资料，可以知道色素是一种常用的着色剂，可以赋予生物塑料各种颜色。
【学生小组4】我们组探究的影响因素是淀粉来源，用到的绿色色素，控制的单一变量是淀粉来源，即土豆淀粉和玉米淀粉。两种样品的性能类似，具有柔韧性、弹性、光泽感和透明度。查阅资料可知，来源不同，但它们化学成分都是淀粉，因此性能类似。
【学生】整合信息，得到以下结论见表2。
Table 2. Experimental investigation on the factors affecting the properties of starch-based plastics
表2. 影响淀粉基塑料性能实验探究
影响因素 |
影响哪种性能 |
醋酸 |
影响均一性 |
甘油 |
影响柔韧性 |
色素 |
影响颜色 |
淀粉来源 |
不影响 |
【学生】展示合成的淀粉基生物塑料(如图3)以及生物塑料产品(如图4)。
Figure 3. Starch-based bioplastics synthesized by students
图3. 学生合成的淀粉基生物塑料
Figure 4. Products made by students: glasses and a yellow cup with replicated three-dimensional patterns
图4. 学生制作的产品：眼镜和复刻立体花纹的黄色杯子
设计意图：通过分组实验，提高学生合作探究的能力。学生在实验中直观感受添加不同助剂对材料性能的影响，进一步构建“工艺–结构–性能–应用”的认知模型，发展学生“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新意识”的核心素养。
5.4. 学生小结，教师总结
【学生】撰写实验报告，分享与交流(如图5)。
【学生】加入不同的助剂，会改变物质的内在结构，从而影响性能，影响实际应用。通过查找资料，以得到有效信息，从微观角度去解释宏观现象。
【教师】在实际生产中，影响产品性能的因素是多方面的，要综合考虑，以得到最佳的生产工艺。
【教师】选择性必修3的引言中提出：“神奇出自平凡和努力，创新源自思考与实践，同时也能进一步领略化学的魅力”。平凡的科学家付出努力，发明出了神奇的塑料，在实践过程中，给我们的生活提供了极大的便利，但同时，也造成了严重的白色污染，这引发了我们的思考。于是，我们创新性地合成了可降解生物塑料以解决环境问题。化学一路走来，闪烁着人类的智慧之光。
引导学生及时反思总结，从而提高实验教学有效性。教师总结进一步深化学生对化学、技术、社会和环境的相互作用关系的理解，发展学生“科学态度与社会责任”的核心素养。
Figure 5. Experimental report written by students (one of them)
图5. 学生撰写的实验报告(其一)
6. 实验教学反思
教师应根据学校实际情况尽可能多地为学生提供做实验的机会，结合具体的教学内容和学生的实际，合理化、绿色化地设计实验，开展实验教学。本实验用品简单易得，趣味性强，可操作性强，可推广性强，即使是条件有限的学校也可以进行该实验教学，为可降解高分子的实验教学提供参考。
基于新课程背景，本节课主动探索了以“素养为本”的趣味性实验教学，以发展化学核心素养为导向，以解决白色污染为目标，创新性地合成了可降解生物塑料，并辅助学生设计出多种合作探究实验，引导学生开展分类与概括、证据与推理、模型与解释等学习活动。本实验教学落实了新课标的要求，发展素质教育，弘扬科学精神。
同时，对高中主题式教学有深刻的认识，教材内容的分析、课程标准的解读、学情分析、单元主题目标的确立、学业质量的评价、教学活动结构化、教学情景的选择、教学评一体化是高中化学主题式教学的关键要素，学科素养暗线和情境贯穿的明线将高中化学教学结构化，更有利于学生化学核心素养真实落地。
基金项目
湖南省教育科学“十四五”规划项目：基于“主题式教学”的高中化学教学实践研究(XJK23CJC104)；湖南省教育科学“十四五”规划项目：基于关键能力模型的普通高中化学课后作业设计研究(XJK24BSM021)；湖南省普通高等学校教学改革研究项目：“生态文明建设”背景下水质工程学课程思政教学体系构建与实践(HNJG-2021-0646)。