張春蘭

（四川省成都市石室中學(xué)）

石墨烯的發(fā)現(xiàn)給新課標(biāo)化學(xué)教學(xué)的幾點(diǎn)啟示

張春蘭

（四川省成都市石室中學(xué)）

英國(guó)兩位科學(xué)家僅用“膠帶”和“鉛筆”，創(chuàng)造性地用撕裂的方法成功獲得超薄材料——石墨烯，因而獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了科學(xué)界，掀起了一場(chǎng)研究石墨烯的熱潮。對(duì)于中學(xué)化學(xué)教學(xué)，新課程改革提倡運(yùn)用自主、合作、探究式的學(xué)習(xí)方式，從石墨烯的發(fā)現(xiàn)過(guò)程淺談對(duì)新課程化學(xué)教學(xué)的幾點(diǎn)粗淺的看法和體會(huì)。

石墨烯；新課程標(biāo)準(zhǔn)；化學(xué)教學(xué)；教學(xué)創(chuàng)新

幾乎人人都使用過(guò)鉛筆，大家知道鉛筆的筆芯大都是由石墨做成的。你是否知道，當(dāng)你用鉛筆在紙上盡情揮灑留下字跡的同時(shí)，一種被譽(yù)為硅“終結(jié)者”的新型超級(jí)納米材料——石墨烯因此而產(chǎn)生。

一、走近石墨烯

石墨烯是一種從石墨中剝離出來(lái)的單層碳原子二維新材料，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄、最輕卻也是最堅(jiān)硬的納米材料。它薄得讓你無(wú)法想象（厚度只有0.335 nm），僅為頭發(fā)厚度的20萬(wàn)分之一，重量幾乎為零，硬度卻超過(guò)鉆石。它擁有最大的表面重量比，1 g石墨烯的面積足以覆蓋幾個(gè)足球場(chǎng)。諾貝爾授獎(jiǎng)委員會(huì)表示，一塊1m2的石墨烯吊床可以支撐4 kg的貓，該吊床的重量?jī)H為0.77 mg，不足貓腮須的重量，肉眼根本看不到。

圖1　石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖

石墨烯是被譽(yù)為硅“終結(jié)者”的新型超級(jí)材料，它還具有很多特性：其導(dǎo)電性可以與銅媲美；導(dǎo)熱性可能比已知的任何材料都要出色得多。物理學(xué)家聲稱(chēng)石墨烯很可能最終取代硅成為計(jì)算機(jī)芯片的基礎(chǔ)材料；此外，石墨烯還可以作為污染監(jiān)測(cè)的敏感材料，用于完善平板電視、制作電子產(chǎn)品柔性透明觸摸屏等。

二、石墨烯的發(fā)現(xiàn)

石墨烯，這位“草根達(dá)人”被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程充滿傳奇色彩。早在1947年，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為石墨烯這種純粹的二維材料是不可能在自然界中獲得的。直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆教授（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）通過(guò)一種極其簡(jiǎn)單的方法首次獲得了石墨烯。他們從石墨中剝離出石墨薄片，利用普通的透明塑料膠帶對(duì)石墨片進(jìn)行反復(fù)的粘貼與撕開(kāi)使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過(guò)顯微鏡在大量的薄片中尋找到了只有一層碳原子厚度的石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了科學(xué)界，不僅因?yàn)樗麄兇蚱屏硕S晶體無(wú)法真實(shí)存在的理論預(yù)言，更重要的是，石墨烯這一極薄的納米材料帶來(lái)了許多超乎想象的新特性，使它成為新型材料領(lǐng)域的一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。這兩位科學(xué)家在短短的6年間，因“突破性地”用撕裂的方法成功獲得超薄材料石墨烯而獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖2　科學(xué)家用膠帶發(fā)現(xiàn)石墨烯的過(guò)程

三、石墨烯的發(fā)現(xiàn)對(duì)新課標(biāo)化學(xué)教學(xué)的幾點(diǎn)啟示

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》強(qiáng)調(diào)“通過(guò)以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究意識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”。石墨烯的發(fā)現(xiàn)并獲得諾貝爾獎(jiǎng)這一事實(shí)告訴我們，真正的發(fā)明創(chuàng)造并非墨守成規(guī)、一蹴而就的，它需要科學(xué)家有打破常規(guī)、不斷創(chuàng)新的精神。本文從石墨烯的這一簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)過(guò)程談幾點(diǎn)粗淺的看法和體會(huì)。

1.教師應(yīng)多給自己“充電”，培養(yǎng)學(xué)生用創(chuàng)新思維解決問(wèn)題的能力

化學(xué)教學(xué)的深層價(jià)值在于引領(lǐng)學(xué)生形成從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界和解決問(wèn)題的思想方法，教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)持不懈、自主探究、獨(dú)立思考、追求創(chuàng)新的能力。教師作為課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)者、組織者、實(shí)施者，可以多了解一些科學(xué)前沿的信息，并將這些科學(xué)成果、發(fā)現(xiàn)過(guò)程中鮮為人知的歷程作為創(chuàng)新教學(xué)的案例滲透在課堂教學(xué)中，創(chuàng)造性地與教材內(nèi)容進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)一系列具有較強(qiáng)實(shí)踐性與開(kāi)放性的問(wèn)題，創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生廣開(kāi)思路，多角度、多方位地看待問(wèn)題并提高解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力得到有效的培養(yǎng)。

2.以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主線，將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)過(guò)程中

化學(xué)最大的魅力在于能用實(shí)驗(yàn)事實(shí)說(shuō)理，化學(xué)實(shí)驗(yàn)變幻莫測(cè)、多種多樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師可以利用學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的好奇心，創(chuàng)造性地將教材實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，讓學(xué)生在老師的帶領(lǐng)下形成創(chuàng)新思維。一些教師對(duì)教材的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了非常好的效果。南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校許亮亮老師采用不同溶劑構(gòu)建異相、多層、不同顏色的化學(xué)彩虹，大大加深了學(xué)生對(duì)相似相溶原理的理解；同時(shí)，結(jié)合學(xué)生的奇思妙想，用不同濃度的蔗糖溶液成功構(gòu)建了同相、多層、不同顏色的化學(xué)彩虹，并對(duì)2種彩虹的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和創(chuàng)新思維能力。

圖3　采用不同溶劑構(gòu)建的化學(xué)彩虹

重慶巴蜀中學(xué)鄭軍老師通過(guò)探究噴泉的形成動(dòng)力，對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如下七色噴泉組合示例：

噴泉顏色紅色橙色黃色綠色藍(lán)色靛色紫色試劑組合氣體NH3HCL HCL HCL HCL NH3NH3溶液水（酚酞）溴水FeCl3CuCl2CuSO4銅氨KMnO4

這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)讓學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究的過(guò)程，提高了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

圖4　七彩噴泉實(shí)驗(yàn)

3.教師應(yīng)聚焦科學(xué)熱點(diǎn)，拓展教學(xué)視野

化學(xué)是一門(mén)科學(xué)，在教學(xué)中，教師應(yīng)積極挖掘社會(huì)科學(xué)熱點(diǎn)，開(kāi)發(fā)課程資源為課堂教學(xué)服務(wù)。它的挖掘利用，既能增添課程教學(xué)的生動(dòng)性和新穎性，拓展學(xué)生的科學(xué)視野，還能在學(xué)業(yè)考試中發(fā)揮積極的實(shí)用價(jià)值。從近年全國(guó)各地高考試題來(lái)看，以最新科技成果為背景的試題在高考化學(xué)試卷中頻頻出現(xiàn)，體現(xiàn)了中學(xué)化學(xué)與最新科技的聯(lián)系。如2009年安徽高考試題以石墨烯為背景考查了碳及其晶體結(jié)構(gòu)的知識(shí)。試題如下：石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料（結(jié)構(gòu)示意圖如下），可由石墨剝離而成，具有極好的應(yīng)用前景。下列說(shuō)法正確的是（）

A.石墨烯與石墨互為同位素

B.0.12g石墨烯中含有6.02×1022個(gè)碳原子

C.石墨烯是一種有機(jī)物

D.石墨烯中的碳原子間以共價(jià)鍵結(jié)合

此外，近幾年在高中化學(xué)試卷中出現(xiàn)的以納米材料為背景的試題，考查了有關(guān)化學(xué)氧化還原、晶體結(jié)構(gòu)、膠體等相關(guān)知識(shí)。如高考題：美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出了2001年十大科技成就，名列榜首的是納米電子學(xué)，其中美國(guó)IBM公司的科學(xué)家制造了第一批碳納米晶體管，發(fā)明了利用電子波性傳遞信息的“導(dǎo)線”，已知納米材料是指微粒直徑在l～100 nm的材料。下列敘述正確的是（）

A.納米碳管是一種新型的高分子化合物

B.納米碳管的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

C.納米碳管導(dǎo)電屬于化學(xué)變化

D.納米碳管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與金剛石相同

石墨烯的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)很簡(jiǎn)單的過(guò)程，但是，這一過(guò)程同時(shí)也告訴我們，真正的科技成功需要有原創(chuàng)精神，這就要求教師在教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)這種創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，長(zhǎng)此以往，在新課程標(biāo)準(zhǔn)理念這一指揮棒的指導(dǎo)下，我國(guó)的基礎(chǔ)教育才會(huì)做得越來(lái)越有特色。

許亮亮.化學(xué)彩虹［J］.化學(xué)教育，2013（4）.

·編輯楊國(guó)蓉