居鳴富

摘要：新信息材料的教學(xué)有助于提升學(xué)生對化學(xué)的興趣，以“神奇的石墨烯”教學(xué)為例，探索如何在化學(xué)教學(xué)中落實核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，拓展學(xué)生科學(xué)視野，養(yǎng)成學(xué)生化工產(chǎn)業(yè)意識，為學(xué)生將來從事化工產(chǎn)業(yè)打好知識和意識基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)視野;核心素養(yǎng);石墨烯;產(chǎn)業(yè)意識

文章編號：1008-0546（2019）01-0076-05 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.023

核心素養(yǎng)是當(dāng)下教育的熱詞，指明了未來一代的培養(yǎng)方向。處在江蘇教育大變革的時間點，一線教師更需要思考，我們要培養(yǎng)什么樣的學(xué)生？核心素養(yǎng)如何落地？

作為教師，必須要深刻理解核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，并且在教學(xué)實踐中不斷思考和探索，促進核心素養(yǎng)真正落實。核心素養(yǎng)是一個多元維度的概念，是傳統(tǒng)知識、技能、態(tài)度的綜合體現(xiàn)，又遠比三者更寬廣。學(xué)生要很好地適應(yīng)未來社會，除了具有相關(guān)學(xué)科知識技能以外，還要有寬廣的科學(xué)視野，具有多學(xué)科多領(lǐng)域知識技能和相關(guān)素養(yǎng)，養(yǎng)成科學(xué)思維方式和化學(xué)觀，具有正確的人生觀、世界觀、價值觀? [1]。

一、關(guān)于科學(xué)視野

所謂科學(xué)視野，是指從事科學(xué)學(xué)習(xí)與探究應(yīng)具有面向未來面向世界的大格局，能夠宏觀地去理解科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及在社會進步過程中所起的作用?！翱茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，古往今來，科學(xué)一直是人類社會進步的動力，科學(xué)的進步代表著人類文明的進步，科學(xué)技術(shù)的進步對社會發(fā)展具有明顯的促進作用?！盎瘜W(xué)，人類進步的關(guān)鍵（西博格）”，化學(xué)學(xué)科體系的形成與發(fā)展經(jīng)歷了漫長而曲折的道路。它伴隨著人類社會的進步而發(fā)展，而它的發(fā)展，又促進生產(chǎn)力的發(fā)展，推動歷史的前進。

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，從浩瀚宇宙的星球到微觀粒子，都是化學(xué)研究的對象。作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，化學(xué)發(fā)展迅速，在科學(xué)技術(shù)和社會生活的方方面面正起著引領(lǐng)作用，可以說，化學(xué)是人類真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的核心學(xué)科，在人類社會進步過程中所起的作用越來越顯著。但是回顧歷史，我們必須看到，化學(xué)的發(fā)展也給人類帶來了各種各樣的困頓，反應(yīng)停、水俁病以及DDT等留給了人類慘痛的記憶，至于環(huán)境危害這樣全球性大問題也與化學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。而我們國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)力量薄弱以及產(chǎn)業(yè)同質(zhì)化競爭嚴(yán)重的現(xiàn)象同樣需要面向未來的中學(xué)生理解。這些都要求現(xiàn)代中學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)的時候培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)、建立產(chǎn)業(yè)集群意識、洞察未來、具有科學(xué)視野和科學(xué)發(fā)展觀。

二、關(guān)于石墨烯

石墨烯是近年最熱新材料。隨著英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩位教授于2004年成功用“膠帶”撕出了石墨烯并測定其特殊性能，從而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎，石墨烯一下子進入大家視野，至今熱度不減。其實石墨烯一直就存在，而且就在我們身邊，鉛筆劃痕中就有，只不過單層石墨烯的獲得很困難，相關(guān)性能的測定也很難，所以一直沒有被大家熟知。

石墨烯（Graphene）的命名來自英文的graphite（石墨）+-ene（烯類結(jié)尾），又名巴基球或巴克球或“單層石墨片”，碳原子排列成二維單原子層面結(jié)構(gòu)，單層石墨烯厚度只有0.335nm，與石墨的單原子層類似，構(gòu)成石墨烯的每個碳原子與其他3個碳原子通過δ鍵連接。這些很強的C—C鍵使石墨烯成為已知強度最大的材料之一。嚴(yán)格來說，石墨烯指單層的石墨;廣義上說，層數(shù)3—10層的石墨也稱為石墨烯 [2]。石墨烯具有廣泛而優(yōu)良的特殊性能，其電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面性能令所有研究者著迷，其潛在的廣闊應(yīng)用及遠大的前景更是吸引全球目光，據(jù)相關(guān)專業(yè)人士介紹，我國目前已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的石墨烯項目準(zhǔn)備進入商業(yè)化準(zhǔn)備期，石墨烯產(chǎn)業(yè)即將進入井噴期。預(yù)計到2020年全球石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超1000億元，中國將起到主導(dǎo)核心作用 [3]。

石墨烯作為一種新興材料對于中學(xué)化學(xué)教學(xué)具有典型意義。一是石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)知識和石墨烯工業(yè)化制備過程中涉及相關(guān)化工知識及技能在中學(xué)生掌握范圍內(nèi)，作為新材料，石墨烯相關(guān)教學(xué)對開拓學(xué)生科學(xué)視野，引導(dǎo)學(xué)生換角度深層次看世界一定會起到明顯作用;二是兩位教授執(zhí)著科研的精神和把科研當(dāng)成快樂游戲的態(tài)度值得師生效仿，石墨烯的發(fā)現(xiàn)看似偶然，但是其中的創(chuàng)新精神非常重要，只有教師在教學(xué)過程中有意識去培養(yǎng)和激發(fā)這種創(chuàng)新精神，學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新素養(yǎng)才能真正落實;另外，圍繞石墨烯產(chǎn)業(yè)背后的經(jīng)濟現(xiàn)象也值得中學(xué)生去了解，我國當(dāng)前的化工產(chǎn)業(yè)中，存在不少科技層次低同質(zhì)化競爭嚴(yán)重的現(xiàn)象，作為未來一代的中學(xué)生，必須深刻理解，并建立大格局大視野，在合理科學(xué)視野的前提下，全方位學(xué)習(xí)理解化工知識，為科技興國貢獻力量。

三、學(xué)習(xí)目標(biāo)與重難點分析

本節(jié)課內(nèi)容屬于高中化學(xué)拓展內(nèi)容，通過學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識和石墨烯制備過程中化學(xué)工藝相關(guān)知識，拓展學(xué)生科學(xué)視野，建立產(chǎn)業(yè)意識;通過了解石墨烯發(fā)現(xiàn)的有趣過程，理解科學(xué)研究過程中創(chuàng)新的重要性;介紹國際國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生大化工思想，建立產(chǎn)業(yè)集群思想，了解化工產(chǎn)業(yè)行業(yè)特點和科學(xué)發(fā)展規(guī)劃的重要性。

學(xué)習(xí)難點主要是學(xué)生對石墨烯比較陌生和相關(guān)化工生產(chǎn)知識與技能不熟悉。

四、教學(xué)過程

1.課堂引入

播放視頻《太空電梯的構(gòu)想》（1′17″），“太空電梯——從科幻小說走向未來”，本來只是科幻小說的夢想，但現(xiàn)在各國科學(xué)家正積極研究太空電梯，建造天梯的難度不在資金，也不是本體需要的平衡錘、升降艙、或錨定平臺之類，而是纜線。纜線所用材料必須極致輕盈、極致堅韌、極致穩(wěn)定、以及足夠便宜。人類技術(shù)發(fā)展至今日，能達到如此苛刻標(biāo)準(zhǔn)的材料屈指可數(shù)，石墨烯被科學(xué)家認(rèn)為是最有希望的纜繩材料。

【設(shè)計意圖】由中學(xué)生喜歡的科幻小說引入課堂，以視頻方式介紹太空電梯，引出石墨烯這一神奇材料，耗時2分鐘。學(xué)習(xí)過程是一個需要積極興趣的活動，建構(gòu)主義認(rèn)為，激發(fā)和維持學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是課堂的重要組成部分，在課程之前通過學(xué)生感興趣內(nèi)容太空電梯引發(fā)學(xué)生對神奇材料石墨烯的興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動機，尤其石墨烯本身就是極具有未來感的材料，對接下來的課堂教學(xué)很有必要。

2.活動單元1——了解石墨烯

簡單介紹石墨烯的結(jié)構(gòu)，著重向?qū)W生說明石墨烯其實就是單層石墨，其結(jié)構(gòu)與石墨層相似，只不過單層石墨的獲得非常困難，所以稱為新材料，其實是材料當(dāng)中的老朋友了，大家動動手，鉛筆在紙上畫一下，得到的可能就是石墨烯。而石墨烯的發(fā)現(xiàn)很有戲劇效果，海姆教授本來是要姜達（中國留學(xué)生）用磨光機去磨，可是耗費了幾個月時間和一整塊石墨，得到的是厚度為十微米的石墨層，遠遠達不到要求。此時旁邊實驗室一位來自烏克蘭的高級研究員Oleg Shklyarevskii，聽到海姆對他講正在做的事情是要把一座山磨成一顆沙，于是從他的實驗室拿來了一根粘著石墨片的膠帶，據(jù)說這是從一個垃圾桶里翻出來的。事實上高度層狀石墨（HOPG）是一種常用的STM基準(zhǔn)樣品。實驗前，他們都會用膠帶把石墨表層撕掉，從而露出一個干凈新鮮的表面來供STM掃描。人們一直在用這種方法制備STM的石墨樣品，但是從來沒有人仔細(xì)看過扔掉的膠帶上有些什么東西。海姆把Oleg的膠帶放在顯微鏡底下，發(fā)現(xiàn)有一些碎片遠比姜達的那塊要薄。直到那個時候海姆才意識到用拋光機是一個多么愚蠢的建議。拋光已死，膠帶萬歲? [4]！

【設(shè)計意圖】石墨烯發(fā)現(xiàn)的戲劇化描述出現(xiàn)在海姆自述當(dāng)中，我們看起來很偶然并且覺得石墨烯的發(fā)現(xiàn)很簡單，但是這段話背后我們可以想見的一是科學(xué)家的辛苦與執(zhí)著，磨出幾微米厚度的石墨層以及一座山磨成一粒沙這樣簡單的敘述透露出的是堅持;二是科學(xué)研究當(dāng)中創(chuàng)新的必要性，簡單的膠帶竟造就了諾貝爾獎的成果，誰能想象？曼徹斯特大學(xué)兩位教授堅持把“科研當(dāng)做快樂游戲”，子曰，“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，如果我們的學(xué)生在課堂上都充滿興趣，主動學(xué)習(xí)，如果我們的老師對教育事業(yè)都充滿了快樂情緒，何愁教育品質(zhì)不提高呢？

【相關(guān)練習(xí)】

1.石墨烯是由碳原子構(gòu)成的新型材料（結(jié)構(gòu)如圖），可由石墨剝離而成，具有廣泛的應(yīng)用前景。下列說法正確的是（ ）

A.石墨烯與石墨互為同位素

B.0.12g石墨烯中含有6.02×1022個碳原子

C.石墨烯含有碳碳雙鍵

D.石墨烯中碳原子以共價鍵結(jié)合

2.石墨烯是由單層密集的碳原子組成，構(gòu)成石墨烯的每個碳原子含________個價電子，與其他________個碳原子通過________鍵（填δ或π鍵）以________雜化方式相連接。

石墨烯具有許多優(yōu)良的特性，如電學(xué)特性，你能嘗試解釋嗎？

【設(shè)計意圖】

1.通過結(jié)構(gòu)方面的簡單問題強化學(xué)生對石墨烯結(jié)構(gòu)的理解，并且為接下來石墨烯特殊性能的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

2.設(shè)計簡單電學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生嘗試用結(jié)構(gòu)去解釋性質(zhì)，深度理解石墨烯結(jié)構(gòu)，并引出下一活動單元——石墨烯特殊性能的教學(xué)。

3.活動單元2——石墨烯特殊性能 [2]

石墨烯具有廣泛而特殊的性能，尤其體現(xiàn)在電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)以及其他性能，而石墨烯的性能研究決定著石墨烯的市場應(yīng)用。

【設(shè)計意圖】對于普通高中生而言，這部分內(nèi)容不宜深究，教學(xué)過程中主要是進行相關(guān)性能介紹，引導(dǎo)學(xué)生討論相關(guān)性能的結(jié)構(gòu)解釋，請學(xué)生進行角色代換，假想自己是工程師，相關(guān)性能可以有哪些應(yīng)用呢？教學(xué)過程的意義是引導(dǎo)學(xué)生建立化學(xué)的未來在應(yīng)用和服務(wù)社會的基本思想。同學(xué)們暢所欲言，雖然提出的做電極、眼鏡片、高溫導(dǎo)體等應(yīng)用并未超出當(dāng)前市場熱門應(yīng)用范圍，但是對于高中生而言，腦洞大開的設(shè)想，并且部分構(gòu)想具有實際意義，難能可貴。

本部分內(nèi)容學(xué)生沒有基礎(chǔ)，很難直接進行探究，需要老師先行講授，奧蘇貝爾認(rèn)為，知識與意義是等價的，學(xué)習(xí)的過程就是同化的過程，新知識的獲得需要舊知識作用和固化，這樣講授式教學(xué)也能成為有意義學(xué)習(xí)。石墨烯的性能對于學(xué)生來說是完全的新知識，通過討論結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，可以促進知識的獲取和融合。

4.活動單元3——石墨烯的制備

由于石墨烯廣泛的應(yīng)用前景，石墨烯的制備方法是石墨烯研究中的熱門項目，分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法包括機械剝離法、取向附生法、加熱SiC法等，尤其以曼徹斯特大學(xué)的機械剝離法最為著名，兩位教授也因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎，他們用膠帶撕出石墨烯獲得諾貝爾獎的故事也成為科學(xué)界的佳話。

石墨烯制備的化學(xué)方法研究很多 [2]，全世界的科學(xué)家都在研究如何批量獲取高品質(zhì)的石墨烯，當(dāng)前相對成熟的氧化還原法，采用“氧化、剝離、還原”的簡單過程獲得石墨烯，但是該方法制得的石墨烯含有部分缺陷，會影響石墨烯的電學(xué)性能，所以石墨烯的制備方法研究還在不斷探索當(dāng)中，我國在這方面的研究也走在世界前列，僅2017年便有1417篇科研論文發(fā)表（中國知網(wǎng)，2018.7）。

教師展示某氧化還原法制備石墨烯的工藝流程圖（圖1），學(xué)生討論當(dāng)中涉及相關(guān)化工知識。

【設(shè)計意圖】石墨烯的制備過程較為復(fù)雜，這也是石墨烯一直存在卻最近才被發(fā)現(xiàn)的原因，但是自從海姆教授等創(chuàng)新應(yīng)用膠帶制得石墨烯后獲得諾貝爾獎，一下子打開了大家的思路，新的方法越來越多的在研究當(dāng)中。

近年來，高考中的工業(yè)流程題越來越強調(diào)新情境的真實性，所以教學(xué)過程中，有必要挑選相對成熟且涉及化學(xué)知識難度較低的氧化還原法跟學(xué)生詳細(xì)介紹，通過引導(dǎo)學(xué)生討論工藝流程步驟的意義和作用，培養(yǎng)學(xué)生化工思維，開拓科學(xué)視野，養(yǎng)成化學(xué)意義在應(yīng)用的思想。

5.活動單元4——石墨烯的應(yīng)用前景

（1）教師利用數(shù)據(jù)圖表進行介紹：石墨烯被譽為“21世紀(jì)材料”，應(yīng)用非常廣泛。目前石墨烯的應(yīng)用是石墨烯產(chǎn)業(yè)中研究最熱的項目，在鋰電池、材料、光電器件、儲能、生物醫(yī)藥、散熱等多方面均有較多的研究成果，其材料的研發(fā)涉及國家高新技術(shù)材料的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)涉及新材料、能源、環(huán)境、航空航天、國防等領(lǐng)域，對國家的發(fā)展起著重要作用，因此，各國政府積極支持石墨烯研發(fā)，中國已將石墨烯寫進《新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中。

根據(jù)相關(guān)研究報告預(yù)測，全球及中國的石墨烯市場規(guī)模均將快速擴大，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展也較快，隨著石墨烯量產(chǎn)的解決和石墨烯下游的拓展，將成為全球最大的石墨烯研發(fā)和消費國家 [3]。

（2）目前我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速，很多方面走在了世界前列，但是存在部分問題，比如原料開采泛濫無序;技術(shù)研發(fā)良莠不齊;產(chǎn)業(yè)發(fā)展秩序紊亂;資金支撐量小力微等，要解決這些問題，需要我們做產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)政策設(shè)計、完善產(chǎn)業(yè)秩序環(huán)境、突破產(chǎn)業(yè)制約瓶頸等，努力解決我們石墨烯產(chǎn)業(yè)同質(zhì)化、低質(zhì)化現(xiàn)象，使我國石墨烯產(chǎn)業(yè)真正在世界占領(lǐng)先地位，無論量和質(zhì)均有優(yōu)良表現(xiàn)[5-6]。

【設(shè)計意圖】石墨烯的應(yīng)用在高中階段可以作為拓展內(nèi)容了解，教師通過數(shù)據(jù)對學(xué)生進行介紹，尤其是產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，作為面向未來的中學(xué)生，在學(xué)習(xí)化學(xué)的同時，不能僅僅了解化學(xué)知識和技能，還需要了解化工產(chǎn)業(yè)的知識，開闊科學(xué)視野，形成學(xué)科素養(yǎng)，為將來真正進入化工行業(yè)打基礎(chǔ)。

6.活動單元5——綜合練習(xí)

氧化石墨烯（結(jié)構(gòu)如圖所示）是一種性能優(yōu)異的新型碳材料。實驗室制備氧化石墨烯的一種方法如下：

（1）將濃硫酸“冷卻至0℃”可采用的方法是____

____________。

（2）步驟②采用100目鱗片狀的石墨，其主要目的是________;圖示的“攪拌”方式為________。

（3）步驟④⑤反應(yīng)中NaNO3和KMnO4的作用是________。

（4）步驟⑧H2O2還原剩余的KMnO4反應(yīng)的離子方程式為________;檢驗洗滌已無SO42-的方法是________。

本題參考自江蘇省鹽城市2017屆高三模擬考試化學(xué)試題

【設(shè)計意圖】本課主要教學(xué)目的是開闊學(xué)生科學(xué)視野，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，最后以?？季C合題作為練習(xí)，一是鞏固所學(xué)內(nèi)容，加深石墨烯相關(guān)知識的理解;二是幫助學(xué)生適應(yīng)新信息條件下工業(yè)流程題的答題模式。

五、教后反思

石墨烯是一種新型材料，無論是發(fā)現(xiàn)過程的戲劇性還是性能應(yīng)用的廣泛性，以及制備過程中的化工知識均有中學(xué)教學(xué)的實際意義，有助于開拓學(xué)生科學(xué)視野，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新意識，對于核心素養(yǎng)在教學(xué)中的落實具有實踐意義。

但是石墨烯畢竟屬于拓展教學(xué)部分，而且涉及前沿科技，所以在教學(xué)過程中教師需要時時把握教學(xué)要求，對教學(xué)難度和廣度及時調(diào)整，增加教學(xué)趣味性和探究性但不能增加學(xué)生負(fù)擔(dān)。課后對學(xué)生進行了調(diào)查，收回有效答卷42份。

問卷調(diào)查顯示，學(xué)生對新信息材料的教學(xué)可以接受，但是考慮到生源實際情況，并不是每位同學(xué)都能很順利地理解教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程還需要進行進一步優(yōu)化。通過石墨烯的教學(xué)，學(xué)生都能認(rèn)識到化學(xué)的進步對人類社會的進步所起的積極作用，不過對應(yīng)起來看，立志從事化學(xué)行業(yè)的同學(xué)并不算多，雖然是化學(xué)班的學(xué)生，考慮到各種社會現(xiàn)狀和江蘇高考的現(xiàn)實，這樣的結(jié)果也算正常，看來面向高考的化學(xué)學(xué)科地位很難短時間內(nèi)改善。

核心素養(yǎng)是對下一代中學(xué)生的培養(yǎng)要求，未來一代如何適應(yīng)國際化競爭要求，教師應(yīng)具有創(chuàng)新意識并思考如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等素養(yǎng)，立德樹人，核心素養(yǎng)不能成為一句空話。通過化學(xué)與社會發(fā)展相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，教師潛移默化地幫助學(xué)生建立認(rèn)識化學(xué)與社會發(fā)展各領(lǐng)域的系統(tǒng)化全新視角，構(gòu)建科學(xué)視野下的分析問題框架思路，在真實而且復(fù)雜的背景下開展教學(xué)，養(yǎng)成學(xué)生從能源、化工、材料、經(jīng)濟等諸方面綜合思考問題的能力，從化學(xué)視角和社會視角來審視化學(xué)問題，構(gòu)建科學(xué)視野模型，在我們平時的教學(xué)過程中真正落實核心素養(yǎng) [7]。

參考文獻

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