王建坤，李艷妮，馮 默，楊艷華**

(1.昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650214；2.武強(qiáng)縣第二實(shí)驗(yàn)中學(xué)，河北 衡水 053300)

義務(wù)教育階段的化學(xué)教育，要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的變化規(guī)律，形成化學(xué)的基本觀念；引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境的相互關(guān)系，理解學(xué)科的本質(zhì)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[1]。

化學(xué)科學(xué)的發(fā)展為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富，在教學(xué)中應(yīng)密切聯(lián)系生產(chǎn)、生活實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)化學(xué)與環(huán)境、化學(xué)與資源、化學(xué)與人類健康的關(guān)系，逐步樹(shù)立科學(xué)發(fā)展觀，領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法，增強(qiáng)對(duì)自然和社會(huì)的責(zé)任感，在實(shí)踐中不斷培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，使其在面臨和處理與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)問(wèn)題時(shí)能做出更合理、更科學(xué)的思考和判斷[1]。

每年都有大量的前沿性科學(xué)研究被不斷報(bào)道，科學(xué)前沿知識(shí)有效地滲透到教學(xué)課堂，既符合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，也有益于學(xué)生個(gè)性的發(fā)展[2]，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)，將科學(xué)研究前沿知識(shí)作為切入點(diǎn)，可以幫助學(xué)生發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神、提升文化素養(yǎng)。

但是，一篇科學(xué)研究前沿的材料包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，若不能找到合適的切入點(diǎn)，而牽強(qiáng)引入課堂，很容易讓學(xué)生感到不適，不利于學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)以及教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。因此，以人教版初中化學(xué)為例，將同一個(gè)科學(xué)研究前沿知識(shí)從不同的“初中教學(xué)視角”進(jìn)行分析和研究，來(lái)探討科學(xué)研究前沿知識(shí)有效滲透到教學(xué)過(guò)程的意義與價(jià)值。

1 科學(xué)研究前沿知識(shí)實(shí)例分析

1.1 熒光牙套顯示及定位牙齒隱藏病變位置

1.1.1 內(nèi)容簡(jiǎn)介

齲病和牙周炎是常見(jiàn)的口腔病，全世界齲病和牙周炎的發(fā)病率和患病率都很高(未經(jīng)治療的齲病在全球各年齡段的患病率為35%，并且4～6歲的兒童發(fā)病率在38%～56%)[3]。晚期的齲齒和嚴(yán)重的牙周炎會(huì)對(duì)牙齒和牙齦造成永久性損傷，需要拔除神經(jīng)或用瓷牙替換來(lái)進(jìn)行治療。而相比之下，早期的齲齒和牙周炎容易治療，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)成本還是治療難度都較低[3]。通過(guò)檢測(cè)口腔中揮發(fā)性硫化合物(Volatile Sulfur Compounds，VSCs)的分泌，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齲病、牙周炎等口腔疾病的準(zhǔn)確檢測(cè)和早期診斷[4]。但是目前的VSCs診斷方法可以檢測(cè)VSCs的存在和濃度，卻不能定位病變部位。

南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院周翠萍團(tuán)隊(duì)制備了一種對(duì)VSCs具有高靈敏度和選擇性的氧化鋅-聚二甲基硅氧烷(ZnO-PDMS)牙套[5]，如圖1所示。ZnO-PDMS牙套中的ZnO會(huì)與齲齒和患有牙周炎的部位釋放出的VSCs作用而具有熒光活性。佩戴后的牙套在熒光檢測(cè)時(shí)，病變部位會(huì)顯現(xiàn)出熒光活性，而正常部位不會(huì)，這樣就可以定位病變牙齒的位置。并且，該牙套在正常生理環(huán)境下具有高熒光穩(wěn)定性、良好的生物相容性和低生物毒性。由于該牙套生產(chǎn)成本低、化學(xué)穩(wěn)定性高和適用性好，對(duì)牙齒病變的篩查精準(zhǔn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

圖1 熒光牙套顯示及定位牙齒病變

1.1.2 教學(xué)解讀

視角：介紹化學(xué)

建議滲透位置為“化學(xué)” (九年級(jí)上冊(cè)) “緒言 化學(xué)使世界變得更加絢麗多彩”部分，介紹化學(xué)和生活息息相關(guān)時(shí)引入。該滲透位置較為特殊，緒言是打開(kāi)學(xué)生化學(xué)世界的第一課，如果能上好這部分內(nèi)容，于后續(xù)教學(xué)工作將會(huì)有很大的幫助。科學(xué)研究前沿知識(shí)在此處滲透，可實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo)：

①加深學(xué)生對(duì)“化學(xué)促進(jìn)人類文明發(fā)展具有積極作用”的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力。相對(duì)于簡(jiǎn)單概述“醫(yī)學(xué)離不開(kāi)化學(xué)”而言，教師通過(guò)展示相關(guān)圖片和數(shù)據(jù)，既豐富課堂內(nèi)容，又讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進(jìn)步的重要作用，意識(shí)到學(xué)習(xí)化學(xué)的重要性，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

②激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和學(xué)科探索的好奇心。在滲透該科學(xué)研究前沿知識(shí)時(shí)，通過(guò)演示熒光檢驗(yàn)人民幣紙鈔真?zhèn)蔚姆椒?，為學(xué)生講解材料中與熒光有關(guān)的科技前沿問(wèn)題，結(jié)合牙周炎和齲齒的熒光定位知識(shí)進(jìn)行互動(dòng)，活躍課堂氛圍，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和對(duì)化學(xué)學(xué)科的好奇心。

③感受所學(xué)知識(shí)與社會(huì)生活的密切關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)以致用的意識(shí)。在本材料當(dāng)中，介紹了技術(shù)原理的同時(shí)，還著重介紹了其應(yīng)用。其一，有利于改變學(xué)生自中小學(xué)以來(lái)形成的“學(xué)”與“用”難以互通的觀念，讓學(xué)生感受到所學(xué)的科學(xué)知識(shí)與社會(huì)生活是有著密切聯(lián)系的；其二，通過(guò)展示科學(xué)知識(shí)應(yīng)用的例子，有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識(shí)。

1.2 廢棄塑料無(wú)毒產(chǎn)氫

1.2.1 內(nèi)容簡(jiǎn)介

自1950年以來(lái)，塑料這一聚合物是最廣泛使用也是最廣泛廢棄的材料之一，86%的塑料包裝被堆積在垃圾填埋場(chǎng)或滲透到環(huán)境中。大多數(shù)聚合物是由化石燃料合成的，如果全球廢棄塑料全部被回收利用，每年可節(jié)省約1760億美元[6]。然而，塑料的化學(xué)成分復(fù)雜并且尺寸不一，因此廣泛回收受到極大限制[7]。并且塑料化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，要使其能被重新利用，更是困難重重。

氮化碳是一種無(wú)毒且廉價(jià)的聚合物光催化劑，功能化的氰胺氮化碳(CNx)具有更高的光催化效率，將CNx與具備助催化性能的Ni2P偶合，得到氮化碳/磷化鎳(CNx|Ni2P)光催化劑。如圖2所示，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)和聚乳酸(PLA)都是在生活生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的兩種塑料，英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員以這兩種塑料充當(dāng)電子供體，在KOH溶液中，光激發(fā)CNx|Ni2P氧化這兩種聚合物為其他有機(jī)化學(xué)品，然后，光生電子從CNx|Ni2P轉(zhuǎn)移到Ni2P，并將H2O還原為H2[8]。此外，CNx|Ni2P催化劑具有較高催化效能，且光穩(wěn)定性較好(大于 5 d)。研究人員用聚酯微纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成功產(chǎn)生了H2和其它多種有機(jī)產(chǎn)品，并在保持其轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，將反應(yīng)的規(guī)模從 2 mL 擴(kuò)大到 120 mL，從而驗(yàn)證了CNx|Ni2P催化劑的現(xiàn)實(shí)適用性。

圖2 廢棄塑料無(wú)毒產(chǎn)氫

1.2.2 教學(xué)解讀

視角1：氫氣

建議滲透位置為“化學(xué)” (九年級(jí)上冊(cè)) “第七單元 燃料及其利用”<課題2 燃料的合理利用與開(kāi)發(fā)>中的“四 能源的利用和開(kāi)發(fā)”部分，這是學(xué)生在中學(xué)化學(xué)中第一次遇到氫氣的用途。在講解氫氣的用途時(shí)，必然會(huì)介紹氫氣燃燒后只會(huì)產(chǎn)生水，氫氣作為一種清潔能源，用途十分廣泛。但目前氫氣的制取成本比較高，且相應(yīng)技術(shù)受限，還不能廣泛應(yīng)用。此時(shí)，教師引入該科學(xué)研究前沿知識(shí)，使用催化劑將白色垃圾分解產(chǎn)生氫氣的例子，可實(shí)現(xiàn)以下教育意義：

①幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)解決環(huán)境污染和發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)做出的積極貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力。在該科學(xué)研究前沿知識(shí)中，科學(xué)家通過(guò)化學(xué)技術(shù)變廢為寶，使得原本是環(huán)境污染物的塑料，成功降解，產(chǎn)生具有經(jīng)濟(jì)效益的清潔能源氫氣。在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程中，讓學(xué)生感受化學(xué)對(duì)解決環(huán)境污染做出的巨大貢獻(xiàn)，進(jìn)而激發(fā)“化學(xué)改變世界”的學(xué)科認(rèn)知，形成學(xué)以致用的科學(xué)理想。

②鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)物質(zhì)變化觀念和元素觀念的理解。在該科學(xué)研究前沿知識(shí)材料當(dāng)中，提到了“氫氣”和“催化劑”等概念，教師可以借此機(jī)會(huì)復(fù)習(xí)相關(guān)概念和性質(zhì)等基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)印象。并且通過(guò)前言知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解到在材料中的反應(yīng)條件下水中的氫轉(zhuǎn)化為氫氣，這也在無(wú)形中強(qiáng)調(diào)了物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中轉(zhuǎn)化條件及元素種類的重要性，可以增進(jìn)學(xué)生對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀念和元素觀念的理解。

視角2：塑料

建議滲透位置為“化學(xué)” (九年級(jí)下冊(cè)) “第十二單元 化學(xué)與生活”<課題3 有機(jī)合成材料>中的“二 有機(jī)合成材料”關(guān)于白色污染部分的內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，教師將會(huì)向?qū)W生介紹生活中常用到的一大化工產(chǎn)品——塑料，認(rèn)識(shí)塑料，必然會(huì)引出白色污染相關(guān)的知識(shí)，而治理白色污染必然也是不可缺少的教學(xué)內(nèi)容，以科學(xué)前沿知識(shí)作為思政引入就顯得十分重要。通過(guò)該材料的滲透，可以實(shí)現(xiàn)以下教育價(jià)值：

①培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，樹(shù)立生態(tài)文明觀念。通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生明白物質(zhì)的兩面性。隨著化工合成的迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用，極大的方便了人們生活，但大量廢棄的塑料在自然環(huán)境中極難降解，會(huì)污染土壤、地下水和海洋生物的生存，從而危害到人類的生存。采用傳統(tǒng)的焚燒處理，可能會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，更不利于生態(tài)環(huán)境和物種生存，材料中催化技術(shù)提供了一種綠色的降解方式，不僅為解決環(huán)境污染問(wèn)題提供了新的思路，更為生態(tài)文明建設(shè)做出了一定的貢獻(xiàn)。借助白色污染的治理和清潔能源的產(chǎn)生的新方法，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，幫助學(xué)生樹(shù)立環(huán)保意識(shí)和生態(tài)文明觀念。

②激發(fā)了學(xué)生不畏艱難、勇于挑戰(zhàn)、敢于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。廢棄塑料在自然環(huán)境當(dāng)中是極難降解的，但經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷探究，利用化學(xué)技術(shù)手段研制出了CNx|Ni2P催化劑，實(shí)現(xiàn)廢棄塑料的降解。通過(guò)讓學(xué)生體會(huì)振奮人心的報(bào)道背后是一次次的嘗試，是無(wú)數(shù)次失敗后不斷地分析總結(jié)，不斷奮進(jìn)的結(jié)果，是無(wú)數(shù)時(shí)間、心血和精力的結(jié)晶，激發(fā)學(xué)生不畏艱難、勇于挑戰(zhàn)、敢于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

1.3 石墨烯涂層海綿清理溢油

1.3.1 內(nèi)容簡(jiǎn)介

頻發(fā)的溢油事故不僅是對(duì)不可再生資源的浪費(fèi)，更對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重而長(zhǎng)期的破壞[9]。為了快速消除溢油對(duì)自然環(huán)境的污染，研究人員提出了一套理想溢油清理方法的標(biāo)準(zhǔn)：①快速清理溢油，減緩溢油的擴(kuò)散和風(fēng)化；②能夠以較高的油水分離效率吸附溢油；③對(duì)海洋生物的不良影響較小，可以大面積應(yīng)用；④易于操作，在惡劣的海洋條件下也可高效工作。但是，傳統(tǒng)的采油技術(shù)，如分散劑、固化劑、就地燃燒和撇油器等都不能滿足上述要求[10]。

近年來(lái)，疏水親油性的海綿，在外力作用下，可以高效、連續(xù)地從水面收集溢油[11]，使得有疏水性的吸油材料在溢油清理領(lǐng)域備受關(guān)注。這些吸油材料都有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——對(duì)高粘度原油的吸附能力較差，而全球石油儲(chǔ)量中高粘度的重質(zhì)原油占比40%左右[12]。此外，輕質(zhì)溢油的輕質(zhì)組分在蒸發(fā)后，其粘度將大幅升高[13]。高粘度導(dǎo)致原油在上述吸油劑中的擴(kuò)散非常緩慢，最終導(dǎo)致吸油速度低下。

為解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏課題組制備了一種具備焦耳熱效應(yīng)性能的石墨烯涂層海綿(Graphene-Wrapped Sponge，GWS)，為溢油清理提供了新的可能[14]。如圖3所示，綠色方狀物表示海綿，海綿剖面圖中黑邊白圈代表附著在海綿上的石墨烯涂層(GWS)。GWS均勻的包裹著海綿基底，使其具備疏水性和導(dǎo)電性。當(dāng)GWS與海面上的粘性原油接觸時(shí)，由于石墨烯的疏水性，原油被選擇性地吸收到孔隙中，但原油的吸附速度非常有限。在GWS上施加電壓后，電流流過(guò)石墨烯涂層，產(chǎn)生熱量，可以快速加熱GWS，熱的GWS會(huì)加熱周圍的原油，降低原油粘度，加快原油進(jìn)入GWS孔隙中的速度(吸附了原油的GWS用紅邊粉圈)。切斷外加電壓后，位于GWS孔隙中的原油仍是熱的，粘度仍然很低，這也有助于后續(xù)的油回收和運(yùn)輸過(guò)程(斷電后的GWS用黑邊橘色圈)。

圖3 加熱的GWS吸附溢油

在僅控制是否利用焦耳熱效應(yīng)加熱GWS的控制變量實(shí)驗(yàn)中，未施加電壓的GWS在 8 min 內(nèi)只收集到 1.58 g 的溢油，但是施加了電壓的GWS在 40 s 內(nèi)收集到 3.87 g 原油。即GWS的溢油吸附速率，施加電壓時(shí)是未施加電壓時(shí)的29倍。這項(xiàng)研究為促進(jìn)疏水性和親油性吸油劑在粘性原油泄漏清理中的實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路。

1.3.2 教學(xué)視角

視角1：石墨烯

建議滲透位置為“化學(xué)” (九年級(jí)上冊(cè)) “第六單元 碳和碳的氧化物”<課題1 金剛石、石墨和C60>中的資料卡片“碳單質(zhì)的研究進(jìn)展”。在碳家族的專題學(xué)習(xí)中，金剛石、石墨和C60是主角，是考察的重點(diǎn)和考點(diǎn)，新生代成員石墨烯，年齡雖小，但也是關(guān)注的焦點(diǎn)。作為拓展知識(shí)，介紹石墨烯的最新用途，可起到以下教育作用：

①培養(yǎng)學(xué)生善于創(chuàng)新、勇于實(shí)踐的科學(xué)精神。在思政元素引入之前，教師可以先讓學(xué)生了解石墨烯的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·蓋姆(Andre Geim)，在2004年時(shí)，用一種特殊的膠帶粘住一塊石墨薄片的兩面，然后撕開(kāi)，把石墨對(duì)分成了更薄的兩塊。不斷這樣的操作，石墨薄片變得越來(lái)越薄，便得到了單層碳原子的石墨片，也就是石墨烯。有趣的是，最初團(tuán)隊(duì)用精密儀器打磨得到的石墨片比石墨烯要厚得多，打磨石墨前，需要用膠帶進(jìn)行粘貼以除去其表面雜質(zhì)，后來(lái)，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)膠帶上留下的石墨片厚度要遠(yuǎn)小于打磨得到的石墨片厚度，而前句所述分離方法的靈感正是來(lái)源于此。然后再利用GWS中所體現(xiàn)出的石墨烯性質(zhì)，同溢油清理相聯(lián)系，從而設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，進(jìn)而滲透該科學(xué)研究前沿知識(shí)。施加電壓后GWS的溢油吸附速率大大提升，是科研工作者勇于打破常規(guī)，善于創(chuàng)新，敢于實(shí)踐精神的體現(xiàn)，借此鼓勵(lì)學(xué)生向前輩們學(xué)習(xí)，努力打好專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，為解決實(shí)際問(wèn)題做好準(zhǔn)備。

②打破學(xué)科壁壘，提高學(xué)生綜合利用知識(shí)解決問(wèn)題的意識(shí)。在滲透本材料前，可以先讓學(xué)生根據(jù)生活常識(shí)，暢想會(huì)有哪些處理溢油的方法，再通過(guò)海綿吸水的原理步入本材料，介紹聚丙烯等材質(zhì)的海綿吸附溢油的優(yōu)缺點(diǎn)(在缺點(diǎn)上，重點(diǎn)介紹這些材料對(duì)黏性溢油吸附的低效率性，以便銜接本材料)，最后回歸到石墨烯的性質(zhì)，講解GWS的工作原理。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生已存貯的諸多經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，還運(yùn)用了化學(xué)和物理等學(xué)科的科學(xué)原理，將學(xué)生各個(gè)知識(shí)之間建立聯(lián)系，從而分析出解決問(wèn)題的辦法。過(guò)程中打破了學(xué)科壁壘，提高學(xué)生綜合利用知識(shí)解決問(wèn)題的意識(shí)。

③感受我國(guó)科學(xué)實(shí)力，培養(yǎng)民族自信，厚植愛(ài)國(guó)情感。在正式介紹GWS之前，可先讓學(xué)生了解石墨烯所擁有的巨大應(yīng)用潛能，然后再介紹在全世界有諸多石墨烯研究力量的情況下，我國(guó)依然占有極高比例的石墨烯專利發(fā)表量。通過(guò)對(duì)我國(guó)石墨烯領(lǐng)域研究成就的直觀感受，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，并厚植愛(ài)國(guó)情感，從而激發(fā)學(xué)生樹(shù)立利用科技實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的報(bào)國(guó)志向。

視角2：石油

建議滲透位置：“化學(xué)” (九年級(jí)上冊(cè)) “第七單元 燃料及其利用”<課題2 燃料的合理利用與開(kāi)發(fā)>中關(guān)于“石油開(kāi)采”或“海上采油”部分。石油化工產(chǎn)品早已經(jīng)深深的滲透到了生產(chǎn)、生活等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)我們生活的影響以及重要性不言而喻。在講授該部分內(nèi)容時(shí)，教師以滲透該篇科學(xué)研究前沿知識(shí)的方式，向?qū)W生介紹石油開(kāi)采中的溢油處理，可產(chǎn)生以下教育影響：

①提高學(xué)生環(huán)境保護(hù)與節(jié)約資源的意識(shí)。在該滲透位置，教師可以借此機(jī)會(huì)向?qū)W生介紹原油泄漏造成了環(huán)境的污染以及對(duì)人類健康的危害，讓學(xué)生意識(shí)到保護(hù)環(huán)境的重要性。而后，再重點(diǎn)介紹本文科技在溢油回收方面做出的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生意識(shí)到GWS在石油資源回收領(lǐng)域上的重大意義，進(jìn)而達(dá)到提高學(xué)生節(jié)約資源的意識(shí)。

②開(kāi)拓學(xué)生知識(shí)面，增進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在該材料中，不只有溢油清理科學(xué)技術(shù)方面的知識(shí)，還介紹了現(xiàn)有的溢油清理方法，以及理想溢油清理方法的標(biāo)準(zhǔn)等多維度的知識(shí)。通過(guò)對(duì)材料的學(xué)習(xí)，擴(kuò)充了學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，開(kāi)拓了學(xué)生的知識(shí)面，學(xué)生在這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中得到了個(gè)性發(fā)展，增進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.4 MFM-520經(jīng)濟(jì)脫硝

1.4.1 內(nèi)容簡(jiǎn)介

空氣中的氮氧化物(NOx)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，引發(fā)人們一系列的健康問(wèn)題。而NO2作為NOx最普遍的形式，會(huì)導(dǎo)致光化學(xué)煙霧形成、大氣臭氧層被破壞和全球氣候變暖的加劇等問(wèn)題，因此，NO2減排技術(shù)之發(fā)展迫在眉睫[15]。

選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)是目前所使用的最成熟的脫硝技術(shù)。然而，SCR嚴(yán)重依賴于有毒化學(xué)品、貴金屬所制催化劑的使用，以及 600 ℃ 的高能耗還原條件[16]。并且SCR處理后的廢氣中NOx殘量濃度高達(dá)1000～2000 μL/L(世界衛(wèi)生組織排放標(biāo)準(zhǔn)限值的5000～10000倍)，如果將該廢氣排放到空氣中，將會(huì)對(duì)空氣造成嚴(yán)重污染[17]。再者，SCR所用催化劑在痕量級(jí)水的存在下便會(huì)快速失活，這一缺陷進(jìn)一步限制了該技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)應(yīng)用[16]。

如果想要除去廢氣中痕量的NO2，這就要求吸附材料不但需要具有良好的耐腐蝕性和長(zhǎng)期穩(wěn)定的NO2高活性，而且能在N2、CO2和SO2等干擾氣體所組成的混合環(huán)境中對(duì)NO2具有高度選擇性。理想情況下，希望可以將捕獲的二氧化氮轉(zhuǎn)化為可盈利的化學(xué)物質(zhì)，如硝酸——其長(zhǎng)期以來(lái)都是通過(guò)高能耗、高排放的奧斯特瓦爾德法(Ostwald process)生產(chǎn)[18]。然而如若要實(shí)現(xiàn)這一理想，就必須要求裝置對(duì)于氮氧化物的吸收具有可逆性并且能實(shí)現(xiàn)材料的重生。

曼徹斯特大學(xué)合成的一種金屬有機(jī)框架材料有望能夠?qū)崿F(xiàn)上述所有的愿景，該材料以Zn(II)為配位中心、聯(lián)吡啶羧酸化合物為配體，被命名為MFM-520[19]。如圖4所示，NOx為x=2的NO2，含有NO2的空氣通過(guò)MFM-520材料時(shí)，可被MFM-520吸收，從而凈化了空氣。含有O2和H2O的空氣通過(guò)吸收了NO2的MFM-520時(shí)，可使被吸附的NO2轉(zhuǎn)化為HNO3，通過(guò)加熱便可讓MFM-520材料重新恢復(fù)其原有的NO2吸附容量。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，利用干濕NO2交替氣流，不會(huì)對(duì)MFM-520的優(yōu)異穩(wěn)定性和選擇性造成影響。MFM-520因其原料不使用貴金屬并且材料在潮濕環(huán)境中也具有很高的穩(wěn)定性，使其在脫硝硫技術(shù)中具有巨大應(yīng)用潛力。

圖4 MFM-520高效經(jīng)濟(jì)脫NOx

1.4.2 教學(xué)視角

視角1：空氣污染

建議滲透位置：“化學(xué)” (九年級(jí)上冊(cè)) “第二單元 我們周圍的空氣”<課題1 空氣>中的資料卡片“空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)”部分。潔凈的空氣對(duì)于人類的生存是十分重要，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了一系列學(xué)生耳熟能詳?shù)沫h(huán)境問(wèn)題：酸雨、霧霾、光化學(xué)煙霧、臭氧層破壞、全球氣候變暖……在這樣的學(xué)生認(rèn)知背景下，引入像該內(nèi)容這樣有望解決環(huán)境問(wèn)題的化學(xué)技術(shù)，便十分合時(shí)宜。教師在此時(shí)引入該篇科學(xué)研究前沿知識(shí)，可具備以下教育意義：

①增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)意識(shí)，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，可先拓展有關(guān)光化學(xué)煙霧、酸雨等污染的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，然后再組織學(xué)生討論日常生活中的一些社會(huì)話題，比如從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，為什么國(guó)家現(xiàn)在提倡新能源汽車？為什么現(xiàn)代工業(yè)越發(fā)達(dá)的城市一般而言霧霾都越嚴(yán)重呢？從學(xué)生已有認(rèn)知切入，在教師的指導(dǎo)下使學(xué)生開(kāi)啟社會(huì)生產(chǎn)生活中的化學(xué)視角，以科學(xué)的眼光理性看待和分析我們身邊的現(xiàn)象，從而增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

②認(rèn)識(shí)到化學(xué)在促進(jìn)人類文明發(fā)展、解決環(huán)境問(wèn)題方面所帶來(lái)的積極貢獻(xiàn)。在該化學(xué)科技前沿中介紹了MFM-520對(duì)二氧化氮二聚體有很高的吸附能力，從而為解決氮氧化物造成 的環(huán)境問(wèn)題提供了新的可能；同時(shí)還可以將吸收的二氧化氮二聚體較為經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化生成硝酸，進(jìn)而為生產(chǎn)硝酸的方法提供了革命性技術(shù)的可能。將會(huì)污染環(huán)境的氮氧化物變?yōu)榱司哂薪?jīng)濟(jì)效益的硝酸，在解決人類面臨的環(huán)境問(wèn)題與促進(jìn)硝酸生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上，同時(shí)提供了可能。

③培養(yǎng)學(xué)生利用辯證唯物主義的觀點(diǎn)看待與分析問(wèn)題的意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生正確看待科學(xué)對(duì)社會(huì)文明的影響。在該材料中，環(huán)境污染既起源于科學(xué)技術(shù)的使用，但科學(xué)技術(shù)又為其解決提供了新的思路。根據(jù)該材料的這一特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生辯證看待科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)文明的影響?？茖W(xué)技術(shù)的應(yīng)用在起到推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的正影響的同時(shí)，也帶來(lái)了諸如環(huán)境污染等等一系列的負(fù)影響。科學(xué)技術(shù)極大的推進(jìn)了人類文明發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多的不良影響，但是正如本材料所闡述的那樣，MFM-520材料為解決氮氧化物污染提供了新的可能，在整個(gè)人類文明發(fā)展的進(jìn)程中，科學(xué)技術(shù)所帶來(lái)的正影響是大于負(fù)影響的。

視角2：硝酸

建議滲透位置：“化學(xué)” (九年級(jí)下冊(cè)) “第十單元 酸和堿”<課題1 常見(jiàn)的酸和堿>中介紹到硝酸的部分。硝酸是化學(xué)中常見(jiàn)的酸，也是重要化工原料，如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面可以用于制造含氮化肥，在醫(yī)藥方面可以用于制造治療心絞痛特效藥硝酸甘油，以及制造炸藥等，所以讓學(xué)生加以了解是必要的。教師在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“硝酸”時(shí)引入該科學(xué)研究前沿知識(shí)，具有以下教育意義：

①增進(jìn)學(xué)生對(duì)元素觀、轉(zhuǎn)化觀的建構(gòu)。在該前沿科技知識(shí)當(dāng)中，研究人員把含氮的污染物通過(guò)化學(xué)技術(shù)，轉(zhuǎn)化為了一種同樣含氮的重要化工原料——硝酸，該轉(zhuǎn)化過(guò)程隱性傳遞了元素觀、轉(zhuǎn)化觀等化學(xué)觀念。所以通過(guò)該材料的學(xué)習(xí)，可以增進(jìn)學(xué)生對(duì)于元素觀和轉(zhuǎn)化觀的建構(gòu)。

②激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和對(duì)化學(xué)學(xué)科的好奇心。教師在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)該科學(xué)研究前沿知識(shí)時(shí)，可先帶領(lǐng)學(xué)生了解傳統(tǒng)的硝酸制備工藝流程奧斯特瓦爾德法，然后再向?qū)W生介紹該科學(xué)研究前沿知識(shí)的核心材料MFM-520，最后對(duì)比二者生產(chǎn)硝酸的工藝：奧斯特瓦爾德法需要高溫高壓且依賴貴金屬的催化，而利用MFM-520制備硝酸的條件十分溫和，同時(shí)也不依賴貴重金屬，更重要的是還可將空氣污染物變廢為寶。通過(guò)對(duì)比兩種硝酸生產(chǎn)技術(shù)來(lái)刺激學(xué)生的感官與認(rèn)知，從而激起學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)化學(xué)學(xué)科的好奇心。

③鞏固基礎(chǔ)知識(shí)與技能，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)。該材料涉及硝酸的知識(shí)，可借此機(jī)會(huì)了解硝酸的性質(zhì)，以及復(fù)習(xí)濃酸稀釋的操作，在該教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)。

2 總結(jié)

科學(xué)研究前沿知識(shí)有效滲透到教學(xué)中，不僅提升了學(xué)生對(duì)化學(xué)與技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境互相關(guān)系的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步理解科學(xué)本質(zhì)、強(qiáng)化科學(xué)素養(yǎng)，而且可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，高效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。教師應(yīng)當(dāng)正視科學(xué)研究前沿知識(shí)在教學(xué)中的作用，注重專業(yè)學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對(duì)科學(xué)研究前沿知識(shí)這“一桶水”的儲(chǔ)備，而且要儲(chǔ)備成“一桶活水”，從而為教學(xué)中高效滲透化學(xué)前沿知識(shí)做準(zhǔn)備，以使?jié)B透效益最大化。

本文列舉的四個(gè)科學(xué)研究前言內(nèi)容與初中化學(xué)教學(xué)的結(jié)合，為初中教師提供教學(xué)素材的同時(shí)，也為活躍課程氛圍、開(kāi)拓學(xué)生視野提供了參考。由于初中生相關(guān)專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備不多，因此，并非每個(gè)科學(xué)研究前沿知識(shí)都能合適地開(kāi)發(fā)出多個(gè)教學(xué)視角，本文提出的思路還需在教學(xué)中不斷實(shí)踐和完善。