基于STEAM理念的石墨課堂教學和社會實踐探究

顧智超

摘 要：STEAM教育理念為我國科教興國和發展學生核心素養提供了一個新的思路和方法。江蘇省前黃高級中學國際分校國際部19屆學生在校內化學課堂學習了石墨相關內容的基礎上，進行了一次石墨烯工業園社會實踐，既是學校和社會的有機結合，也是一次STEAM教育的實踐。

關鍵詞：STEAM教育；科教興國；核心素養；石墨；石墨烯

中圖分類號：G632 文獻標志碼：A 文章編號：1008-3561（2019）03-0088-01

20世紀末，我國提出了科教興國的戰略，科技和教育是興國的手段和基礎。《中國學生發展核心素養》指出：發展核心素養以培養“全面發展的人”為核心，分為文化基礎、自主發展、社會參與三方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養。開展科教興國和發展學生核心素養，是一個長期探究的課題。目前，一個新的教育范式——STEAM教育，正逐漸進入人們的視野，為課題研究提供了新的思路。

一、關于STEAM教育

STEAM 教育理念始于美國，自20世紀90 年代末起，漸漸被英國、韓國等多個發達國家接受并試行。STEM教育只有科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科，以此為基礎又加入藝術（Arts）。STEAM旨在打破學科領域的界限，成為跨學科綜合教育。其倡導基于項目的學習方式，強調體驗性和實踐性，是一種新的教育理念和學習方法，日漸成為世界基礎教育新的發展趨勢。

二、石墨課堂教學

1.課堂鋪墊

此前學生已學習化學鍵（chemical bond）、金屬晶體（metal crystal）、離子晶體（ionic crystal）以及大分子晶體（giant molecular crystal）中的金剛石（diamond）和二氧化硅（silicon dioxide）。因此石墨部分的教學就開門見山地展開：石墨屬于大分子晶體，而大分子晶體是由多個原子atom通過共價鍵（covalent bond）結合在一起的連續的3D結構。由于金屬晶體內部存在離域電子（delocalized electrons），可以自由移動，使金屬具有導電性。石墨與金屬的結構異曲同工，所以石墨也具有導電性。

2.教學思路及過程

“結構決定性質”是一個重要的化學思想。化學課堂除了教學具體化學知識，更要培養科學的思維方法。因此，教師應圍繞這一化學思想展開石墨教學。第一步，讀書指導法，學案結合PPT呈現石墨結構，要求學生根據提示回答石墨的性質，并思考是由什么結構決定石墨具有該種性質。第二步，點名一個學生回答，然后教師引導全班同學以談話的方式一起探討，修正答案。第三步，PPT呈現答案，學生在學案上做好筆記，以便課后復習。

三、石墨烯工業園社會實踐

1.石墨烯工業園介紹

學校社會實踐活動的第一站就是位于常州西太湖科技產業園的石墨烯工業園。首先帶領學生參觀江南石墨烯研究院。江南石墨烯研究院由常州市、武進區、西太湖科技產業園三級財政出資成立，是致力于石墨烯產業化應用的專業化研發平臺，是石墨烯企業的孵化器。學生一到目的地，就感受到與眾不同的高科技新城氣息，此處的花壇、建筑的金屬裝飾、窗欞等到處都可見六邊形圖案。教師引導學生觀察這個現象，并讓他們思考設計者的意圖。

2.關于石墨烯

在江南石墨烯研究院的展廳，工作人員帶領學生觀看了石墨烯的宣傳片，介紹了石墨烯的一些基礎知識和產品。

第一，石墨烯的發現。2004年，Geim和Novoselov首次成功分離出穩定的單層石墨烯，分離方法極為簡單，石墨薄片粘在膠帶上，把有黏性的一面對折，再撕開膠帶，這樣石墨薄片就被一分為二。原則上通過不斷重復，片狀石墨會越來越薄，最終可以得到一定數量的石墨烯。當然，這只是一個實驗室制備少量石墨烯的方法，并不唯一，更不能工業量產。其他制備方法已超出學生理解水平，不做細講。

第二，石墨烯的結構。石墨烯中的每個碳原子通過共價鍵結合三個碳原子，由此組成許多個六元環平面，建筑設計中的六邊形正是源于此處。石墨是層狀的，層跟層之間的相互作用力是分子間作用力（intermolecular forces）。分子間作用力比共價鍵弱很多，以致石墨的層跟層之間易滑動脫落。

第三，石墨烯的性質。石墨烯獨特的二維晶體結構賦予石墨烯很多優異的性能，比如巨大的比表面積、高電子遷移率、高熱導率、高光學透過率和杰出的導電性等。學生結合石墨和石墨烯的結構相似性，類比石墨的性質，就易于理解石墨烯的性質。

第四，石墨烯的用途。江南石墨烯研究院的展廳展出了地暖地板、薄款冬季禮服、超輕羽毛球拍、代替硅生產的電子產品等。另外，學生還參觀了園區的碳元公司，其生產的石墨膜散熱板廣泛用于手機、電腦等，輕便高效。這些正是石墨烯上述優良性質的應用。

這次社會實踐活動充分利用社會資源，讓學生真實感受到科學技術可以改變人類生活，更為重要的是石墨烯的發現過程深深地觸動學生的心靈，教育他們要善于發現，堅持不懈。同時，也為這些即將離開祖國遠赴海外求學的學子們提供一次了解家鄉的機會，燃起對故土的那份熱愛和身為常州人的自豪。

參考文獻：

[1]魏曉東，于冰，于海波.美國 STEAM 教育的框架、特點及啟示[J].華東師范大學學報，2017（04）.

[2]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM 教育，提高學生創新能力——訪美國 STEAM 教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016（05）.