拓展科學視野　落實核心素養

居鳴富

摘要：新信息材料的教學有助于提升學生對化學的興趣，以“神奇的石墨烯”教學為例，探索如何在化學教學中落實核心素養，培養學生創新意識，拓展學生科學視野，養成學生化工產業意識，為學生將來從事化工產業打好知識和意識基礎。

關鍵詞：科學視野;核心素養;石墨烯;產業意識

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.023

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

作為教師，必須要深刻理解核心素養的內涵，并且在教學實踐中不斷思考和探索，促進核心素養真正落實。核心素養是一個多元維度的概念，是傳統知識、技能、態度的綜合體現，又遠比三者更寬廣。學生要很好地適應未來社會，除了具有相關學科知識技能以外，還要有寬廣的科學視野，具有多學科多領域知識技能和相關素養，養成科學思維方式和化學觀，具有正確的人生觀、世界觀、價值觀? [1]。

一、關于科學視野

所謂科學視野，是指從事科學學習與探究應具有面向未來面向世界的大格局，能夠宏觀地去理解科學技術的發展以及在社會進步過程中所起的作用。“科學技術是第一生產力”，古往今來，科學一直是人類社會進步的動力，科學的進步代表著人類文明的進步，科學技術的進步對社會發展具有明顯的促進作用。“化學，人類進步的關鍵（西博格）”，化學學科體系的形成與發展經歷了漫長而曲折的道路。它伴隨著人類社會的進步而發展，而它的發展，又促進生產力的發展，推動歷史的前進。

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，從浩瀚宇宙的星球到微觀粒子，都是化學研究的對象。作為一門基礎學科，化學發展迅速，在科學技術和社會生活的方方面面正起著引領作用，可以說，化學是人類真正實現可持續發展的核心學科，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，化學的發展也給人類帶來了各種各樣的困頓，反應停、水俁病以及DDT等留給了人類慘痛的記憶，至于環境危害這樣全球性大問題也與化學的發展密切相關。而我們國內化工產業技術力量薄弱以及產業同質化競爭嚴重的現象同樣需要面向未來的中學生理解。這些都要求現代中學生在學習科學的時候培養學科素養、建立產業集群意識、洞察未來、具有科學視野和科學發展觀。

二、關于石墨烯

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構，單層石墨烯厚度只有0.335nm，與石墨的單原子層類似，構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。嚴格來說，石墨烯指單層的石墨;廣義上說，層數3—10層的石墨也稱為石墨烯 [2]。石墨烯具有廣泛而優良的特殊性能，其電學、力學、光學、熱學等方面性能令所有研究者著迷，其潛在的廣闊應用及遠大的前景更是吸引全球目光，據相關專業人士介紹，我國目前已經有相當數量的石墨烯項目準備進入商業化準備期，石墨烯產業即將進入井噴期。預計到2020年全球石墨烯產業規模將超1000億元，中國將起到主導核心作用 [3]。

石墨烯作為一種新興材料對于中學化學教學具有典型意義。一是石墨烯的結構與性質相關知識和石墨烯工業化制備過程中涉及相關化工知識及技能在中學生掌握范圍內，作為新材料，石墨烯相關教學對開拓學生科學視野，引導學生換角度深層次看世界一定會起到明顯作用;二是兩位教授執著科研的精神和把科研當成快樂游戲的態度值得師生效仿，石墨烯的發現看似偶然，但是其中的創新精神非常重要，只有教師在教學過程中有意識去培養和激發這種創新精神，學生的科學創新素養才能真正落實;另外，圍繞石墨烯產業背后的經濟現象也值得中學生去了解，我國當前的化工產業中，存在不少科技層次低同質化競爭嚴重的現象，作為未來一代的中學生，必須深刻理解，并建立大格局大視野，在合理科學視野的前提下，全方位學習理解化工知識，為科技興國貢獻力量。

三、學習目標與重難點分析

本節課內容屬于高中化學拓展內容，通過學習物質結構相關知識和石墨烯制備過程中化學工藝相關知識，拓展學生科學視野，建立產業意識;通過了解石墨烯發現的有趣過程，理解科學研究過程中創新的重要性;介紹國際國內石墨烯產業現狀，培養學生大化工思想，建立產業集群思想，了解化工產業行業特點和科學發展規劃的重要性。

學習難點主要是學生對石墨烯比較陌生和相關化工生產知識與技能不熟悉。

四、教學過程

1.課堂引入

播放視頻《太空電梯的構想》（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，但現在各國科學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、極致穩定、以及足夠便宜。人類技術發展至今日，能達到如此苛刻標準的材料屈指可數，石墨烯被科學家認為是最有希望的纜繩材料。

【設計意圖】由中學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。學習過程是一個需要積極興趣的活動，建構主義認為，激發和維持學生學習興趣是課堂的重要組成部分，在課程之前通過學生感興趣內容太空電梯引發學生對神奇材料石墨烯的興趣，激發學習動機，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很有必要。

2.活動單元1——了解石墨烯

簡單介紹石墨烯的結構，著重向學生說明石墨烯其實就是單層石墨，其結構與石墨層相似，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。而石墨烯的發現很有戲劇效果，海姆教授本來是要姜達（中國留學生）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，發現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]！

【設計意圖】石墨烯發現的戲劇化描述出現在海姆自述當中，我們看起來很偶然并且覺得石墨烯的發現很簡單，但是這段話背后我們可以想見的一是科學家的辛苦與執著，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;二是科學研究當中創新的必要性，簡單的膠帶竟造就了諾貝爾獎的成果，誰能想象？曼徹斯特大學兩位教授堅持把“科研當做快樂游戲”，子曰，“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，如果我們的學生在課堂上都充滿興趣，主動學習，如果我們的老師對教育事業都充滿了快樂情緒，何愁教育品質不提高呢？

【相關練習】

1.石墨烯是由碳原子構成的新型材料（結構如圖），可由石墨剝離而成，具有廣泛的應用前景。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合

2.石墨烯是由單層密集的碳原子組成，構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。

石墨烯具有許多優良的特性，如電學特性，你能嘗試解釋嗎？

【設計意圖】

1.通過結構方面的簡單問題強化學生對石墨烯結構的理解，并且為接下來石墨烯特殊性能的學習做好鋪墊。

2.設計簡單電學問題，引導學生嘗試用結構去解釋性質，深度理解石墨烯結構，并引出下一活動單元——石墨烯特殊性能的教學。

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，尤其體現在電學、力學、熱學、光學以及其他性能，而石墨烯的性能研究決定著石墨烯的市場應用。

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

本部分內容學生沒有基礎，很難直接進行探究，需要老師先行講授，奧蘇貝爾認為，知識與意義是等價的，學習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，這樣講授式教學也能成為有意義學習。石墨烯的性能對于學生來說是完全的新知識，通過討論結構和應用，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界的佳話。

石墨烯制備的化學方法研究很多 [2]，全世界的科學家都在研究如何批量獲取高品質的石墨烯，當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性能，所以石墨烯的制備方法研究還在不斷探索當中，我國在這方面的研究也走在世界前列，僅2017年便有1417篇科研論文發表（中國知網，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），學生討論當中涉及相關化工知識。

【設計意圖】石墨烯的制備過程較為復雜，這也是石墨烯一直存在卻最近才被發現的原因，但是自從海姆教授等創新應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中。

近年來，高考中的工業流程題越來越強調新情境的真實性，所以教學過程中，有必要挑選相對成熟且涉及化學知識難度較低的氧化還原法跟學生詳細介紹，通過引導學生討論工藝流程步驟的意義和作用，培養學生化工思維，開拓科學視野，養成化學意義在應用的思想。

5.活動單元4——石墨烯的應用前景

（1）教師利用數據圖表進行介紹：石墨烯被譽為“21世紀材料”，應用非常廣泛。目前石墨烯的應用是石墨烯產業中研究最熱的項目，在鋰電池、材料、光電器件、儲能、生物醫藥、散熱等多方面均有較多的研究成果，其材料的研發涉及國家高新技術材料的產業基礎，產業關聯涉及新材料、能源、環境、航空航天、國防等領域，對國家的發展起著重要作用，因此，各國政府積極支持石墨烯研發，中國已將石墨烯寫進《新材料產業“十三五”發展規劃》中。

根據相關研究報告預測，全球及中國的石墨烯市場規模均將快速擴大，中國石墨烯產業發展也較快，隨著石墨烯量產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和消費國家 [3]。

（2）目前我國石墨烯產業的發展非常迅速，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;技術研發良莠不齊;產業發展秩序紊亂;資金支撐量小力微等，要解決這些問題，需要我們做產業發展規劃、優化產業政策設計、完善產業秩序環境、突破產業制約瓶頸等，努力解決我們石墨烯產業同質化、低質化現象，使我國石墨烯產業真正在世界占領先地位，無論量和質均有優良表現[5-6]。

【設計意圖】石墨烯的應用在高中階段可以作為拓展內容了解，教師通過數據對學生進行介紹，尤其是產業現狀，作為面向未來的中學生，在學習化學的同時，不能僅僅了解化學知識和技能，還需要了解化工產業的知識，開闊科學視野，形成學科素養，為將來真正進入化工行業打基礎。

6.活動單元5——綜合練習

氧化石墨烯（結構如圖所示）是一種性能優異的新型碳材料。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反應中NaNO3和KMnO4的作用是________。

（4）步驟⑧H2O2還原剩余的KMnO4反應的離子方程式為________;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試題

【設計意圖】本課主要教學目的是開闊學生科學視野，培養學生學科核心素養，最后以模考綜合題作為練習，一是鞏固所學內容，加深石墨烯相關知識的理解;二是幫助學生適應新信息條件下工業流程題的答題模式。

五、教后反思

石墨烯是一種新型材料，無論是發現過程的戲劇性還是性能應用的廣泛性，以及制備過程中的化工知識均有中學教學的實際意義，有助于開拓學生科學視野，培養學生科技創新意識，對于核心素養在教學中的落實具有實踐意義。

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

問卷調查顯示，學生對新信息材料的教學可以接受，但是考慮到生源實際情況，并不是每位同學都能很順利地理解教學內容，教學過程還需要進行進一步優化。通過石墨烯的教學，學生都能認識到化學的進步對人類社會的進步所起的積極作用，不過對應起來看，立志從事化學行業的同學并不算多，雖然是化學班的學生，考慮到各種社會現狀和江蘇高考的現實，這樣的結果也算正常，看來面向高考的化學學科地位很難短時間內改善。

核心素養是對下一代中學生的培養要求，未來一代如何適應國際化競爭要求，教師應具有創新意識并思考如何培養學生科學探究與創新意識、科學態度與社會責任等素養，立德樹人，核心素養不能成為一句空話。通過化學與社會發展相關內容的教學，教師潛移默化地幫助學生建立認識化學與社會發展各領域的系統化全新視角，構建科學視野下的分析問題框架思路，在真實而且復雜的背景下開展教學，養成學生從能源、化工、材料、經濟等諸方面綜合思考問題的能力，從化學視角和社會視角來審視化學問題，構建科學視野模型，在我們平時的教學過程中真正落實核心素養 [7]。

參考文獻

[1] 林崇德.21世紀學生發展核心素養研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016：174-176

[2] 熊言林，曹玉寧.神奇的石墨烯[J].化學教育，2011，32（11）：3-5，36

[3] 中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟.2016全球石墨烯產業研究報[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/85c45c7324c52cc58bd63186bceb19e8b8f6ec85.html，2016-06-30 / 2018-07-28

[4] 知社學術圈.石墨烯教父：從千年博后到物理諾獎的心路歷程.[EB/OL]. https：//www.leiphone.com/news/201511/k7ZC vphAEKCcPseA.html，2015-11-06/2018-07-28

[5] 劉忠范.石墨烯產業的機遇和挑戰.[EB/OL].http：//shupeidian.bjx.com.cn/news/20170406/818673.shtml，2017-04-06/2018-07-28

[6] 鋰電網.我國石墨烯產業發展概況、問題及建議.[EB/OL].http：//libattery.ofweek.com/2017-03/ART-36002-8500-30117487_2.html，2017-03-23/2018-07-28

[7] 王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016：357