?化學前沿知識與中學化學教學融合實例

摘 "要 "中學化學教師在傳授化學學科知識的同時，更需要培養學生熱愛化學的情感，其中一個重要的途徑是在教學過程中引入化學前沿知識，開闊學生視野，激發學生對化學學科的熱愛。對如何在教學過程中選擇化學前沿知識進行總結，并根據人教版九年級化學教科書列舉化學前沿與中學化學教學的融合實例。

關鍵詞 "化學前沿知識；中學化學；

中圖分類號：G633.8 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）14-0107-03

Examples of Integrating Frontier Chemical Knowledge with Middle School Chemistry Teaching//LIU Xiaodi， YANG Yan， DING Min

Abstract "Middle school chemistry teachers need to cultivate students’ passion for chemistry while imparting chemical knowledge. An important method is the introduction of fron-tier chemical knowledge into the teaching process， which can

broaden the students’ vision and stimulate their interest in che-

mistry. In this paper， how to select frontier chemical knowle-

dge in the teaching course has been summarized， and the exam-

ples of integrating frontier chemical knowledge with chemi-cal teaching in middle school have been listed based on the 9th grade chemistry textbook （People’s Education Press）.

Key words "frontier chemical knowledge; middle school che-

mistry

0 "引言

作為給已經具備一定理解能力的初三學生開設的一門啟蒙課，化學課程不僅可以培養學生嚴謹的科學態度，還能培養學生的動手能力。中學化學有很多復雜且分散的知識點，初中學生既要記住相關知識點，又要深刻理解，學習起來存在一定困難。在教學過程中，教師如果只是理論性地說教，很容易讓學生產生消極情緒并逐漸對化學失去學習興趣。另外，在初中化學學習過程中，學生的學習時間較短，且重難點較多，他們容易產生厭倦心理，學不會的時候更容易缺乏自信心。“知之者莫如好之者，好之者莫如樂之者。”因此，中學化學教師在傳授化學學科知識的同時，還需要注重培養學生對化學學科的情感，讓學生懷著熱愛、積極的探究心態去學習化學知識，促進學生樹立學好化學知識的自信心，勇于克服困難，提高學習效率[1]。

培養學生熱愛化學的情感的一個重要途徑是通過引入化學前沿知識來激發學生的學習興趣，開闊學生視野，幫助學生樹立遠大理想的同時激發他們對化學學科的熱愛[2]。本文介紹在教學過程中選擇化學前沿知識的原則，并列舉化學前沿知識與中學化學教學的融合實例。

1 "化學前沿知識的選取原則

目前，隨著新課改的不斷推進，人教版九年級的化學教材發生較大改變，教材通過“資料卡片”“化學·技術·社會”等形式引入許多化學前沿知識。但是，按照更高的標準，教材中引入化學前沿還存在諸多不足，比如前沿知識的數量相對較少等。另外，部分化學學科教師沒有意識到將前沿知識融入課堂的積極作用，認為化學前沿知識與教學任務和考試內容沒有關系，還會占用有限的課堂教學時間，所以不愿意在教學過程中引入前沿知識。實際上，如果給學生一杯水，教師必須具有一桶水，而且是一桶活水，教師要具有這樣的理念。因此，化學教師要不斷收集與教學內容相關的化學前沿知識，加深對科技前沿知識的理解，強化對學生進行滲透教育的能力。教師在選取化學前沿知識素材時需要注意以下三個方面。

1）課前對教學大綱和教材進行分析，根據學情確定教學目的和教學方法，選取與教學內容相關聯的化學學科前沿內容，將其與教學內容恰當地融合，做到前后有機聯系、整體合一，避免牽強附會。

2）根據與教學內容相關的關鍵詞查閱化學前沿知識。教師要保證其來源的科學性和權威性，拒絕道聽途說。目前，大量的信息主要來自網絡，但部分網站的資料已過時且內容比較雜亂，甚至是錯誤的，沒有信服力。因此，教師通過網絡查找相關化學前沿知識時，必須嚴格篩選所選內容，保證資料的科學性，不要出現“熟雞蛋變生雞蛋”這樣的笑話。

3）教師查找的化學前沿知識可能會比較抽象且深奧，如果不加以處理就直接傳授給學生，學生會聽得一知半解，難以取得理想效果。因此，教師要將素材進行分類、篩選和處理，通俗化、形象化地講解學生目前不能理解的專業術語，從而幫助學生理解。

2 "化學前沿知識與中學化學教學融合實例

如上所述，化學教師在選取化學前沿知識時既要根據教學大綱的要求，還需考慮所選素材的科學性、啟發性、生動性和通俗性等。下面結合人教版九年級化學教材的部分教學內容，介紹一些相關的化學前沿知識。

2.1 "第三章：物質構成的奧秘

在第三章的教學過程中，由于原子結構和分子結構比較抽象，學生學習后會覺得這些知識和實際生活沒有關聯，缺少學習興趣。這就更需要教師在教學過程中引入一些有趣且有用的前沿知識，讓學生對這部分內容有一定的感性認識，提高學習興趣。如在教學過程中，教師可以引入分子器件的相關前沿知識。目前，手機等電子設備的尺寸在不斷縮小，主要得益于芯片越做越小，但是以硅為基本材料的芯片只能做到7 nm，否則會損失相應的性能，對器件小型化的追求就促使人們對單分子器件進行研究。目前，科研工作者通過調整兩片單層石墨烯電極的間距，將單個平面有機分子連接在石墨烯之間，形成三明治結構的單分子電子器件，其具有單原子層厚度，即厚度約為頭發絲直徑的1/60 000，如圖1所示[3]。另外，研究人員還設計并制備出大量可以像樂高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子器件，包括分子梭、分子馬達、分子開關、分子環和分子手臂等。

通過引入這些有趣且有用的前沿知識，可以讓學生對原子結構和分子結構有一定的感性認識，培養學生的科學素養。

在本章第三節“元素”的教學過程中，教師在給學生講述元素周期表時，可以問學生一個問題：元素周期表有盡頭嗎？現存的元素只有118種嗎？實際上，元素序號越高，存在時間越短，位于元素周期表末尾的人造元素通常以小時、分、秒或毫秒級存在。如第118號元素Og最穩定的同位素為Og-295，其半衰期僅有181毫秒。因此，對這些元素進行研究就存在一定困難。目前，不同理論預言的元素數目是不同的，穩定島理論預言126號元素是穩定存在的，根據精細結構常數推測出的穩定元素是137號，而以電子不可超過光速理論推算元素的極限序號是172號。因此，元素肯定不會止步于118號，只是需要用更巧妙的方式制造和探索這些超重元素。通過這些內容可以開闊學生的視野，激發學生的學習熱情，培養學生對化學學科的熱愛。

2.2 "第四章：自然界的水

在第四章中，教材中利用電解水實驗給學生講解水的組成。如果能夠讓學生直觀地看到水的照片，則非常有利于提高他們的學習興趣。但是，水分子的直徑只有一根頭發絲的百萬分之一，且液態水分子運動非常快，很難給水分子拍照。北京大學的江穎和王恩哥課題組選擇氯化鈉薄膜作為拍攝背景，將水分子吸附在氯化鈉薄膜表面進行觀察，成功利用X射線捕捉到單個水分子和四分子水團簇的清晰面貌（圖2）[4]。在教學過程中，通過給學生介紹利用X射線給水分子拍照的前沿知識，可以滿足學生“眼見為實”的愿望。

另外，在該章節的教學過程中，教師給學生介紹隨著當前水資源污染問題的加劇，水處理已經成為環境工程領域的重點研究內容。水凈化過程中使用的重要材料之一就是超濾膜，科研工作者根據水資源的不同使用需求和對雜質含量的不同要求，對膜材料進行廣泛研究，獲得大量具有特殊過濾效果的膜材料。例如：福州大學徐藝軍教授的研究團隊在二維TiC組裝成膜過程中引入還原氧化石墨烯，然后對薄膜進行表面羥基化處理，最終獲得的薄膜不僅具有優異的水潤濕性，還對重金屬離子表現出較強的吸附和還原作用，可以在無壓力驅動條件下實現多種重金屬離子的有效過濾[5]。

2.3 "第六章：碳和碳的氧化物

在第六章的教學過程中，教師在講解CO2的相關內容時可以給學生介紹我國關于碳達峰、碳中和的相關政策，即：我國承諾在2030年前，CO2的排放不再增長，達到峰值后再慢慢減下去；到2060年，針對排放的CO2，采取植樹、節能減排等各種方式全部抵消掉。讓學生了解我國為世界環境所作出的重要貢獻。在教學過程中，教師可以向學生介紹我國化學工作者對碳達峰、碳中和作出的貢獻。例如：中國科學院天津工業生物技術研究所的馬延和團隊在2021年首次實現從CO2到淀粉的全合成，在淀粉人工合成方面獲得突破性的進展，使“喝西北風”成為現實[6]。該團隊主要采用類似搭積木的方式進行淀粉的人工合成，即在化學催化劑的作用下，利用高密度氫首先將高濃度CO2還原成C1，然后根據化學聚糖反應和生物途徑優化等逐漸將C1轉化為直鏈淀粉和支鏈淀粉（Cn）。理論上講，1 m3大小的生物反應器的年產淀粉量相當于我國五畝土地玉米種植的平均年產量。

2.4 "第九章：溶液

在第九章中，學生接觸的溶液都是液體的，溶質為固體，溶劑為液體。教師可以適當開闊學生的視野，給學生介紹固溶體的相關知識。在固溶體中，溶劑和溶質都為固體，即由一種或多種被視為溶質的元素或化合物，混溶于作為固態溶劑的單質或化合物的晶格中。如果想讓學生更好地理解固溶體，教師可以給學生舉一些寶石的例子，自然界中美麗的寶石實際上就是固溶體。純的Al2O3是無色透明的，在Al2O3晶格中摻雜不同的金屬離子，從而表現出不同的顏色。例如：在Al2O3晶體中融入0.5～

2 wt%的Cr3+后，Al2O3晶體轉化為有激光性能的紅寶石，而摻入少量鈦和鐵雜質后即為藍寶石。

在實際生產生活中，固溶體的應用非常廣泛，已成為材料科學工作者重要的研究課題。例如：加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授和華南師范大學王新副教授共同報道了一種鈦釩氮化物固溶體，將V引入TiN晶格構建出三維自支撐鈦釩氮固溶體，微妙地調整Ti和V的配位結構與電子結構，大幅度提高其對硫物種的化學親和力，將其應用于鋰硫電池，可以使鋰硫電池具有優異的循環性能[7]。

3 "結束語

化學科學的研究和發展服務實際生產生活。在教學中滲透化學前沿知識，可以充實教學內容，增長學生的見識，并在潛移默化中讓學生養成時刻關注發展新動態的好習慣。化學前沿知識是無數化學工作者的勞動結晶，在教學過程中引入化學前沿知識，可以讓學生體會和學習科研工作者尋求真知、堅持不懈以及大膽設想的精神，并讓學生了解科研的曲折性，培養學生的科學素養。另外，教師的魅力在于擁有淵博的知識和高尚的品德，教師必須了解最新研究現狀、最新研究成果、最新領域知識等，才能滿足更高層次的教學要求。

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