拓展科学视野 落实核心素养

居鸣富

摘要：新信息材料的教学有助于提升学生对化学的兴趣，以“神奇的石墨烯”教学为例，探索如何在化学教学中落实核心素养，培养学生创新意识，拓展学生科学视野，养成学生化工产业意识，为学生将来从事化工产业打好知识和意识基础。

关键词：科学视野;核心素养;石墨烯;产业意识

文章编号：1008-0546（2019）01-0076-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.023

核心素养是当下教育的热词，指明了未来一代的培养方向。处在江苏教育大变革的时间点，一线教师更需要思考，我们要培养什么样的学生？核心素养如何落地？

作为教师，必须要深刻理解核心素养的内涵，并且在教学实践中不断思考和探索，促进核心素养真正落实。核心素养是一个多元维度的概念，是传统知识、技能、态度的综合体现，又远比三者更宽广。学生要很好地适应未来社会，除了具有相关学科知识技能以外，还要有宽广的科学视野，具有多学科多领域知识技能和相关素养，养成科学思维方式和化学观，具有正确的人生观、世界观、价值观  [1]。

一、关于科学视野

所谓科学视野，是指从事科学学习与探究应具有面向未来面向世界的大格局，能够宏观地去理解科学技术的发展以及在社会进步过程中所起的作用。“科学技术是第一生产力”，古往今来，科学一直是人类社会进步的动力，科学的进步代表着人类文明的进步，科学技术的进步对社会发展具有明显的促进作用。“化学，人类进步的关键（西博格）”，化学学科体系的形成与发展经历了漫长而曲折的道路。它伴随着人类社会的进步而发展，而它的发展，又促进生产力的发展，推动历史的前进。

化学是一门以实验为基础的自然科学，从浩瀚宇宙的星球到微观粒子，都是化学研究的对象。作为一门基础学科，化学发展迅速，在科学技术和社会生活的方方面面正起着引领作用，可以说，化学是人类真正实现可持续发展的核心学科，在人类社会进步过程中所起的作用越来越显著。但是回顾历史，我们必须看到，化学的发展也给人类带来了各种各样的困顿，反应停、水俣病以及DDT等留给了人类惨痛的记忆，至于环境危害这样全球性大问题也与化学的发展密切相关。而我们国内化工产业技术力量薄弱以及产业同质化竞争严重的现象同样需要面向未来的中学生理解。这些都要求现代中学生在学习科学的时候培养学科素养、建立产业集群意识、洞察未来、具有科学视野和科学发展观。

二、关于石墨烯

石墨烯是近年最热新材料。随着英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两位教授于2004年成功用“胶带”撕出了石墨烯并测定其特殊性能，从而获得2010年诺贝尔物理学奖，石墨烯一下子进入大家视野，至今热度不减。其实石墨烯一直就存在，而且就在我們身边，铅笔划痕中就有，只不过单层石墨烯的获得很困难，相关性能的测定也很难，所以一直没有被大家熟知。

石墨烯（Graphene）的命名来自英文的graphite（石墨）+-ene（烯类结尾），又名巴基球或巴克球或“单层石墨片”，碳原子排列成二维单原子层面结构，单层石墨烯厚度只有0.335nm，与石墨的单原子层类似，构成石墨烯的每个碳原子与其他3个碳原子通过δ键连接。这些很强的C—C键使石墨烯成为已知强度最大的材料之一。严格来说，石墨烯指单层的石墨;广义上说，层数3—10层的石墨也称为石墨烯 [2]。石墨烯具有广泛而优良的特殊性能，其电学、力学、光学、热学等方面性能令所有研究者着迷，其潜在的广阔应用及远大的前景更是吸引全球目光，据相关专业人士介绍，我国目前已经有相当数量的石墨烯项目准备进入商业化准备期，石墨烯产业即将进入井喷期。预计到2020年全球石墨烯产业规模将超1000亿元，中国将起到主导核心作用 [3]。

石墨烯作为一种新兴材料对于中学化学教学具有典型意义。一是石墨烯的结构与性质相关知识和石墨烯工业化制备过程中涉及相关化工知识及技能在中学生掌握范围内，作为新材料，石墨烯相关教学对开拓学生科学视野，引导学生换角度深层次看世界一定会起到明显作用;二是两位教授执着科研的精神和把科研当成快乐游戏的态度值得师生效仿，石墨烯的发现看似偶然，但是其中的创新精神非常重要，只有教师在教学过程中有意识去培养和激发这种创新精神，学生的科学创新素养才能真正落实;另外，围绕石墨烯产业背后的经济现象也值得中学生去了解，我国当前的化工产业中，存在不少科技层次低同质化竞争严重的现象，作为未来一代的中学生，必须深刻理解，并建立大格局大视野，在合理科学视野的前提下，全方位学习理解化工知识，为科技兴国贡献力量。

三、学习目标与重难点分析

本节课内容属于高中化学拓展内容，通过学习物质结构相关知识和石墨烯制备过程中化学工艺相关知识，拓展学生科学视野，建立产业意识;通过了解石墨烯发现的有趣过程，理解科学研究过程中创新的重要性;介绍国际国内石墨烯产业现状，培养学生大化工思想，建立产业集群思想，了解化工产业行业特点和科学发展规划的重要性。

学习难点主要是学生对石墨烯比较陌生和相关化工生产知识与技能不熟悉。

四、教学过程

1.课堂引入

播放视频《太空电梯的构想》（1′17″），“太空电梯——从科幻小说走向未来”，本来只是科幻小说的梦想，但现在各国科学家正积极研究太空电梯，建造天梯的难度不在资金，也不是本体需要的平衡锤、升降舱、或锚定平台之类，而是缆线。缆线所用材料必须极致轻盈、极致坚韧、极致稳定、以及足够便宜。人类技术发展至今日，能达到如此苛刻标准的材料屈指可数，石墨烯被科学家认为是最有希望的缆绳材料。

【设计意图】由中学生喜欢的科幻小说引入课堂，以视频方式介绍太空电梯，引出石墨烯这一神奇材料，耗时2分钟。学习过程是一个需要积极兴趣的活动，建构主义认为，激发和维持学生学习兴趣是课堂的重要组成部分，在课程之前通过学生感兴趣内容太空电梯引发学生对神奇材料石墨烯的兴趣，激发学习动机，尤其石墨烯本身就是极具有未来感的材料，对接下来的课堂教学很有必要。

2.活动单元1——了解石墨烯

简单介绍石墨烯的结构，着重向学生说明石墨烯其实就是单层石墨，其结构与石墨层相似，只不过单层石墨的获得非常困难，所以称为新材料，其实是材料当中的老朋友了，大家动动手，铅笔在纸上画一下，得到的可能就是石墨烯。而石墨烯的发现很有戏剧效果，海姆教授本来是要姜达（中国留学生）用磨光机去磨，可是耗费了几个月时间和一整块石墨，得到的是厚度为十微米的石墨层，远远达不到要求。此时旁边实验室一位来自乌克兰的高级研究员Oleg Shklyarevskii，听到海姆对他讲正在做的事情是要把一座山磨成一颗沙，于是从他的实验室拿来了一根粘着石墨片的胶带，据说这是从一个垃圾桶里翻出来的。事实上高度层状石墨（HOPG）是一种常用的STM基准样品。实验前，他们都会用胶带把石墨表层撕掉，从而露出一个干净新鲜的表面来供STM扫描。人们一直在用这种方法制备STM的石墨样品，但是从来没有人仔细看过扔掉的胶带上有些什么东西。海姆把Oleg的胶带放在显微镜底下，发现有一些碎片远比姜达的那块要薄。直到那个时候海姆才意识到用抛光机是一个多么愚蠢的建议。抛光已死，胶带万岁  [4]！

【设计意图】石墨烯发现的戏剧化描述出现在海姆自述当中，我们看起来很偶然并且觉得石墨烯的发现很简单，但是这段话背后我们可以想见的一是科学家的辛苦与执着，磨出几微米厚度的石墨层以及一座山磨成一粒沙这样简单的叙述透露出的是坚持;二是科学研究当中创新的必要性，简单的胶带竟造就了诺贝尔奖的成果，谁能想象？曼彻斯特大学两位教授坚持把“科研当做快乐游戏”，子曰，“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，如果我们的学生在课堂上都充满兴趣，主动学习，如果我们的老师对教育事业都充满了快乐情绪，何愁教育品质不提高呢？

【相关练习】

1.石墨烯是由碳原子构成的新型材料（结构如图），可由石墨剥离而成，具有广泛的应用前景。下列说法正确的是（ ）

A.石墨烯与石墨互为同位素

B.0.12g石墨烯中含有6.02×1022个碳原子

C.石墨烯含有碳碳双键

D.石墨烯中碳原子以共价键结合

2.石墨烯是由单层密集的碳原子组成，构成石墨烯的每个碳原子含________个价电子，与其他________个碳原子通过________键（填δ或π键）以________杂化方式相连接。

石墨烯具有许多优良的特性，如电学特性，你能尝试解释吗？

【设计意图】

1.通过结构方面的简单问题强化学生对石墨烯结构的理解，并且为接下来石墨烯特殊性能的学习做好铺垫。

2.设计简单电学问题，引导学生尝试用结构去解释性质，深度理解石墨烯结构，并引出下一活动单元——石墨烯特殊性能的教学。

3.活动单元2——石墨烯特殊性能 [2]

石墨烯具有广泛而特殊的性能，尤其体现在电学、力学、热学、光学以及其他性能，而石墨烯的性能研究决定着石墨烯的市场应用。

【设计意图】对于普通高中生而言，这部分内容不宜深究，教学过程中主要是进行相关性能介绍，引导学生讨论相关性能的结构解释，请学生进行角色代换，假想自己是工程师，相关性能可以有哪些应用呢？教学过程的意义是引导学生建立化学的未来在应用和服务社会的基本思想。同学们畅所欲言，虽然提出的做电极、眼镜片、高温导体等应用并未超出当前市场热门应用范围，但是对于高中生而言，脑洞大开的设想，并且部分构想具有实际意义，难能可贵。

本部分内容学生没有基础，很难直接进行探究，需要老师先行讲授，奥苏贝尔认为，知识与意义是等价的，学习的过程就是同化的过程，新知识的获得需要旧知识作用和固化，这样讲授式教学也能成为有意义学习。石墨烯的性能对于学生来说是完全的新知识，通过讨论结构和应用，可以促进知识的获取和融合。

4.活动单元3——石墨烯的制备

由于石墨烯广泛的应用前景，石墨烯的制备方法是石墨烯研究中的热门项目，分为物理方法和化学方法。物理方法包括机械剥离法、取向附生法、加热SiC法等，尤其以曼彻斯特大学的机械剥离法最为著名，两位教授也因此获得诺贝尔物理学奖，他们用胶带撕出石墨烯获得诺贝尔奖的故事也成为科学界的佳话。

石墨烯制备的化学方法研究很多 [2]，全世界的科学家都在研究如何批量获取高品质的石墨烯，当前相对成熟的氧化还原法，采用“氧化、剥离、还原”的简单过程获得石墨烯，但是该方法制得的石墨烯含有部分缺陷，会影响石墨烯的电学性能，所以石墨烯的制备方法研究还在不断探索当中，我国在这方面的研究也走在世界前列，仅2017年便有1417篇科研论文发表（中国知网，2018.7）。

教师展示某氧化还原法制备石墨烯的工艺流程图（图1），学生讨论当中涉及相关化工知识。

【设计意图】石墨烯的制备过程较为复雜，这也是石墨烯一直存在却最近才被发现的原因，但是自从海姆教授等创新应用胶带制得石墨烯后获得诺贝尔奖，一下子打开了大家的思路，新的方法越来越多的在研究当中。

近年来，高考中的工业流程题越来越强调新情境的真实性，所以教学过程中，有必要挑选相对成熟且涉及化学知识难度较低的氧化还原法跟学生详细介绍，通过引导学生讨论工艺流程步骤的意义和作用，培养学生化工思维，开拓科学视野，养成化学意义在应用的思想。

5.活动单元4——石墨烯的应用前景

（1）教师利用数据图表进行介绍：石墨烯被誉为“21世纪材料”，应用非常广泛。目前石墨烯的应用是石墨烯产业中研究最热的项目，在锂电池、材料、光电器件、储能、生物医药、散热等多方面均有较多的研究成果，其材料的研发涉及国家高新技术材料的产业基础，产业关联涉及新材料、能源、环境、航空航天、国防等领域，对国家的发展起着重要作用，因此，各国政府积极支持石墨烯研发，中国已将石墨烯写进《新材料产业“十三五”发展规划》中。

根据相关研究报告预测，全球及中国的石墨烯市场规模均将快速扩大，中国石墨烯产业发展也较快，随着石墨烯量产的解决和石墨烯下游的拓展，将成为全球最大的石墨烯研发和消费国家 [3]。

（2）目前我国石墨烯产业的发展非常迅速，很多方面走在了世界前列，但是存在部分问题，比如原料开采泛滥无序;技术研发良莠不齐;产业发展秩序紊乱;资金支撑量小力微等，要解决这些问题，需要我们做产业发展规划、优化产业政策设计、完善产业秩序环境、突破产业制约瓶颈等，努力解决我们石墨烯产业同质化、低质化现象，使我国石墨烯产业真正在世界占领先地位，无论量和质均有优良表现[5-6]。

【设计意图】石墨烯的应用在高中阶段可以作为拓展内容了解，教师通过数据对学生进行介绍，尤其是产业现状，作为面向未来的中学生，在学习化学的同时，不能仅仅了解化学知识和技能，还需要了解化工产业的知识，开阔科学视野，形成学科素养，为将来真正进入化工行业打基础。

6.活动单元5——综合练习

氧化石墨烯（结构如图所示）是一种性能优异的新型碳材料。实验室制备氧化石墨烯的一种方法如下：

（1）将浓硫酸“冷却至0℃”可采用的方法是____

____________。

（2）步骤②采用100目鳞片状的石墨，其主要目的是________;图示的“搅拌”方式为________。

（3）步骤④⑤反应中NaNO3和KMnO4的作用是________。

（4）步骤⑧H2O2还原剩余的KMnO4反应的离子方程式为________;检验洗涤已无SO42-的方法是________。

本题参考自江苏省盐城市2017届高三模拟考试化学试题

【设计意图】本课主要教学目的是开阔学生科学视野，培养学生学科核心素养，最后以模考综合题作为练习，一是巩固所学内容，加深石墨烯相关知识的理解;二是帮助学生适应新信息条件下工业流程题的答题模式。

五、教后反思

石墨烯是一种新型材料，无论是发现过程的戏剧性还是性能应用的广泛性，以及制备过程中的化工知识均有中学教学的实际意义，有助于开拓学生科学视野，培养学生科技创新意识，对于核心素养在教学中的落实具有实践意义。

但是石墨烯毕竟属于拓展教学部分，而且涉及前沿科技，所以在教学过程中教师需要时时把握教学要求，对教学难度和广度及时调整，增加教学趣味性和探究性但不能增加学生负担。课后对学生进行了调查，收回有效答卷42份。

问卷调查显示，学生对新信息材料的教学可以接受，但是考虑到生源实际情况，并不是每位同学都能很顺利地理解教学内容，教学过程还需要进行进一步优化。通过石墨烯的教学，学生都能认识到化学的进步对人类社会的进步所起的积极作用，不过对应起来看，立志从事化学行业的同学并不算多，虽然是化学班的学生，考虑到各种社会现状和江苏高考的现实，这样的结果也算正常，看来面向高考的化学学科地位很难短时间内改善。

核心素养是对下一代中学生的培养要求，未来一代如何适应国际化竞争要求，教师应具有创新意识并思考如何培养学生科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等素养，立德树人，核心素养不能成为一句空话。通过化学与社会发展相关内容的教学，教师潜移默化地帮助学生建立认识化学与社会发展各领域的系统化全新视角，构建科学视野下的分析问题框架思路，在真实而且复杂的背景下开展教学，养成学生从能源、化工、材料、经济等诸方面综合思考问题的能力，从化学视角和社会视角来审视化学问题，构建科学视野模型，在我们平时的教学过程中真正落实核心素养 [7]。

参考文献

[1] 林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016：174-176

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

[3] 中国石墨烯产业技术创新战略联盟.2016全球石墨烯产业研究报[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/85c45c7324c52cc58bd63186bceb19e8b8f6ec85.html，2016-06-30 / 2018-07-28

[4] 知社学术圈.石墨烯教父：从千年博后到物理诺奖的心路歷程.[EB/OL]. https：//www.leiphone.com/news/201511/k7ZC vphAEKCcPseA.html，2015-11-06/2018-07-28

[5] 刘忠范.石墨烯产业的机遇和挑战.[EB/OL].http：//shupeidian.bjx.com.cn/news/20170406/818673.shtml，2017-04-06/2018-07-28

[6] 锂电网.我国石墨烯产业发展概况、问题及建议.[EB/OL].http：//libattery.ofweek.com/2017-03/ART-36002-8500-30117487_2.html，2017-03-23/2018-07-28

[7] 王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016：357