科学研究前沿知识在初中化学教学中的应用*

王建坤，李艳妮，冯 默，杨艳华**

(1.昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214；2.武强县第二实验中学，河北 衡水 053300)

义务教育阶段的化学教育，要激发学生学习化学的好奇心，引导学生认识物质世界的变化规律，形成化学的基本观念；引导学生认识化学、技术、社会和环境的相互关系，理解学科的本质，提高学生的科学素养[1]。

化学科学的发展为人类创造了巨大的物质财富，在教学中应密切联系生产、生活实际，引导学生初步认识化学与环境、化学与资源、化学与人类健康的关系，逐步树立科学发展观，领悟科学探究的方法，增强对自然和社会的责任感，在实践中不断培养学生的创新意识，使其在面临和处理与化学有关的社会问题时能做出更合理、更科学的思考和判断[1]。

每年都有大量的前沿性科学研究被不断报道，科学前沿知识有效地渗透到教学课堂，既符合课程标准的要求，也有益于学生个性的发展[2]，提升学生的学习兴趣，进而培养学生科学探究与创新意识、科学态度与社会责任的学科核心素养。同时，将科学研究前沿知识作为切入点，可以帮助学生发扬科学精神、提升文化素养。

但是，一篇科学研究前沿的材料包含多个知识点，若不能找到合适的切入点，而牵强引入课堂，很容易让学生感到不适，不利于学生对化学的学习以及教师对学生学习兴趣的培养。因此，以人教版初中化学为例，将同一个科学研究前沿知识从不同的“初中教学视角”进行分析和研究，来探讨科学研究前沿知识有效渗透到教学过程的意义与价值。

1 科学研究前沿知识实例分析

1.1 荧光牙套显示及定位牙齿隐藏病变位置

1.1.1 内容简介

龋病和牙周炎是常见的口腔病，全世界龋病和牙周炎的发病率和患病率都很高(未经治疗的龋病在全球各年龄段的患病率为35%，并且4～6岁的儿童发病率在38%～56%)[3]。晚期的龋齿和严重的牙周炎会对牙齿和牙龈造成永久性损伤，需要拔除神经或用瓷牙替换来进行治疗。而相比之下，早期的龋齿和牙周炎容易治疗，无论是经济成本还是治疗难度都较低[3]。通过检测口腔中挥发性硫化合物(Volatile Sulfur Compounds，VSCs)的分泌，可以实现对龋病、牙周炎等口腔疾病的准确检测和早期诊断[4]。但是目前的VSCs诊断方法可以检测VSCs的存在和浓度，却不能定位病变部位。

南方医科大学南方医院周翠萍团队制备了一种对VSCs具有高灵敏度和选择性的氧化锌-聚二甲基硅氧烷(ZnO-PDMS)牙套[5]，如图1所示。ZnO-PDMS牙套中的ZnO会与龋齿和患有牙周炎的部位释放出的VSCs作用而具有荧光活性。佩戴后的牙套在荧光检测时，病变部位会显现出荧光活性，而正常部位不会，这样就可以定位病变牙齿的位置。并且，该牙套在正常生理环境下具有高荧光稳定性、良好的生物相容性和低生物毒性。由于该牙套生产成本低、化学稳定性高和适用性好，对牙齿病变的筛查精准，适合大规模生产和应用。

图1 荧光牙套显示及定位牙齿病变

1.1.2 教学解读

视角：介绍化学

建议渗透位置为“化学” (九年级上册) “绪言 化学使世界变得更加绚丽多彩”部分，介绍化学和生活息息相关时引入。该渗透位置较为特殊，绪言是打开学生化学世界的第一课，如果能上好这部分内容，于后续教学工作将会有很大的帮助。科学研究前沿知识在此处渗透，可实现以下教学目标：

①加深学生对“化学促进人类文明发展具有积极作用”的认识，激发学习动力。相对于简单概述“医学离不开化学”而言，教师通过展示相关图片和数据，既丰富课堂内容，又让学生体会到化学技术对现代医学进步的重要作用，意识到学习化学的重要性，进而激发学习的动力。

②激发学生对学习化学的兴趣和学科探索的好奇心。在渗透该科学研究前沿知识时，通过演示荧光检验人民币纸钞真伪的方法，为学生讲解材料中与荧光有关的科技前沿问题，结合牙周炎和龋齿的荧光定位知识进行互动，活跃课堂氛围，进而激发学生对学习化学的兴趣和对化学学科的好奇心。

③感受所学知识与社会生活的密切关系，增强学以致用的意识。在本材料当中，介绍了技术原理的同时，还着重介绍了其应用。其一，有利于改变学生自中小学以来形成的“学”与“用”难以互通的观念，让学生感受到所学的科学知识与社会生活是有着密切联系的；其二，通过展示科学知识应用的例子，有利于培养学生学以致用的意识。

1.2 废弃塑料无毒产氢

1.2.1 内容简介

自1950年以来，塑料这一聚合物是最广泛使用也是最广泛废弃的材料之一，86%的塑料包装被堆积在垃圾填埋场或渗透到环境中。大多数聚合物是由化石燃料合成的，如果全球废弃塑料全部被回收利用，每年可节省约1760亿美元[6]。然而，塑料的化学成分复杂并且尺寸不一，因此广泛回收受到极大限制[7]。并且塑料化学性质较为稳定，要使其能被重新利用，更是困难重重。

氮化碳是一种无毒且廉价的聚合物光催化剂，功能化的氰胺氮化碳(CNx)具有更高的光催化效率，将CNx与具备助催化性能的Ni2P偶合，得到氮化碳/磷化镍(CNx|Ni2P)光催化剂。如图2所示，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚乳酸(PLA)都是在生活生产中被广泛应用的两种塑料，英国剑桥大学研究人员以这两种塑料充当电子供体，在KOH溶液中，光激发CNx|Ni2P氧化这两种聚合物为其他有机化学品，然后，光生电子从CNx|Ni2P转移到Ni2P，并将H2O还原为H2[8]。此外，CNx|Ni2P催化剂具有较高催化效能，且光稳定性较好(大于 5 d)。研究人员用聚酯微纤维进行实验，成功产生了H2和其它多种有机产品，并在保持其转化效率的同时，将反应的规模从 2 mL 扩大到 120 mL，从而验证了CNx|Ni2P催化剂的现实适用性。

图2 废弃塑料无毒产氢

1.2.2 教学解读

视角1：氢气

建议渗透位置为“化学” (九年级上册) “第七单元 燃料及其利用”<课题2 燃料的合理利用与开发>中的“四 能源的利用和开发”部分，这是学生在中学化学中第一次遇到氢气的用途。在讲解氢气的用途时，必然会介绍氢气燃烧后只会产生水，氢气作为一种清洁能源，用途十分广泛。但目前氢气的制取成本比较高，且相应技术受限，还不能广泛应用。此时，教师引入该科学研究前沿知识，使用催化剂将白色垃圾分解产生氢气的例子，可实现以下教育意义：

①帮助学生认识化学对解决环境污染和发展社会经济做出的积极贡献，激发学生学习动力。在该科学研究前沿知识中，科学家通过化学技术变废为宝，使得原本是环境污染物的塑料，成功降解，产生具有经济效益的清洁能源氢气。在学习知识的过程中，让学生感受化学对解决环境污染做出的巨大贡献，进而激发“化学改变世界”的学科认知，形成学以致用的科学理想。

②巩固基础知识，加强对物质变化观念和元素观念的理解。在该科学研究前沿知识材料当中，提到了“氢气”和“催化剂”等概念，教师可以借此机会复习相关概念和性质等基础化学知识，加深学生对该知识点印象。并且通过前言知识的学习，让学生了解到在材料中的反应条件下水中的氢转化为氢气，这也在无形中强调了物质转化过程中转化条件及元素种类的重要性，可以增进学生对物质转化观念和元素观念的理解。

视角2：塑料

建议渗透位置为“化学” (九年级下册) “第十二单元 化学与生活”<课题3 有机合成材料>中的“二 有机合成材料”关于白色污染部分的内容。在教学过程中，教师将会向学生介绍生活中常用到的一大化工产品——塑料，认识塑料，必然会引出白色污染相关的知识，而治理白色污染必然也是不可缺少的教学内容，以科学前沿知识作为思政引入就显得十分重要。通过该材料的渗透，可以实现以下教育价值：

①培养学生保护环境的意识，树立生态文明观念。通过对相关知识的学习，让学生明白物质的两面性。随着化工合成的迅速发展并广泛应用，极大的方便了人们生活，但大量废弃的塑料在自然环境中极难降解，会污染土壤、地下水和海洋生物的生存，从而危害到人类的生存。采用传统的焚烧处理，可能会产生有毒有害气体，更不利于生态环境和物种生存，材料中催化技术提供了一种绿色的降解方式，不仅为解决环境污染问题提供了新的思路，更为生态文明建设做出了一定的贡献。借助白色污染的治理和清洁能源的产生的新方法，拓宽学生的知识面，帮助学生树立环保意识和生态文明观念。

②激发了学生不畏艰难、勇于挑战、敢于创新的科学态度。废弃塑料在自然环境当中是极难降解的，但经过科学家的不断探究，利用化学技术手段研制出了CNx|Ni2P催化剂，实现废弃塑料的降解。通过让学生体会振奋人心的报道背后是一次次的尝试，是无数次失败后不断地分析总结，不断奋进的结果，是无数时间、心血和精力的结晶，激发学生不畏艰难、勇于挑战、敢于创新的科学态度。

1.3 石墨烯涂层海绵清理溢油

1.3.1 内容简介

频发的溢油事故不仅是对不可再生资源的浪费，更对海洋生态系统造成了严重而长期的破坏[9]。为了快速消除溢油对自然环境的污染，研究人员提出了一套理想溢油清理方法的标准：①快速清理溢油，减缓溢油的扩散和风化；②能够以较高的油水分离效率吸附溢油；③对海洋生物的不良影响较小，可以大面积应用；④易于操作，在恶劣的海洋条件下也可高效工作。但是，传统的采油技术，如分散剂、固化剂、就地燃烧和撇油器等都不能满足上述要求[10]。

近年来，疏水亲油性的海绵，在外力作用下，可以高效、连续地从水面收集溢油[11]，使得有疏水性的吸油材料在溢油清理领域备受关注。这些吸油材料都有一个关键问题——对高粘度原油的吸附能力较差，而全球石油储量中高粘度的重质原油占比40%左右[12]。此外，轻质溢油的轻质组分在蒸发后，其粘度将大幅升高[13]。高粘度导致原油在上述吸油剂中的扩散非常缓慢，最终导致吸油速度低下。

为解决这一问题，中国科学技术大学俞书宏课题组制备了一种具备焦耳热效应性能的石墨烯涂层海绵(Graphene-Wrapped Sponge，GWS)，为溢油清理提供了新的可能[14]。如图3所示，绿色方状物表示海绵，海绵剖面图中黑边白圈代表附着在海绵上的石墨烯涂层(GWS)。GWS均匀的包裹着海绵基底，使其具备疏水性和导电性。当GWS与海面上的粘性原油接触时，由于石墨烯的疏水性，原油被选择性地吸收到孔隙中，但原油的吸附速度非常有限。在GWS上施加电压后，电流流过石墨烯涂层，产生热量，可以快速加热GWS，热的GWS会加热周围的原油，降低原油粘度，加快原油进入GWS孔隙中的速度(吸附了原油的GWS用红边粉圈)。切断外加电压后，位于GWS孔隙中的原油仍是热的，粘度仍然很低，这也有助于后续的油回收和运输过程(断电后的GWS用黑边橘色圈)。

图3 加热的GWS吸附溢油

在仅控制是否利用焦耳热效应加热GWS的控制变量实验中，未施加电压的GWS在 8 min 内只收集到 1.58 g 的溢油，但是施加了电压的GWS在 40 s 内收集到 3.87 g 原油。即GWS的溢油吸附速率，施加电压时是未施加电压时的29倍。这项研究为促进疏水性和亲油性吸油剂在粘性原油泄漏清理中的实际应用提供了新的思路。

1.3.2 教学视角

视角1：石墨烯

建议渗透位置为“化学” (九年级上册) “第六单元 碳和碳的氧化物”<课题1 金刚石、石墨和C60>中的资料卡片“碳单质的研究进展”。在碳家族的专题学习中，金刚石、石墨和C60是主角，是考察的重点和考点，新生代成员石墨烯，年龄虽小，但也是关注的焦点。作为拓展知识，介绍石墨烯的最新用途，可起到以下教育作用：

①培养学生善于创新、勇于实践的科学精神。在思政元素引入之前，教师可以先让学生了解石墨烯的发现过程。曼彻斯特大学的科学家康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·盖姆(Andre Geim)，在2004年时，用一种特殊的胶带粘住一块石墨薄片的两面，然后撕开，把石墨对分成了更薄的两块。不断这样的操作，石墨薄片变得越来越薄，便得到了单层碳原子的石墨片，也就是石墨烯。有趣的是，最初团队用精密仪器打磨得到的石墨片比石墨烯要厚得多，打磨石墨前，需要用胶带进行粘贴以除去其表面杂质，后来，通过检查发现胶带上留下的石墨片厚度要远小于打磨得到的石墨片厚度，而前句所述分离方法的灵感正是来源于此。然后再利用GWS中所体现出的石墨烯性质，同溢油清理相联系，从而设计探究活动，进而渗透该科学研究前沿知识。施加电压后GWS的溢油吸附速率大大提升，是科研工作者勇于打破常规，善于创新，敢于实践精神的体现，借此鼓励学生向前辈们学习，努力打好专业基础知识，为解决实际问题做好准备。

②打破学科壁垒，提高学生综合利用知识解决问题的意识。在渗透本材料前，可以先让学生根据生活常识，畅想会有哪些处理溢油的方法，再通过海绵吸水的原理步入本材料，介绍聚丙烯等材质的海绵吸附溢油的优缺点(在缺点上，重点介绍这些材料对黏性溢油吸附的低效率性，以便衔接本材料)，最后回归到石墨烯的性质，讲解GWS的工作原理。在整个学习过程中，不仅调动了学生已存贮的诸多经验知识，还运用了化学和物理等学科的科学原理，将学生各个知识之间建立联系，从而分析出解决问题的办法。过程中打破了学科壁垒，提高学生综合利用知识解决问题的意识。

③感受我国科学实力，培养民族自信，厚植爱国情感。在正式介绍GWS之前，可先让学生了解石墨烯所拥有的巨大应用潜能，然后再介绍在全世界有诸多石墨烯研究力量的情况下，我国依然占有极高比例的石墨烯专利发表量。通过对我国石墨烯领域研究成就的直观感受，增强学生的民族自豪感，并厚植爱国情感，从而激发学生树立利用科技实现中华民族伟大复兴的报国志向。

视角2：石油

建议渗透位置：“化学” (九年级上册) “第七单元 燃料及其利用”<课题2 燃料的合理利用与开发>中关于“石油开采”或“海上采油”部分。石油化工产品早已经深深的渗透到了生产、生活等各个领域，对我们生活的影响以及重要性不言而喻。在讲授该部分内容时，教师以渗透该篇科学研究前沿知识的方式，向学生介绍石油开采中的溢油处理，可产生以下教育影响：

①提高学生环境保护与节约资源的意识。在该渗透位置，教师可以借此机会向学生介绍原油泄漏造成了环境的污染以及对人类健康的危害，让学生意识到保护环境的重要性。而后，再重点介绍本文科技在溢油回收方面做出的贡献，让学生意识到GWS在石油资源回收领域上的重大意义，进而达到提高学生节约资源的意识。

②开拓学生知识面，增进学生的学习兴趣。在该材料中，不只有溢油清理科学技术方面的知识，还介绍了现有的溢油清理方法，以及理想溢油清理方法的标准等多维度的知识。通过对材料的学习，扩充了学生的知识储备，开拓了学生的知识面，学生在这个学习过程中得到了个性发展，增进了学生的学习兴趣。

1.4 MFM-520经济脱硝

1.4.1 内容简介

空气中的氮氧化物(NOx)会导致严重的环境污染问题，引发人们一系列的健康问题。而NO2作为NOx最普遍的形式，会导致光化学烟雾形成、大气臭氧层被破坏和全球气候变暖的加剧等问题，因此，NO2减排技术之发展迫在眉睫[15]。

选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)是目前所使用的最成熟的脱硝技术。然而，SCR严重依赖于有毒化学品、贵金属所制催化剂的使用，以及 600 ℃ 的高能耗还原条件[16]。并且SCR处理后的废气中NOx残量浓度高达1000～2000 μL/L(世界卫生组织排放标准限值的5000～10000倍)，如果将该废气排放到空气中，将会对空气造成严重污染[17]。再者，SCR所用催化剂在痕量级水的存在下便会快速失活，这一缺陷进一步限制了该技术的长远应用[16]。

如果想要除去废气中痕量的NO2，这就要求吸附材料不但需要具有良好的耐腐蚀性和长期稳定的NO2高活性，而且能在N2、CO2和SO2等干扰气体所组成的混合环境中对NO2具有高度选择性。理想情况下，希望可以将捕获的二氧化氮转化为可盈利的化学物质，如硝酸——其长期以来都是通过高能耗、高排放的奥斯特瓦尔德法(Ostwald process)生产[18]。然而如若要实现这一理想，就必须要求装置对于氮氧化物的吸收具有可逆性并且能实现材料的重生。

曼彻斯特大学合成的一种金属有机框架材料有望能够实现上述所有的愿景，该材料以Zn(II)为配位中心、联吡啶羧酸化合物为配体，被命名为MFM-520[19]。如图4所示，NOx为x=2的NO2，含有NO2的空气通过MFM-520材料时，可被MFM-520吸收，从而净化了空气。含有O2和H2O的空气通过吸收了NO2的MFM-520时，可使被吸附的NO2转化为HNO3，通过加热便可让MFM-520材料重新恢复其原有的NO2吸附容量。进一步研究发现，利用干湿NO2交替气流，不会对MFM-520的优异稳定性和选择性造成影响。MFM-520因其原料不使用贵金属并且材料在潮湿环境中也具有很高的稳定性，使其在脱硝硫技术中具有巨大应用潜力。

图4 MFM-520高效经济脱NOx

1.4.2 教学视角

视角1：空气污染

建议渗透位置：“化学” (九年级上册) “第二单元 我们周围的空气”<课题1 空气>中的资料卡片“空气质量日报”部分。洁净的空气对于人类的生存是十分重要，但随着现代工业的快速发展，产生了一系列学生耳熟能详的环境问题：酸雨、雾霾、光化学烟雾、臭氧层破坏、全球气候变暖……在这样的学生认知背景下，引入像该内容这样有望解决环境问题的化学技术，便十分合时宜。教师在此时引入该篇科学研究前沿知识，可具备以下教育意义：

①增强学生科学意识，提高学生科学素养。教师在进行教学时，可先拓展有关光化学烟雾、酸雨等污染的相关专业知识，然后再组织学生讨论日常生活中的一些社会话题，比如从环境保护角度出发，为什么国家现在提倡新能源汽车？为什么现代工业越发达的城市一般而言雾霾都越严重呢？从学生已有认知切入，在教师的指导下使学生开启社会生产生活中的化学视角，以科学的眼光理性看待和分析我们身边的现象，从而增强学生的科学意识，提高学生的科学素养。

②认识到化学在促进人类文明发展、解决环境问题方面所带来的积极贡献。在该化学科技前沿中介绍了MFM-520对二氧化氮二聚体有很高的吸附能力，从而为解决氮氧化物造成 的环境问题提供了新的可能；同时还可以将吸收的二氧化氮二聚体较为经济地转化生成硝酸，进而为生产硝酸的方法提供了革命性技术的可能。将会污染环境的氮氧化物变为了具有经济效益的硝酸，在解决人类面临的环境问题与促进硝酸生产业的发展上，同时提供了可能。

③培养学生利用辩证唯物主义的观点看待与分析问题的意识，引导学生正确看待科学对社会文明的影响。在该材料中，环境污染既起源于科学技术的使用，但科学技术又为其解决提供了新的思路。根据该材料的这一特点，引导学生辩证看待科学技术对社会文明的影响。科学技术的应用在起到推动社会发展的正影响的同时，也带来了诸如环境污染等等一系列的负影响。科学技术极大的推进了人类文明发展的同时，也带来了诸多的不良影响，但是正如本材料所阐述的那样，MFM-520材料为解决氮氧化物污染提供了新的可能，在整个人类文明发展的进程中，科学技术所带来的正影响是大于负影响的。

视角2：硝酸

建议渗透位置：“化学” (九年级下册) “第十单元 酸和碱”<课题1 常见的酸和碱>中介绍到硝酸的部分。硝酸是化学中常见的酸，也是重要化工原料，如在农业生产方面可以用于制造含氮化肥，在医药方面可以用于制造治疗心绞痛特效药硝酸甘油，以及制造炸药等，所以让学生加以了解是必要的。教师在指导学生学习“硝酸”时引入该科学研究前沿知识，具有以下教育意义：

①增进学生对元素观、转化观的建构。在该前沿科技知识当中，研究人员把含氮的污染物通过化学技术，转化为了一种同样含氮的重要化工原料——硝酸，该转化过程隐性传递了元素观、转化观等化学观念。所以通过该材料的学习，可以增进学生对于元素观和转化观的建构。

②激发学生对学习化学的兴趣和对化学学科的好奇心。教师在指导学生学习该科学研究前沿知识时，可先带领学生了解传统的硝酸制备工艺流程奥斯特瓦尔德法，然后再向学生介绍该科学研究前沿知识的核心材料MFM-520，最后对比二者生产硝酸的工艺：奥斯特瓦尔德法需要高温高压且依赖贵金属的催化，而利用MFM-520制备硝酸的条件十分温和，同时也不依赖贵重金属，更重要的是还可将空气污染物变废为宝。通过对比两种硝酸生产技术来刺激学生的感官与认知，从而激起学生对化学的学习兴趣和对化学学科的好奇心。

③巩固基础知识与技能，增强实验安全意识。该材料涉及硝酸的知识，可借此机会了解硝酸的性质，以及复习浓酸稀释的操作，在该教学过程中，培养学生的实验安全意识。

2 总结

科学研究前沿知识有效渗透到教学中，不仅提升了学生对化学与技术、社会、环境互相关系的认识，进一步理解科学本质、强化科学素养，而且可激发学生学习化学的兴趣，高效培养学生的核心素养。教师应当正视科学研究前沿知识在教学中的作用，注重专业学习，加强对科学研究前沿知识这“一桶水”的储备，而且要储备成“一桶活水”，从而为教学中高效渗透化学前沿知识做准备，以使渗透效益最大化。

本文列举的四个科学研究前言内容与初中化学教学的结合，为初中教师提供教学素材的同时，也为活跃课程氛围、开拓学生视野提供了参考。由于初中生相关专业知识储备不多，因此，并非每个科学研究前沿知识都能合适地开发出多个教学视角，本文提出的思路还需在教学中不断实践和完善。