石墨烯的發現給新課標化學教學的幾點啟示

張春蘭

（四川省成都市石室中學）

石墨烯的發現給新課標化學教學的幾點啟示

張春蘭

（四川省成都市石室中學）

英國兩位科學家僅用“膠帶”和“鉛筆”，創造性地用撕裂的方法成功獲得超薄材料——石墨烯，因而獲得了2010年諾貝爾物理學獎。這一發現轟動了科學界，掀起了一場研究石墨烯的熱潮。對于中學化學教學，新課程改革提倡運用自主、合作、探究式的學習方式，從石墨烯的發現過程淺談對新課程化學教學的幾點粗淺的看法和體會。

石墨烯；新課程標準；化學教學；教學創新

幾乎人人都使用過鉛筆，大家知道鉛筆的筆芯大都是由石墨做成的。你是否知道，當你用鉛筆在紙上盡情揮灑留下字跡的同時，一種被譽為硅“終結者”的新型超級納米材料——石墨烯因此而產生。

一、走近石墨烯

石墨烯是一種從石墨中剝離出來的單層碳原子二維新材料，它是迄今為止發現的最薄、最輕卻也是最堅硬的納米材料。它薄得讓你無法想象（厚度只有0.335 nm），僅為頭發厚度的20萬分之一，重量幾乎為零，硬度卻超過鉆石。它擁有最大的表面重量比，1 g石墨烯的面積足以覆蓋幾個足球場。諾貝爾授獎委員會表示，一塊1m2的石墨烯吊床可以支撐4 kg的貓，該吊床的重量僅為0.77 mg，不足貓腮須的重量，肉眼根本看不到。

圖1　石墨烯的結構示意圖

石墨烯是被譽為硅“終結者”的新型超級材料，它還具有很多特性：其導電性可以與銅媲美；導熱性可能比已知的任何材料都要出色得多。物理學家聲稱石墨烯很可能最終取代硅成為計算機芯片的基礎材料；此外，石墨烯還可以作為污染監測的敏感材料，用于完善平板電視、制作電子產品柔性透明觸摸屏等。

二、石墨烯的發現

石墨烯，這位“草根達人”被發現的過程充滿傳奇色彩。早在1947年，大多數科學家認為石墨烯這種純粹的二維材料是不可能在自然界中獲得的。直到2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆教授（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）通過一種極其簡單的方法首次獲得了石墨烯。他們從石墨中剝離出石墨薄片，利用普通的透明塑料膠帶對石墨片進行反復的粘貼與撕開使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過顯微鏡在大量的薄片中尋找到了只有一層碳原子厚度的石墨烯。這一發現轟動了科學界，不僅因為他們打破了二維晶體無法真實存在的理論預言，更重要的是，石墨烯這一極薄的納米材料帶來了許多超乎想象的新特性，使它成為新型材料領域的一個重大的發現。這兩位科學家在短短的6年間，因“突破性地”用撕裂的方法成功獲得超薄材料石墨烯而獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

圖2　科學家用膠帶發現石墨烯的過程

三、石墨烯的發現對新課標化學教學的幾點啟示

《普通高中化學課程標準（實驗）》強調“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究意識，促進學習方式的轉變，在實踐中培養學生的創新精神和實踐能力”。石墨烯的發現并獲得諾貝爾獎這一事實告訴我們，真正的發明創造并非墨守成規、一蹴而就的，它需要科學家有打破常規、不斷創新的精神。本文從石墨烯的這一簡單的發現過程談幾點粗淺的看法和體會。

1.教師應多給自己“充電”，培養學生用創新思維解決問題的能力

化學教學的深層價值在于引領學生形成從化學的視角認識物質世界和解決問題的思想方法，教師應培養學生堅持不懈、自主探究、獨立思考、追求創新的能力。教師作為課堂教學的設計者、組織者、實施者，可以多了解一些科學前沿的信息，并將這些科學成果、發現過程中鮮為人知的歷程作為創新教學的案例滲透在課堂教學中，創造性地與教材內容進行整合，設計一系列具有較強實踐性與開放性的問題，創造機會讓學生廣開思路，多角度、多方位地看待問題并提高解決問題的能力，使學生的實踐能力與創新能力得到有效的培養。

2.以化學實驗為主線，將創新能力的培養貫穿于教學過程中

化學最大的魅力在于能用實驗事實說理，化學實驗變幻莫測、多種多樣的實驗現象能極大地激發學生的學習興趣。教師可以利用學生對化學實驗的好奇心，創造性地將教材實驗加以改進，讓學生在老師的帶領下形成創新思維。一些教師對教材的實驗進行了改進，并取得了非常好的效果。南京外國語學校許亮亮老師采用不同溶劑構建異相、多層、不同顏色的化學彩虹，大大加深了學生對相似相溶原理的理解；同時，結合學生的奇思妙想，用不同濃度的蔗糖溶液成功構建了同相、多層、不同顏色的化學彩虹，并對2種彩虹的優缺點進行了比較分析，很好地培養了學生的問題意識和創新思維能力。

圖3　采用不同溶劑構建的化學彩虹

重慶巴蜀中學鄭軍老師通過探究噴泉的形成動力，對噴泉實驗進行了創新性的改進，設計了如下七色噴泉組合示例：

噴泉顏色紅色橙色黃色綠色藍色靛色紫色試劑組合氣體NH3HCL HCL HCL HCL NH3NH3溶液水（酚酞）溴水FeCl3CuCl2CuSO4銅氨KMnO4

這一創新設計讓學生體驗了科學探究的過程，提高了實驗動手能力，激發了學習化學的興趣，培養了學生的創新實踐能力。

圖4　七彩噴泉實驗

3.教師應聚焦科學熱點，拓展教學視野

化學是一門科學，在教學中，教師應積極挖掘社會科學熱點，開發課程資源為課堂教學服務。它的挖掘利用，既能增添課程教學的生動性和新穎性，拓展學生的科學視野，還能在學業考試中發揮積極的實用價值。從近年全國各地高考試題來看，以最新科技成果為背景的試題在高考化學試卷中頻頻出現，體現了中學化學與最新科技的聯系。如2009年安徽高考試題以石墨烯為背景考查了碳及其晶體結構的知識。試題如下：石墨烯是由碳原子構成的單層片狀結構的新材料（結構示意圖如下），可由石墨剝離而成，具有極好的應用前景。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.石墨烯是一種有機物

D.石墨烯中的碳原子間以共價鍵結合

此外，近幾年在高中化學試卷中出現的以納米材料為背景的試題，考查了有關化學氧化還原、晶體結構、膠體等相關知識。如高考題：美國《科學》雜志評出了2001年十大科技成就，名列榜首的是納米電子學，其中美國IBM公司的科學家制造了第一批碳納米晶體管，發明了利用電子波性傳遞信息的“導線”，已知納米材料是指微粒直徑在l～100 nm的材料。下列敘述正確的是（）

A.納米碳管是一種新型的高分子化合物

B.納米碳管的化學性質穩定

C.納米碳管導電屬于化學變化

D.納米碳管的結構和性質與金剛石相同

石墨烯的發現是一個很簡單的過程，但是，這一過程同時也告訴我們，真正的科技成功需要有原創精神，這就要求教師在教學過程中加強對這種創新精神的培養，長此以往，在新課程標準理念這一指揮棒的指導下，我國的基礎教育才會做得越來越有特色。

許亮亮.化學彩虹［J］.化學教育，2013（4）.

·編輯楊國蓉