石墨課堂教學和社會實踐研究

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摘要：STEAM教育理念為我國科教興國和發(fā)展學生核心素養(yǎng)提供了一個新的思路和方法。江蘇省前黃高級中學國際分校國際部學生在校內(nèi)化學課堂學習了石墨相關內(nèi)容的基礎上，進行了一次石墨烯工業(yè)園社會實踐，既是學校和社會的有機結(jié)合，也是一次STEAM教育的實踐。

關鍵詞：STEAM教育；科教興國；核心素養(yǎng)；石墨；石墨烯

20世紀末，我國提出了科教興國的戰(zhàn)略，科技和教育是興國的手段和基礎。《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出：發(fā)展核心素養(yǎng)以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，分為文化基礎、自主發(fā)展、社會參與三方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)。開展科教興國和發(fā)展學生核心素養(yǎng)，是一個長期探究的課題。目前，一個新的教育范式———STEAM教育，正逐漸進入人們的視野，為課題研究提供了新的思路。

一、關于STEAM教育

STEAM教育理念始于美國，自20世紀90年代末起，漸漸被英國、韓國等多個發(fā)達國家接受并試行。STEM教育只有科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四門學科，以此為基礎又加入藝術（Arts）。STEAM旨在打破學科領域的界限，成為跨學科綜合教育。其倡導基于項目的學習方式，強調(diào)體驗性和實踐性，是一種新的教育理念和學習方法，日漸成為世界基礎教育新的發(fā)展趨勢。

二、石墨課堂教學

1.課堂鋪墊。此前學生已學習化學鍵（chemicalbond）、金屬晶體（metalcrystal）、離子晶體（ioniccrystal）以及大分子晶體（giantmolecu-larcrystal）中的金剛石（diamond）和二氧化硅（silicondioxide）。因此石墨部分的教學就開門見山地展開：石墨屬于大分子晶體，而大分子晶體是由多個原子atom通過共價鍵（covalentbond）結(jié)合在一起的連續(xù)的3D結(jié)構(gòu)。由于金屬晶體內(nèi)部存在離域電子（delocalizedelectrons），可以自由移動，使金屬具有導電性。石墨與金屬的結(jié)構(gòu)異曲同工，所以石墨也具有導電性。2.教學思路及過程。“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”是一個重要的化學思想。化學課堂除了教學具體化學知識，更要培養(yǎng)科學的思維方法。因此，教師應圍繞這一化學思想展開石墨教學。第一步，讀書指導法，學案結(jié)合PPT呈現(xiàn)石墨結(jié)構(gòu)，要求學生根據(jù)提示回答石墨的性質(zhì)，并思考是由什么結(jié)構(gòu)決定石墨具有該種性質(zhì)。第二步，點名一個學生回答，然后教師引導全班同學以談話的方式一起探討，修正答案。第三步，PPT呈現(xiàn)答案，學生在學案上做好筆記，以便課后復習。

三、石墨烯工業(yè)園社會實踐

1.石墨烯工業(yè)園介紹。學校社會實踐活動的第一站就是位于常州西太湖科技產(chǎn)業(yè)園的石墨烯工業(yè)園。首先帶領學生參觀江南石墨烯研究院。江南石墨烯研究院由常州市、武進區(qū)、西太湖科技產(chǎn)業(yè)園三級財政出資成立，是致力于石墨烯產(chǎn)業(yè)化應用的專業(yè)化研發(fā)平臺，是石墨烯企業(yè)的孵化器。學生一到目的地，就感受到與眾不同的高科技新城氣息，此處的花壇、建筑的金屬裝飾、窗欞等到處都可見六邊形圖案。教師引導學生觀察這個現(xiàn)象，并讓他們思考設計者的意圖。2.關于石墨烯。在江南石墨烯研究院的展廳，工作人員帶領學生觀看了石墨烯的宣傳片，介紹了石墨烯的一些基礎知識和產(chǎn)品。第一，石墨烯的發(fā)現(xiàn)。2004年，Geim和Novoselov首次成功分離出穩(wěn)定的單層石墨烯，分離方法極為簡單，石墨薄片粘在膠帶上，把有黏性的一面對折，再撕開膠帶，這樣石墨薄片就被一分為二。原則上通過不斷重復，片狀石墨會越來越薄，最終可以得到一定數(shù)量的石墨烯。當然，這只是一個實驗室制備少量石墨烯的方法，并不唯一，更不能工業(yè)量產(chǎn)。其他制備方法已超出學生理解水平，不做細講。第二，石墨烯的結(jié)構(gòu)。石墨烯中的每個碳原子通過共價鍵結(jié)合三個碳原子，由此組成許多個六元環(huán)平面，建筑設計中的六邊形正是源于此處。石墨是層狀的，層跟層之間的相互作用力是分子間作用力（intermolecularforces）。分子間作用力比共價鍵弱很多，以致石墨的層跟層之間易滑動脫落。第三，石墨烯的性質(zhì)。石墨烯獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)賦予石墨烯很多優(yōu)異的性能，比如巨大的比表面積、高電子遷移率、高熱導率、高光學透過率和杰出的導電性等。學生結(jié)合石墨和石墨烯的結(jié)構(gòu)相似性，類比石墨的性質(zhì)，就易于理解石墨烯的性質(zhì)。第四，石墨烯的用途。江南石墨烯研究院的展廳展出了地暖地板、薄款冬季禮服、超輕羽毛球拍、代替硅生產(chǎn)的電子產(chǎn)品等。另外，學生還參觀了園區(qū)的碳元公司，其生產(chǎn)的石墨膜散熱板廣泛用于手機、電腦等，輕便高效。這些正是石墨烯上述優(yōu)良性質(zhì)的應用。這次社會實踐活動充分利用社會資源，讓學生真實感受到科學技術可以改變?nèi)祟惿睿鼮橹匾氖鞘┑陌l(fā)現(xiàn)過程深深地觸動學生的心靈，教育他們要善于發(fā)現(xiàn)，堅持不懈。同時，也為這些即將離開祖國遠赴海外求學的學子們提供一次了解家鄉(xiāng)的機會，燃起對故土的那份熱愛和身為常州人的自豪。

參考文獻：

[1]魏曉東,于冰,于海波.美國STEAM教育的框架、特點及啟示[J].華東師范大學學報,2017(04).

[2]趙慧臣,陸曉婷.開展STEAM教育,提高學生創(chuàng)新能力———訪美國STEAM教育知名學者格雷特•亞克門教授[J].開放教育研究,2016(05).

作者:顧智超 單位:江蘇省前黃高級中學國際分校