石墨烯的发现给新课标化学教学的几点启示

张春兰

（四川省成都市石室中学）

石墨烯的发现给新课标化学教学的几点启示

张春兰

（四川省成都市石室中学）

英国两位科学家仅用“胶带”和“铅笔”，创造性地用撕裂的方法成功获得超薄材料——石墨烯，因而获得了2010年诺贝尔物理学奖。这一发现轰动了科学界，掀起了一场研究石墨烯的热潮。对于中学化学教学，新课程改革提倡运用自主、合作、探究式的学习方式，从石墨烯的发现过程浅谈对新课程化学教学的几点粗浅的看法和体会。

石墨烯；新课程标准；化学教学；教学创新

几乎人人都使用过铅笔，大家知道铅笔的笔芯大都是由石墨做成的。你是否知道，当你用铅笔在纸上尽情挥洒留下字迹的同时，一种被誉为硅“终结者”的新型超级纳米材料——石墨烯因此而产生。

一、走近石墨烯

石墨烯是一种从石墨中剥离出来的单层碳原子二维新材料，它是迄今为止发现的最薄、最轻却也是最坚硬的纳米材料。它薄得让你无法想象（厚度只有0.335 nm），仅为头发厚度的20万分之一，重量几乎为零，硬度却超过钻石。它拥有最大的表面重量比，1 g石墨烯的面积足以覆盖几个足球场。诺贝尔授奖委员会表示，一块1m2的石墨烯吊床可以支撑4 kg的猫，该吊床的重量仅为0.77 mg，不足猫腮须的重量，肉眼根本看不到。

图1　石墨烯的结构示意图

石墨烯是被誉为硅“终结者”的新型超级材料，它还具有很多特性：其导电性可以与铜媲美；导热性可能比已知的任何材料都要出色得多。物理学家声称石墨烯很可能最终取代硅成为计算机芯片的基础材料；此外，石墨烯还可以作为污染监测的敏感材料，用于完善平板电视、制作电子产品柔性透明触摸屏等。

二、石墨烯的发现

石墨烯，这位“草根达人”被发现的过程充满传奇色彩。早在1947年，大多数科学家认为石墨烯这种纯粹的二维材料是不可能在自然界中获得的。直到2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆教授（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）通过一种极其简单的方法首次获得了石墨烯。他们从石墨中剥离出石墨薄片，利用普通的透明塑料胶带对石墨片进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了只有一层碳原子厚度的石墨烯。这一发现轰动了科学界，不仅因为他们打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更重要的是，石墨烯这一极薄的纳米材料带来了许多超乎想象的新特性，使它成为新型材料领域的一个重大的发现。这两位科学家在短短的6年间，因“突破性地”用撕裂的方法成功获得超薄材料石墨烯而获得了2010年诺贝尔物理学奖。

图2　科学家用胶带发现石墨烯的过程

三、石墨烯的发现对新课标化学教学的几点启示

《普通高中化学课程标准（实验）》强调“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究意识，促进学习方式的转变，在实践中培养学生的创新精神和实践能力”。石墨烯的发现并获得诺贝尔奖这一事实告诉我们，真正的发明创造并非墨守成规、一蹴而就的，它需要科学家有打破常规、不断创新的精神。本文从石墨烯的这一简单的发现过程谈几点粗浅的看法和体会。

1.教师应多给自己“充电”，培养学生用创新思维解决问题的能力

化学教学的深层价值在于引领学生形成从化学的视角认识物质世界和解决问题的思想方法，教师应培养学生坚持不懈、自主探究、独立思考、追求创新的能力。教师作为课堂教学的设计者、组织者、实施者，可以多了解一些科学前沿的信息，并将这些科学成果、发现过程中鲜为人知的历程作为创新教学的案例渗透在课堂教学中，创造性地与教材内容进行整合，设计一系列具有较强实践性与开放性的问题，创造机会让学生广开思路，多角度、多方位地看待问题并提高解决问题的能力，使学生的实践能力与创新能力得到有效的培养。

2.以化学实验为主线，将创新能力的培养贯穿于教学过程中

化学最大的魅力在于能用实验事实说理，化学实验变幻莫测、多种多样的实验现象能极大地激发学生的学习兴趣。教师可以利用学生对化学实验的好奇心，创造性地将教材实验加以改进，让学生在老师的带领下形成创新思维。一些教师对教材的实验进行了改进，并取得了非常好的效果。南京外国语学校许亮亮老师采用不同溶剂构建异相、多层、不同颜色的化学彩虹，大大加深了学生对相似相溶原理的理解；同时，结合学生的奇思妙想，用不同浓度的蔗糖溶液成功构建了同相、多层、不同颜色的化学彩虹，并对2种彩虹的优缺点进行了比较分析，很好地培养了学生的问题意识和创新思维能力。

图3　采用不同溶剂构建的化学彩虹

重庆巴蜀中学郑军老师通过探究喷泉的形成动力，对喷泉实验进行了创新性的改进，设计了如下七色喷泉组合示例：

喷泉颜色红色橙色黄色绿色蓝色靛色紫色试剂组合气体NH3HCL HCL HCL HCL NH3NH3溶液水（酚酞）溴水FeCl3CuCl2CuSO4铜氨KMnO4

这一创新设计让学生体验了科学探究的过程，提高了实验动手能力，激发了学习化学的兴趣，培养了学生的创新实践能力。

图4　七彩喷泉实验

3.教师应聚焦科学热点，拓展教学视野

化学是一门科学，在教学中，教师应积极挖掘社会科学热点，开发课程资源为课堂教学服务。它的挖掘利用，既能增添课程教学的生动性和新颖性，拓展学生的科学视野，还能在学业考试中发挥积极的实用价值。从近年全国各地高考试题来看，以最新科技成果为背景的试题在高考化学试卷中频频出现，体现了中学化学与最新科技的联系。如2009年安徽高考试题以石墨烯为背景考查了碳及其晶体结构的知识。试题如下：石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料（结构示意图如下），可由石墨剥离而成，具有极好的应用前景。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.石墨烯是一种有机物

D.石墨烯中的碳原子间以共价键结合

此外，近几年在高中化学试卷中出现的以纳米材料为背景的试题，考查了有关化学氧化还原、晶体结构、胶体等相关知识。如高考题：美国《科学》杂志评出了2001年十大科技成就，名列榜首的是纳米电子学，其中美国IBM公司的科学家制造了第一批碳纳米晶体管，发明了利用电子波性传递信息的“导线”，已知纳米材料是指微粒直径在l～100 nm的材料。下列叙述正确的是（）

A.纳米碳管是一种新型的高分子化合物

B.纳米碳管的化学性质稳定

C.纳米碳管导电属于化学变化

D.纳米碳管的结构和性质与金刚石相同

石墨烯的发现是一个很简单的过程，但是，这一过程同时也告诉我们，真正的科技成功需要有原创精神，这就要求教师在教学过程中加强对这种创新精神的培养，长此以往，在新课程标准理念这一指挥棒的指导下，我国的基础教育才会做得越来越有特色。

许亮亮.化学彩虹［J］.化学教育，2013（4）.

·编辑杨国蓉