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石墨课堂教学和社会实践研究

摘要:STEAM教育理念为我国科教兴国和发展学生核心素养提供了一个新的思路和方法。江苏省前黄高级中学国际分校国际部19届学生在校内化学课堂学习了石墨相关内容的基础上,进行了一次石墨烯工业园社会实践,既是学校和社会的有机结合,也是一次STEAM教育的实践。

关键词:STEAM教育;科教兴国;核心素养;石墨;石墨烯

20世纪末,我国提出了科教兴国的战略,科技和教育是兴国的手段和基础。《中国学生发展核心素养》指出:发展核心素养以培养“全面发展的人”为核心,分为文化基础、自主发展、社会参与三方面,综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养。开展科教兴国和发展学生核心素养,是一个长期探究的课题。目前,一个新的教育范式———STEAM教育,正逐渐进入人们的视野,为课题研究提供了新的思路。

一、关于STEAM教育

STEAM教育理念始于美国,自20世纪90年代末起,渐渐被英国、韩国等多个发达国家接受并试行。STEM教育只有科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科,以此为基础又加入艺术(Arts)。STEAM旨在打破学科领域的界限,成为跨学科综合教育。其倡导基于项目的学习方式,强调体验性和实践性,是一种新的教育理念和学习方法,日渐成为世界基础教育新的发展趋势。

二、石墨课堂教学

1.课堂铺垫。此前学生已学习化学键(chemicalbond)、金属晶体(metalcrystal)、离子晶体(ioniccrystal)以及大分子晶体(giantmolecu-larcrystal)中的金刚石(diamond)和二氧化硅(silicondioxide)。因此石墨部分的教学就开门见山地展开:石墨属于大分子晶体,而大分子晶体是由多个原子atom通过共价键(covalentbond)结合在一起的连续的3D结构。由于金属晶体内部存在离域电子(delocalizedelectrons),可以自由移动,使金属具有导电性。石墨与金属的结构异曲同工,所以石墨也具有导电性。2.教学思路及过程。“结构决定性质”是一个重要的化学思想。化学课堂除了教学具体化学知识,更要培养科学的思维方法。因此,教师应围绕这一化学思想展开石墨教学。第一步,读书指导法,学案结合PPT呈现石墨结构,要求学生根据提示回答石墨的性质,并思考是由什么结构决定石墨具有该种性质。第二步,点名一个学生回答,然后教师引导全班同学以谈话的方式一起探讨,修正答案。第三步,PPT呈现答案,学生在学案上做好笔记,以便课后复习。

三、石墨烯工业园社会实践

1.石墨烯工业园介绍。学校社会实践活动的第一站就是位于常州西太湖科技产业园的石墨烯工业园。首先带领学生参观江南石墨烯研究院。江南石墨烯研究院由常州市、武进区、西太湖科技产业园三级财政出资成立,是致力于石墨烯产业化应用的专业化研发平台,是石墨烯企业的孵化器。学生一到目的地,就感受到与众不同的高科技新城气息,此处的花坛、建筑的金属装饰、窗棂等到处都可见六边形图案。教师引导学生观察这个现象,并让他们思考设计者的意图。2.关于石墨烯。在江南石墨烯研究院的展厅,工作人员带领学生观看了石墨烯的宣传片,介绍了石墨烯的一些基础知识和产品。第一,石墨烯的发现。2004年,Geim和Novoselov首次成功分离出稳定的单层石墨烯,分离方法极为简单,石墨薄片粘在胶带上,把有黏性的一面对折,再撕开胶带,这样石墨薄片就被一分为二。原则上通过不断重复,片状石墨会越来越薄,最终可以得到一定数量的石墨烯。当然,这只是一个实验室制备少量石墨烯的方法,并不唯一,更不能工业量产。其他制备方法已超出学生理解水平,不做细讲。第二,石墨烯的结构。石墨烯中的每个碳原子通过共价键结合三个碳原子,由此组成许多个六元环平面,建筑设计中的六边形正是源于此处。石墨是层状的,层跟层之间的相互作用力是分子间作用力(intermolecularforces)。分子间作用力比共价键弱很多,以致石墨的层跟层之间易滑动脱落。第三,石墨烯的性质。石墨烯独特的二维晶体结构赋予石墨烯很多优异的性能,比如巨大的比表面积、高电子迁移率、高热导率、高光学透过率和杰出的导电性等。学生结合石墨和石墨烯的结构相似性,类比石墨的性质,就易于理解石墨烯的性质。第四,石墨烯的用途。江南石墨烯研究院的展厅展出了地暖地板、薄款冬季礼服、超轻羽毛球拍、代替硅生产的电子产品等。另外,学生还参观了园区的碳元公司,其生产的石墨膜散热板广泛用于手机、电脑等,轻便高效。这些正是石墨烯上述优良性质的应用。这次社会实践活动充分利用社会资源,让学生真实感受到科学技术可以改变人类生活,更为重要的是石墨烯的发现过程深深地触动学生的心灵,教育他们要善于发现,坚持不懈。同时,也为这些即将离开祖国远赴海外求学的学子们提供一次了解家乡的机会,燃起对故土的那份热爱和身为常州人的自豪。

参考文献:

[1]魏晓东,于冰,于海波.美国STEAM教育的框架、特点及启示[J].华东师范大学学报,2017(04).

[2]赵慧臣,陆晓婷.开展STEAM教育,提高学生创新能力———访美国STEAM教育知名学者格雷特•亚克门教授[J].开放教育研究,2016(05).

作者:顾智超 单位:江苏省前黄高级中学国际分校

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