?化學(xué)前沿知識(shí)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)融合實(shí)例

摘 "要 "中學(xué)化學(xué)教師在傳授化學(xué)學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，更需要培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)化學(xué)的情感，其中一個(gè)重要的途徑是在教學(xué)過(guò)程中引入化學(xué)前沿知識(shí)，開(kāi)闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛(ài)。對(duì)如何在教學(xué)過(guò)程中選擇化學(xué)前沿知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)人教版九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)列舉化學(xué)前沿與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的融合實(shí)例。

關(guān)鍵詞 "化學(xué)前沿知識(shí)；中學(xué)化學(xué)；

中圖分類號(hào)：G633.8 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）14-0107-03

Examples of Integrating Frontier Chemical Knowledge with Middle School Chemistry Teaching//LIU Xiaodi， YANG Yan， DING Min

Abstract "Middle school chemistry teachers need to cultivate students’ passion for chemistry while imparting chemical knowledge. An important method is the introduction of fron-tier chemical knowledge into the teaching process， which can

broaden the students’ vision and stimulate their interest in che-

mistry. In this paper， how to select frontier chemical knowle-

dge in the teaching course has been summarized， and the exam-

ples of integrating frontier chemical knowledge with chemi-cal teaching in middle school have been listed based on the 9th grade chemistry textbook （People’s Education Press）.

Key words "frontier chemical knowledge; middle school che-

mistry

0 "引言

作為給已經(jīng)具備一定理解能力的初三學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門啟蒙課，化學(xué)課程不僅可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。中學(xué)化學(xué)有很多復(fù)雜且分散的知識(shí)點(diǎn)，初中學(xué)生既要記住相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，又要深刻理解，學(xué)習(xí)起來(lái)存在一定困難。在教學(xué)過(guò)程中，教師如果只是理論性地說(shuō)教，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生消極情緒并逐漸對(duì)化學(xué)失去學(xué)習(xí)興趣。另外，在初中化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間較短，且重難點(diǎn)較多，他們?nèi)菀桩a(chǎn)生厭倦心理，學(xué)不會(huì)的時(shí)候更容易缺乏自信心?！爸吣绾弥?，好之者莫如樂(lè)之者?！币虼耍袑W(xué)化學(xué)教師在傳授化學(xué)學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，還需要注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的情感，讓學(xué)生懷著熱愛(ài)、積極的探究心態(tài)去學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生樹(shù)立學(xué)好化學(xué)知識(shí)的自信心，勇于克服困難，提高學(xué)習(xí)效率[1]。

培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)化學(xué)的情感的一個(gè)重要途徑是通過(guò)引入化學(xué)前沿知識(shí)來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)闊學(xué)生視野，幫助學(xué)生樹(shù)立遠(yuǎn)大理想的同時(shí)激發(fā)他們對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛(ài)[2]。本文介紹在教學(xué)過(guò)程中選擇化學(xué)前沿知識(shí)的原則，并列舉化學(xué)前沿知識(shí)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的融合實(shí)例。

1 "化學(xué)前沿知識(shí)的選取原則

目前，隨著新課改的不斷推進(jìn)，人教版九年級(jí)的化學(xué)教材發(fā)生較大改變，教材通過(guò)“資料卡片”“化學(xué)·技術(shù)·社會(huì)”等形式引入許多化學(xué)前沿知識(shí)。但是，按照更高的標(biāo)準(zhǔn)，教材中引入化學(xué)前沿還存在諸多不足，比如前沿知識(shí)的數(shù)量相對(duì)較少等。另外，部分化學(xué)學(xué)科教師沒(méi)有意識(shí)到將前沿知識(shí)融入課堂的積極作用，認(rèn)為化學(xué)前沿知識(shí)與教學(xué)任務(wù)和考試內(nèi)容沒(méi)有關(guān)系，還會(huì)占用有限的課堂教學(xué)時(shí)間，所以不愿意在教學(xué)過(guò)程中引入前沿知識(shí)。實(shí)際上，如果給學(xué)生一杯水，教師必須具有一桶水，而且是一桶活水，教師要具有這樣的理念。因此，化學(xué)教師要不斷收集與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的化學(xué)前沿知識(shí)，加深對(duì)科技前沿知識(shí)的理解，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生進(jìn)行滲透教育的能力。教師在選取化學(xué)前沿知識(shí)素材時(shí)需要注意以下三個(gè)方面。

1）課前對(duì)教學(xué)大綱和教材進(jìn)行分析，根據(jù)學(xué)情確定教學(xué)目的和教學(xué)方法，選取與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的化學(xué)學(xué)科前沿內(nèi)容，將其與教學(xué)內(nèi)容恰當(dāng)?shù)厝诤希龅角昂笥袡C(jī)聯(lián)系、整體合一，避免牽強(qiáng)附會(huì)。

2）根據(jù)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的關(guān)鍵詞查閱化學(xué)前沿知識(shí)。教師要保證其來(lái)源的科學(xué)性和權(quán)威性，拒絕道聽(tīng)途說(shuō)。目前，大量的信息主要來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，但部分網(wǎng)站的資料已過(guò)時(shí)且內(nèi)容比較雜亂，甚至是錯(cuò)誤的，沒(méi)有信服力。因此，教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找相關(guān)化學(xué)前沿知識(shí)時(shí)，必須嚴(yán)格篩選所選內(nèi)容，保證資料的科學(xué)性，不要出現(xiàn)“熟雞蛋變生雞蛋”這樣的笑話。

3）教師查找的化學(xué)前沿知識(shí)可能會(huì)比較抽象且深?yuàn)W，如果不加以處理就直接傳授給學(xué)生，學(xué)生會(huì)聽(tīng)得一知半解，難以取得理想效果。因此，教師要將素材進(jìn)行分類、篩選和處理，通俗化、形象化地講解學(xué)生目前不能理解的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，從而幫助學(xué)生理解。

2 "化學(xué)前沿知識(shí)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)融合實(shí)例

如上所述，化學(xué)教師在選取化學(xué)前沿知識(shí)時(shí)既要根據(jù)教學(xué)大綱的要求，還需考慮所選素材的科學(xué)性、啟發(fā)性、生動(dòng)性和通俗性等。下面結(jié)合人教版九年級(jí)化學(xué)教材的部分教學(xué)內(nèi)容，介紹一些相關(guān)的化學(xué)前沿知識(shí)。

2.1 "第三章：物質(zhì)構(gòu)成的奧秘

在第三章的教學(xué)過(guò)程中，由于原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)后會(huì)覺(jué)得這些知識(shí)和實(shí)際生活沒(méi)有關(guān)聯(lián)，缺少學(xué)習(xí)興趣。這就更需要教師在教學(xué)過(guò)程中引入一些有趣且有用的前沿知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容有一定的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。如在教學(xué)過(guò)程中，教師可以引入分子器件的相關(guān)前沿知識(shí)。目前，手機(jī)等電子設(shè)備的尺寸在不斷縮小，主要得益于芯片越做越小，但是以硅為基本材料的芯片只能做到7 nm，否則會(huì)損失相應(yīng)的性能，對(duì)器件小型化的追求就促使人們對(duì)單分子器件進(jìn)行研究。目前，科研工作者通過(guò)調(diào)整兩片單層石墨烯電極的間距，將單個(gè)平面有機(jī)分子連接在石墨烯之間，形成三明治結(jié)構(gòu)的單分子電子器件，其具有單原子層厚度，即厚度約為頭發(fā)絲直徑的1/60 000，如圖1所示[3]。另外，研究人員還設(shè)計(jì)并制備出大量可以像樂(lè)高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子器件，包括分子梭、分子馬達(dá)、分子開(kāi)關(guān)、分子環(huán)和分子手臂等。

通過(guò)引入這些有趣且有用的前沿知識(shí)，可以讓學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)有一定的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

在本章第三節(jié)“元素”的教學(xué)過(guò)程中，教師在給學(xué)生講述元素周期表時(shí)，可以問(wèn)學(xué)生一個(gè)問(wèn)題：元素周期表有盡頭嗎？現(xiàn)存的元素只有118種嗎？實(shí)際上，元素序號(hào)越高，存在時(shí)間越短，位于元素周期表末尾的人造元素通常以小時(shí)、分、秒或毫秒級(jí)存在。如第118號(hào)元素Og最穩(wěn)定的同位素為Og-295，其半衰期僅有181毫秒。因此，對(duì)這些元素進(jìn)行研究就存在一定困難。目前，不同理論預(yù)言的元素?cái)?shù)目是不同的，穩(wěn)定島理論預(yù)言126號(hào)元素是穩(wěn)定存在的，根據(jù)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)推測(cè)出的穩(wěn)定元素是137號(hào)，而以電子不可超過(guò)光速理論推算元素的極限序號(hào)是172號(hào)。因此，元素肯定不會(huì)止步于118號(hào)，只是需要用更巧妙的方式制造和探索這些超重元素。通過(guò)這些內(nèi)容可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛(ài)。

2.2 "第四章：自然界的水

在第四章中，教材中利用電解水實(shí)驗(yàn)給學(xué)生講解水的組成。如果能夠讓學(xué)生直觀地看到水的照片，則非常有利于提高他們的學(xué)習(xí)興趣。但是，水分子的直徑只有一根頭發(fā)絲的百萬(wàn)分之一，且液態(tài)水分子運(yùn)動(dòng)非?？?，很難給水分子拍照。北京大學(xué)的江穎和王恩哥課題組選擇氯化鈉薄膜作為拍攝背景，將水分子吸附在氯化鈉薄膜表面進(jìn)行觀察，成功利用X射線捕捉到單個(gè)水分子和四分子水團(tuán)簇的清晰面貌（圖2）[4]。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)給學(xué)生介紹利用X射線給水分子拍照的前沿知識(shí)，可以滿足學(xué)生“眼見(jiàn)為實(shí)”的愿望。

另外，在該章節(jié)的教學(xué)過(guò)程中，教師給學(xué)生介紹隨著當(dāng)前水資源污染問(wèn)題的加劇，水處理已經(jīng)成為環(huán)境工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。水凈化過(guò)程中使用的重要材料之一就是超濾膜，科研工作者根據(jù)水資源的不同使用需求和對(duì)雜質(zhì)含量的不同要求，對(duì)膜材料進(jìn)行廣泛研究，獲得大量具有特殊過(guò)濾效果的膜材料。例如：福州大學(xué)徐藝軍教授的研究團(tuán)隊(duì)在二維TiC組裝成膜過(guò)程中引入還原氧化石墨烯，然后對(duì)薄膜進(jìn)行表面羥基化處理，最終獲得的薄膜不僅具有優(yōu)異的水潤(rùn)濕性，還對(duì)重金屬離子表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附和還原作用，可以在無(wú)壓力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)多種重金屬離子的有效過(guò)濾[5]。

2.3 "第六章：碳和碳的氧化物

在第六章的教學(xué)過(guò)程中，教師在講解CO2的相關(guān)內(nèi)容時(shí)可以給學(xué)生介紹我國(guó)關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和的相關(guān)政策，即：我國(guó)承諾在2030年前，CO2的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后再慢慢減下去；到2060年，針對(duì)排放的CO2，采取植樹(shù)、節(jié)能減排等各種方式全部抵消掉。讓學(xué)生了解我國(guó)為世界環(huán)境所作出的重要貢獻(xiàn)。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以向?qū)W生介紹我國(guó)化學(xué)工作者對(duì)碳達(dá)峰、碳中和作出的貢獻(xiàn)。例如：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的馬延和團(tuán)隊(duì)在2021年首次實(shí)現(xiàn)從CO2到淀粉的全合成，在淀粉人工合成方面獲得突破性的進(jìn)展，使“喝西北風(fēng)”成為現(xiàn)實(shí)[6]。該團(tuán)隊(duì)主要采用類似搭積木的方式進(jìn)行淀粉的人工合成，即在化學(xué)催化劑的作用下，利用高密度氫首先將高濃度CO2還原成C1，然后根據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)和生物途徑優(yōu)化等逐漸將C1轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉和支鏈淀粉（Cn）。理論上講，1 m3大小的生物反應(yīng)器的年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國(guó)五畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

2.4 "第九章：溶液

在第九章中，學(xué)生接觸的溶液都是液體的，溶質(zhì)為固體，溶劑為液體。教師可以適當(dāng)開(kāi)闊學(xué)生的視野，給學(xué)生介紹固溶體的相關(guān)知識(shí)。在固溶體中，溶劑和溶質(zhì)都為固體，即由一種或多種被視為溶質(zhì)的元素或化合物，混溶于作為固態(tài)溶劑的單質(zhì)或化合物的晶格中。如果想讓學(xué)生更好地理解固溶體，教師可以給學(xué)生舉一些寶石的例子，自然界中美麗的寶石實(shí)際上就是固溶體。純的Al2O3是無(wú)色透明的，在Al2O3晶格中摻雜不同的金屬離子，從而表現(xiàn)出不同的顏色。例如：在Al2O3晶體中融入0.5～

2 wt%的Cr3+后，Al2O3晶體轉(zhuǎn)化為有激光性能的紅寶石，而摻入少量鈦和鐵雜質(zhì)后即為藍(lán)寶石。

在實(shí)際生產(chǎn)生活中，固溶體的應(yīng)用非常廣泛，已成為材料科學(xué)工作者重要的研究課題。例如：加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授和華南師范大學(xué)王新副教授共同報(bào)道了一種鈦釩氮化物固溶體，將V引入TiN晶格構(gòu)建出三維自支撐鈦釩氮固溶體，微妙地調(diào)整Ti和V的配位結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)，大幅度提高其對(duì)硫物種的化學(xué)親和力，將其應(yīng)用于鋰硫電池，可以使鋰硫電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能[7]。

3 "結(jié)束語(yǔ)

化學(xué)科學(xué)的研究和發(fā)展服務(wù)實(shí)際生產(chǎn)生活。在教學(xué)中滲透化學(xué)前沿知識(shí)，可以充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，增長(zhǎng)學(xué)生的見(jiàn)識(shí)，并在潛移默化中讓學(xué)生養(yǎng)成時(shí)刻關(guān)注發(fā)展新動(dòng)態(tài)的好習(xí)慣?；瘜W(xué)前沿知識(shí)是無(wú)數(shù)化學(xué)工作者的勞動(dòng)結(jié)晶，在教學(xué)過(guò)程中引入化學(xué)前沿知識(shí)，可以讓學(xué)生體會(huì)和學(xué)習(xí)科研工作者尋求真知、堅(jiān)持不懈以及大膽設(shè)想的精神，并讓學(xué)生了解科研的曲折性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。另外，教師的魅力在于擁有淵博的知識(shí)和高尚的品德，教師必須了解最新研究現(xiàn)狀、最新研究成果、最新領(lǐng)域知識(shí)等，才能滿足更高層次的教學(xué)要求。

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