基于STEAM理念的石墨課堂教學(xué)和社會(huì)實(shí)踐探究

顧智超

摘 要：STEAM教育理念為我國科教興國和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)提供了一個(gè)新的思路和方法。江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國際分校國際部19屆學(xué)生在校內(nèi)化學(xué)課堂學(xué)習(xí)了石墨相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一次石墨烯工業(yè)園社會(huì)實(shí)踐，既是學(xué)校和社會(huì)的有機(jī)結(jié)合，也是一次STEAM教育的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：STEAM教育；科教興國；核心素養(yǎng)；石墨；石墨烯

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-3561（2019）03-0088-01

20世紀(jì)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(chǔ)?！吨袊鴮W(xué)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(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與三方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)。開展科教興國和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，是一個(gè)長期探究的課題。目前，一個(gè)新的教育范式——STEAM教育，正逐漸進(jìn)入人們的視野，為課題研究提供了新的思路。

一、關(guān)于STEAM教育

STEAM 教育理念始于美國，自20世紀(jì)90 年代末起，漸漸被英國、韓國等多個(gè)發(fā)達(dá)國家接受并試行。STEM教育只有科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科，以此為基礎(chǔ)又加入藝術(shù)（Arts）。STEAM旨在打破學(xué)科領(lǐng)域的界限，成為跨學(xué)科綜合教育。其倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)性和實(shí)踐性，是一種新的教育理念和學(xué)習(xí)方法，日漸成為世界基礎(chǔ)教育新的發(fā)展趨勢。

二、石墨課堂教學(xué)

1.課堂鋪墊

此前學(xué)生已學(xué)習(xí)化學(xué)鍵（chemical bond）、金屬晶體（metal crystal）、離子晶體（ionic crystal）以及大分子晶體（giant molecular crystal）中的金剛石（diamond）和二氧化硅（silicon dioxide）。因此石墨部分的教學(xué)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(gè)原子atom通過共價(jià)鍵（covalent bond）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（delocalized electrons），可以自由移動(dòng)，使金屬具有導(dǎo)電性。石墨與金屬的結(jié)構(gòu)異曲同工，所以石墨也具有導(dǎo)電性。

2.教學(xué)思路及過程

“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”是一個(gè)重要的化學(xué)思想?；瘜W(xué)課堂除了教學(xué)具體化學(xué)知識(shí)，更要培養(yǎng)科學(xué)的思維方法。因此，教師應(yīng)圍繞這一化學(xué)思想展開石墨教學(xué)。第一步，讀書指導(dǎo)法，學(xué)案結(jié)合PPT呈現(xiàn)石墨結(jié)構(gòu)，要求學(xué)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(diǎn)名一個(gè)學(xué)生回答，然后教師引導(dǎo)全班同學(xué)以談話的方式一起探討，修正答案。第三步，PPT呈現(xiàn)答案，學(xué)生在學(xué)案上做好筆記，以便課后復(fù)習(xí)。

三、石墨烯工業(yè)園社會(huì)實(shí)踐

1.石墨烯工業(yè)園介紹

學(xué)校社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)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(lǐng)學(xué)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(jìn)區(qū)、西太湖科技產(chǎn)業(yè)園三級(jí)財(cái)政出資成立，是致力于石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的專業(yè)化研發(fā)平臺(tái)，是石墨烯企業(yè)的孵化器。學(xué)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(dǎo)學(xué)生觀察這個(gè)現(xiàn)象，并讓他們思考設(shè)計(jì)者的意圖。

2.關(guān)于石墨烯

在江南石墨烯研究院的展廳，工作人員帶領(lǐng)學(xué)生觀看了石墨烯的宣傳片，介紹了石墨烯的一些基礎(chǔ)知識(shí)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(duì)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(fù)，片狀石墨會(huì)越來越薄，最終可以得到一定數(shù)量的石墨烯。當(dāng)然，這只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(xué)生理解水平，不做細(xì)講。

第二，石墨烯的結(jié)構(gòu)。石墨烯中的每個(gè)碳原子通過共價(jià)鍵結(jié)合三個(gè)碳原子，由此組成許多個(gè)六元環(huán)平面，建筑設(shè)計(jì)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（intermolecular forces）。分子間作用力比共價(jià)鍵弱很多，以致石墨的層跟層之間易滑動(dòng)脫落。

第三，石墨烯的性質(zhì)。石墨烯獨(dú)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(dǎo)率、高光學(xué)透過率和杰出的導(dǎo)電性等。學(xué)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(xué)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(jī)、電腦等，輕便高效。這些正是石墨烯上述優(yōu)良性質(zhì)的應(yīng)用。

這次社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)充分利用社會(huì)資源，讓學(xué)生真實(shí)感受到科學(xué)技術(shù)可以改變?nèi)祟惿?，更為重要的是石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程深深地觸動(dòng)學(xué)生的心靈，教育他們要善于發(fā)現(xiàn)，堅(jiān)持不懈。同時(shí)，也為這些即將離開祖國遠(yuǎn)赴海外求學(xué)的學(xué)子們提供一次了解家鄉(xiāng)的機(jī)會(huì)，燃起對(duì)故土的那份熱愛和身為常州人的自豪。

參考文獻(xiàn)：

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