科學研究前沿知識在初中化學教學中的應用*

王建坤，李艷妮，馮 默，楊艷華**

(1.昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214；2.武強縣第二實驗中學，河北 衡水 053300)

義務教育階段的化學教育，要激發學生學習化學的好奇心，引導學生認識物質世界的變化規律，形成化學的基本觀念；引導學生認識化學、技術、社會和環境的相互關系，理解學科的本質，提高學生的科學素養[1]。

化學科學的發展為人類創造了巨大的物質財富，在教學中應密切聯系生產、生活實際，引導學生初步認識化學與環境、化學與資源、化學與人類健康的關系，逐步樹立科學發展觀，領悟科學探究的方法，增強對自然和社會的責任感，在實踐中不斷培養學生的創新意識，使其在面臨和處理與化學有關的社會問題時能做出更合理、更科學的思考和判斷[1]。

每年都有大量的前沿性科學研究被不斷報道，科學前沿知識有效地滲透到教學課堂，既符合課程標準的要求，也有益于學生個性的發展[2]，提升學生的學習興趣，進而培養學生科學探究與創新意識、科學態度與社會責任的學科核心素養。同時，將科學研究前沿知識作為切入點，可以幫助學生發揚科學精神、提升文化素養。

但是，一篇科學研究前沿的材料包含多個知識點，若不能找到合適的切入點，而牽強引入課堂，很容易讓學生感到不適，不利于學生對化學的學習以及教師對學生學習興趣的培養。因此，以人教版初中化學為例，將同一個科學研究前沿知識從不同的“初中教學視角”進行分析和研究，來探討科學研究前沿知識有效滲透到教學過程的意義與價值。

1 科學研究前沿知識實例分析

1.1 熒光牙套顯示及定位牙齒隱藏病變位置

1.1.1 內容簡介

齲病和牙周炎是常見的口腔病，全世界齲病和牙周炎的發病率和患病率都很高(未經治療的齲病在全球各年齡段的患病率為35%，并且4～6歲的兒童發病率在38%～56%)[3]。晚期的齲齒和嚴重的牙周炎會對牙齒和牙齦造成永久性損傷，需要拔除神經或用瓷牙替換來進行治療。而相比之下，早期的齲齒和牙周炎容易治療，無論是經濟成本還是治療難度都較低[3]。通過檢測口腔中揮發性硫化合物(Volatile Sulfur Compounds，VSCs)的分泌，可以實現對齲病、牙周炎等口腔疾病的準確檢測和早期診斷[4]。但是目前的VSCs診斷方法可以檢測VSCs的存在和濃度，卻不能定位病變部位。

南方醫科大學南方醫院周翠萍團隊制備了一種對VSCs具有高靈敏度和選擇性的氧化鋅-聚二甲基硅氧烷(ZnO-PDMS)牙套[5]，如圖1所示。ZnO-PDMS牙套中的ZnO會與齲齒和患有牙周炎的部位釋放出的VSCs作用而具有熒光活性。佩戴后的牙套在熒光檢測時，病變部位會顯現出熒光活性，而正常部位不會，這樣就可以定位病變牙齒的位置。并且，該牙套在正常生理環境下具有高熒光穩定性、良好的生物相容性和低生物毒性。由于該牙套生產成本低、化學穩定性高和適用性好，對牙齒病變的篩查精準，適合大規模生產和應用。

圖1 熒光牙套顯示及定位牙齒病變

1.1.2 教學解讀

視角：介紹化學

建議滲透位置為“化學” (九年級上冊) “緒言 化學使世界變得更加絢麗多彩”部分，介紹化學和生活息息相關時引入。該滲透位置較為特殊，緒言是打開學生化學世界的第一課，如果能上好這部分內容，于后續教學工作將會有很大的幫助?？茖W研究前沿知識在此處滲透，可實現以下教學目標：

①加深學生對“化學促進人類文明發展具有積極作用”的認識，激發學習動力。相對于簡單概述“醫學離不開化學”而言，教師通過展示相關圖片和數據，既豐富課堂內容，又讓學生體會到化學技術對現代醫學進步的重要作用，意識到學習化學的重要性，進而激發學習的動力。

②激發學生對學習化學的興趣和學科探索的好奇心。在滲透該科學研究前沿知識時，通過演示熒光檢驗人民幣紙鈔真偽的方法，為學生講解材料中與熒光有關的科技前沿問題，結合牙周炎和齲齒的熒光定位知識進行互動，活躍課堂氛圍，進而激發學生對學習化學的興趣和對化學學科的好奇心。

③感受所學知識與社會生活的密切關系，增強學以致用的意識。在本材料當中，介紹了技術原理的同時，還著重介紹了其應用。其一，有利于改變學生自中小學以來形成的“學”與“用”難以互通的觀念，讓學生感受到所學的科學知識與社會生活是有著密切聯系的；其二，通過展示科學知識應用的例子，有利于培養學生學以致用的意識。

1.2 廢棄塑料無毒產氫

1.2.1 內容簡介

自1950年以來，塑料這一聚合物是最廣泛使用也是最廣泛廢棄的材料之一，86%的塑料包裝被堆積在垃圾填埋場或滲透到環境中。大多數聚合物是由化石燃料合成的，如果全球廢棄塑料全部被回收利用，每年可節省約1760億美元[6]。然而，塑料的化學成分復雜并且尺寸不一，因此廣泛回收受到極大限制[7]。并且塑料化學性質較為穩定，要使其能被重新利用，更是困難重重。

氮化碳是一種無毒且廉價的聚合物光催化劑，功能化的氰胺氮化碳(CNx)具有更高的光催化效率，將CNx與具備助催化性能的Ni2P偶合，得到氮化碳/磷化鎳(CNx|Ni2P)光催化劑。如圖2所示，聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和聚乳酸(PLA)都是在生活生產中被廣泛應用的兩種塑料，英國劍橋大學研究人員以這兩種塑料充當電子供體，在KOH溶液中，光激發CNx|Ni2P氧化這兩種聚合物為其他有機化學品，然后，光生電子從CNx|Ni2P轉移到Ni2P，并將H2O還原為H2[8]。此外，CNx|Ni2P催化劑具有較高催化效能，且光穩定性較好(大于 5 d)。研究人員用聚酯微纖維進行實驗，成功產生了H2和其它多種有機產品，并在保持其轉化效率的同時，將反應的規模從 2 mL 擴大到 120 mL，從而驗證了CNx|Ni2P催化劑的現實適用性。

圖2 廢棄塑料無毒產氫

1.2.2 教學解讀

視角1：氫氣

建議滲透位置為“化學” (九年級上冊) “第七單元 燃料及其利用”<課題2 燃料的合理利用與開發>中的“四 能源的利用和開發”部分，這是學生在中學化學中第一次遇到氫氣的用途。在講解氫氣的用途時，必然會介紹氫氣燃燒后只會產生水，氫氣作為一種清潔能源，用途十分廣泛。但目前氫氣的制取成本比較高，且相應技術受限，還不能廣泛應用。此時，教師引入該科學研究前沿知識，使用催化劑將白色垃圾分解產生氫氣的例子，可實現以下教育意義：

①幫助學生認識化學對解決環境污染和發展社會經濟做出的積極貢獻，激發學生學習動力。在該科學研究前沿知識中，科學家通過化學技術變廢為寶，使得原本是環境污染物的塑料，成功降解，產生具有經濟效益的清潔能源氫氣。在學習知識的過程中，讓學生感受化學對解決環境污染做出的巨大貢獻，進而激發“化學改變世界”的學科認知，形成學以致用的科學理想。

②鞏固基礎知識，加強對物質變化觀念和元素觀念的理解。在該科學研究前沿知識材料當中，提到了“氫氣”和“催化劑”等概念，教師可以借此機會復習相關概念和性質等基礎化學知識，加深學生對該知識點印象。并且通過前言知識的學習，讓學生了解到在材料中的反應條件下水中的氫轉化為氫氣，這也在無形中強調了物質轉化過程中轉化條件及元素種類的重要性，可以增進學生對物質轉化觀念和元素觀念的理解。

視角2：塑料

建議滲透位置為“化學” (九年級下冊) “第十二單元 化學與生活”<課題3 有機合成材料>中的“二 有機合成材料”關于白色污染部分的內容。在教學過程中，教師將會向學生介紹生活中常用到的一大化工產品——塑料，認識塑料，必然會引出白色污染相關的知識，而治理白色污染必然也是不可缺少的教學內容，以科學前沿知識作為思政引入就顯得十分重要。通過該材料的滲透，可以實現以下教育價值：

①培養學生保護環境的意識，樹立生態文明觀念。通過對相關知識的學習，讓學生明白物質的兩面性。隨著化工合成的迅速發展并廣泛應用，極大的方便了人們生活，但大量廢棄的塑料在自然環境中極難降解，會污染土壤、地下水和海洋生物的生存，從而危害到人類的生存。采用傳統的焚燒處理，可能會產生有毒有害氣體，更不利于生態環境和物種生存，材料中催化技術提供了一種綠色的降解方式，不僅為解決環境污染問題提供了新的思路，更為生態文明建設做出了一定的貢獻。借助白色污染的治理和清潔能源的產生的新方法，拓寬學生的知識面，幫助學生樹立環保意識和生態文明觀念。

②激發了學生不畏艱難、勇于挑戰、敢于創新的科學態度。廢棄塑料在自然環境當中是極難降解的，但經過科學家的不斷探究，利用化學技術手段研制出了CNx|Ni2P催化劑，實現廢棄塑料的降解。通過讓學生體會振奮人心的報道背后是一次次的嘗試，是無數次失敗后不斷地分析總結，不斷奮進的結果，是無數時間、心血和精力的結晶，激發學生不畏艱難、勇于挑戰、敢于創新的科學態度。

1.3 石墨烯涂層海綿清理溢油

1.3.1 內容簡介

頻發的溢油事故不僅是對不可再生資源的浪費，更對海洋生態系統造成了嚴重而長期的破壞[9]。為了快速消除溢油對自然環境的污染，研究人員提出了一套理想溢油清理方法的標準：①快速清理溢油，減緩溢油的擴散和風化；②能夠以較高的油水分離效率吸附溢油；③對海洋生物的不良影響較小，可以大面積應用；④易于操作，在惡劣的海洋條件下也可高效工作。但是，傳統的采油技術，如分散劑、固化劑、就地燃燒和撇油器等都不能滿足上述要求[10]。

近年來，疏水親油性的海綿，在外力作用下，可以高效、連續地從水面收集溢油[11]，使得有疏水性的吸油材料在溢油清理領域備受關注。這些吸油材料都有一個關鍵問題——對高粘度原油的吸附能力較差，而全球石油儲量中高粘度的重質原油占比40%左右[12]。此外，輕質溢油的輕質組分在蒸發后，其粘度將大幅升高[13]。高粘度導致原油在上述吸油劑中的擴散非常緩慢，最終導致吸油速度低下。

為解決這一問題，中國科學技術大學俞書宏課題組制備了一種具備焦耳熱效應性能的石墨烯涂層海綿(Graphene-Wrapped Sponge，GWS)，為溢油清理提供了新的可能[14]。如圖3所示，綠色方狀物表示海綿，海綿剖面圖中黑邊白圈代表附著在海綿上的石墨烯涂層(GWS)。GWS均勻的包裹著海綿基底，使其具備疏水性和導電性。當GWS與海面上的粘性原油接觸時，由于石墨烯的疏水性，原油被選擇性地吸收到孔隙中，但原油的吸附速度非常有限。在GWS上施加電壓后，電流流過石墨烯涂層，產生熱量，可以快速加熱GWS，熱的GWS會加熱周圍的原油，降低原油粘度，加快原油進入GWS孔隙中的速度(吸附了原油的GWS用紅邊粉圈)。切斷外加電壓后，位于GWS孔隙中的原油仍是熱的，粘度仍然很低，這也有助于后續的油回收和運輸過程(斷電后的GWS用黑邊橘色圈)。

圖3 加熱的GWS吸附溢油

在僅控制是否利用焦耳熱效應加熱GWS的控制變量實驗中，未施加電壓的GWS在 8 min 內只收集到 1.58 g 的溢油，但是施加了電壓的GWS在 40 s 內收集到 3.87 g 原油。即GWS的溢油吸附速率，施加電壓時是未施加電壓時的29倍。這項研究為促進疏水性和親油性吸油劑在粘性原油泄漏清理中的實際應用提供了新的思路。

1.3.2 教學視角

視角1：石墨烯

建議滲透位置為“化學” (九年級上冊) “第六單元 碳和碳的氧化物”<課題1 金剛石、石墨和C60>中的資料卡片“碳單質的研究進展”。在碳家族的專題學習中，金剛石、石墨和C60是主角，是考察的重點和考點，新生代成員石墨烯，年齡雖小，但也是關注的焦點。作為拓展知識，介紹石墨烯的最新用途，可起到以下教育作用：

①培養學生善于創新、勇于實踐的科學精神。在思政元素引入之前，教師可以先讓學生了解石墨烯的發現過程。曼徹斯特大學的科學家康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·蓋姆(Andre Geim)，在2004年時，用一種特殊的膠帶粘住一塊石墨薄片的兩面，然后撕開，把石墨對分成了更薄的兩塊。不斷這樣的操作，石墨薄片變得越來越薄，便得到了單層碳原子的石墨片，也就是石墨烯。有趣的是，最初團隊用精密儀器打磨得到的石墨片比石墨烯要厚得多，打磨石墨前，需要用膠帶進行粘貼以除去其表面雜質，后來，通過檢查發現膠帶上留下的石墨片厚度要遠小于打磨得到的石墨片厚度，而前句所述分離方法的靈感正是來源于此。然后再利用GWS中所體現出的石墨烯性質，同溢油清理相聯系，從而設計探究活動，進而滲透該科學研究前沿知識。施加電壓后GWS的溢油吸附速率大大提升，是科研工作者勇于打破常規，善于創新，敢于實踐精神的體現，借此鼓勵學生向前輩們學習，努力打好專業基礎知識，為解決實際問題做好準備。

②打破學科壁壘，提高學生綜合利用知識解決問題的意識。在滲透本材料前，可以先讓學生根據生活常識，暢想會有哪些處理溢油的方法，再通過海綿吸水的原理步入本材料，介紹聚丙烯等材質的海綿吸附溢油的優缺點(在缺點上，重點介紹這些材料對黏性溢油吸附的低效率性，以便銜接本材料)，最后回歸到石墨烯的性質，講解GWS的工作原理。在整個學習過程中，不僅調動了學生已存貯的諸多經驗知識，還運用了化學和物理等學科的科學原理，將學生各個知識之間建立聯系，從而分析出解決問題的辦法。過程中打破了學科壁壘，提高學生綜合利用知識解決問題的意識。

③感受我國科學實力，培養民族自信，厚植愛國情感。在正式介紹GWS之前，可先讓學生了解石墨烯所擁有的巨大應用潛能，然后再介紹在全世界有諸多石墨烯研究力量的情況下，我國依然占有極高比例的石墨烯專利發表量。通過對我國石墨烯領域研究成就的直觀感受，增強學生的民族自豪感，并厚植愛國情感，從而激發學生樹立利用科技實現中華民族偉大復興的報國志向。

視角2：石油

建議滲透位置：“化學” (九年級上冊) “第七單元 燃料及其利用”<課題2 燃料的合理利用與開發>中關于“石油開采”或“海上采油”部分。石油化工產品早已經深深的滲透到了生產、生活等各個領域，對我們生活的影響以及重要性不言而喻。在講授該部分內容時，教師以滲透該篇科學研究前沿知識的方式，向學生介紹石油開采中的溢油處理，可產生以下教育影響：

①提高學生環境保護與節約資源的意識。在該滲透位置，教師可以借此機會向學生介紹原油泄漏造成了環境的污染以及對人類健康的危害，讓學生意識到保護環境的重要性。而后，再重點介紹本文科技在溢油回收方面做出的貢獻，讓學生意識到GWS在石油資源回收領域上的重大意義，進而達到提高學生節約資源的意識。

②開拓學生知識面，增進學生的學習興趣。在該材料中，不只有溢油清理科學技術方面的知識，還介紹了現有的溢油清理方法，以及理想溢油清理方法的標準等多維度的知識。通過對材料的學習，擴充了學生的知識儲備，開拓了學生的知識面，學生在這個學習過程中得到了個性發展，增進了學生的學習興趣。

1.4 MFM-520經濟脫硝

1.4.1 內容簡介

空氣中的氮氧化物(NOx)會導致嚴重的環境污染問題，引發人們一系列的健康問題。而NO2作為NOx最普遍的形式，會導致光化學煙霧形成、大氣臭氧層被破壞和全球氣候變暖的加劇等問題，因此，NO2減排技術之發展迫在眉睫[15]。

選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)是目前所使用的最成熟的脫硝技術。然而，SCR嚴重依賴于有毒化學品、貴金屬所制催化劑的使用，以及 600 ℃ 的高能耗還原條件[16]。并且SCR處理后的廢氣中NOx殘量濃度高達1000～2000 μL/L(世界衛生組織排放標準限值的5000～10000倍)，如果將該廢氣排放到空氣中，將會對空氣造成嚴重污染[17]。再者，SCR所用催化劑在痕量級水的存在下便會快速失活，這一缺陷進一步限制了該技術的長遠應用[16]。

如果想要除去廢氣中痕量的NO2，這就要求吸附材料不但需要具有良好的耐腐蝕性和長期穩定的NO2高活性，而且能在N2、CO2和SO2等干擾氣體所組成的混合環境中對NO2具有高度選擇性。理想情況下，希望可以將捕獲的二氧化氮轉化為可盈利的化學物質，如硝酸——其長期以來都是通過高能耗、高排放的奧斯特瓦爾德法(Ostwald process)生產[18]。然而如若要實現這一理想，就必須要求裝置對于氮氧化物的吸收具有可逆性并且能實現材料的重生。

曼徹斯特大學合成的一種金屬有機框架材料有望能夠實現上述所有的愿景，該材料以Zn(II)為配位中心、聯吡啶羧酸化合物為配體，被命名為MFM-520[19]。如圖4所示，NOx為x=2的NO2，含有NO2的空氣通過MFM-520材料時，可被MFM-520吸收，從而凈化了空氣。含有O2和H2O的空氣通過吸收了NO2的MFM-520時，可使被吸附的NO2轉化為HNO3，通過加熱便可讓MFM-520材料重新恢復其原有的NO2吸附容量。進一步研究發現，利用干濕NO2交替氣流，不會對MFM-520的優異穩定性和選擇性造成影響。MFM-520因其原料不使用貴金屬并且材料在潮濕環境中也具有很高的穩定性，使其在脫硝硫技術中具有巨大應用潛力。

圖4 MFM-520高效經濟脫NOx

1.4.2 教學視角

視角1：空氣污染

建議滲透位置：“化學” (九年級上冊) “第二單元 我們周圍的空氣”<課題1 空氣>中的資料卡片“空氣質量日報”部分。潔凈的空氣對于人類的生存是十分重要，但隨著現代工業的快速發展，產生了一系列學生耳熟能詳的環境問題：酸雨、霧霾、光化學煙霧、臭氧層破壞、全球氣候變暖……在這樣的學生認知背景下，引入像該內容這樣有望解決環境問題的化學技術，便十分合時宜。教師在此時引入該篇科學研究前沿知識，可具備以下教育意義：

①增強學生科學意識，提高學生科學素養。教師在進行教學時，可先拓展有關光化學煙霧、酸雨等污染的相關專業知識，然后再組織學生討論日常生活中的一些社會話題，比如從環境保護角度出發，為什么國家現在提倡新能源汽車？為什么現代工業越發達的城市一般而言霧霾都越嚴重呢？從學生已有認知切入，在教師的指導下使學生開啟社會生產生活中的化學視角，以科學的眼光理性看待和分析我們身邊的現象，從而增強學生的科學意識，提高學生的科學素養。

②認識到化學在促進人類文明發展、解決環境問題方面所帶來的積極貢獻。在該化學科技前沿中介紹了MFM-520對二氧化氮二聚體有很高的吸附能力，從而為解決氮氧化物造成 的環境問題提供了新的可能；同時還可以將吸收的二氧化氮二聚體較為經濟地轉化生成硝酸，進而為生產硝酸的方法提供了革命性技術的可能。將會污染環境的氮氧化物變為了具有經濟效益的硝酸，在解決人類面臨的環境問題與促進硝酸生產業的發展上，同時提供了可能。

③培養學生利用辯證唯物主義的觀點看待與分析問題的意識，引導學生正確看待科學對社會文明的影響。在該材料中，環境污染既起源于科學技術的使用，但科學技術又為其解決提供了新的思路。根據該材料的這一特點，引導學生辯證看待科學技術對社會文明的影響?？茖W技術的應用在起到推動社會發展的正影響的同時，也帶來了諸如環境污染等等一系列的負影響?？茖W技術極大的推進了人類文明發展的同時，也帶來了諸多的不良影響，但是正如本材料所闡述的那樣，MFM-520材料為解決氮氧化物污染提供了新的可能，在整個人類文明發展的進程中，科學技術所帶來的正影響是大于負影響的。

視角2：硝酸

建議滲透位置：“化學” (九年級下冊) “第十單元 酸和堿”<課題1 常見的酸和堿>中介紹到硝酸的部分。硝酸是化學中常見的酸，也是重要化工原料，如在農業生產方面可以用于制造含氮化肥，在醫藥方面可以用于制造治療心絞痛特效藥硝酸甘油，以及制造炸藥等，所以讓學生加以了解是必要的。教師在指導學生學習“硝酸”時引入該科學研究前沿知識，具有以下教育意義：

①增進學生對元素觀、轉化觀的建構。在該前沿科技知識當中，研究人員把含氮的污染物通過化學技術，轉化為了一種同樣含氮的重要化工原料——硝酸，該轉化過程隱性傳遞了元素觀、轉化觀等化學觀念。所以通過該材料的學習，可以增進學生對于元素觀和轉化觀的建構。

②激發學生對學習化學的興趣和對化學學科的好奇心。教師在指導學生學習該科學研究前沿知識時，可先帶領學生了解傳統的硝酸制備工藝流程奧斯特瓦爾德法，然后再向學生介紹該科學研究前沿知識的核心材料MFM-520，最后對比二者生產硝酸的工藝：奧斯特瓦爾德法需要高溫高壓且依賴貴金屬的催化，而利用MFM-520制備硝酸的條件十分溫和，同時也不依賴貴重金屬，更重要的是還可將空氣污染物變廢為寶。通過對比兩種硝酸生產技術來刺激學生的感官與認知，從而激起學生對化學的學習興趣和對化學學科的好奇心。

③鞏固基礎知識與技能，增強實驗安全意識。該材料涉及硝酸的知識，可借此機會了解硝酸的性質，以及復習濃酸稀釋的操作，在該教學過程中，培養學生的實驗安全意識。

2 總結

科學研究前沿知識有效滲透到教學中，不僅提升了學生對化學與技術、社會、環境互相關系的認識，進一步理解科學本質、強化科學素養，而且可激發學生學習化學的興趣，高效培養學生的核心素養。教師應當正視科學研究前沿知識在教學中的作用，注重專業學習，加強對科學研究前沿知識這“一桶水”的儲備，而且要儲備成“一桶活水”，從而為教學中高效滲透化學前沿知識做準備，以使滲透效益最大化。

本文列舉的四個科學研究前言內容與初中化學教學的結合，為初中教師提供教學素材的同時，也為活躍課程氛圍、開拓學生視野提供了參考。由于初中生相關專業知識儲備不多，因此，并非每個科學研究前沿知識都能合適地開發出多個教學視角，本文提出的思路還需在教學中不斷實踐和完善。