在化学教学中应用探究式教学的意义

在化学教学中应用探究式教学的意义

尹健

安徽省宿松中学，安徽安庆 246500

摘 要：说到纳米材料，不得不提石墨烯，它是一种平面单层构造的特殊材料，具有优异的光学、电学、力学等特性^[1]。目前比较主流的石墨烯制备方法都存在很多不足，针对这些不足，在此通过一种新奇的方法，利用破壁机不仅可以简单快速地制备出石墨烯材料，而且绿色环保，成本低廉；而且这种制备方法较于目前的球磨、微波、气相沉积等方法^[2]有非常明显的优势。在传统实验方法上创新改进的同时，一方面通过实验探究培养了学生的化学学科素养和创新素养，另一方面对于化学教学激发了对课外知识的求知欲，教学相长，理论与实践结合提高了学习效率^[3]。

关键词：石墨；石墨烯；破壁机；制备方法；实验探究

1、引言

创新型实验探究并不是传统的实验教学，而是在传统实验的基础上进行改进创新，从实验内容、教学目标和发展学生思维的角度去寻找一些具有深层探究意义的问题。继而从教学实践过程的五个方面阐述了创新型实验探究在高中化学教学方面的运用。

1.1选题背景

高中化学课本选修3物质的结构和性质提到了原子、分子、晶体等方面的知识，学生对物质微观结构方面有了普遍的认知和了解，课本、资料及高考试题上时常出现石墨和石墨烯的相关题型^[4]，学生不禁产生疑问，怎么由石墨得到石墨烯？学生伴随着这种疑问并查阅相关资料发现，以下这四种方法是出现频率比较高的、比较经典的制备石墨烯的方法：氧化还原法、微机械剥离法、化学气相沉淀法、外延生长法。然而这些方法在具体制备的过程中也存在很多不足，比如微机械剥离法在工业上不好控制，如果进行大规模的制备确实有一定难度，外延生长法对设备的要求较高，化学气相沉淀法受工艺条件限制，氧化还原法制备的样品纯度不高、制备过程有爆炸风险且会造成一定的环境污染^[5]。经查阅资料和调查，结合现有的条件，综合讨论发现利用破壁机制备的石墨烯不仅质量可观，而且操作简易，成本低廉，具有潜在的应用价值。同时此课题的开展也符合高中化学的知识层面，对学生的相关知识不仅起到了巩固，而且培养了学生创新的理念和实践的能力。

1.2研究目的

随着时代的发展，各个高科技领域对石墨烯的应用逐渐重视起来，由此也引起了各行各业人的极大关注^[6]，且学生经常接触到这方面的知识考点，故本文通过破壁机的创新制备方法和对不同条件下制备的石墨烯进行分析比较，并查阅大量文献，有助于了解石墨烯这种物质的合成，能够对不同制法优缺点进行分析；再者利用现有的条件和借助高效先进设备，来检验制备出的产品是否为石墨烯^[7]-[8]。通过这种课堂之外的创新型实验探究，使得学生产生了物质组成、结构和性质观念的建立，同时拥有了预测未知物质在不同条件下的性质能力。

1.3研究方法

对于石墨烯具体的结构、性质及应用，我们采用了访谈咨询调查法、文献资料研究法，实验探究比较法等。同时计划将制备好的石墨烯邮寄到高校进行专业鉴定，借用高校先进仪器设备（X射线衍射、扫描电子显微镜等）判断产品的纯度。此外，利用空余时间联系中国科学院等高校研究石墨烯的教授等专业人士，给予详细的指导和建议。

（1）访谈咨询调查法：结合已有的资源条件，询问请教专业人士和非专业人士对石墨烯的看法，是否有误解。

（2）文献资料研究法：关于石墨烯的研究现状，我们通过查阅文献，了解掌握不同条件下的石墨是否对石墨烯的制备有影响，并且记录汇总。

（3）实验探究比较法：也是此次最主要的研究方法，走进化学实验室，提前备好需要的各种试剂和器材，按这预先设好的实验步骤展开实验探究，并分析不同条件下制备出的产品异同。

1.4制备原理

在这篇论文中提及的破壁机原理在实质上就是机械剥离法，在分类上属于通过物理方法来进行制备。从原子的角度而言，减弱石墨层间的范德华力，通过拉伸法和剪切法，让范德华力消失，早期机械剥离法是使用透明胶带对热解石墨表面进行反复粘取，相当于将范德华力拉断，对石墨层层剥离直至获得单层石墨烯^[9]-[10]。破壁机也是利用了同样的原理，通过破壁机内高速旋转的刀片，将石墨粉不断剪切，一分为二，越来越薄，像快速翻书一样，最后得到的薄片就是石墨烯。

2、实验部分

2.1仪器与试剂

仪器：破壁机、离心机、离心管、电子天平、烧杯、玻璃棒、激光笔等

试剂：石墨、N-甲基吡咯烷酮，蒸馏水、无水乙醇等

2.2实验过程

准备一个破壁机，向其中依次加入一定量的石墨和无水乙醇，通电进行搅拌六分钟，倒出混合液体。洗净破壁机，加入石墨和N-甲基吡咯烷酮，再进行搅拌六分钟。将两份混合液体室温静置一天后，分别取相同体积上层液体放入离心机进行离心，比较所得石墨烯量的多少。最后剩余未反应的石墨粉可通过洗涤进行回收。

2.3产品检验

通过中学已学的知识丁达尔效应，利用激光笔照射制备出的石墨烯溶液，观察是否出现丁达尔效应。同时借助高校平台先进仪器设备，用扫描电子显微镜观察产品的形貌，观察是否为预计的薄片状结构。

3、结果与讨论

3.1 不同反应溶剂对制备石墨烯的影响

不同反应溶剂制备出的石墨烯产品，如乙醇和N-甲基吡咯烷酮，其它制备条件均保持一致，可以发现，乙醇得到的是悬浊液，固液分层比较明显，上层液体是澄清透明的乙醇，含有的石墨烯极少，基本可以忽略不计，下层为石墨固体粉末，N-甲基吡咯烷酮得到的是乳浊液，固液分层不明显，上层液体是N-甲基吡咯烷酮，处于半透明状，溶液中含有较多的石墨烯。由此可以初步得出结论，不同的反应溶剂对制备石墨烯确实有影响，其中N-甲基吡咯烷酮作为溶剂时，得到的石墨烯产量较多。可能是因为N-甲基吡咯烷酮作为一种优良极性溶剂,选择性强和化学稳定性好的因素，才导致与乙醇最终的差异。

3.2不同比例反应物对制备石墨烯的影响

不同比例反应物制备出的石墨烯产品，如5g石墨粉和10g石墨粉，其它制备条件均保持一致，可以发现，现象还是有些区别的，得到的均为相同量的溶液，分散在溶液中的石墨烯含量不同，10g石墨粉中上层清液明显黑色深一点，从而比5g石墨粉含有的石墨烯多一些，由此可以初步得出结论，不同比例反应物对制备出的石墨烯产量有影响。可能是因为石墨粉的含量越多，与破壁机十字刀片接触的也就越充分，从而被剥离的石墨也就多一些，最后得到石墨烯的量就会有区别。

3.3不同反应时间对制备石墨烯的影响

不同反应时间制备出的石墨烯产品，如反应时间3min和6min，其它条件均保持一致，可以发现烧杯3min得到的是悬浊液，固液分层比较明显，上层液体是澄清透明的乙醇，含有的石墨烯极少，基本可以忽略不计，下层为石墨固体粉末，6min得到的是乳浊液，固液分层不明显，上层液体是相同的溶剂，不透明，溶液中含有大量的石墨烯。由此可以初步得出结论，不同的反应时间对制备石墨烯确实有影响，制备的时间越长，得到的石墨烯产量越多。可能是由于反应时间越长，石墨机械剥离的就越充分，从而得到更多片状石墨烯。

3.4不同转速对制备石墨烯的影响

不同转速制备出的石墨烯产品，如不同转速为4档和8档（8档转速大），其它条件均保持一致，可以发现烧杯4档得到的是悬浊液，固液分层比较明显，上层液体是澄清透明的乙醇，含有的石墨烯极少，基本可以忽略不计，下层为石墨固体粉末，8档得到的虽然也是悬浊液，固液分层也比较明显，但是对比4档发现上层液体中含有的石墨烯明显多一些。由此可以初步得出结论，不同转速条件下制备石墨烯确实有影响，转速越大，得到的石墨烯产量越多。可能是由于大转速条件下，单位时间内，石墨被剥离的频率就越高，从而得到更多片状石墨烯。

4、石墨烯产品检验

4.1丁达尔效应

通过激光笔对石墨烯产品进行检验，可以发现乳浊液中有明显的光带，形成一条光亮的红色通路，说明产生了丁达尔现象，从而进一步证明得到的分散系为胶体，我们知道石墨烯本身就是一种胶体，这也大致判断了最终的产品为石墨烯。

4.2 扫描电子显微镜

先将得到的溶液进行离心分离，从而得到石墨烯固体。将得到的石墨烯产品邮寄到中科院进行相关测试，得到石墨烯纳米材料的扫描电子显微镜图像，可以发现，得到的石墨烯产品是一种非常薄的片状结构，那么这种形貌也验证了石墨烯制备的原理，通过高速旋转的刀片，使得石墨颗粒发生碰撞，破裂，然后被剥离成片状的石墨烯。

5、结 论

以新奇灵巧的破壁机成功制备了由石墨粉得到的石墨烯，检测结果证明了这种实验方法的可行性，同时探究了一系列因素对制备石墨烯的影响，了解了这些因素对制备石墨烯产品的重要性。通过以上的实践过程，有效的培养了学生不断学习的观念和对待科学严谨的态度，在取得了一定的教学效果基础上，总结出了一些实践方式：1、在传统实验教学中多鼓励学生改进创新，多角度去分析问题、解决问题，同时电子显微镜的应用让学生体验到现代科技的魅力。2、重视做实验、开展探究课、拓宽探究范围，不局限于课本上已有的实验，只要是与中学阶段知识点有关的实验都可以开展，以达到让学生产生对探究知识的乐趣，经历不同的探究过程来收获喜悦。3、积极参加学校开展的科技创新活动，丰富课外活动内容，增强热爱钻研的精神，初步学会证据推理和模型认知，善于找出不同物质间的内在联系，达到模型构建的思想认知，从形成分析问题和解决问题的思维框架。综上，作为创新型实验探究在课堂教学中的广泛运用，必然是个长期的过程，在教学实践中恰当的选择实验方案，适时适量的探究体验，才能充分培养学生的创新探究能力、动手操作能力。同时促进了学生核心素养的发展与提升，也为学生创造了更广阔的自主学习空间^[11]-[12]。

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