第一篇：生物科學論文

生物技術

現代生物技術一般包括基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程和蛋白質工程。

基因工程

基因工程是指在基因水平上，按照人類的需要進行設計，然后按設計方案創建出具有某種新的性狀的生物新品系，并能使之穩定地遺傳給后代。基因工程采用與工程設計十分類似的方法，明顯地既具有理學的特點，同時也具有工程學的特點。

生物學家在了解遺傳密碼是RNA轉錄表達以后，還想從分子的水平去干預生物的遺傳。1973年，美國斯坦福大學的科恩教授，把兩種質粒上不同的抗藥基因“裁剪”下來，“拼接”在同一個質粒中。當這種雜合質粒進入大腸桿菌后，這種大腸桿菌就能抵抗兩種藥物，且其后代都具有雙重抗菌性，科恩的重組實驗拉開了基因工程的大幕。

DNA重組技術是基因工程的核心技術。重組，顧名思義，就是重新組合，即利用供體生物的遺傳物質，或人工合成的基因，經過體外切割后與適當的載體連接起來，形成重組DNA分子，然后將重組DNA分子導入到受體細胞或受體生物構建轉基因生物，該種生物就可以按人類事先設計好的藍圖表現出另外一種生物的某種性狀。

1、DNA重組技術的物質基礎

（1）目的基因

基因工程是一種有預期目的的創造性工作，它的原料就是目的基因。所謂目的基因，是指通過人工方法獲得的符合設計者要求的DNA片段，在適當條件下，目的基因將會以蛋白質的形式表達，從而實現設計者改造生物性狀的目標。

（2）載體

目的基因一般都不能直接進入另一種生物細胞，它需要與特定的載體結合,才能安全地進入到受體細胞中。目前常用的載體有質粒、噬菌體和病毒。

質粒是在大多數細菌和某些真核生物的細胞中發現的一種環狀DNA分子，它位于細胞質中。許多質粒含有在某種環境下可能是必不可少的基因。圖4-25是不同構型的質粒。

噬菌體是專門感染細菌的一類病毒，由蛋白質外殼和中心的核酸組成。在感染細菌時，噬菌體把DNA注入到細菌里，以此DNA為模板，復制DNA分子，并合成蛋白質，最后組裝成新的噬菌體。當細菌死亡破裂后，大量的噬菌體被釋放出來，去感染下一個目標。圖4-26，噬菌體侵染細菌的過程。

質粒、噬菌體和病毒的相似之處在于，它們都能把自己的DNA分子注入到宿主細胞中并保持DNA分子的完整，因而，它們成為運載目的基因的合適載體。因此，基因工程中的載體實質上是一些特殊的DNA分子。

（3）工具酶

基因工程需要有一套工具，以便從生物體中分離目的基因，然后選擇適合的載體，將目的基因與載體連接起來。DNA分子很小，其直徑只有20埃（10-10米），基因工程實際上是一種“超級顯微工程”，對DNA的切割、縫合與轉運，必須有特殊的工具。

1968年，科學家第一次從大腸桿菌中提取出了限制性內切酶。限制性內切酶最大的特點是專一性強，能夠在DNA上識別特定的核苷酸序列，并在特定切點上切割DNA分子。70年代以來，人們已經分離提取了400多種限制性內切酶。有了它，人們就可以隨心所欲地進行DNA分子長鏈切割了。表4-3是一些限制性內切酶的識別位點

1976年，5個實驗室的科學家幾乎同時發現并提取出一種酶，作DNA連接酶。從此，DNA連接酶就成了 “粘合”基因的“分子粘合劑”。

1、DNA重組技術的一般操作步驟

一個典型的DNA重組包括五個步驟：

（1）目的基因的獲取

目前，獲取目的基因的方法主要有三種：反向轉錄法、從細胞基因組直接分離法和人工合成法。

反向轉錄法是利用mRNA反轉錄獲得目的基因的方法。現在用這種方法人們已先后合成了家兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。

從細胞基因組中直接分離目的基因常用“鳥槍法”，因為這種方法猶如用散彈打鳥,所以又稱“散彈槍法”。用“鳥槍法”分離目的基因，具有簡單、方便和經濟等優點。許多病毒和原核生物、一些真核生物的基因，都用這種方法獲得了成功的分離。

化學合成目的基因是20世紀70年代以來發展起來的一項新技術。應用化學合成法，可在短時間內合成目的基因。科學家們已相繼合成了人的生長激素釋放抑制素、胰島素、干擾素等蛋白質的編碼基因。

（2）DNA分子的體外重組

體外重組是把載體與目的基因進行連接。例如，以質粒作為載體時，首先要選擇出合適的限制性內切酶，對目的基因和載體進行切割，再以DNA連接酶使切口兩端的脫氧核苷酸連接，于是目的基因被鑲嵌進質粒DNA，重組形成了一個新的環狀DNA分子（雜種DNA分子）（圖4-27）。

（3）DNA重組體的導入

把目的基因裝在載體上后，就需要把它引入到受體細胞中。導入的方式有多種，主要包括轉化、轉導、顯微注射、微粒轟擊和電擊穿孔等方式。轉化和轉導主要適用于細菌一類的原核生物細胞和酵母這樣的低等真核生物細胞，其他方式主要應用于高等動植物的細胞。

（4）受體細胞的篩選

由于DNA重組體的轉化成功率不是太高，因而，需要在眾多的細胞中把成功轉入DNA重組體的細胞挑選出來。應事先找到特定的標志，證明導入是否成功。

例如，我們常用抗生素來證明證明導入的成功。（圖4-28）

（5）基因表達

目的基因在成功導入受體細胞后，它所攜帶的遺傳信息必須要通過合成新的蛋白質才能表現出來，從而改變受體細胞的遺傳性狀。目的基因在受體細胞中要表達，需要滿足一些條件。例如，目的基因是利用受體細胞的核糖體來合成蛋白質，因此目的基因上必須含有能啟動受體細胞核糖體工作的功能片段。

這五個步驟代表了基因工程的一般操作流程。（圖4-29）

人們掌握基因工程技術的時間并不長，但已經獲得了許多具有實際應用價值的成果，基因工程作為現代生物技術的核心，將在社會生產和實踐中發揮越來越重要的作用。

（三）細胞工程

關于細胞工程的定義和范圍還沒有一個統一的說法，一般認為，細胞工程是根據細胞生物學和分子生物學原理，采用細胞培養技術，在細胞水平進行的遺傳操作。細胞工程大體可分染色體工程、細胞質工程和細胞融合工程。

1、細胞培養技術

細胞培養技術是細胞工程的基礎技術。所謂細胞培養，就是將生物有機體的某一部分組織取出一小塊，進行培養，使之生長、分裂的技術。細胞培養又叫組織培養。近二十年來細胞生物學的一些重要理論研究的進展，例如細胞全能性的揭示，細胞周期及其調控，癌變機理與細胞衰老的研究，基因表達與調控等，都是與細胞培養技術分不開的。

體外細胞培養中，供給離開整體的動植物細胞所需營養的是培養基，培養基中除了含有豐富的營養物質外，一般還含有刺激細胞生長和發育的一些微量物質。培養基一般有固態和液態兩種，它必須經滅菌處理后才可使用。此外，溫度、光照、振蕩頻率等也都是影響培養的重要條件。

植物細胞與組織培養的基本過程包括如下幾個步驟：

第一步，從健康植株的特定部位或組織，如根、莖、葉、花、果實、花粉等，選擇用于培養的起始材料（外植體）。

第二步，用一定的化學藥劑（最常用的有次氯酸鈉、升汞和酒精等）對外植體表面消毒，建立無菌培養體系。

第三步，形成愈傷組織和器官，由愈傷組織再分化出芽并可進一步誘導形成小植株。

動物細胞培養有兩種方式。一種叫非貼壁培養：也就是細胞在培養過程中不貼壁，條件較為復雜，難度也大一些，但是容易同時獲得大量的培養細胞。這種方法一般用于淋巴細胞、腫瘤細胞和一些轉化細胞的培養。另一種培養方式是貼壁培養：也稱為細胞貼壁，貼壁后的細胞呈單層生長，所以此法又叫單層細胞培養。大多數哺乳動物細胞的培養必須采用這種方法。

動物細胞不能采用離體培養，以人的皮膚細胞培養為例，動物細胞培養的主要步驟如下：

第一步，在無菌條件下，從健康動物體內取出適量組織，剪切成小薄片。

第二步，加入適宜濃度的酶與輔助物質進行消化作用使細胞分散。

第三步，將分散的細胞進行洗滌并純化后，以適宜的濃度加在培養基中，37℃下培養，并適時進行傳代。（圖4-31）

在細胞培養中，我們經常使用一個詞——克隆。克隆一詞是由英文clone音譯而來，指無性繁殖以及由無性繁殖而得到的細胞群體或生物群體。細胞克隆是指細胞的一個無性繁殖系。自然界早已存在天然的克隆，例如，同卵雙胞胎實際上就是一種克隆。

基因工程中，還有稱為分子克隆(molecular cloning)的，是科恩等在 1973年提出的。分子克隆發生在DNA分子水平上，是指從一種細胞中把某種基因提取出來作為外源基因，在體外與載體連接，再將其引入另一受體細胞自主復制而得到的DNA分子無性系。

2、細胞核移植技術

由于克隆是無性繁殖，所以同一克隆內所有成員的遺傳構成是完全相同的，這樣有利于忠實地保持原有品種的優良特性。人們開始探索用人工的方法來進行高等動物克隆。哺乳動物克隆的方法主要有胚胎分割和細胞核移植兩種。其中，細胞核移植是發展較晚但富有潛力的一門新技術。

細胞核移植技術屬于細胞質工程。所謂細胞核移植技術，是指用機械的辦法把一個被稱為“供體細胞”的細胞核（含遺傳物質）移入另一個除去了細胞核被稱為“受體”的細胞中，然后這一重組細胞進一步發育、分化。核移植的原理是基于動物細胞的細胞核的全能性。

采用細胞核移植技術克隆動物的設想，最初由一位德國胚胎學家在1938年提出。從1952年起，科學家們首先采用兩棲類動物開展細胞核移植克隆實驗，先后獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年，我國童第周教授領導的科研組，以金魚等為材料，研究了魚類胚胎細胞核移植技術，獲得成功。到1995年為止，在主要的哺乳動物中，胚胎細胞核移植都獲得成功，但成體動物已分化細胞的核移植一直未能取得成功。

1996年，英國愛丁堡羅斯林研究所，伊恩?維爾穆特研究小組成功地利用細胞核移植的方法培養出一只克隆羊——多利，這是世界上首次利用成年哺乳動物的體細胞進行細胞核移植而培養出的克隆動物。圖4-33克隆羊示意圖。

在核移植中，并不是所有的細胞都可以作為核供體。作為供體的細胞有兩種：一種是胚胎細胞，一種是某些體細胞。

研究表明，卵細胞、卵母細胞和受精卵細胞都是合適的受體細胞。

2000年6月，我國西北農林科技大學利用成年山羊體細胞克隆出兩只“克隆羊”，這表明我國科學家也掌握了哺乳動物體細胞核移植的尖端技術。

核移植的研究，不僅在探明動物細胞核的全能性、細胞核與細胞質關系等重要理論問題方面具有重要的科學價值，而且在畜牧業生產中有著非常重要的經濟價值和應用前景。

3、細胞融合技術

細胞融合技術屬于細胞融合工程。細胞融合技術是一種新的獲得雜交細胞以改變細胞性能的技術，它是指在離體條件下，利用融合誘導劑，把同種或不同物種的體細胞人為地融合，形成雜合細胞的過程。細胞融合術是細胞遺傳學、細胞免疫學、病毒學、腫瘤學等研究的一種重要手段

動物細胞融合的主要步驟是：

第一步，獲取親本細胞。將取樣的組織用胰蛋白酶或機械方法分離細胞，分別進行貼壁培養或懸浮培養。

第二步，誘導融合。把兩種親本細胞置于同一培養液中，進行細胞融合。動物細胞的融合過程一般是：兩個細胞緊密接觸→細胞膜合并→細胞間出現通道或細胞橋→細胞橋數增加擴大通道面積→兩細胞融合為一體。

植物細胞融合的主要步驟是：

第一步，制備親本原生質體。

第二步，誘導融合。

微生物細胞的融合步驟與植物細胞融合基本相同。

從20世紀70年代開始，已經有許多種細胞融合成功，有植物間、動物間、動植物間甚至人體細胞與動植物間的成功融合的新的雜交植物，如 “西紅柿馬鈴薯”、“擬南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。（圖4-36是利用細胞融合培育雜交植物）從目前的技術水平來看，人們還不能把許多遠緣的細胞融合后培養成雜種個體，尤其是動物細胞難度更大。

（四）酶工程、發酵工程與蛋白質工程

1、酶工程

酶工程是指利用酶、細胞或細胞器等具有的特異催化功能，借助生物反應裝置和通過一定的工藝手段生產出人類所需要的產品。它是酶學理論與化工技術相結合而形成的一種新技術。

酶工程，可以分為兩部分。一部分是如何生產酶，一部分是如何應用酶。

酶的生產大致經歷了四個發展階段。最初從動物內臟中提取酶，隨著酶工程的進展，人們利用大量培養微生物來獲取酶，基因基因工程誕生后，通過基因重組來改造產酶的微生物，近些年來，酶工程又出現了一個新的熱門課題，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。

酶在使用中也存在著一些缺點。如遇到高溫、強酸、強堿時就會失去活性，成本高，價錢貴。實際應用中酶只能使用一次等。利用酶的固定化可以解決這些問題，它被稱為是酶工程的中心。

60年代初，科學家發現，許多酶經過固定化以后，活性絲毫未減，穩定性反而有了提高。這一發現是酶的推廣應用的轉折點，也是酶工程發展的轉折點。如今，酶的固定化技術日新月異。它表現在兩方面：

一是固定的方法。目前固定的方法有四大類：吸附法、共價鍵合法、交聯法和包埋法。

二是被固定下來的酶，具有多種酶，能催化一系列的反應。

與自然酶相比，固定化酶和固定化細胞具有明顯的優點：

1.可以做成各種形狀，如顆粒狀、管狀、膜狀，裝在反應槽中，便于取出，便于連續、反復使用。

2.穩定性提高，不易失去活性，使用壽命延長。

3.便于自動化操作，實現用電腦控制的連續生產。

如今已有數十個國家采用固定化酶和固定化細胞進行工業生產，產品包括酒精、啤酒、各種氨基酸、各種有機酸以及藥品等等。

2、發酵工程

現代的發酵工程。又叫微生物工程，指采用現代生物工程技術手段，利用微生物的某些特定的功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程。

發酵是微生物特有的作用，幾千年前就已被人類認識并且用來制造酒、面包等食品。20世紀20年代主要是以酒精發酵、甘油發酵和丙醇發酵等為主。20世紀40年代中期美國抗菌素工業興起，大規模生產青霉素以及日本谷氨酸鹽(味精)發酵成功，大大推動了發酵工業的發展。

20世紀70年代，基因重組技術、細胞融合等生物工程技術的飛速發展，發酵工業進入現代發酵工程的階段。不但生產酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物，生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料，在化學工業上生產氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。

從廣義上講，發酵工程由三部分組成：上游工程，發酵工程和下游工程。其中上游工程包括優良種株的選育，最適發酵條件（pH、溫度、溶解氧和營養組成）的確定，營養物的準備等。發酵工程主要指在最適發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。下游工程指從發酵液中分離和純化產品的技術。

發酵工程的步驟一般包括：

第一步，菌種的選育。

第二步，培養基的制備和滅菌。

第三步，擴大培養和接種。

第四步，發酵過程。

第五步，分離提純。

發酵工程在醫藥工業、食品工業、農業、冶金工業、環境保護等許多領域得到廣泛應用。

3、蛋白質工程

在現代生物技術中，蛋白質工程是在20世紀80年代初期出現的。蛋白質工程是指在深入了解蛋白質空間結構以及結構與功能的關系，并在掌握基因操作技術的基礎上，用人工合成生產自然界原來沒有的、具有新的結構與功能的、對人類生活有用的蛋白質分子。

蛋白質工程的類型主要有兩種：

一是從頭設計，即完全按照人的意志設計合成蛋白質。從頭設計是蛋白質工程中最有意義也是最困難的操作類型，目前技術尚不成熟，已經合成的蛋白質只是一些很小的短肽。

二是定位突變與局部修飾，即在已有的蛋白質基礎上，只進行局部的修飾。這種通過造成一個或幾個堿基定位突變，以達到修飾蛋白質分子結構目的的技術，稱為基因定位突變技術。

蛋白質工程的基本程序是：首先要測定蛋白質中氨基酸的順序，測定和預測蛋白質的空間結構，建立蛋白質的空間結構模型，然后提出對蛋白質的加工和改造的設想，通過基因定位突變和其它方法獲得需要的新蛋白質的基因，進而進行蛋白質合成。（圖4-37）

由于蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，在技術方面有很多同基因工程技術相似的地方，因此蛋白質工程也被稱為第二代基因工程。

蛋白質工程為改造蛋白質的結構和功能找到了新途徑，而且還預示人類能設計和創造自然界不存在的優良蛋白質的可能性，從而具有潛在的巨大社會效益和經濟效益。

生物技術的應用

1、生物技術在工業方面的應用

食品方面

首先，生物技術被用來提高生產效率，從而提高食品產量。

其次，生物技術可以提高食品質量。例如，以淀粉為原料采用固定化酶(或含酶菌體)生產高果糖漿來代替蔗糖，這是食糖工業的一場革命。

第三，生物技術還用于開拓食品種類。利用生物技術生產單細胞蛋白為解決蛋白質缺乏問題提供了一條可行之路。目前，全世界單細胞蛋白的產量已經超過3000萬噸，質量也有了重大突破，從主要用作飼料發展到走上人們的餐桌。

材料方面

通過生物技術構建新型生物材料，是現代新材料發展的重要途徑之一。

首先，生物技術使一些廢棄的生物材料變廢為寶。例如，利用生物技術可以從蝦、蟹等甲殼類動物的甲殼中獲取甲殼素。甲殼素是制造手術縫合線的極好材料，它柔軟，可加速傷口愈合，還可被人體吸收而免于拆線。

其次，生物技術為大規模生產一些稀缺生物材料提供了可能。例如，蜘蛛絲是一種特殊的蛋白質，其強度大，可塑性高，可用于生產防彈背心、降落傘等用品。利用生物技術可以生產蛛絲蛋白，得到與蜘蛛絲媲美的纖維。

第三，利用生物技術可開發出新的材料類型。例如，一些微生物能產出可降解的生物塑料，避免了“白色污染”。

能源方面

生物技術一方面能提高不可再生能源的開采率，另一方面能開發更多可再生能源。

首先，生物技術提高了石油開采的效率。

其次，生物技術為新能源的利用開辟了道路。

2、生物技術在農業方面的應用

現代生物技術越來越多地運用于農業中，使農業經濟達到高產、高質、高效的目的。

農作物和花卉生產

生物技術應用于農作物和花卉生產的目標，主要是提高產量、改良品質和獲得抗逆植物。

首先，生物技術既能提高作物產量，還能快速繁殖。

其次，生物技術既能改良作物品質，還能延緩植物的成熟，從而延長了植物食品的保藏期。

第三，生物技術在培育抗逆作物中發揮了重要作用。例如，用基因工程方法培育出的抗蟲害作物，不需施用農藥，既提高了種植的經濟效益，又保護了我們的環境。我國的轉基因抗蟲棉品種，1999年已經推廣200多萬畝，創造了巨大的經濟效益。

畜禽生產

利用生物技術以獲得高產優質的畜禽產品和提高畜禽的抗病能力。

首先，生物技術不僅能加快畜禽的繁殖和生長速度，而且能改良畜禽的品質，提供優質的肉、奶、蛋產品。

其次，生物技術可以培育抗病的畜禽品種，減少飼養業的風險。如利用轉基因的方法，培育抗病動物，可以大大減少牲畜瘟疫的發生，保證牲畜健康，也保證人類健康。

農業新領域

基因工程不僅提高了農牧產品的產量和質量。

利用轉基因植物生產疫苗是目前的一個研究熱點。科研人員希望能用食用植物表達疫苗，人們通過食用這些轉基因植物就能達到接種疫苗的目的。目前已經在轉基因煙草中表達出了乙型肝炎疫苗。

利用轉基因動物生產藥用蛋白同樣是目前的研究熱點。科學家已經培育出多種轉基因動物，它們的乳腺能特異性地表達外源目的基因，因此從它們產的奶中能獲得所需的蛋白質藥物，由于這種轉基因牛或羊吃的是草，擠出的奶中含有珍貴的藥用蛋白，生產成本低，可以獲得巨額的經濟效益。

3、生物技術在醫藥方面的應用

目前，醫藥衛生領域是現代生物技術應用得最廣泛、成績最顯著、發展最迅速、潛力也最大的一個領域。

疾病預防

利用疫苗對人體進行主動免疫是預防傳染性疾病的最有效手段之一。注射或口服疫苗可以激活體內的免疫系統，產生專門針對病原體的特異性抗體。

20世紀70年代以后，人們開始利用基因工程技術來生產疫苗。基因工程疫苗是將病原體的某種蛋白基因重組到細菌或真核細胞內，利用細菌或真核細胞來大量生產病原體的蛋白，把這種蛋白作為疫苗。例如用基因工程制造乙肝疫苗用于乙型肝炎的預防。我國目前生產的基因工程乙肝疫苗，主要采用酵母表達系統產生疫苗。

疾病診斷

生物技術的開發應用，提供了新的診斷技術，特別是單克隆抗體診斷試劑和DNA診斷技術的應用，使許多疾病特別是腫瘤、傳染病在早期就能得到準確診斷。

圖4-40是單克隆抗體的制備。單克隆抗體以它明顯的優越性得到迅速的發展，全世界研制成功的單克隆抗體有上萬種，主要用于臨床診斷、治療試劑、特異性殺傷腫瘤細胞等。有的單克隆抗體能與放射性同位素、毒素和化學藥品聯結在一起，用于癌癥治療，它準確地找到癌變部位，殺死癌細胞，有 “生物導彈”、“腫瘤克星”之稱。

DNA診斷技術是利用重組DNA技術，直接從DNA水平作出人類遺傳性疾病、腫瘤、傳染性疾病等多種疾病的診斷。它具有專一性強、靈敏度高、操作簡便等優點。

疾病治療

生物技術在疾病治療方面主要包括提供藥物、基因治療和器官移植等方面。

利用基因工程能大量生產一些來源稀少價格昂貴的藥物，減輕患者的負擔。這些珍貴藥物包括生長抑素、胰島素、干擾素等等。

基因治療是一種應用基因工程技術和分子遺傳學原理對人類疾病進行治療的新療法。

世界上第一例成功的基因治療是對一位4歲的美國女孩進行的，她由于體內缺乏腺苷脫氨酶而完全喪失免疫功能，治療前只能在無菌室生活，否則會由于感染而死亡。經治療，這個女孩可進入普通小學上學。截至1997年6月，全世界已批準的臨床基因治療方案有218項，接受基因治療和基因轉移的患者總數已有2557名患者。

1990年，人類基因組計劃在美國正式啟動，2003年4月14日，中美英日法德六國科學家宣布：人類基因組序列圖繪制成功。人類基因組計劃的完成，有助于人類認識許多遺傳疾病以及癌癥的致病機理，將為基因治療提供更多的理論依據。

器官移植技術向異種移植方向發展，即利用現代生物技術，將人的基因轉移到另一個物種上，再將此物種的器官取出來置入人體，代替人的生病的“零件”。另外，還可以利用克隆技術，制造出完全適合于人體的器官，來替代人體“病危”的器官。

4、生物技術在環保方面的應用

污染監測

現代生物技術建立了一類新的快速準確監測與評價環境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探針和利用生物傳感器。

人們分別用細菌、原生動物、藻類、高等植物和魚類等作為指示生物，監測它們對環境的反應，便能對環境質量作出評價。

核酸探針技術的出現也為環境監測和評價提供了一條有效途徑。例如，用桿菌的核酸探針監測水環境中的大腸桿菌。

近年來，生物傳感器在環境監測中的應用發展很快。生物傳感器是以微生物、細胞、酶、抗體等具有生物活性的物質作為污染物的識別元件，具有成本低、易制作、使用方便、測定快速等優點。

污染治理

現代生物治理采用純培養的微生物菌株來降解污染物。

例如科學家利用基因工程技術，將一種昆蟲的耐DDT基因轉移到細菌體內，培育一種專門“吃”DDT的細菌，大量培養，放到土壤中，土壤中的DDT就會被“吃”得一干二凈。

參考文獻：《生物技術概論》

生物工程生物技術類》 《

第二篇：科學論文

關于小學科學課程教學的幾點思考

[摘要] 小學科學課程是以培養小學生科學探究素養的啟蒙課程。通過實驗教學，激發學生探索科學興趣，培養學生問題意識，科學創新意識，培養學生學習興趣、動手操作能力、觀察能力、思維能力和創新能力，才能最終實現提高每個學生的科學素養。

[關鍵詞] 情景設計 問題意識 認知沖突 激勵

小學科學課是一門以實驗為基礎的學科，它是以培養小學生科學素養為宗旨的科學啟蒙課程。為了讓孩子們從小學科學、愛科學、用科學，并在學習中認識大自然，喜愛大自然，主動到大自然中去觀察、發現、分析、研究他們感興趣的事物和問題，那么科學合理的引導兒童對周圍世界固有的強烈的好奇心和探究欲望，培養他們樂于動手操作具體形象的物體的能力，使我們的教學真正貼近自然、貼近經驗、貼近生活、充滿生命的活力，是如何上好小學《科學》課應該思考和探討的問題。

一、激發學生探究科學

課前情境的設計和演示，可在課堂教學中要向全體學生提供充分的探究機會，使他們在快樂的探究過程中體驗學習科學的樂趣，增長科學探究能力，獲取科學知識。教學實踐中，課前創設一定的教學情景導入新課，對引發學生探究興趣，激發兒童學習的好奇心和上好本節課會起到事半功倍的效果。也是引發學生進行科學探究活動的不竭動力。因此，教師備課要精心設計好導入激趣這一環節，通過猜謎語、故事和游戲等活動，給學生以懸念和激情，吸引學生的注意力，調動學生的思考力和想象力，探究活動就開好了頭。如上《種子的萌發》一課在導入時讓學生猜謎語：“葉子圓圓個兒小，全身長滿小鐮刀，鐮刀外面長毛毛，鐮刀里面藏寶寶。”學生猜后，就明確知道了本節課我們所需要研究的問題了。對種子的探究就會引發許多興趣和問題，探究教學的氛圍營造得更濃厚。接著老師設置疑問：種子里面有什么？為什么能生根、發芽長成新的植物呢？這樣就激發了學生進行科學探究的興趣，引入了本節課所探究新知的教學過程。

二、培養學生發現問題的意識

問題是科學研究的出發點，是開啟任何一門科學的鑰匙。新課標也指出：問題意識是學生進行學習，特別是發現學習，探究學習，研究性學習的重要心理因素。沒有問題也就難以誘發和激起學生的求知欲；沒有問題，學生也就不會去深入思考；沒有問題，難以激發學生認識的沖動和思維的活躍。那如何培養學生的問題意識呢？

1、營造民主“土壤”，強化問題意識氛圍

學生問題意識淡薄的原因是多方面的，而教師在教學中民主意識的缺乏，課堂教學氣氛的不融洽是一個主要的因素。因此，強化學生的問題意識，我們首先做的工作就是要求教師在教學中營造民主的氣氛。小學生好奇心強，求知欲旺盛，這正是問題意識的表現，教師在教學活動中要充分愛護和尊重學生的問題意識，師生之間要營造融洽、寬松、平等、合作的民主平臺，以消除學生在學習中、課堂上的緊張感、壓抑感和焦慮感，學生的問題意識就可以獲得充分發揮和顯示，各種奇思異想、獨立見解就會層出不窮。由于舊的教育思想的影響，學生多數迷信書本，迷信老師，主動提出問題怕出丑，不敢大膽提問。在這種情況下，我們可告訴學生，老師喜歡有問題，愛提問的孩子，并常鼓勵學生敢于思考，敢說，敢問，對于大膽提問的學生，不論問題的質量如何都給予鼓勵。學生渴望成功，成功將更能激發他們的問題意識，所以，教師要善于運用有效的激勵手段，通過精心設計符合不同知識基礎和能力水平的問題，為每個學生的成功創造條件和機會，假如學生有時提出了不合理的問題，也要首先肯定學生思考問題的主動性、積極性，然后共同分析思維不合理的原因，讓學生自悟自明，獲得成功的喜悅。

2、創設問題情境，激發問題意識形成

認知沖突，即學生原有知識經驗與新的學習任務之間的矛盾沖突是問題產生的根本原因。認知沖突造成學生認知心理的不平衡，從而使學生產生解決這一沖突實現新的平衡的需求，激發學生的好奇心與求知欲，從而激發問題意識形成。思維通常是由問題情境產生的，而且是以解決問題情境為目的的。因此，教師無論教學的整體過程，還是在教學過程中的某些

微觀環節，都應十分重視問題情境的創設。如果教師不精心創設一定的問題情境，不講究提問的藝術：只是問學生：“想研究什么”，其結果常常是泛泛而提。如：我在第一個班上《磁鐵》這課時，問：對于磁鐵，你了解什么？你還想知道什么？學生提了很多問題：“磁鐵為什么能吸鐵的東西”；“磁鐵是怎樣來的”；“磁鐵為什么能指方向”??有的在課堂上不可能解決，有的是不著邊際的與探究活動無關的問題，繞了很大一個圈后我不得不告訴學生要研究的問題。在第二個班上這課時，我重新設計了提出問題這一環節：我先演示了小鴨在水池中停下來時，頭總朝著南方這一現象。學生們急于想揭開其中的奧秘，當他們發現小鴨的底下有一個磁鐵時，自然而然就產生了問題：為什么有一個磁鐵就讓小鴨的頭總朝一個方向？磁鐵能指方向嗎？這樣，探究問題在情境中自然誕生，使探究活動成為學生的一種心理需求。

3、在探究中生成問題，養成問題意識習慣

科學教學不能“以問題開始，以答案結束”，而要“以問題開始，以問題結束”。教學中，要讓學生通過問題來學習，再通過學習生成問題。愛因斯坦曾說過：“發現一個問題，比解決一個問題更重要。” 一堂課結束時，讓學生提出新的問題，給課堂留個“小尾巴”，這會在學生心理造成一種懸而未決但又急于解決的求知狀態，激發起學生勇于探索、創造和追求真理的科學精神，從而積極主動的投入學習。

三、給學生探究問題的空間。

實驗教學是培養學生學習興趣、動手操作能力、觀察能力、思維能力和表達能力的重要途徑。教師要鼓勵學生親身經歷以探究為主的學習活動，為學生創設一片自主學習的天地，真正使學生成為科學探究的主體，使學生的創造力得到鍛煉。如：筆者在教學五年級上冊《種子發芽實驗》這部分內容時，學生們知道了種子發芽與水有關，就有學生提出這樣的問題：種子發芽與陽光、溫度等條件有關嗎？這時，教師不需作任何解釋，而是鼓勵學生自己去找答案，讓他們把種植的綠豆種子一盆放在明亮有陽光的地方，一盆放在黑暗處，幾天后，學生發現綠豆種子發芽不僅需要水，還需要陽光、溫度，空氣等條件。通過學生自己實驗找到了提出的問題答

案，在實驗中發現問題、解決問題，學生不但獲得了知識，而且提高了實驗技能，還培養了自己的創新精神和實踐能力。再如：在教學四年級下冊第一單元第二課《點亮小燈泡》一課時，我一開始簡單介紹了電池、電線、燈泡后，沒有講明怎樣做才會讓小燈泡發光，而且提出問疑問：“誰能讓小燈泡發光。”在學生認識儀器的基礎上充分調動學生敢于思考，通過親自實踐，小燈泡亮了，學生在愉快的氣氛中獲得了知識，這樣，激發了學生的興趣，又培養了學生的創新精神和實踐能力

四、培養學生科學創新意識

質疑是發現的設想、探究的動力、創新的前提。在科學探究活動中，探究者所具有的良好的質疑意識無疑是探究活動的催化劑。從一定程度上說，培養學生的質疑意識比培養學生的解疑能力更為重要。因此，培養學生的質疑意識，應該從激發和培養學生的質疑動機入手，通過啟發引導，精心設置質疑情境，讓他們自己產生強烈的質疑意識，進而培養創新意識。胡適先生談及考古學曾言，要大膽假設，小心求證。這在科學發現上，同樣適用。

1．激發學習興趣，使學生愿意質疑。如在教學《淀粉的蹤跡》時，首先以小魔術的形式演示“白紙顯字”的小實驗，教學《混合身邊的物質》部分時，演示“清水變牛奶”的小實驗等等，使學生感到十分新奇，紛紛質疑“怎么回事”，個別學生甚至懷疑有假。老師則趁勢鼓勵學生大膽質疑，進而引導學生對自己產生的疑問展開探究。這樣，學生的學習興趣大增，自然而然地也就產生了質疑意向。教學中，還可以充分利用課本上的小資料、“閱讀與拓展”材料等，適當結合進一些課外資料，引導學生了解科學家敏銳的質疑意識對推動科學發展的重要作用，潛移默化地影響學生，幫助他們認識到培養自己質疑意識的重要性，增加他們學習探究科學的興趣。

2．突破思維禁錮，使學生敢于質疑。如在《動物和植物》一課中探討“植物是否能夠運動”時，有一些學生就植物不會運動的觀點向教師質疑：“向日葵不是會轉動嗎？”“有些植物還會吃動物呢！”“太陽花不是會見了太陽就開花，太陽落山就閉攏嗎？”這時，學生還可能會找來有

關的書本資料。對這種情況，老師不能含糊應對，而應在充分查找了相關資料后，向學生認真解釋了有關植物的這些現象，并進一步拿動物的運動器官與之對比，消釋學生的疑問。對于這些敢于向老師質疑的學生，我們應該充分肯定他們的精神。

3．創設質疑情境，使學生能夠質疑。質疑的產生應源于學生對某一事物的觀察和感知。怎樣才能使學生積極地投入到感知活動中去呢？這時，我們就應該認真研究教材，精心設計教學步驟，利用探究式教學模式，巧設疑問，以趣激疑、以問設疑、以疑導思，誘發學生質疑、解疑。如《了解空氣》一課，可以演示“紙的奇遇”實驗，當學生看到燒杯中的紙團被壓到水下卻并沒有如他們預期中的被浸濕時，頓時被激起了求知欲，這時適時提問：“是誰保護了杯中的紙團不被浸濕呢？”學生根據實驗事實，初步推斷出可能與空氣有關，那么究竟是不是空氣呢，由于課堂一開頭就引起了學生的探究興趣，自然也就產生了如我們怎樣才能看到空氣、摸到空氣等等一連串的疑問。把課堂讓給學生，讓學生帶著質疑走進教室，帶著更多的質疑走出教室。這些新疑問出現的意義，不僅在于它能夠使教學活動無止境地進行下去，而且更重要的還在于它能最終把學生引上創新之路，進而成為創新者。

五、繽紛多樣的激勵策略

科學課程的教學評價，其主要目的是了解學生實際的學習和發展狀況，以利于改進教學、促進學習，最終實現課程宗旨，提高每個學生的科學素養。所以對于學生的實驗操作，教師態度應謹慎，不要輕易否定，要給出合理、公正的評價；課外，教師還可以安排一些思考性、研究性、實用性的實驗，延續探究；也可以組織學生成立科學興趣小組，交流科學小論文和科技小發明，鼓勵他們向競賽活動投稿，遞交作品。只有在老師多種方法激勵下,才能讓他們始終保持這種熱情，讓實驗探究成為一種習慣。

科學課程的教學，簡單說就是不斷激發培養小學生的好奇心和探究欲望，教師要通過精心設計教學過程，引導學生通過動手實驗，來自己解決問題。培養他們問題意識和創新能力，在提出問題、解決問題的反復過程中，提高他們的科學素養。

參考書目：

1、全日制義務教育《科學（3～6年級）課程標準》（實驗稿）

2、《透視科學探究性學習》 羅星凱

3、《探究性學習》

4、《小學自然課改革探索》 劉默耕

第三篇：科學論文

試論小學科學教學中課程資源的開發和利用

一、小學科學教學的特點

小學科學教學以培養學生科學素養為宗旨，積極倡導讓學生走出課本、走出校園、走向大自然，真正以探究學習為核心，經歷科學家的發現過程，培養學生的好奇心和探究欲，發展他們對科學本質的理解。

1、開放性。《小學科學課程標準》中基本理念之一就是“科學課程應具有開放性”。小學科學教學要培養學生的科學素養，而科學素養的提升就要在豐富的科學探究活動中，給學生提供開放的材料、開放的探究空間，引導學生在學校、家庭、社會中學習科學，將學生的科學學習置于開放的背景之中，幫助他們不斷擴展對周圍世界的科學體驗，豐富科學探究經歷。

2、實踐性。科學這門課程與語文、數學課程不同，在教與學的同時都兼顧著實踐性。要求學生以動手實踐為核心，以操作有結構的材料為基礎，發現科學的真諦，從而學習常見的科學知識，體驗學科學的過程與方法，發展良好的科學情感，形成積極的態度。因此，在不斷實踐的過程中，就要有豐富的資源作為載體，完成科學探究活動。

3、探究性。“探究既是科學學習的目標，又是科學學習的方式。”[2],小學科學教學倡導學生親身經歷以探究為核心的學習活動，像科學家那樣進行科學探究活動，在探究過程中長智明理。這就需要我們科學教師提供探究的機會、探究的資源，讓學生真正成為探究的主體。

二、科學課程資源的內涵

說起課程資源，其概念是非常豐富的。它是指形成課程的因素來源與必要而直接的實施條件，它可以分為廣義性課程資源和狹義性的課程資源：

1、從廣義來看：只要有助于課程目標達成和學生發展之物，無論校內還是校外，也無論是物質的還是精神的，均為課程資源。如知識、技能、經驗、活動方式與方法、情感態度和價值觀以及培養目標、對于課程的認識狀況等因素等。

2、從狹義來看：指可以直接為課程實施服務之物。《小學科學課程標準》在“課程資源的開發與利用”中詳細列舉了教科書之外的科學課程資源，包括紙介質的書報雜志、影視、音像、計算機、網絡等媒體，演講、辯論、討論、表演等形式，博物館、紀念館、風景名勝等場所，以及日常生活、重要文件等都可以成為科學課程的資源。即科學課程內容無時不有、無處不在。

三、科學教學中開發和利用科學課程資源的必要性。

1、科學教學目標落實的需要。新課標指出小學科學教育目標就是提升廣大學生的科學素養，而科學素養的提升需要豐富的探究活動、可探究的科學資源作載體，這就要求小學科學教學要走出課堂，走向生活。以課堂為橋梁，淡化教材，以生活為基點，重視應用，發展小學生的科學能力，開發和利用各種有效的科學資源，為全面提升學生的科學素養服務。

2、轉變兒童學習方式的需要。新課程提倡學生進行“自主、探究、合作”的學習方式，其中學習方式的呈現不能空手說白話，沒有真實有效的科學資源，學生怎么自主？更談不上探究和合作了，這就需要有可操作的材料提高給學生，讓學生與文本、學生與科學資源之間進行有效對話學習，真正實現科學探究的自主性、探究性和合作化。因此，在轉變兒童學習方式的同時，挖掘有效的科學資源是關鍵。

3、提高科學教學質量的需要。科教興國，科學教學質量是關鍵，科學教師就要抓好每一堂科學課，徹底打破封閉式的教學結構，引導學生跳出書本的框框，讓學生經歷科學家的發現過程，體驗研究科學的快樂，為此，科學教學必須提供探究的空間和科學資源，讓學生在每節課中都能圍繞科學探究的每一環節，進行有效的探究活動，長期下來，學生沉浸在探究科學的美好氛圍中，科學素養的提升，科學教學質量的提高就不言而喻了。

四、開發和利用科學課程資源的對策

那么如何開發利用有效的科學課程資源呢？我在教育教學過程中有幾點粗淺的體會和嘗試：

1、師生資源的開發和利用。

教師和學生在課程實施過程中，既是教與學的主體，又是課程資源的開發者，因為師生都是活生生的個體，教育需要具有強烈生命意識的個體來創造和交流，最終獲得心靈的震撼。

（1）利用學生之間差異實施分層教學。把學生視為寶貴的課程資源，是因為每個學生之間都有一定的差異，有的學習方式不同、有的智能表現不同，如美國心理學家加德納教授就認為每個學生都是不同智能的個體，都有發展空間，或語言智能、或音樂智能、或動作智能、或交往認識智能，或擁有多項智能，科學學習也是如此，學生在搞科學的同時也有自己的優勢智能和弱勢智能，如有的學生愛問，有的學生愛動手等，教師要及時有效地了解每一個學生的智能勢態，把學生智能上的“優勢和弱勢”轉化為自己的教學資源。例如在學生分組探究時，就可讓有不同智能的學生分在一組，愛動的學生注重動手技能，愛問的注重質疑，在共同完成探究任務的同時，相互學習，相互同化，取長補短。另外利用個體多元智能，還是轉化后進學生的催化劑，后進學生在語數外學習上感到吃力，教師可利用在科學課上的優勢智能，大放光彩，增加學習的動力和在同學中的威信，各門學科成績大步上升，我們用此法已轉化10對后進生，實踐證明是有效的。教師要根據學生的差異設計有層次的探究內容，調控課堂。（2）利用教師自身素養開展有效教學。教師是最重要的科學課程資源，因為科學教師在整個課程資源尤其是素材性資源的開發和利用過程中，起著決定和主導的作用。教師自身就是科學課程資源組成部分之一，教師個人的科學素養決定著科學課程資源的識別能力、開發和利用程度以及發揮效益的水平，教師的創新能力將在資源的開發于利用中起著重要的作用。如兩位教師在引導學生進行有關垃圾場的調查，第一位教師就布置布置學生進行調查，后進行大組交流；第二位老師先對本地的教育資源進行調查和勘探，明確本地垃圾場的形成原因，而后指導學生有目的地調查，比較兩位教師的教育方法，可以鮮明地看出第二位教師善于對本地的課程資源進行了解和調查，做到心中有數，對本地垃圾場的預先調查，就是對科學課程資源的有效利用和開發，因此教師在開發科學課程資源的過程中，既是開發者，又是一種極為重要的資源。

2、文本資源的開發與拓展

實施新課程以來，最大的感受就是科學教材難教，難教的是教材中文字敘述較少，引導探究的圖片較多，形象感知豐富，這使得教師根本不可以像以前那樣拿著書本教書了，必須動腦筋收集材料豐富教學活動。這樣的教材特點正好是科學新課程的理念所倡導的，科學學習應以探究為核心，學生的學習更是經歷過程而并非學書本。探究活動的載體便是適合學生可探究的資源，教師不僅要用好科學教材，更要以教材為依托創造性的整合身邊的科學課程資源，以豐富學生的探究活動。

（1）“增”。即是在原有文本提供的科學探究內容的基礎上根據學生的不同特點適當增加一些探究內容，學生在探究過程中有時感到“吃不飽”，這時教師就根據學生認知特點和探究內容的需要增加部分內容，以達到鞏固和補充科學知識和能力的目的。讓學生能比較豐富地進行科學探究活動。如教學六年上冊《顯微鏡下的世界》學生雖然對老師調好的顯微鏡進行觀察而且興趣較濃，但大部分學生對預先調好的顯微鏡感到沒有多大挑戰力，最好自己手把手地調試，這時教師可以根據學生的需要增加教學內容，練習顯微鏡的使用和調配，在教師示范的基礎上個個學生興趣高漲，都學會了顯微鏡的使用，既認識了微觀世界，又學會使用精密的儀器，一舉兩得，豐富了學生科學探究的活動。

（2）“替”。即是略去一些不太適合學生的生活實際，或是不合時、不合地、不合情的探究內容，替換成同類的但是卻能貼近學生生活的內容。如科學教材中有一課《種油菜》，目的是讓學生體驗生命的生長過程，獲得科學研究的第一手資料，但都是城市學生，種油菜的周期長，有一定的難度，我在教學時就把這一內容替換成《種青菜》，因為青菜是學生熟悉的生活材料，而且我校學生大都是城郊農民子女，對種青菜有一定的經驗，開展活動以來，學生在種青菜、管理青菜、思青菜、用青菜的過程中，表現除了無比喜悅的舉動，他們時而記錄，時而交流種青菜的感受，并寫下了一片片優美的日記和一張張小報，轟動了校園。可見，利用符合學生生活經驗的科學教學資源是比較重要的。

（3）“鏈”。則是為了讓學生更清楚地明白科學探究中的內容，可以鏈接一些與探究內容相關的材料，讓學生更深層次地學習科學，如教學“認識地球的表面”這一內容后，學生對地球表面的形態分布、做地球表面模型圖，基本了解后，這時教師可以鏈接一些資料豐富學生對地球表面的真實認識，在教學時，就可以鏈接一些家鄉的地形特征，如天目湖的地表分布情況，讓學生分析、探究，畫出地形圖等，有時課上來不及，可以作為課后作業，豐富學生對地球表面形態的研究。這樣學生在收集天目湖地形資料，訪問有關老專家的過程中，畫出了一幅幅比較標準的天目湖地形圖，既增強了科學探究內容的豐富性，又提升了熱愛家鄉的情感，一箭雙雕。作為科學教師，在進行科學活動設計時，就要多層次、全方位地鏈接一些與探究內容相關的資料，真正實現“用教材教”。

3、生成資源的發現和捕捉

課堂教學是一個變量，科學學習也是如此，學生在建構新經驗的過程中，隨著活動情景的需要，不斷生成新的目標或者是新的感興趣的主題，這時課堂教學所要調控的是教師要以參與者的身份，耐心傾聽學生的發現，敏銳地觀察有價值的觀點，作為課堂教學的學習資源。我們的操作是教師準備一本問題本，把學生在上課動態生成的問題及時地記錄下來，對活動狀態及時作出判斷，隨機靈活的調整指導策略：

（1）集體性生成資源。有的動態生成資源是全體學生質疑、反駁、爭論的結果，代表著全班同學的困惑焦點和思維深度，像這些資源就要及時改變教學目標，拋給全班學生探究，如學生在研究蝸牛時都感覺到蝸牛蜷縮在殼里，有什么辦法弄它出來呢？這時及時改變原來要探究的蝸牛吃飯、形態等內容，建議全班同學研究怎樣把蝸牛弄出來，結果學生通過反復討論實驗，終于得出用溫水可以是蝸牛從殼里出來，學生個個喜氣揚揚，你看雖然改變了教學計劃，卻得到了生命的自由和能動，張揚了個性，尊重了學生的選擇。

（2）異步分層性資源。有的生成資源只有一部分學生有能力探究，這就要進行異步分層實驗，將生成的資源拋給學有余力的小組進行深層次的探究，其余小組還是預定目標進行探究。如學生在連接電路的活動中，有的學生在連接了簡單電路的同時，也發現另外一種連接方法也能使燈泡亮起來（復雜電路），這時教師就可以抓住這一資源，根據學生需要，及時調整教學目標，讓一部分人繼續研究簡單電路，讓另一部分同學研究復雜電路，進一步提高探究能力。這樣既尊重了學生的需求，又發展了學生的科學探究深層次的能力。

（3）拓展性生成資源。還有一些有用的生成資源，課堂沒有余地解決，可以留到課外，合理開展綜合實踐活動，這樣就含而不露地讓學生感興趣的問題進行深究，把科學探究活動延續到生活之中乃至終身，如學生在研究“振動產生聲音”時，又提出了振動能產生能源：馬路上每天人、車與地面的振動產生的能源應合理利用，為此我讓他們先設計了實驗方案（該方案在江蘇省科技競賽方案設計中榮獲一等獎），學生興奮之極，個個表示長大了一定要把這個項目研究出來，服務于社會，你看，一個不經意的設想竟蕩起了層層漣漪，創新的火花四射，科學的態度、社會的責任感就流露出來了，我們在教學時也就真正實現了科學與生活的有機結合。

4、生活社會資源的挖掘和深化

科學是以自然為研究對象，學習科學從觀察自然生活開始，又回到自然之中，為此我們的科學教育也應該引導學生回歸生活世界，了解社會，學習生活中的科學，充分利用校內外的自然資源進行主動建構。

（1）建設班級生物角，帶動校園生態網。學生學習科學不僅要改變學習方式，還要拓寬學習活動的空間，形成科學就在身邊的意識。班級生物角和校園生態網就是學生隨機搞科學的有效途徑，我們的操作是各班生物角的開辟與少先隊陣地建設相掛鉤：A低年級提興趣，如以科學畫報，圖片展覽為主；B中年級打基礎，如以常見簡單的生物觀察為主，如飼養小金魚、小烏龜等來獲得初步的科學研究的方法和情趣；C高年級搞特色，如有的搞制作宣傳、有的搞動植物飼養并作長期研究；有的立足環保、氣象、材料科學等，這樣的生物角精彩分層，充滿活力。在此基礎上大隊部可根據各班搞生物角的態度，初步效果來評分,最后精選各班最拿手的生物角項目組成校園生態網。如我校的校園生態網在原操場上開辟一塊地方由六（1）中隊的家禽飼養、六（2）中隊的氣象觀察站、四（1）中隊的植物盆景雕刻等組成，每期更換內容。這樣從班級生態角到校園生態網，都是學生親手實踐、親身體驗的結果。

（2）根據地理優勢，活用校外資源。我校是一首城郊結合部學校，大部分科教機構（環保局、氣象站）、農田、城郊村莊都在學校附近，我們利用這些有效的地理資源進行教學收到了很好的效果。

首先，直接將校外資源活用為第一課堂實現真正的科學見習。如蘇教版三年級上冊科學教材中的“天氣單元”的教學，就可聯系學校后面的氣象站，讓學生直接去觀察各種氣象儀器、訪問氣象專家、親自在氣象站測量氣溫、風速、風力等探究活動，把氣象站當作課堂，結果個個同學對氣象儀器的識別、氣溫、風向風力的測量,還在專家的指導下畫氣溫變化的曲線圖等，你看，學生在真實的環境中真刀真槍地接觸到了社會生活中的科學技術，像科學家那樣進行見習活動，既提高了探究活動的效率，又受到了心靈的震撼，教師也就真正“用教材教了”。

其次，利用城郊特色，聘請家長參與，形成有指導性的專題研究。學生課余雖能基本獨立進行課題研究但還是離不開有效的指導，這時老師不在身邊怎么辦？有效的途徑便是向家長請教，得到支持。這里大部分學校家長忙于工作，力不從心，但由于我校是城郊結合部學校，大部分家長利用城郊菜田進行種小菜，搞栽培等經濟項目，這就可以利用家長現成的技術，聘請他們當輔導老師，自然而然地把農業栽培技術滲透給孩子。如我校的張明同學和同伴們一起聘請他的爸爸當老師，進行日本富士蕃茄的栽培和嫁接實驗，他們不斷地觀察，不斷地和爸爸一起交流實踐，終于成功地長出了五個不像樣的富士蕃茄，他們在實驗報告中詳細地記錄了和爸爸的交流，以及有關栽培蕃茄的20頁稿紙，并且聲稱一定要研究為什么我們溧陽長的富士蕃茄沒有日本的圓。你看，在不經意 的家庭小實驗卻給同學們的課外生活增添了無限的生機，學生的科學素養、創新精神得到了充分的凸現，這足以說明張明的實驗離不開他爸爸的指導，所以利用城郊農民家長的技術優勢來填補學生課余研究無老師指導的空白，是一條有效途徑。

需要說明的是，大部分學校雖然不是城郊結合部，但是各有各的地理優勢，只要我們老師細心地觀察其周圍的資源，還是源源不斷的。

5、網絡資源的引入與利用

隨著網絡和多媒體技術的飛速發展，教材的概念大大擴展，形成了以教科書為核心的信息課程資源。其中，電腦網絡以它的圖象、動畫、高度的交互性、共享性、內容的豐富性吸引了越來越多的學生。為此我們要善于引導學生利用網絡信息資源進行動態的意義建構，操作策略有二：

（1）教師與教師之間的資源共享。教師是一種很重要的課程資源，每個老師的信息水平有高有低，如果能把科學老師的智慧集中起來，那就是資源，而網絡就給了我們這樣的方便，教師的備課系統可以在網上相互交流，相互討論，豐富課堂教學。

（2）學生利用網上資源進行有目的地探究。在這里我們分三步操作：

一是教給學生網上搜索的方法，指導網上搜索的方向。首先在校園網上進行訓練，先搜索老師預先搜集的學習資料，幫助他們拓寬知識面。如學習《常見材料》一課，教師預先上網收集課本之外的各種材料如能源材料、高分子材料、納米材料等做好網址讓學生點擊收集，學生收集后個個振奮人心，想不到科學技術是那么的發達，光學書本是遠遠不夠的！從而逐步培養收集信息的興趣和本領。

二是自收資料，資源共享，逐步建立資源庫。這步操作是有深遠意義的，不僅可以利用自己的勞動成果進行探究活動，而且可以成為老師教學資源的一大支柱，因為這畢竟是學生根據需要和經驗自己得來的，富有兒童情趣。

三是利用學到的網絡知識進行網上課題研究。如對家鄉城市人口的組成來源進行調查探究活動，可引導他們訪問政府人口網址，同伴間的交流來完成。所以學生在這本無言書中可以盡情遨游，對信息的檢索、信息的收集整理以及信息意識的培養有著不可替代的作用。

6、評價資源的應用與落實

評價是一種手段，通過評價最終來提升學生的科學素養，同時在科學教學中運用評價功能也是一種重要的課程資源，稱為評價資源，因為新課程的評價方法不是為了評價而評價，而要鼓勵教師做好評價工作，把評價工作穿插在學生學習活動之中，時不時地監控學生的學習行為和學習質量，因此運用評價方法是否得當，直接影響了教與學的質量，評價性資源應該時刻伴隨在科學教學之中。

（1）即時評價。根據學生在科學研究中的各項表現，給予即時評定，可以用各種手段，如一句評價性的語言“你做得太認真了”，或用一個動作、符號記錄學生在研究過程中的良好表現，讓他們在研究過程中即時地得到老師和同學的肯定，從而推動科學學習的質量。

（2）評定量表。對于一個值得研究的科學專題，除了即時評價學生的行為，還要設計以評價主體多元化為目標的評價活動，從整體上評定學生的表現和成果，如《做酸奶》這個科學專題，我們就設計了包含動作技能和情感態度為一體的評定量表，充分展示學生專題研究成果和成功的歡樂。通過自評、組評、家長評來展示自己的研究過程和心里感受，達成三維目標，學生的探究動力被不斷激發，形成不斷建構的源泉。因此合理有效地開發和利用評價資源，可以有效地推動學生科學學習質量的提高，最終提升學生整體的科學素養。

五、開發和利用科學課程資源的注意點：

不管是課本資源，網絡資源還是社會資源，都是科學教學中不可缺少的，如何有效開發和利用，才是關鍵所在。所以我們在開發與利用課程資源的同時應該注意以下四方面：

1、調查與分析。我認為在開發和利用課程資源的前提工作中，教師就要作一個有心人，在新學期的教學計劃中就要針對科學教學內容進行調查與分析，本學期大致需要哪些課程資源，如四年級科學課中有“巖石”單元，在起初就針對家鄉特色資源，到溧陽橫澗地區進行各種巖石的調查，最終確定橫澗地區的各種巖石對學生探究巖石特種很有用，為本單元的教學作了鋪墊。：

2、甄選與鑒別。我們往往發現同一類的資源可能會不止一種，而且似乎都能派上用場，但是哪一種是最為密切相關的呢，這就要我們科學教師針對教學內容和教學目標進行甄選與鑒別了，如所選用的資源指向非常明確，同你所要達到的目標也高度一致，效果較好，當然是選這一種了。

3、組合與變通。對于多種科學資源，我們還需要進行有效的組合與變通，進一步提高資源利用的價值，如對零散的資源進行組合，使它們具有一定的系統性和教育性，另外對傳統科學資源進行變通與激活，為新的科學課程所用。

4、反思與總結。這是開發和利用科學資源的重點，科學資源用過以后要進行及時有效的反思：怎么用？效果怎樣？等。最終提高科學課程資源開發和利用的力度。如帶學生到南山竹海考察橫澗地區的巖石，學習過程隨好，但學生難管理，要考慮學生安全性等問題，為此我們經過反思總結后，決定用拍錄像、采集標本等形式展示和探究家鄉的各種巖石，全面提高教學效果。

小學科學課程資源的開發和利用是科學新課程改革的必然產物，沒有課程資源的支持，最好的科學課程也是空架子，我們科學教師在開發和利用科學課程資源的同時，必須不斷實踐、不斷積累，努力提升自己的專業素養和理論水平，這是科學課程資源開發和利用的首要任務。

第四篇：科學論文

?淺談減負增效，力創農村小學科學高效課堂?

云南省玉溪市易門縣浦貝鄉中心小學：奇峰?【摘要】 “減負增效”,就是減輕學生過重的學習負擔，提高學習的效益，這是我們科學教師所期盼的教育教學理想境界。但是在實際的科學教學中,我們往往把握不住分寸,一味地讓學生讀.背.識記。耗費了學生許多寶貴的時間。不能很好地處理“減負”與“增效”這一關系。在實際教學中我們應該做到一做好課前準備，用教師“增負”換回學生“減負”；二.培養學生學習科學的興趣；

三、因地制宜，充分利用山區地理環境，充實教學內容；

四、以活動為載體，以探究為核心；五.注重課后反思；六.多維綜合，激情評價。

【關鍵詞】 ： 減負 增效 高效課堂 探究 反思

小學科學課是對小學生進行科學教育的一門重要基礎學科，對培養孩子興趣、啟迪孩子思維、培養孩子的實踐能力起著重要作用，具有鮮明的基礎性、實踐性和綜合性，是現在小學生必修的一門基礎課程。但對于現在的農村小學而言，由于基礎設施不夠完善，教學條件相對落后，嚴重地影響了科學課的正常教學，然而，農村有著得天獨厚的自然條件這個“大課堂”。那么如何提高科學課的教學效率，將是我們面臨的重要問題。我在農村從教二十三年，積累了點滴經驗，我認為應該從以下幾方面教學，可以提高農村科學課的課堂效率。確實減輕學生過重負擔。?一.做好課前準備，用教師“增負”換回學生“減負”是減負增效的基礎。科學是一門基礎課程，在實施素質教育的今天，要對學生減負增效，雖然不可能找到固定的模式，但教師是關鍵。這要求教師要不斷改進教學方法，提高效率，更好地提升教學質量。學生減負，并不意味著教師也減負，教師反而要增負，教師要騰出更多的時間去鉆教材、鉆教法，備課堂、備學生、備作業，最大努力地提高課堂教學效率，以確保減負不減質。

如：我在備課時，首先要提前通讀、鉆研教材，弄清講這節科學課的重、難點是什么？采用的教學方法是什么？該準備什么教具？主要讓學生掌握些什么基礎知識？訓練學生哪些能力？要向他們滲透那些情感方面的教育等等。其次還要備學生，要根據學生的認知特點選擇教學方法，配套例題、習題，安排不同層次的學生解決不同層次的問題等。為了保證課堂的有效性，我們老師必須要多花時間，做好課前準備，讓教師的“增負”來換回學生的“減負”。這樣，老師在上課時才能按照目標，把這些環節相互促進、相互制約的各項要求組成一個整體，在教學基礎知識的同時培養能力、發展智力，促成大面積提高。二.培養學習科學的興趣是減負增效的前提?興趣是求知的內在動力，有了興趣，就能克服學習中的困難并勇于探索：有了興趣，就能變學習是負擔為執著的追求。因此，只要激發起學習興趣，學生就會積極主動，學得輕松而有成效，它是減負增效的前提。?

1、創設情境，激發興趣

興趣是求知的內在動力，有了興趣，就能克服學習中的困難并勇于探索：有了興趣，就能變學習是負擔為執著的追求。因此，只要激發起學習興趣，學生就會積極主動，學得輕松而有成效，它是減負增效的前提。興趣是學生提高學習效率最好的導師。教學實踐中，課前創設一定的教學情境導入新課，對激發學生的探究興趣、激發學生學習的好奇心和上好本節課會起到事半功倍的效果，?

?也是引發學生進行科學探究活動的不竭動力。因此，教師備課要精心設計好導入激趣這一環節，給學生以懸念和激情，吸引學生的注意力，調動學生的思考力和想象力，這樣，探究活動就開好了頭。如上四年級下冊《種子的萌發》一課，在導入時讓學生猜謎語：“葉子圓圓個兒小，全身長滿小鐮刀，鐮刀外面長毛毛，鐮刀里面藏寶寶。”學生猜后，就明確地知道了本節課我們所需要研究的問題了，對種子的探究就會引發許多興趣和問題，探究教學的氛圍營造得更濃厚。接著老師設置疑問：種子里面有什么？為什么能生根、發芽、長成新的植物呢？這樣就激發了學生進行科學探究的興趣，引入了本節課所探究新知的教學過程。?

2、運用靈活多變的教學方法，激發學習動機。

如何在新授課中持續學生的學習興趣，最大限度地調動學生積極性，充分體現學生積極思考問題，探求知識的主體作用。我們只有運用靈活多樣的教學方法讓學生多動手、多動腦、多動口，充分調動學生的多種器官，參與教學活動，培養學生勇于實踐、敢于探索的精神以及良好的個性，把學生被動聽變為主動的學。例如 ：在教學《磁鐵》時，為了讓學生徹底弄清磁極的相互作用、南極與北極之間的關系，我通過小組合作，讓學生自己動手，合作探究，既活躍了課堂，又激發了學生的學習動機，還培養了學生的能力，這種一改老師講學生記的灌輸方法，大大提高了課堂的教學效果。同時在教學中，我還經常給學生進行鼓勵性評價，如：“你能行！”、“沒關系，愿意再試試嗎？”、“再想想，你會說得更好！”這一恰當評價，有利于保護學生的學習自信心，激發學生的學習欲望。其實我們做教師的就是要利用靈活多樣的方法來激發學生心靈深處那種強烈的探求欲望，而且要讓學生在探究活動中獲得成功的情感，這樣學生就能保持足夠的探究熱情，產生強大的內部動力爭取新的更大的成功。

三、因地制宜，充分利用山區地理環境，充實教學內容是減負增效的保障 1.就地取材，豐富科學課教學途徑

雖然農村小學有一定的實驗教學器具，但農村小學科學課教學儀器的短缺現象仍然時時制約著實驗教學的有序開展。如何立足于現實，在進一步加大力度裝配、建設實驗室和儀器室的同時，走自我創新之路，探索出一條既適合于現代實驗教學的需求又富有個性特色的地方實驗教學的新路子呢？我們在用足用活現有教學儀器、設施的前提下，深入挖掘地方的物產資源，就地取材，配合相關教學內容開展了教師自制教具、學生制作學具活動。這樣不但解決了科學課教學儀器的短缺問題，而且為學校充實了大量的教具、學具，也推動了科學課教學器具的更新換代，極大地提升了實驗教學的開設率。比如《多種多樣的植物》、《種類繁多的動物》等教具都可以自制，采集。制作動植物標本更是同學們的拿手好戲，到大自然中采集植物和尋找小動物是學生津津樂道的趣事。這些帶“土”氣的教學具和現代科學課教學具相結合，確保了科學課教學規范化、現代化、一體化的優化運行。

2、充分利用學校及地方課程資源，充實教學內容

農村小學科學教育資源相對城市而言比較匱乏，但農村孩子天天的所見所聞更接近于自然，生活的內涵一點也不比城市的孩子落后。科學課教學中教師應有意識地加強聯系他們豐富的社會生活經驗，發揮孩子們豐厚的感性認識的優勢來服務教學，自覺充實教學內容，常能取得意想不到的效果。例如，根據季節的不同，可以改變教科書中有關教學內容的順序，力求做到因時而教、源趣而授，使學習內容與學生的實際生活結合得更為緊密。將《各種各樣的花》的教學調整到春暖花開的時節教學，教師帶領學生到大自然這個“大課堂”中，放飛在花的海?

?洋里，觀察各種各樣植物的花，學生在教師的啟發指導下，就可以掌握花的共性，了解到花的構造，進而認識到完全花與不完全花的特征及其區別。而《植物的果實》則選擇在金秋十月的收獲季節進行教學，發動學生到“大課堂”中廣泛收集各種植物的果實，然后帶到課堂中觀察，采用浸泡、解剖、嘗味等多種實驗方法來豐富、增進、完善學生對果實的認識。

3、充分利用自然地理環境，開展課外科學研究活動

農村有得天獨厚的自然條件，教師可以帶領學生走出教室到大自然中去進行考察活動。教師要充分利用這一有利條件，帶領學生到大自然這個“大課堂”去上課。自然課中凡是適合在當地自然環境中教學的內容，如水域的污染和保護、植物與環境、能源礦產、巖石、土壤等等，盡可能讓學生進行實地考察，直接與大自然接觸，并注意把愛科學的思想教育和改變當地自然面貌結合起來，把自然課的教學和課外自然研究活動結合起來，從而使本節課取得了綜合的教學效果。如學生通過科學課里的《水》的學習，自覺應用于實踐，主動考察研究本地水資源循環情況，找到了本地居民生活用水存在的問題及原因，從課堂向課外拓展中培養了學生的科學意識。學生在課內與課外的溝通中，在學習和實踐中，真正學到了科學知識，鍛煉了科學實踐能力，科學意識不斷得到了增強。

四、以活動為載體，以探究為核心是減負增效的關鍵 1.高效課堂教學首先是學生自主的學習

我這堂課講什么呢？以往我們教師備課時總有這么一種定式。教師沒有更多地考慮如何讓學生去摸索、去探究，讓學生達到探究的目標，獲得科學概念。因此高效的課堂，還應是學生自主學習的課堂。在四年級上冊《聲音的傳播》一課中，在研究聲音的傳播時，一些學生可以創設出新的實驗方法，進行研究；在匯報交流時，學生也可以運用不同的方式來完成。學生所進行的是自主的探究、自助的實驗和個性化的實驗總結。只有這樣才可以使學生的個性得以充分的發揮，創新的能力得以有效培養，才能實施高效的課堂教學。2.高效課堂教學要以探究為核心 探究既是科學學習的目標，又是科學學習主要方式，親身經歷以探究為主的學習活動是學生學習科學的主要途徑。?教學中要以學生為主體，教師應把最大限度地留給學生，讓學生親身經歷科學探究活動，從而培養學生的創新能力，發展學生的創造力。激發每一位學生主動參與探究實踐活動，更讓學生在探究中學會合作，懂得思考。

3.高效課堂教學要自主探究與合作探究相結合

科學課中，有些知識自主探究能解決，有些知識需要同學們通過合作探究取得。

如：我們在學習《蚯蚓》一節中，對于蚯蚓身體的外部形態，學生們可自主探究，觀察得到，蚯蚓的身體由許多環狀體節構成，有口，環帶，肛門。但對蚯蚓的生活習性的觀察需要同學們合作探究去發現。比如，對蚯蚓的一個生活習性﹙蚯蚓喜歡生活在黑暗、潮濕的環境里﹚的觀察，需要同學們以小組合作的方式去觀察探究。通過觀察、探究了解到的知識，遠勝于老師說教，老師不僅教會他們知識，而且教會他們怎樣學知識。一位教育家就曾經說過：?教是為了不教?。我們要注重學生能力的培養，給他們一堆金子，不如給他們一個點金石。． 五.注重課后反思是減負增效的重要途徑。

我國最早的教育著作《學記》中說：“學然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強也。”，因此任何一個教師和學生不論其能力起?

?點如何，都有必要通過多種途徑對自己的學習和工作進行反思，從而提高自己的能力。

1、教師課后反思。

教案中的教學反思和學生輔導批改紀錄，是我們學校的硬性要求，并被納入到教師六認真檢查和考核中，我覺得這一制度很好，還值得進一步推廣。一節課下來，靜心沉思，抽些時間回顧所學的內容，摸索知識之間的一些規律和自己在知識點上有什么發現；解題的諸多誤區有無突破；啟迪是否得當；訓練是否到位等等，及時記下這些得失，并進行必要的歸類與取舍，為下一節課的有效教學做好鋪墊。而在作業中也要認真反思，尤其是在批改之后的作業，并要求學生仔細分析自己的對題和錯題，寫下自己的成功之處和不足之處，還可以寫下自己的新思路和自己的創新，這樣更能提高我們教師的教學能力。

2、學生課后反思。

課堂教學是開展反思性學習的主渠道。我在課堂教學中經常有意識的引導學生從多方位、多角度進行反思性的學習。如對日常生活中的事物及課堂中的內容，引導學生多問一些為什么？想想自己這節課都有什么收獲？還有哪些疑問？同時要求學生掌握好五種反思方法，即（1）在解決問題中反思，掌握方法；（2）在集體討論中反思，形成概念；（3）在回顧知識獲取時反思，提煉思想；（4）在分析解題方法中反思，體驗優勢；（5）在尋找錯誤成因中反思，享受成功。讓孩子們感到自己在不斷地反思后，能夠不斷地成功，能夠經常地、認真地反思，那么學生就會在反思中真正領悟生活和學習的思想、方法，優化自己的認知結構，發展思維能力，培養創新意識，從而進一步提高學生的學習能力。六.多維綜合，激情評價。

每節課結束要進行評價，評價的目的是全面了解學生的學習狀況，激勵學生的學習熱情，促進學生的全面發展。評價也是教師反思和改進教學的有力手段。科學、有效的教學評價能夠有力地促進有效科學教學的開展。對學生在科學教學活動中的學習狀況的評價，教師不僅要關注學生知識和技能的理解和掌握，更要關注他們情感與態度的形成與發展；不僅要關注學生學習的結果，更要關注他們參與科學活動的程度、自信心、合作交流意識，以及獨立思考的習慣。同時，對學生實施評價，教師要特別關注學生的個性差異，對評價結果的描述應采用鼓勵性語言，發揮評價的激勵作用，激發學生的學習興趣，增強學習科學的自信心，從而使學生熱情地主動參與到科學教學活動之中。

總之，善于利用我們身邊一切可以利用的因素.資源。注重學生的愛好和專長的形成，結合農村教育資源，采取多種措施.渠道，就能較好地培養學生的科學意識，創造性地為科學課教學服務。這不僅能提高農村小學科學課教學的課堂教學效益，而且也可在豐富的實踐活動中培養學生的創新意識，建立一種新型的教與學的平臺，從而達到減負增效之目的。

參考文獻：?《新課程三維目標》?《小學科學新課程標準》?人民教育出版社?《減負增效，構建高效課堂教學》?

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第五篇：材料科學論文

石墨烯的最新研究進展及應用

石墨烯的最新研究進展及應用

摘要：石墨烯以優越的性能和獨特的二維結構成為研究的熱點，本文以材料四要素來分析石墨烯的加工制備，各種熱學，力學，電學，光學性能，由于單純石墨烯的使用效能在單品中作用有限，因此另加介紹了石墨烯復合材料的制備和性能。由于中國科學家在石墨炔也取得突破，所以也附加介紹以用來比較石墨烯的特點。

石墨烯的發現；

石墨烯（是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯是當今世界上最薄的材料，也是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨烯具有特殊的單原子層結構和新奇的物理性質: 強度達130 GPa、熱導率約5000 J/(m·K·s)、禁帶寬度幾乎為零、載流子遷移率達到2×105 cm2/(V·s)、高透明度(約97.7%)、比表面積理論計算值為2630 m2/g, 石墨烯的楊氏模量(1100 GPa)和斷裂強度(125 GPa)與碳納米管相當, 它還具有分數量子霍爾效應、量子霍爾鐵磁性和零載流子濃度極限下的最小量子電導率等一系列性質。最近幾年國外對石墨烯的研究如火如荼的進行，國內也引起強大的反響。因此結合材料的知識，對其研究進行簡略的介紹。

（一）石墨烯的制備

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石墨烯的最新研究進展及應用

石墨烯在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法—機械剝離法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，晶體外延生長法、化學氣 相沉積法、液相直接剝離法以及高溫脫氧和化學還原法等。我國的科研工作者通過化學氣相沉積法，利用烴類作為碳源，通過化學氣相沉積把單層碳原子附在金屬表層，這是一種可以為工業大規模制取石墨烯的方法。化學氣相沉積法相比，等離子體增強化學氣相沉積法可在更低的沉積溫度和更短的反應時間內制備出單層石墨烯。此外晶體外延生長法通過加熱單晶6H-SiC 脫除Si, 從而得到在SiC表面外延生長的石墨烯，但這種方法無法獲得大規模，層面單一的石墨烯。氧化石墨還原法, 成為實驗室制備石墨烯最簡單的方法。

（二）石墨烯的優秀性能 2.1力學性能

石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優異的力學性質和結構剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鉆石。2.2 電學性能

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石墨烯的最新研究進展及應用

石墨烯最重要的性質之一就是它獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性。石墨烯的價帶和導帶部分相重疊于費米能級處, 是能隙為零的二維半導體, 載流子可不通過散射在亞微米距離內運動, 為目前發現的電阻率最小的材料。石墨烯內部電子輸運的抗干擾能力很強, 其電子遷移率在室溫下可超過15000 cm2/(V·s)[46], 而當載流子密度低于5×109 cm-2 時, 低溫懸浮石墨烯的電子遷移率首次被發現可以接近200000 cm2/(V·s)。單層石墨烯中載流子遷移率幾乎不受化學摻雜和溫度的影響。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。2,3光學性能

單層懸浮石墨烯的白光吸收率是2.3%, 而且吸收率隨著層數的變化呈線性增加。2.4熱學性能

單層懸浮石墨烯的室溫熱傳導率可達到3000~5000 W/(m·K)，石墨烯的熱導率是如今在電子領域廣泛應用的銅的2 倍和硅的50 倍。

（三）石墨烯的復合材料

基于石墨烯的復合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向, 其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領域展現出了優良性能, 具有廣闊的應用前景。目前石墨烯復合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復合材料和石墨烯基無機納米復合材料上,因此本文對石墨烯復合材料的最新研究進展做詳細介紹。3.1 石墨烯聚合物

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石墨烯的最新研究進展及應用

根據石墨烯與聚合物的相互作用方式不同, 可將石墨烯聚合物復合材料分為石墨烯填充聚合物復合材料、層狀石墨烯聚合物復合材料和功能化聚合物復合材料等。

3.1．1 石墨烯填充聚合物復合材料

通過溶液混合、熔融共混和原位聚合等方法，我們可以來制備石墨烯復合材料，石墨烯的分散性和聚合物基體的相互作用是影響復合材料性能的主要因素。例如通過溶液混合制成的石墨烯復合材料聚乙烯醇的力學性質得到很大改善，抗拉強度是原來的1,5倍，楊氏模量提高10倍。這說明利用溶液混合制成的石墨烯復合材料的分散性比較好，所以其力學性能比較好。與之相比，熔融共混法比較經濟簡單，不需要想溶液混合所需的昂貴分散液。利用熔融共混法制成的聚對苯二甲酸石墨烯復合材料，該復合材料利用石墨烯作為填充物，使其電導性大大提高。然而在實際工業生產中，聚合物的粘度卻會影響熔融狀態下石墨烯與對苯二甲酸的結合，所以我采用原位聚合的方法，發現合成的化合物熱穩定性提高。所以我們在使用合成填充類石墨烯復合材料要充分考慮經濟性，產品的熱穩定性。3.1．2 層狀石墨烯聚合物復合材料

層狀石墨烯聚合物復合材料是指石墨烯的衍生物和聚合物合成層狀復合材料，其可應用于定向負載承重膜和光伏器件等領域。3.1.3 功能化聚合物復合材料

石墨烯及其衍生物也可通過聚合物修飾的共價或非共價功能化形成功能化石墨烯聚合物復合材料。石墨烯衍生物的共價功能化主要是通

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石墨烯的最新研究進展及應用

過聚合物官能團和氧化石墨烯表面的含氧官能團發生反應，而發生反應的共價界面可以提高復合材料的力學和熱學性能。以聚甲基甲酸乙酯為例，利用石墨烯復合材料的共價功能，其力學性能得到改善，楊氏模量提高7倍，硬度提高50%，抗拉強度提高74%，此外利用石墨烯衍生物的共價合成的聚合物其熱穩定性和導電性也得到明顯提高。

非共價功能化是通過范德瓦爾斯力、靜電相互作用和π–π 堆積作用對石墨烯表面進行修飾而不改變它的化學結構, 此方法可提高復合材料的電學、光學特性和可溶性。利用π–π堆積非共價修飾的石墨烯薄片制備了多功能聚合物納米復合材料, 研究發現功能化石墨烯的引入提高了復合材料的儲能模量、玻璃化轉變溫度和電導率。3.2 石墨烯基無機納米復合材料

將無機材料(金屬納米材料、半導體和絕緣納米材料)分散在石墨烯納米層表面可合成石墨烯基無機納米復合材料。無機納米粒子可減小石墨烯片層間的相互作用, 而石墨烯與特定納米粒子相結合,使該類復合材料在催化劑、光學等領域具有廣泛的應用前景。(四)中國科學家在石墨材料領域的最新研究進展

2010年，中科院化學所有機固體院重點實驗室研究人員利用六炔基苯在銅片的催化作用下發生偶聯反應，成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積碳的新同素異形體——石墨炔，這是在世界上首次大面積制備出了石墨炔薄膜。它具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性，被譽為是最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由于其特殊的電子結構及類似硅優異的半導體性

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石墨烯的最新研究進展及應用

能，石墨炔可以廣泛應用于電子、半導體以及新能源領域。1968 年著名理論家Baughman通過計算認為石墨炔結構可以穩定存在，國際上的著名功能分子和高分子研究組都開始了相關的研究，但是并沒有獲得成功。人們開始懷疑石墨炔是否能被人工合成,直到2010年，中科院化學所李玉良研究員等提出了在銅片表面上通過化學方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積碳的新的同素異形體-石墨炔薄膜。在這一過程中銅箔不僅作為交叉偶聯反應的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜的生長所需的定向聚合提供了大的平面基底。

中國科學院青島生物能源與過程研究所能源應用技術分所研究員黃長水帶領的研究小組與中科院化學研究所研究員李玉良合作，首次將石墨炔應用于鋰離子電池電極材料，并對其電化學儲鋰性能及儲鋰機制進行了詳細的分析研究，闡明了石墨炔結構、形貌與其電化學性能之間的構效關系，探索了石墨炔材料在鋰電池中的應用，這些研究為石墨炔家族的儲鋰性能研究以及探索新型碳素儲能材料提供了理論依據和實驗指導。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲鋰材料，且其獨特的結構更有利于鋰離子在面內和面外的擴散和傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能，從實踐證明石墨炔是一種非常有前景的儲鋰能源材料，科學家也預測它在新能源領域將產生非比尋常的影響。由此看來，石墨烯也是有廣泛未來的應用前景，同時也見證了中國科學界為趕上石墨研究的先進水平所做的努力。

（五）小結

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石墨烯的最新研究進展及應用

石墨烯被譽為改變21世紀的新材料，將可能引導21世紀的產業革命，總的來說，石墨烯不僅是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，石墨烯目前最有潛力的應用方向，是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會提升數百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。同時，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。

我國科學家在石墨領域的研究也取得了突破，這將有利于國家的社會轉型，建設工業強國。

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