能量-現(xiàn)在和永遠(yuǎn)2024年美國(guó)國(guó)家化學(xué)周活動(dòng)介紹

能量——現(xiàn)在和永遠(yuǎn)2024年美國(guó)國(guó)家化學(xué)周活動(dòng)介紹教師教育學(xué)院

生物化工與環(huán)境工程學(xué)院

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范佳慧陳凱

張鳳

美國(guó)國(guó)家化學(xué)周是美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）舉辦的一年一度的化學(xué)盛會(huì)，于每年10月的第4個(gè)星期舉行，自1989年以來已成功舉辦了23屆。通過在學(xué)校、購(gòu)物中心、科學(xué)博物館、圖書館、火車站舉辦活動(dòng)來慶祝這一盛會(huì)，包括開展化學(xué)研究，參加各種比賽和游戲。

2024年的化學(xué)周將目光投放到“能量”上，能量是整個(gè)世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)致力于通過國(guó)家化學(xué)周普及大眾對(duì)能量的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

這屆化學(xué)周特色在于除了保留最具代表性的相關(guān)主題實(shí)驗(yàn)以外，還增添了科普類小文章、采訪未來科學(xué)家等，調(diào)動(dòng)了參與者的積極性，同時(shí)在一定程度上擴(kuò)大了參與者的范圍，強(qiáng)化科技普及之目的。

1美國(guó)國(guó)家化學(xué)周化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)案例

2024年度的美國(guó)國(guó)家化學(xué)周活動(dòng)豐富多彩，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)網(wǎng)站為此主題提供了簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)專題匯編，美國(guó)《化學(xué)教育》期刊更將整理歸納出歷年發(fā)表的以化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、新能源開發(fā)和利用等主題實(shí)驗(yàn)活動(dòng)案例提供給師生參考。

1.1探究蠟燭燃燒

1.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用生活中的相關(guān)材料，解釋燃燒需要氧氣，且不同濃度的氧氣環(huán)境燃燒程度有所不同，有利于讓學(xué)生科學(xué)地理解燃燒現(xiàn)象。

1.1.2實(shí)驗(yàn)材料

蠟燭、6cm×6cm硬紙板、8cm×8cm鋁箔紙、一大一小的玻璃杯，容量為0.946L（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1夸脫）的玻璃瓶一個(gè)、容量為3.785L（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1加侖）玻璃瓶1個(gè)、秒表等。

1.1.3實(shí)驗(yàn)步驟

(1)用鋁箔覆蓋在紙板紙上，四周各折1條邊并使其盡量平鋪。

(2)將蠟燭置于用鋁箔覆蓋的紙板中間。

(3)點(diǎn)燃蠟燭，將小玻璃杯從上往下倒扣在蠟燭上，記錄蠟燭燃燒的時(shí)間，細(xì)心觀察燒杯的變化。在數(shù)據(jù)表中記錄該時(shí)間和觀察到的現(xiàn)象。注意：在實(shí)驗(yàn)之后玻璃容器仍然是熱的，在進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前要等玻璃杯冷卻。

(4)用大玻璃杯替換小杯子繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在此之前預(yù)測(cè)蠟燭燃燒的時(shí)間并加以記錄。再用其他不同大小的玻璃杯重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。注意：在預(yù)測(cè)時(shí)間后再開始實(shí)驗(yàn)，在表1中記錄實(shí)際的時(shí)間。

1.1.4問題

(1)嘗試解釋蠟燭熄滅的原因。

(2)解釋為什么在不同尺寸玻璃容器的籠罩下蠟燭保持光亮的時(shí)間不同？有什么證據(jù)能證明？

(3)在玻璃杯內(nèi)觀察到哪些現(xiàn)象？

1.1.5安全提示

①需要成年搭檔的監(jiān)督和幫助；②蠟燭的火焰不能接觸玻璃杯的表面，玻璃受熱不安全，如果溫度太高易炸裂；③必須戴上防護(hù)眼鏡；④閱讀學(xué)習(xí)所用材料的警告標(biāo)簽，遵守安全警告和預(yù)防措施（如戴手套、綁長(zhǎng)頭發(fā)），小心使用儀器，根據(jù)提示步驟操作。

1.1.6實(shí)驗(yàn)原理

燃燒反應(yīng)需要空氣中氧氣的參與才能進(jìn)行。在燃燒過程中，蠟燭中的碳元素與氧元素反應(yīng)形成二氧化碳，而氫元素與氧元素反應(yīng)產(chǎn)生水。在大玻璃杯中有更多的氧氣，因而蠟燭燃燒的時(shí)間久。蠟燭熄滅，溫度下降，水蒸氣液化。

1.2高效能水果電池

1.2.1實(shí)驗(yàn)材料

0.425kg(15盎司）青檸檬汁（pH=2.5)、未加碘食鹽、鎂條、銅片、小玻璃杯或塑料杯、導(dǎo)線、鱷魚夾等。

1.2.2實(shí)驗(yàn)示意圖

1.2.3實(shí)驗(yàn)步驟

將銅片置于盛有青檸檬汁的小杯左側(cè)，將鎂條放在小杯右側(cè)。將鎂條、銅片的尾部彎曲固定在杯子邊緣，并用鱷魚夾和導(dǎo)線將第1個(gè)杯子中的鎂條與第2個(gè)杯子中的銅片相連，以此類推。第1個(gè)杯子中的銅片、第6個(gè)杯子中的鎂條用鱷魚夾與自制小車相連。

1.2.4實(shí)驗(yàn)原理

青檸檬汁呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，可作為原電池的電解質(zhì)溶液。銅片是正極，鎂條是負(fù)極移動(dòng)，在電解質(zhì)溶液內(nèi)部電子向負(fù)極，又通過外電路線經(jīng)過自制小車驅(qū)動(dòng)工作后回流到正極。不斷地為自制小車提供電能。用食鹽（注：原活動(dòng)采用食鹽作為電解質(zhì)，但電解后會(huì)產(chǎn)生氯氣，建議改用硫酸鈉或硝酸鉀作為電解質(zhì)更佳）來增加青檸檬汁的導(dǎo)電性，并減小電池的內(nèi)阻，6個(gè)電池串聯(lián)形成電壓為9V的電池。

2科學(xué)閱讀的推廣

本次化學(xué)周活動(dòng)首次引入3篇科普文章作為開展閱讀活動(dòng)的素材，雖然化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，但是也需要學(xué)生和民眾通過閱讀來積累足夠的學(xué)科知識(shí)并拓展學(xué)科視野，這是實(shí)驗(yàn)探索的前提和基礎(chǔ)。

2.1沙子產(chǎn)生的能源

沙子是細(xì)碎的巖石并且大部分由二氧化硅組成。硅砂的新應(yīng)用是“水力壓裂砂”，通過進(jìn)一步研究，可以用于增產(chǎn)天然氣。

2.2生物燃料的應(yīng)用

也許有一天汽車不再靠汽油而靠藻類或雜草運(yùn)行，科學(xué)家們正在研究用雜草等生物燃料代替石油等化石燃料。

2.3生活中的烷烴

汽油中最重要的化合物是辛烷。天然氣的主要成分是甲烷，甲烷是最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔?。高壓下存?chǔ)在燒烤架上附著的金屬罐里的氣體是丙烷。

透過科學(xué)讀物中文字與圖畫內(nèi)容，學(xué)生關(guān)注到教材之外的科學(xué)概念和科技進(jìn)展，進(jìn)一步了解到化學(xué)在能源開發(fā)、能量利用方面的突出貢獻(xiàn)。

3采訪未來的科學(xué)家

“未來化學(xué)家”模塊以訪談形式，向大眾介紹了在能源研究領(lǐng)域具有代表性的化學(xué)工作者的研究成果。MichelleBuchanan博士正在研究的課題包括：能使汽車更硬更輕的材料；發(fā)展新型電動(dòng)汽車電池，開發(fā)能節(jié)省家用和學(xué)校能量的新化學(xué)反應(yīng)。MichelleBuchanan博士在業(yè)余生活中喜歡烹飪，并說到烹飪和化學(xué)實(shí)驗(yàn)很像，可以通過改變食譜看看會(huì)發(fā)生什么變化。她認(rèn)為開發(fā)技術(shù)能使人們擁有豐富、清潔、實(shí)惠的能量。

該創(chuàng)新模塊的引入有利于大眾或?qū)W子正確認(rèn)識(shí)化學(xué)相關(guān)職業(yè)特征，有利于生涯規(guī)劃的引導(dǎo)。我國(guó)基礎(chǔ)化學(xué)教育極其需要這種教育方式的引入。

4美國(guó)國(guó)家化學(xué)周活動(dòng)的評(píng)價(jià)與思考

4.1可成為國(guó)內(nèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直接素材

本次化學(xué)周活動(dòng)部分實(shí)驗(yàn)主題在國(guó)內(nèi)科學(xué)教育中也有出現(xiàn)，但對(duì)比國(guó)內(nèi)外差異，有利于國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展新思路，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的不同視角。

4.1.1將簡(jiǎn)單蠟燭實(shí)驗(yàn)引出開放性探究問題

人教版9年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第1單元走進(jìn)化學(xué)世界課題2《化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)》中也涉及到了對(duì)蠟燭及其燃燒的研究。

人教版教材設(shè)置的問題有：燃燒前（物理性質(zhì)）、燃燒時(shí)（比較火焰溫度、新物質(zhì)的產(chǎn)生）、燃燒后（蠟燭熄滅的白煙）的現(xiàn)象或性質(zhì)觀察記錄，注重物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的初步區(qū)分，產(chǎn)生新物質(zhì)的驗(yàn)證。由于這種學(xué)習(xí)分析方法在小學(xué)科學(xué)教材中已有涉及，對(duì)于部分學(xué)生新穎度不大，難以引發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。而美國(guó)化學(xué)周的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主體雖然類似，但是設(shè)置的問題更具有探究深度和開放性。此外化學(xué)周實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)了對(duì)一些安全細(xì)節(jié)問題的關(guān)注，對(duì)于初學(xué)化學(xué)的學(xué)生操作、探究來說顯得格外重要。從探究方法來看，國(guó)內(nèi)化學(xué)教育更加關(guān)注觀察、對(duì)比、驗(yàn)證等方法，而國(guó)外側(cè)重于預(yù)測(cè)、變量控制等，體現(xiàn)出更多的開放性。

4.1.2水果電池

人教版初中物理8年級(jí)下冊(cè)第6章《電壓電阻》課后“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”和人教版高中化學(xué)必修2第2章《化學(xué)反應(yīng)與能量》中，均出現(xiàn)了水果電池，現(xiàn)對(duì)與化學(xué)周中出現(xiàn)的水果電池進(jìn)行評(píng)析。

化學(xué)周利用青檸檬汁制作水果電池，注重串聯(lián)電路的設(shè)計(jì)，并利用產(chǎn)生的電能進(jìn)行汽車運(yùn)動(dòng)快慢和負(fù)載牽引實(shí)驗(yàn)，將檸檬汁中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，能量觀的體現(xiàn)更加明顯。通過控制變量，比較不同濃度的青檸檬汁和食鹽加入量對(duì)電池性能的影響。該實(shí)驗(yàn)突出思維復(fù)雜性和變量可控性，體現(xiàn)科學(xué)全貌。而國(guó)內(nèi)教學(xué)中無論是物理還是化學(xué)教材只注重比較不同水果蔬菜產(chǎn)生電壓的高低和正負(fù)極的區(qū)分。在培養(yǎng)學(xué)生的能量轉(zhuǎn)化、變量控制等科學(xué)思維上有所欠缺。

4.1.3結(jié)構(gòu)性工作單與實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)“利用熱能工作”通過瓶子與套在瓶口的氣球作為一個(gè)系統(tǒng)，放入冷水和熱水中發(fā)生的現(xiàn)象來體現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境之間能量交換的原理。提供結(jié)構(gòu)性工作單，要求學(xué)生記錄裝熱水的瓶子、裝冷水的瓶子的現(xiàn)象，以及對(duì)設(shè)計(jì)裝置的想法。結(jié)構(gòu)性工作單是國(guó)際科學(xué)教育界廣泛使用的一種評(píng)價(jià)工具，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手探究，同時(shí)把探究過程和結(jié)果寫在具有一定提示結(jié)構(gòu)的紙質(zhì)單子上。而我國(guó)初高中、大學(xué)基礎(chǔ)教育的理科實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，實(shí)驗(yàn)報(bào)告是在學(xué)生親自動(dòng)手操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行理性分析和思考后作出的書面報(bào)告。結(jié)構(gòu)性工作單對(duì)學(xué)生的知識(shí)技能和寫作水平要求高，需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)當(dāng)場(chǎng)獨(dú)立完成，要求學(xué)生按照一定的結(jié)構(gòu)真實(shí)地記錄自己實(shí)際的探究過程和結(jié)果，以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力。因此我國(guó)可轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式，借鑒結(jié)構(gòu)性工作單的優(yōu)點(diǎn)，促使實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生的各項(xiàng)思維發(fā)展。

4.2活動(dòng)體現(xiàn)學(xué)科綜合性

化學(xué)周活動(dòng)未必僅限于化學(xué)學(xué)科，作為21世紀(jì)的中心科學(xué)，化學(xué)既承接了關(guān)聯(lián)學(xué)科的思維方法，又為他們提供了創(chuàng)新的途徑。2024年度化學(xué)周主題“能量”本身就是一個(gè)重要的科學(xué)領(lǐng)域核心概念，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不可避免地承載了多學(xué)科特征，如在青檸檬汁電池的研究中涉及到了化學(xué)（能量的轉(zhuǎn)化）、物理（電壓、電流）、數(shù)學(xué)（比較不同濃度的青檸檬汁和食鹽加入量對(duì)電池性能的影響中數(shù)學(xué)公式的應(yīng)用及函數(shù)圖）、技術(shù)（組裝電池、組裝電能發(fā)動(dòng)車）。

4.3化學(xué)教育需要非正式學(xué)習(xí)

非正式學(xué)習(xí)是指在正規(guī)學(xué)校教育或繼續(xù)教育之外，在工作、生活、社交等非正式學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)接受新知的學(xué)習(xí)方式。非正式學(xué)習(xí)不僅能為學(xué)生提供豐富的認(rèn)知沖突和社會(huì)互動(dòng)機(jī)會(huì)，還能幫學(xué)生建立完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高科學(xué)論證能力。

化學(xué)周活動(dòng)就是各個(gè)國(guó)家的學(xué)生和大眾在化學(xué)方面非正式學(xué)習(xí)的重要途徑之一，家長(zhǎng)、教師以及社會(huì)參與者都在這種非正式學(xué)習(xí)過程中扮演著重要角色，社會(huì)各界都在提供科學(xué)學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)方面給予極大的幫助。美國(guó)國(guó)家化學(xué)周以多元化的課外活動(dòng)形式，在學(xué)校、購(gòu)物中心、科學(xué)博物館、圖書館、火車站都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，擺脫了只能在專業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的局限。

4.4科學(xué)閱讀的必要

科普文章的特點(diǎn)是：科學(xué)性、思想性、通俗性、藝術(shù)性、知識(shí)性。化學(xué)周選取的科普文章普及了化學(xué)專業(yè)用語(yǔ)，如二氧化硅、甲烷、辛烷等，使讀者受到科學(xué)思想的熏陶。用通俗易懂的語(yǔ)言概述了能量在生活中的方方面面，展示了對(duì)大眾和學(xué)生有關(guān)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的普及。

科學(xué)閱讀幫助兒童構(gòu)建學(xué)科的重要思想，綜合認(rèn)識(shí)科學(xué)與社會(huì)生活息息相關(guān)，并幫助兒童學(xué)會(huì)從科學(xué)的視角分析問題。但可惜的是，在我國(guó)的科學(xué)教育中，教科書獨(dú)行其道，構(gòu)成了兒童科學(xué)閱讀的全部?jī)?nèi)容。因此，在教室中融入系統(tǒng)的、綜合的、與生活實(shí)際和科學(xué)家工作聯(lián)系緊密的科學(xué)閱讀，不僅對(duì)學(xué)生當(dāng)前科學(xué)概念的掌握、科學(xué)本質(zhì)觀的發(fā)展極有幫助，而且對(duì)兒童今后科學(xué)學(xué)習(xí)的不斷深入也是十分有益的。在主題、內(nèi)容的選取，核心概念的確定等方面，還可借鑒教材的相關(guān)內(nèi)容，但并不局限于教材，發(fā)揮科學(xué)閱讀獨(dú)有的作用。

4.5活動(dòng)體現(xiàn)科技前沿

化學(xué)科技的發(fā)展，使得化學(xué)教學(xué)內(nèi)容得到了前

所未有的充實(shí)和拓寬，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科普活動(dòng)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，讓學(xué)生和大眾在活動(dòng)中體會(huì)前沿化學(xué)知識(shí)，感悟化學(xué)中的神奇現(xiàn)象。美國(guó)化學(xué)周活動(dòng)中的

案例也體現(xiàn)出這一特點(diǎn)。例如，通過科普文章展示水力壓裂砂、鋁空氣電池等，開闊了活動(dòng)者的視野；對(duì)于科學(xué)家的采訪是一種職業(yè)生涯的引導(dǎo)，也是對(duì)大眾和學(xué)生了解科技前沿的重要形式。科普文章將科技發(fā)展中專業(yè)性比較強(qiáng)、一般人不易理解的科學(xué)知識(shí)傳播、輸送到社會(huì)大眾之中，使他們能準(zhǔn)確把握科技發(fā)展的進(jìn)程，提高科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)科技意識(shí)，并促使社會(huì)形成熱愛科學(xué)、追求真理