“美國化學(xué)周”三十周年：“珍珠婚”中的化學(xué)

吳盼盼　任紅艷　趙妍

摘要： 簡述美國化學(xué)周的發(fā)展歷程，以實驗活動為重點，結(jié)合科普閱讀推廣、采訪未來化學(xué)家等活動、模擬珍珠的生長過程、解釋其生長環(huán)境蘊含的原理，以此介紹2017年“美國化學(xué)周”三十周年：“珍珠婚”中的化學(xué)。針對我國化學(xué)教育活動的開展情況，總結(jié)出幾點啟示： 實現(xiàn)生活化學(xué)化，化學(xué)生活化；綜合學(xué)科知識，提高科學(xué)素養(yǎng)；重視非正式學(xué)習(xí)在化學(xué)教育中的作用。

關(guān)鍵詞： 美國化學(xué)周； 晶體生長； 生活化學(xué)習(xí)； 學(xué)科綜合； 非正式學(xué)習(xí)

文章編號： 1005-6629（2018）6-0092-05 中圖分類號： G633.8 文獻標(biāo)識碼： B

1 美國化學(xué)周發(fā)展歷程

美國化學(xué)周是由美國化學(xué)學(xué)會（American Chemistry Society， ACS）前任主席Pimentel博士發(fā)起，于每年10月份舉辦的一項科技普及活動。每年的美國化學(xué)周都會推出一個全新主題，據(jù)此展開系列活動。該活動面向全體公民，活動主題不僅涉及化學(xué)的各個方面，還與人們的生活息息相關(guān)，且緊跟時代步伐。

例如，2008年活動主題“盡情享受化學(xué)”與北京奧運會有關(guān)，實驗活動以運動項目及器材中的科學(xué)原理為設(shè)計原則，從化學(xué)的角度揭示奧林匹克精神。2009年是門捷列夫首次提出化學(xué)元素周期律并編制人類歷史上第一個元素周期表的140周年，該年的活動以“元素周期表”為主題，將一些元素的發(fā)展史及其性質(zhì)介紹融入到各實驗活動中。2014年美國化學(xué)周緊扣“糖果”開展系列活動，加深民眾對糖果的認(rèn)識。美國化學(xué)周的歷年活動主題[1]讓人們感受到化學(xué)無處不在，體會化學(xué)在人類生活中的重要意義，這些與美國化學(xué)會“讓化學(xué)走向社會”的理念完美契合。

2 2017年美國化學(xué)周活動的整體設(shè)計與實施

本次美國化學(xué)周于10月21號到27號舉行。2017年正值美國化學(xué)周30周年，珍珠作為30周年的紀(jì)念石，是人們熟知的最古老的寶石之一，被稱為“寶石皇后”。珍珠的生長是典型的生物礦化，而生物礦化最主要形式就是溶液結(jié)晶過程[2]。因此，類比結(jié)晶過程，可以認(rèn)為珍珠是由碳酸鈣的過飽和溶液在符合動力學(xué)和熱力學(xué)條件下，經(jīng)歷了成核、生長和聚集等自組裝過程形成的。珍珠生長對水質(zhì)要求較高。水質(zhì)直接影響珍珠的質(zhì)量與產(chǎn)量，水體渾濁時間長，則會危害珠貝健康，故保持水體處于低渾濁度是珍珠生長的必備條件[3]。珍珠之所以珍貴，其中一個原因就是物以稀為貴，天然珍珠一般為3～5年才能長成。

不難發(fā)現(xiàn)，珍珠的生長過程與生長環(huán)境蘊藏著豐富的化學(xué)知識。珍珠是碳酸鈣在貝類體內(nèi)結(jié)晶的結(jié)果。而地球上廣泛存在的各種巖石，亦是碳酸鈣以不同形式自然結(jié)晶的產(chǎn)物。美國化學(xué)周則以30周年紀(jì)念為契機，聚焦于“地球化學(xué)”，緊扣“化學(xué)巖石”主題，巧妙地以“珍珠”為線索，通過兩個晶體種植實驗來模擬珍珠的生長過程，用粘粒含量測試實驗讓大眾明白是何種物質(zhì)導(dǎo)致水體渾濁的，實驗的趣味性吸引更多民眾參與本次活動。

在慶祝的同時，運用化學(xué)知識，讓珍珠深奧的生長原理、生長條件的選擇以通俗易懂的方式呈現(xiàn)出來，真正做到“從生活走進化學(xué)”。此外，本次活動通過科普閱讀推廣版塊，讓公眾從理論上明白巖石、海鹽等的結(jié)晶過程，開拓科學(xué)視野。采訪未來科學(xué)家版塊則通過訪談地球環(huán)境化學(xué)家，讓民眾對化學(xué)有更深入的認(rèn)識，起到職業(yè)教育與引導(dǎo)作用

Mc. Ginnis M. Thirty Years of National Chemistry Week [EB/OL]. 2017-10-09. https：//www.acs.org/content/acs/en/education/outreach/ncw.html.。美國化學(xué)周不僅在學(xué)校、博物館、商場等公共場所舉行活動，為了讓更多民眾有機會參與其中，亦通過新聞報紙、互聯(lián)網(wǎng)等方式進行相關(guān)活動推廣，其內(nèi)容包括實驗活動、競賽、社區(qū)活動介紹、與“化學(xué)巖石”主題有關(guān)的科普閱讀以及采訪未來化學(xué)家等，真正實現(xiàn)了活動對象大眾化。美國化學(xué)周活動內(nèi)容豐富，具體如表1所示。

3 圍繞“珍珠婚”的特色活動介紹

本次美國化學(xué)周緊扣“化學(xué)巖石”主題，以30周年“珍珠婚”為契機，圍繞“珍珠”開展大眾化、趣味化、多樣化的系列活動，旨在以不同形式展現(xiàn)珍珠以及地球上巖石的化學(xué)知識，進一步加深民眾對珍珠的認(rèn)識，凸顯化學(xué)在地球科學(xué)中的重要作用。

3.1 實驗活動

我們都知道洞穴里的奇幻現(xiàn)象“鐘乳石”和“石筍”需要歷經(jīng)千年才能形成。這種現(xiàn)象與珍珠生長過程類似，也是漫長的結(jié)晶過程。然而，與人工養(yǎng)殖珍珠一樣，化學(xué)能夠縮短其形成周期。充滿魔力的化學(xué)能讓我們只需半小時，僅用生活中常見的材料就可以制造出美妙的“鐘乳石”和“石筍”，如果時間更長，就可能會看到更加壯麗的水晶景象。當(dāng)我們看到精致如藝術(shù)品的晶體從溶液里緩緩生長，能夠深深地感受到，化學(xué)是如此誘人，如此令人嘆為觀止，甚至令人感動[4]。

為了讓大家更好地了解30周年美國化學(xué)周實驗活動的特點，下面對“種植晶體”的兩個實驗以及測量土壤中粘粒含量實驗進行詳細(xì)介紹。

實驗活動1 制造針狀瀉鹽晶體

瀉鹽常用來舒緩腳痛和肌肉，也可以用來治療傷口。本實驗就是利用瀉鹽來制備晶體。

“種植”瀉鹽晶體

實驗用品均為生活中常見的一些材料，包括： 瀉鹽、溫水、肥皂液（或洗滌液），棉球、測量勺、小碗（2個）、放大鏡、相框上的玻璃框（13cm×18cm）。

實驗時，首先向小碗中加入一勺水和幾滴肥皂液，用棉球?qū)⒎试硪和磕ㄔ谡麄€相框上，晾干；接著在水杯中配制瀉鹽飽和溶液，另取一支棉球?qū)a鹽溶液涂抹在整個相框上，晾干。30分鐘后，用放大鏡觀察所形成晶體的形狀和圖案，并畫在紙上；最后，將剩余肥皂液和瀉鹽溶液倒進水槽，或者進行重復(fù)實驗，并觀察結(jié)晶形狀。

安全提示： 防止熱的液體飛濺；實驗時，戴好手套并綁好頭發(fā)，做好安全預(yù)防工作；實驗結(jié)束后清理實驗儀器并洗手。

實驗活動2 制造硼砂水晶雪花

硼砂是一種從沙漠中提取出來的礦物，用在洗衣粉里使水變“軟”并能殺死真菌。本實驗活動是從硼砂中提取晶體，并且比較緩慢冷卻和快速冷卻條件下晶體形狀和大小的差異。

“種植”硼砂晶體

實驗所需材料為： 硼砂粉、兩杯水（約500mL）、冰水混合物、食用色素、湯匙、大易拉罐（或高腳玻璃杯2個）、陶瓷碗（大號或燒杯）、玻璃管、尺子（12英寸）。

實驗時，首先將兩根玻璃管彎曲成有趣的形狀，如雪花、星星、蝴蝶或者螺旋形，將末端扭曲在一起，使其足夠小，可以放進高腳杯或者易拉罐里；接著將水倒入水杯中并加熱，若用微波爐加熱，則需保證每30s攪拌一次；然后向熱水中加入6勺硼砂粉與2～4滴食用色素，用勺子攪拌至其完全溶解；分別向兩個易拉罐（或高腳杯）中倒入等體積的硼砂溶液（約占易拉罐體積3/4），記為1號和2號，并分別插入制作好的玻璃管。將1號置于常溫狀態(tài)下， 2號置于冰水混合物中； 4～6小時后，觀察易拉罐中晶體形狀，并記錄；連續(xù)觀察幾天，測量晶體尺寸，比較緩慢冷卻和快速冷卻條件下晶體的大小和形狀的差異。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)： 快速冷卻時，晶體中會形成雜質(zhì)，并且晶體不會長得很大；緩慢冷卻時，晶體中雜質(zhì)較少，并且會長大，厚度甚至可能達到1cm。實驗結(jié)束后，取出玻璃管放在紙巾上，將硼砂溶液倒入水槽。

安全提示： 防止熱的液體飛濺，刺激皮膚；使用硼砂晶體和實驗結(jié)束后均需洗手；禁止食用實驗材料。

這兩個實驗活動從生活中常見的物質(zhì)（瀉鹽和硼砂）制備晶體，旨在模擬珍珠是如何生長的。將瀉鹽和硼砂配成飽和溶液，再冷卻結(jié)晶，其本質(zhì)都是過飽和溶液中形成晶核，晶核不斷生長、聚集，最終形成晶體，與珍珠的生長過程十分相近。兩個實驗的差異在于所制備晶體的形狀不同： 針狀瀉鹽晶體是在二維平面（玻璃相框）上，從瀉鹽的單個微小顆粒向外擴散進行生長；而硼砂晶體則在三維平面（玻璃管）逐漸生長，形狀類似雪花。生物礦化形成珍珠的形狀大多為圓形，這是因為珍珠是珠母貝的分泌物在珠核（或異物）表面上以同心圓形式逐漸形成的殼角蛋白和碳酸鈣的結(jié)晶。因此，晶體生長方向不同，則會導(dǎo)致晶體形狀的差異。

實驗材料生活化、實驗操作簡單化是美國化學(xué)周實驗活動的一大特色，這是因為實驗活動對象不僅僅是在校學(xué)生和科研工作者，更是公眾，這正是美國化學(xué)周“化學(xué)走向大眾”思想的最佳體現(xiàn)。實驗過程中，觀察晶體形狀和定量測量晶體大小，則體現(xiàn)了化學(xué)周實驗活動的科學(xué)性。除此之外，活動多次強調(diào)記錄所觀察到的實驗現(xiàn)象以及實驗操作的安全性，表明良好的化學(xué)實驗習(xí)慣不是一蹴而就的，需要在每次實驗過程中慢慢培養(yǎng)?？梢?，美國化學(xué)周實驗活動的開展，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者化學(xué)乃至科學(xué)實驗基本素養(yǎng)。

3.2 科普閱讀活動

本次美國化學(xué)周活動，除設(shè)置實驗活動外，還通過推廣科普閱讀，對“化學(xué)巖石”——珍珠主題內(nèi)容進一步拓展。

科普閱讀于2013年首次引入美國化學(xué)周。這項活動的價值不僅在于幫助公眾學(xué)習(xí)學(xué)科知識，更在于拓展其學(xué)科視野，綜合學(xué)習(xí)各學(xué)科知識，也進一步體現(xiàn)了美國化學(xué)周“面向大眾”的思想。本次化學(xué)周活動引入了“地球的鹽——氯化鈉的故事”、“巖石的三種基本類型”、“生長在堅硬的地方的巖石、礦物和寶石”等文章作為開展科普閱讀的素材，介紹更多與珍珠生長或結(jié)構(gòu)類似的科學(xué)知識。

閱讀“地球的鹽——氯化鈉的故事”可以知道，鹽的形成同樣是自然界的結(jié)晶過程： 在太陽能作用下，海水不斷蒸發(fā)，成為飽和溶液，氯化鈉晶體不斷析出，海鹽由此產(chǎn)生。此外，文中還介紹了氯化鈉的名稱、元素符號、組成、晶體結(jié)構(gòu)模型及用途等，讓大眾從化學(xué)角度對熟悉的鹽有更科學(xué)的認(rèn)識?！皫r石的三種基本類型”介紹了地球巖石的基本類型以及形成過程。其中化學(xué)沉積巖是由沉積物中的礦物質(zhì)溶于水后結(jié)晶形成的，鐘乳石和石筍就是典型的化學(xué)沉積巖。同樣的原理，變質(zhì)巖或火成巖落入河中經(jīng)過結(jié)晶過程，亦會變成沉積巖。不難發(fā)現(xiàn)，巖石的形成離不開結(jié)晶過程?！吧L在堅硬的地方的巖石、礦物和寶石”還介紹了珍貴的寶石。與珍珠一樣，寶石的價值取決于其顏色、清晰度、大小和稀有性。珍珠和寶石都具有顏色，主要是因為其中含有Fe、 Mn等金屬離子。

通過對礦物質(zhì)食鹽、巖石形成過程的介紹，大眾對“結(jié)晶”這一化學(xué)術(shù)語有更生活化的認(rèn)識，并可將此知識延伸到珍珠的生長過程。對寶石相關(guān)知識進行科普介紹，則讓大眾明白珍珠具有顏色的原因。此外，圖文并茂是科普讀物的另一大特點，有助于大眾深入了解活動主題，也是學(xué)生了解教材之外的科學(xué)概念、科學(xué)史及科技進展等的重要途徑，對開闊學(xué)生的科學(xué)視野有舉足輕重的作用[5]。

3.3 采訪未來化學(xué)家

“采訪未來化學(xué)家”是2010年美國化學(xué)周推出的創(chuàng)新活動版塊，活動以訪談形式向大眾介紹活動主題相關(guān)領(lǐng)域的代表性工作者。本次訪談對象Herndon博士是俄亥俄州肯特州立大學(xué)地質(zhì)學(xué)系助理教授。作為環(huán)境地球化學(xué)家，她研究土壤、巖石和水，探索地質(zhì)化學(xué)對土壤的影響。她提出要引導(dǎo)青少年不斷探索未知的大自然，以發(fā)現(xiàn)其美妙之處，使他們正確地認(rèn)識化學(xué)。

未來化學(xué)家版塊中還介紹了Herndon博士的工作和成長經(jīng)歷等，使得該版塊不局限于單一的化學(xué)研究內(nèi)容，還將其滲入到生活中。Herndon博士的經(jīng)歷也讓更多的人明白家庭教育、興趣等因素能夠促進自己不斷進步與探索。通過“采訪未來化學(xué)家”版塊，一方面，大眾不僅了解到有關(guān)化學(xué)學(xué)科的知識和化學(xué)對人類生活的重要作用，更能夠正確理解化學(xué)發(fā)展的意義，并且對化學(xué)職業(yè)發(fā)展有更清晰的認(rèn)識；另一方面，這些科學(xué)家的人生經(jīng)歷，也將激勵青少年一代不斷學(xué)習(xí)，朝著積極向上的方向發(fā)展。

4 美國化學(xué)周活動的啟示

本次美國化學(xué)周活動緊扣“地球化學(xué)”，與商會、學(xué)校、博物館等機構(gòu)合作開展系列活動，具有幾下特點： 活動對象大眾化——本次活動面向全體公民；活動內(nèi)容趣味化——制備晶體等實驗吸引了成千上萬公眾的眼球；活動形式多樣化——開展激動人心的制作“云”、超級低溫氮氣以及大象牙膏實驗National Chemistry Week [EB/OL]. 2017-10-28. www.chemistry.msstate.edu.。美國化學(xué)周正因為具有以上特點，才能至今仍然生機勃勃，影響深遠。由此得出本次化學(xué)周活動對我國化學(xué)教學(xué)的幾點啟示。

4.1 實現(xiàn)“生活化學(xué)化，化學(xué)生活化”

美國化學(xué)周活動以珍珠為主線，涉及的材料如瀉鹽、硼砂、土壤、氯化鈉、巖石等均來自于生活，制備瀉鹽晶體和硼砂晶體，使得學(xué)生能在生活中感受到化學(xué)的存在，學(xué)化學(xué)知識，悟化學(xué)原理，真正做到生活化學(xué)化。雖然珍珠廣為人知，但其形成過程較為復(fù)雜。本次活動則通過兩個晶體制備實驗、鹽和巖石的科普閱讀為民眾模擬了珍珠的形成過程，并結(jié)合粘粒測量實驗，說明珍珠生長環(huán)境條件該如何滿足，實現(xiàn)將深奧的化學(xué)知識以生活化的方式呈現(xiàn)出來，深入淺出。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》認(rèn)為，化學(xué)科學(xué)與生產(chǎn)、生活以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，對社會發(fā)展、科技進步和人類生活質(zhì)量的提高有著廣泛而深刻的影響[6]。在教學(xué)中，教師應(yīng)重視STSE內(nèi)容主題的選擇和組織，緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活實際，使學(xué)生認(rèn)識化學(xué)與人類生活、生產(chǎn)的密切關(guān)系，讓學(xué)生通過生活化情境開展探究活動，綜合運用所學(xué)知識解釋和解決有關(guān)的STSE問題，感受化學(xué)對人類生活的重要作用。

4.2 綜合學(xué)科知識，提高科學(xué)素養(yǎng)

美國化學(xué)周的長期志愿者Hazari希望美國化學(xué)周與其他學(xué)科，不僅僅指科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，而是包括所有學(xué)科，能夠?qū)崿F(xiàn)進一步整合與聯(lián)系Wang L. National Chemistry Week： The program that put chemistry in front of the public [EB/OL]. [2017-11-15]. http：//pubs.acs.org/doi/full/10.1021/cen-09542-cover.。美國化學(xué)周正在努力實現(xiàn)這一目標(biāo)，如土壤粘粒含量測試以及科普閱讀中有關(guān)巖石的知識都與地質(zhì)學(xué)相關(guān)。這正與美國亞利桑那大學(xué)塔蘭克教授提出的交叉概念相符合。交叉概念超越學(xué)科界限，通過它來分析課程內(nèi)容，有助于幫助教師建立不同課程之間清晰的聯(lián)系。思考交叉概念更有利于重新塑造化學(xué)課程，使化學(xué)課程強調(diào)重要的主題而不是一些孤立的話題。于學(xué)生而言，交叉概念有助于學(xué)生建立與真實生活情境之間的聯(lián)系，引發(fā)學(xué)生更有意義的學(xué)習(xí)[7]。我國新課程改革的重要內(nèi)容——學(xué)科綜合，與交叉概念有異曲同工之妙?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，在化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織，加強化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識物質(zhì)及其變化的規(guī)律，幫助學(xué)生拓寬視野，開闊思路，綜合運用化學(xué)及其他學(xué)科的知識分析解決有關(guān)問題，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[8]。

4.3 重視非正式學(xué)習(xí)在化學(xué)教育中的作用

非正式學(xué)習(xí)即發(fā)生在教室及學(xué)校以外的物理環(huán)境或物聯(lián)網(wǎng)虛擬環(huán)境、在無事先計劃、無確定的評價方案甚至不為人意識到的環(huán)境中達成的學(xué)習(xí)方式[9]。在國內(nèi)，由于學(xué)校教育占主導(dǎo)地位，非正式學(xué)習(xí)與正式學(xué)習(xí)之間的矛盾制約了非正式學(xué)習(xí)的發(fā)展。而美國化學(xué)周活動則首先考慮學(xué)生對科學(xué)的興趣，突出了學(xué)習(xí)者的選擇權(quán)和主動權(quán)，強調(diào)以興趣和動機為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)的重要性。它推出的一系列形式多樣、豐富多彩的實踐活動，面向不同年齡階層的公眾，這也體現(xiàn)了終身學(xué)習(xí)的思想理念，通過這種“面向大眾”的非正式學(xué)習(xí)活動，真正意義上實現(xiàn)科學(xué)普及化。

在終身教育的背景下，非正式學(xué)習(xí)顯得尤為重要。我國在科學(xué)普及方面通過中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會等機構(gòu)所做的示范性努力是有目共睹的，如“科普中國”網(wǎng)站的創(chuàng)建。在非正式科學(xué)教育的場館建設(shè)及資源開發(fā)方面也有可喜的進展，科技館、博物館、老年大學(xué)、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下學(xué)習(xí)方式的多元化等就是最好的證明。但是我國非正式學(xué)習(xí)活動的開展與推廣，仍有較大的提升空間： 在國家層面要充分肯定非正式學(xué)習(xí)在兒童及成人終身教育中的作用，并大力建設(shè)博物館、圖書館等非正式教育資源；積極開展科學(xué)教學(xué)研究，促進非正式學(xué)習(xí)與正式學(xué)習(xí)更好的融合；對教師進行非正式學(xué)習(xí)培訓(xùn)，以幫助學(xué)生更好地開展非正式學(xué)習(xí)。

參考文獻：

[1][5]張桂林， 文豐玉. 2016年美國國家化學(xué)周活動介紹[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （8）： 93～97.

[2]崔福齋等. 生物礦化[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2007： 55～73.

[3]戈賢平等. 淡水珍珠養(yǎng)殖新技術(shù)[M]. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2002： 63～80.

[4]周穎. 化學(xué)冬令營開幕式上的發(fā)言（節(jié)選）[J]. 化學(xué)教育， 2008， 29（2）： 81～81.

[6][8]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 71～73.

[7]Talanquer V. J. Chemistry Education： Ten Facets To Shape Us [J]. Journal of Chemical Education， 2013， 90（7）： 832～838.

[9]張寶輝. 非正式科學(xué)學(xué)習(xí)研究的最新進展及對我國科學(xué)教育的啟示[J]. 全球教育展望， 2010， （9）： 74， 90～92.