基于STSE教育理念的“北京冬奧會”化學(xué)科普探索

孫海宙，黃夢蘭，章鵬飛，徐偉明

杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，杭州 311121

2016年，習(xí)近平總書記在“科技三會”上提出，“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置”[1]。如何將科技創(chuàng)新成果背后蘊含的內(nèi)容以人民群眾喜聞樂見的形式呈現(xiàn)，幫助民眾更好地理解，這已經(jīng)成為廣大化學(xué)科普工作者思考的重要話題[2]。

STSE是“Science，Technology，Society and Environment”的英文縮寫，旨在強調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的相互關(guān)系，重視科學(xué)在社會生產(chǎn)、所處環(huán)境和技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用[3]。STSE理念注重情境化教學(xué)，在教學(xué)過程中將現(xiàn)實生活與理論相連接，從而幫助學(xué)生加強對所學(xué)理論的理解和運用，同時提升其對社會發(fā)展、技術(shù)裝備及所處環(huán)境的認識。在2022年北京冬奧會中，谷愛凌和蘇翊鳴成功摘金激發(fā)國民的自豪，王濛代入感極強的解說點燃國民對冰雪運動的熱情，冬奧會吉祥物“冰墩墩”受到國民的追捧。同時一大批彰顯人文特色、科技元素、綠色理念的化學(xué)先進成果被運用到北京冬奧會的運輸、安保、衛(wèi)生、后勤等方面，極大地助力了北京冬奧會的成功舉辦，并促成其為一場備受關(guān)注、理念先進、成果顯著的體育盛會和科技盛會。

借助學(xué)生本身對于富有表現(xiàn)力的冰雪運動、富有科技含量的技術(shù)和產(chǎn)品的興趣，我們將STSE教育理念與公眾熱點事件的科普活動相結(jié)合，借助真實的“北京冬奧會”情境科普化學(xué)知識，分別從人文冬奧、綠色冬奧和科技冬奧進行闡述，培養(yǎng)其對化學(xué)的興趣以及加深學(xué)生對科學(xué)事業(yè)的認識，進一步提高學(xué)生對運用化學(xué)促進社會發(fā)展、技術(shù)進步、環(huán)境保護的參與意識(圖1)。

圖1 STSE教育理念與化學(xué)科普

1 人文冬奧

人文冬奧的內(nèi)涵非常廣泛。它不僅僅指借助冬奧會這個平臺促進東西方文化的交流、共享與互鑒，更在于對“以人為本”“以文化人”理念的繼承和創(chuàng)新，順應(yīng)“構(gòu)建和諧社會”的社會發(fā)展趨勢和“構(gòu)建人類命運共同體”的時代發(fā)展趨勢。本次北京冬奧會注重對中國社會人文思想的傳承和發(fā)揚，注重現(xiàn)代科技對社會個體的人文關(guān)懷，注重對社會和時代發(fā)展趨勢的建設(shè)與推動。

1.1 北京冬奧會獎牌繼往開來，凸顯人文思想

北京冬奧會的獎牌“同心”設(shè)計理念來源于中國傳統(tǒng)弦紋玉璧，共設(shè)五環(huán)，五環(huán)同心、同心歸圓，表達了“天地合·人心同”的社會人文內(nèi)涵，也表現(xiàn)了共建人類命運共同體的人文追求。為降低金牌的磨損程度或銀牌和銅牌在空氣中的氧化程度，獎牌用水性硅烷改聚氨酯涂料作為保護膜，保障了獎牌質(zhì)感細膩、耐磨性好、綠色環(huán)保等性質(zhì)。獎牌盒的制作采取了中國傳統(tǒng)大漆工藝。作為天然高分子材料，大漆的主要化學(xué)成分是漆酚、漆酶和漆多糖[4]，在同空氣接觸之后會逐步硬化、變褐，生成漆膜，從而起到抗腐蝕、抗氧化、耐磨損的作用。

1.2 石墨烯發(fā)熱服飾溫暖護航，體現(xiàn)人文關(guān)懷

在北京冬奧會中，頒獎典禮都會在特設(shè)的頒獎廣場進行。結(jié)合了中國傳統(tǒng)文化元素的石墨烯發(fā)熱服飾為頒獎禮儀小姐在低溫下順利完成頒獎儀式提供了重要的保障。不僅如此，石墨烯技術(shù)的圍巾、手套、襪子也滿足了工作人員在低溫環(huán)境下的保暖需求。石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料[5]，是迄今為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，其能在通電的情況下通過碳分子團之間的摩擦、碰撞產(chǎn)生熱能，并以遠紅外線的形式輻射出來，為人體在低溫下提供溫暖保障。石墨烯發(fā)熱服飾以科技為底色為冬奧會增添了一抹人文關(guān)懷。

1.3 碳纖維火炬?zhèn)鬟f冬奧圣火，彰顯人文理念

相較于以往著重展示本國文化的點火儀式，本次冬奧點火儀式是以由代表參賽國家和地區(qū)的“小雪花”匯聚而成的“大雪花”為主火炬，凸顯北京冬奧會的“一起向未來”主題。而將火炬“飛揚”插入其中，完成點火儀式，體現(xiàn)人類命運共同體理念，寓意“微火雖微，永恒綿長，生生不息”。火炬“飛揚”使用高壓儲氫技術(shù)實現(xiàn)在低溫下火炬仍能穩(wěn)定燃燒，同時以鈉鹽為基礎(chǔ)的焰色反應(yīng)使原本無色的火焰呈黃色。同時“飛揚”的外殼由碳纖維與第三代聚硅氮烷樹脂的復(fù)合材料制成[6]，能夠在高于800 °C的條件下氫氣燃燒環(huán)境中不起泡、不開裂。

1.4 云絨“冰墩墩”憨態(tài)可掬，展現(xiàn)人文精神

北京冬奧會吉祥物“冰墩墩”以我國國寶——大熊貓為原型，比賽期間受到海內(nèi)外網(wǎng)友的廣泛關(guān)注和追捧。其設(shè)計通過將冰雪運動和文化要素緊緊結(jié)合，展示了中國獨特而悠久的歷史文化和人文精神，象征著鼓舞人心的奧林匹克精神和頑強拼搏的意志。能夠撐起頂流“冰墩墩”的填充物是再生云絨(循環(huán)再生聚酯纖維)。它是由多種聚酯高分子材料混紡[7]，其不但具有柔順?biāo)吹氖指?，而且具備了極佳的持久拋彈性能。再生云絨的發(fā)展前景也非常廣闊，可具備抗菌、除螨、防霉等功能，在“后冬奧”時代其有望以服裝家紡產(chǎn)品的形式走進千家萬戶。

2 綠色冬奧

作為中國莊嚴宣布“碳達峰、碳中和”目標(biāo)后主辦的首屆國際大型體育盛會，北京冬奧會是一次有著重要意義的契機，向國際社會展現(xiàn)在環(huán)境保護、綠色發(fā)展方面中國履行大國承諾、肩負大國責(zé)任、體現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)。我們通過介紹本次北京冬奧會中亮相的與化學(xué)知識或理論息息相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)物，引導(dǎo)學(xué)生思考化學(xué)與環(huán)境保護、經(jīng)濟社會發(fā)展之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展觀念和“敬畏化學(xué)、理解化學(xué)、用好化學(xué)”的學(xué)習(xí)理念[8]。

2.1 二氧化碳(CO2)跨臨界直冷制冰技術(shù)鑄就“冰絲帶”

有“冰絲帶”之稱的國家速滑館是北京冬奧會標(biāo)志性場館，也是唯一新建的冰上競技場館。CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)在該館建造過程中起到了極其重要的作用，在綠色環(huán)保、安全無毒的條件下為場館制備高質(zhì)量、溫度硬度可控的冰面提供了保障。該技術(shù)將原本要排放到大氣中的CO2回收至制冷裝置中，達到良好的制冷效果，同時利用科技手段將制冷結(jié)束后的高品質(zhì)余熱回收，可用于冰場融冰、場館除濕、空調(diào)采暖、生活熱水[9]。相較于傳統(tǒng)的氟利昂和氨制冷劑，CO2制冷劑有著對臭氧層無破壞、安全無毒、能耗低、冰面溫差小的優(yōu)勢，完美契合綠色冬奧的理念。

2.2 氫能源燃料車示范運營踐行綠色發(fā)展

在北京冬奧會和冬殘奧會期間，有一千多輛氫燃料電池車投入示范運營。不但為賽事交通運輸提供了重要保障，而且踐行了綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念。氫能源燃料車以氫氣為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫碾娔?，幾乎只排放生成物——水[10]。氫電池相對于鋰電池有著能量密度高、碳排放低、續(xù)航能力強的優(yōu)點，同時在低溫條件下也不會受到影響。來自光能、風(fēng)能資源豐富的張北的“綠電”為電解水制備氫氣提供能源，實現(xiàn)了“綠電”制造“綠氫”，從源頭上降低了碳排放。氫能源燃料車的示范運營有望促進相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，助力低碳事業(yè)發(fā)展。

2.3 聚乳酸(PLA)餐具助力舌尖上的“綠色”

在北京冬奧會的餐廳中，由可降解材料聚乳酸(PLA)制成的一次性餐具、垃圾袋、托盤被廣泛使用，克服了原來石油基聚酯材料難降解的缺點，將綠色發(fā)展理念融入到飲食過程之中。聚乳酸可由含淀粉的物質(zhì)通過微生物發(fā)酵作用制備，這將很大程度上減少對石油的依賴，且其生產(chǎn)過程的碳排放是聚乙烯的三分之一。由聚乳酸材料制成的餐具有阻燃性、耐菌性及抗紫外線性[11]，在堆肥條件下可以完全降解為水和CO2，有效降低對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，減輕溫室效應(yīng)?？山到獠牧显诒本┒瑠W會的亮相將推進人們觀念的轉(zhuǎn)變，呼吁人們踐行綠色環(huán)保理念。

2.4 碲化鎘(CdTe)發(fā)電玻璃冬奧謝幕走進萬千百姓家

供應(yīng)北京冬奧會各體育場館的電力不僅有來自張北的風(fēng)電，還有來自CdTe發(fā)電玻璃的綠色光電。CdTe發(fā)電玻璃是在普通玻璃上沉積了一層以半導(dǎo)體CdTe為主的薄膜，是一種新型綠色環(huán)保建筑材料。通過太陽光照射以后光生電子的產(chǎn)生，可實現(xiàn)發(fā)電[12]。CdTe發(fā)電玻璃相對于傳統(tǒng)玻璃有著反射率低的優(yōu)勢，將有效提高光利用率，實現(xiàn)綠色發(fā)電的理念。CdTe發(fā)電玻璃最突出的優(yōu)勢是制造成本低廉、原材料消耗極少，發(fā)電時CO2排放量小，有望真正走進千家萬戶，共享綠色發(fā)展的成果。

3 科技冬奧

北京冬奧會是一個難得的平臺，使世界各國尤其是中國的先進科技成果獲得海內(nèi)外前所未有的關(guān)注。實現(xiàn)冬奧盛會科技成果的產(chǎn)業(yè)落地，讓每一個中國人切實地享受到科技發(fā)展的成果，這對于加快現(xiàn)代化科技強國建設(shè)具有重要的意義。我們通過介紹本次北京冬奧會中與化學(xué)息息相關(guān)的科技成果，帶領(lǐng)學(xué)生見識化學(xué)知識在科技發(fā)展過程中的重要地位，從而拓寬學(xué)生的化學(xué)知識面和提高學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，為培養(yǎng)能建設(shè)科技強國的創(chuàng)新型人才做鋪墊。

3.1 雙組分水性聚氨酯涂料頭盔見證中國速度

中國短道速滑隊在混合團體接力賽中以2分37秒348的成績奪得中國代表團北京冬奧會首金。雙組分水性聚氨酯涂料作為頭盔保護涂料有著抗劃傷能力好、VOC (Volatile Organic Compounds)值低、能夠有效降低風(fēng)阻的特點，在中國短道速滑隊奪冠之路上發(fā)揮了重要的作用。雙組分水性聚氨酯涂料是由多異氰酸酯的-NCO基團在水中和多元醇的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而成[13]。由于多元醇和溶劑水存在反應(yīng)的競爭關(guān)系，故通常使多異氰酸酯過量來補充其與水的副反應(yīng)而產(chǎn)生的損失。雙組分水性聚氨酯涂料憑借其特有的優(yōu)勢，將在汽車面漆、木器補漆及皮革涂料等領(lǐng)域獲得更廣泛的運用。

3.2 雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)紀(jì)念鈔銘刻北京冬奧會拼搏中國瞬間

在北京冬奧會開幕之際，中國人民銀行發(fā)行北京冬奧會紀(jì)念鈔，受到人民群眾的熱烈歡迎。本款北京冬奧會紀(jì)念鈔是由BOPP (雙向拉伸聚丙烯薄膜)制成，有著難以復(fù)制、耐磨損性強、科技含量高的特點。將聚丙烯顆粒在低于薄膜熔點、高于玻璃化溫度時，通過物理、化學(xué)等手段制成平片[14]，再將平片在橫縱兩個方向進行拉伸后便可制得雙向拉伸聚丙烯薄膜。隨后經(jīng)過涂布、印刷、防偽等工序處理之后便可制得印有冰雪運動員、長城、冰雪等圖案的冬奧紀(jì)念鈔。這對于促進冰雪運動理念傳播、推動我國塑料鈔領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。

3.3 凝膠冰雪“永不融化”隨時隨地體會冰雪魅力

在中國科技館的冬奧主題特展中，由北京理工大學(xué)通過將水凝膠與冰雪結(jié)合在一起而研發(fā)的“凝膠冰雪”新型材料[15]驚艷亮相。它有著和天然冰雪幾乎相同的觸感和視感，卻不會因長時間觸摸而融化。其奧秘在于一種親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。該網(wǎng)絡(luò)集合物理和化學(xué)手段交聯(lián)制得，能夠?qū)⒈诨蟮乃廊绘i在其中。同時其良好的生物相容性也為更廣闊的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在未來，凝膠冰雪不僅將對大眾冰雪體育運動的推廣和普及做出貢獻，還將憑借其特殊的性質(zhì)在農(nóng)業(yè)、機器人和醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮作用，更好地助力科技強國建設(shè)。

3.4 增稠流體(STF)材料滑雪服保護運動員拼搏瞬間

在本次北京冬奧會中，運動員蘇翊鳴在單板滑雪男子大跳臺比賽中奪得冠軍，成為首位贏得冬奧會單板滑雪金牌的中國運動員。應(yīng)用了由聚乙二醇和硅微粒加工制成的剪切增稠流體的滑雪服在保護運動員滑雪過程中起到了很重要的作用。在運動員意外遭受高速撞擊時，STF材料能夠瞬間形成堅硬的防護層，阻斷外來的沖擊對運動員的傷害[16]，從而在運動員奪冠之路上提供堅實的幫助。作為非牛頓流體的一種，STF材料除了在滑雪領(lǐng)域能夠大展拳腳之外，在礦業(yè)、安保等危險行業(yè)也能為相關(guān)人員提供安全保障。

4 STSE教育理念運用至科普活動中的意義

我們以“北京冬奧會”為情境，其主題口號“一起向未來”為導(dǎo)向，以化學(xué)知識(科學(xué))為載體，從“科技冬奧”(技術(shù))、“人文冬奧”(社會)、“綠色冬奧”(環(huán)境)三方面來剖析化學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品在實現(xiàn)北京冬奧會“一起向未來”愿景的過程中所起到不可或缺的作用(圖2)。以趣味性、科學(xué)性的方式幫助學(xué)生了解化學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品的前沿應(yīng)用情況，在科普過程中提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)知識、科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度通過技術(shù)手段來解決社會和環(huán)境問題的意識，幫助學(xué)生構(gòu)建“科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境”相互促進、協(xié)同發(fā)展的概念，從而實現(xiàn)學(xué)生全面可持續(xù)發(fā)展和更好地服務(wù)于科技強國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略。

圖2 基于STSE教育理念的“北京冬奧會”化學(xué)科普

這對“雙減”政策下義務(wù)教育階段的課后服務(wù)等非正式學(xué)習(xí)環(huán)境的科普活動開展有很好的輻射和借鑒意義。STSE教育完全可以以今年6月在四川成都舉辦的第31屆世界大學(xué)生夏季運動會，或9月在浙江杭州舉辦的第19屆亞洲運動會為科普活動的情境；同時科普活動的內(nèi)容也可進行拓展，并不局限于化學(xué)，可推廣到物理、生物、信息技術(shù)等領(lǐng)域，例如運用物理知識對自由式滑雪減震原理、張北柔性直流電網(wǎng)技術(shù)的輸電原理進行解釋，運用生物知識對聚乳酸的生物發(fā)酵過程和降解過程進行解釋。

5 結(jié)語

科學(xué)教育是建設(shè)科技強國的重要內(nèi)容和關(guān)鍵途徑，是科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要陣地[17]。科普活動作為科學(xué)教育的重要組成部分，在培育創(chuàng)新人才和提升公民素質(zhì)方面起到了重要的推動作用。將STSE教育理念應(yīng)用于公眾熱點事件知識科普活動中，借助具體的主題情境來促進學(xué)生對科學(xué)內(nèi)涵的掌握，加強學(xué)生對社會人文、技術(shù)手段、環(huán)境保護的認識和理解。我們希望在百年未有之大變局中，學(xué)生能夠具備科學(xué)素養(yǎng)、宏觀視野和時代意識，結(jié)合所學(xué)知識推動和引領(lǐng)“人類命運共同體”的構(gòu)建，幫助我國在激烈的科技競爭中占據(jù)領(lǐng)先地位。