能量——現(xiàn)在和永遠

范佳慧　陳凱　張鳳

美國國家化學周是美國化學學會（ACS）舉辦的一年一度的化學盛會，于每年10月的第4個星期舉行，自1989年以來已成功舉辦了23屆。通過在學校、購物中心、科學博物館、圖書館、火車站舉辦活動來慶祝這一盛會，包括開展化學研究，參加各種比賽和游戲。

2013年的化學周將目光投放到“能量”上，能量是整個世界發(fā)展和經(jīng)濟增長的驅(qū)動力，是人類賴以生存的基礎。美國化學學會致力于通過國家化學周普及大眾對能量的進一步認識。

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

1 美國國家化學周化學實驗活動案例

2013年度的美國國家化學周活動豐富多彩，美國化學學會網(wǎng)站為此主題提供了簡單易行的實驗活動專題匯編，美國《化學教育》期刊更將整理歸納出歷年發(fā)表的以化學反應中的能量變化、新能源開發(fā)和利用等主題實驗活動案例提供給師生參考。

1.1 探究蠟燭燃燒

1.1.1 實驗目的

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，有利于讓學生科學地理解燃燒現(xiàn)象。

1.1.2 實驗材料

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

1.1.3 實驗步驟

（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，記錄蠟燭燃燒的時間，細心觀察燒杯的變化。在數(shù)據(jù)表中記錄該時間和觀察到的現(xiàn)象。注意：在實驗之后玻璃容器仍然是熱的，在進行下一實驗之前要等玻璃杯冷卻。

（4）用大玻璃杯替換小杯子繼續(xù)實驗，在此之前預測蠟燭燃燒的時間并加以記錄。再用其他不同大小的玻璃杯重復該實驗。注意：在預測時間后再開始實驗，在表1中記錄實際的時間。

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必須戴上防護眼鏡；④閱讀學習所用材料的警告標簽，遵守安全警告和預防措施（如戴手套、綁長頭發(fā)），小心使用儀器，根據(jù)提示步驟操作。

1.1.6 實驗原理

燃燒反應需要空氣中氧氣的參與才能進行。在燃燒過程中，蠟燭中的碳元素與氧元素反應形成二氧化碳，而氫元素與氧元素反應產(chǎn)生水。在大玻璃杯中有更多的氧氣，因而蠟燭燃燒的時間久。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 實驗材料

0.425 kg（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、導線、鱷魚夾等。

1.2.2 實驗示意圖

1.2.3 買驗步驟

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，并用鱷魚夾和導線將第1個杯子中的鎂條與第2個杯子中的銅片相連，以此類推。第1個杯子中的銅片、第6個杯子中的鎂條用鱷魚夾與自制小車相連。

1.2.4 實驗原理

青檸檬汁呈現(xiàn)強酸性，可作為原電池的電解質(zhì)溶液。銅片是正極，鎂條是負極移動，在電解質(zhì)溶液內(nèi)部電子向負極，又通過外電路線經(jīng)過自制小車驅(qū)動工作后回流到正極。不斷地為自制小車提供電能。用食鹽（注：原活動采用食鹽作為電解質(zhì)，但電解后會產(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電性，并減小電池的內(nèi)阻，6個電池串聯(lián)形成電壓為9 V的電池。

2 科學閱讀的推廣

本次化學周活動首次引入3篇科普文章作為開展閱讀活動的素材，雖然化學是實驗的科學，但是也需要學生和民眾通過閱讀來積累足夠的學科知識并拓展學科視野，這是實驗探索的前提和基礎。

2.1 沙子產(chǎn)生的能源

沙子是細碎的巖石并且大部分由二氧化硅組成。硅砂的新應用是“水力壓裂砂”，通過進一步研究，可以用于增產(chǎn)天然氣。

2.2 生物燃料的應用

也許有一天汽車不再靠汽油而靠藻類或雜草運行，科學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，甲烷是最簡單的碳氫化合物。高壓下存儲在燒烤架上附著的金屬罐里的氣體是丙烷。

透過科學讀物中文字與圖畫內(nèi)容，學生關(guān)注到教材之外的科學概念和科技進展，進一步了解到化學在能源開發(fā)、能量利用方面的突出貢獻。

3 采訪未來的科學家

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

該創(chuàng)新模塊的引入有利于大眾或?qū)W子正確認識化學相關(guān)職業(yè)特征，有利于生涯規(guī)劃的引導。我國基礎化學教育極其需要這種教育方式的引入。

4 美國國家化學周活動的評價與思考

4.1 可成為國內(nèi)化學實驗教學的直接素材

本次化學周活動部分實驗主題在國內(nèi)科學教育中也有出現(xiàn)，但對比國內(nèi)外差異，有利于國內(nèi)實驗教學拓展新思路，體現(xiàn)實驗的不同視角。

4.1.1 將簡單蠟燭實驗引出開放性探究問題

人教版9年級化學上冊第1單元走進化學世界課題2《化學是一門以實驗為基礎的科學》中也涉及到了對蠟燭及其燃燒的研究。

人教版教材設置的問題有：燃燒前（物理性質(zhì)）、燃燒時（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)、化學性質(zhì)的初步區(qū)分，產(chǎn)生新物質(zhì)的驗證。由于這種學習分析方法在小學科學教材中已有涉及，對于部分學生新穎度不大，難以引發(fā)學生的興趣和好奇心。而美國化學周的實驗內(nèi)容主體雖然類似，但是設置的問題更具有探究深度和開放性。此外化學周實驗表現(xiàn)了對一些安全細節(jié)問題的關(guān)注，對于初學化學的學生操作、探究來說顯得格外重要。從探究方法來看，國內(nèi)化學教育更加關(guān)注觀察、對比、驗證等方法，而國外側(cè)重于預測、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年級下冊第6章《電壓電阻》課后“動手動腦學物理”和人教版高中化學必修2第2章《化學反應與能量》中，均出現(xiàn)了水果電池，現(xiàn)對與化學周中出現(xiàn)的水果電池進行評析。

化學周利用青檸檬汁制作水果電池，注重串聯(lián)電路的設計，并利用產(chǎn)生的電能進行汽車運動快慢和負載牽引實驗，將檸檬汁中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，并進一步轉(zhuǎn)化為機械能，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電池性能的影響。該實驗突出思維復雜性和變量可控性，體現(xiàn)科學全貌。而國內(nèi)教學中無論是物理還是化學教材只注重比較不同水果蔬菜產(chǎn)生電壓的高低和正負極的區(qū)分。在培養(yǎng)學生的能量轉(zhuǎn)化、變量控制等科學思維上有所欠缺。

4.1.3 結(jié)構(gòu)性工作單與實驗報告

實驗“利用熱能工作”通過瓶子與套在瓶口的氣球作為一個系統(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，要求學生記錄裝熱水的瓶子、裝冷水的瓶子的現(xiàn)象，以及對設計裝置的想法。結(jié)構(gòu)性工作單是國際科學教育界廣泛使用的一種評價工具，讓學生實際動手探究，同時把探究過程和結(jié)果寫在具有一定提示結(jié)構(gòu)的紙質(zhì)單子上。而我國初高中、大學基礎教育的理科實驗以實驗報告為主，實驗報告是在學生親自動手操作，觀察實驗現(xiàn)象并進行理性分析和思考后作出的書面報告。結(jié)構(gòu)性工作單對學生的知識技能和寫作水平要求高，需在規(guī)定時間內(nèi)當場獨立完成，要求學生按照一定的結(jié)構(gòu)真實地記錄自己實際的探究過程和結(jié)果，以培養(yǎng)和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力。因此我國可轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的實驗報告形式，借鑒結(jié)構(gòu)性工作單的優(yōu)點，促使實驗期間學生的各項思維發(fā)展。

4.2 活動體現(xiàn)學科綜合性

化學周活動未必僅限于化學學科，作為21世紀的中心科學，化學既承接了關(guān)聯(lián)學科的思維方法，又為他們提供了創(chuàng)新的途徑。2013年度化學周主題“能量”本身就是一個重要的科學領域核心概念，實驗活動不可避免地承載了多學科特征，如在青檸檬汁電池的研究中涉及到了化學（能量的轉(zhuǎn)化）、物理（電壓、電流）、數(shù)學（比較不同濃度的青檸檬汁和食鹽加入量對電池性能的影響中數(shù)學公式的應用及函數(shù)圖）、技術(shù)（組裝電池、組裝電能發(fā)動車）。

4.3 化學教育需要非正式學習

非正式學習是指在正規(guī)學校教育或繼續(xù)教育之外，在工作、生活、社交等非正式學習時間和地點接受新知的學習方式。非正式學習不僅能為學生提供豐富的認知沖突和社會互動機會，還能幫學生建立完善的知識結(jié)構(gòu)，提高科學論證能力。

化學周活動就是各個國家的學生和大眾在化學方面非正式學習的重要途徑之一，家長、教師以及社會參與者都在這種非正式學習過程中扮演著重要角色，社會各界都在提供科學學習資源和學習機會方面給予極大的幫助。美國國家化學周以多元化的課外活動形式，在學校、購物中心、科學博物館、圖書館、火車站都可以進行實驗，擺脫了只能在專業(yè)場所進行實驗的局限。

4.4 科學閱讀的必要

科普文章的特點是：科學性、思想性、通俗性、藝術(shù)性、知識性?；瘜W周選取的科普文章普及了化學專業(yè)用語，如二氧化硅、甲烷、辛烷等，使讀者受到科學思想的熏陶。用通俗易懂的語言概述了能量在生活中的方方面面，展示了對大眾和學生有關(guān)化學基礎知識的普及。

科學閱讀幫助兒童構(gòu)建學科的重要思想，綜合認識科學與社會生活息息相關(guān)，并幫助兒童學會從科學的視角分析問題。但可惜的是，在我國的科學教育中，教科書獨行其道，構(gòu)成了兒童科學閱讀的全部內(nèi)容。因此，在教室中融入系統(tǒng)的、綜合的、與生活實際和科學家工作聯(lián)系緊密的科學閱讀，不僅對學生當前科學概念的掌握、科學本質(zhì)觀的發(fā)展極有幫助，而且對兒童今后科學學習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)揮科學閱讀獨有的作用。

4.5 活動體現(xiàn)科技前沿

化學科技的發(fā)展，使得化學教學內(nèi)容得到了前所未有的充實和拓寬，實驗教學與科普活動也應與時俱進，讓學生和大眾在活動中體會前沿化學知識，感悟化學中的神奇現(xiàn)象。美國化學周活動中的案例也體現(xiàn)出這一特點。例如，通過科普文章展示水力壓裂砂、鋁空氣電池等，開闊了活動者的視野；對于科學家的采訪是一種職業(yè)生涯的引導，也是對大眾和學生了解科技前沿的重要形式?？破瘴恼聦⒖萍及l(fā)展中專業(yè)性比較強、一般人不易理解的科學知識傳播、輸送到社會大眾之中，使他們能準確把握科技發(fā)展的進程，提高科學素養(yǎng)，增強科技意識，并促使社會形成熱愛科學、追求真理、探索奧秘的強烈科學文化氛圍。

4.6 為能量觀建構(gòu)提供豐富素材

能量變化是化學反應的基本特征之一，而且能量觀是化學學科的核心觀念，是化學學科研究要考慮的重要問題，是研究物質(zhì)的理科課程的共通問題。但是目前國內(nèi)中學化學教學對于學科觀念的重視還只局限在微粒觀、元素觀和變化觀，能量觀的忽視一方面是因為教學工作者對其理解尚不夠深入，另一方面也因為教學實驗活動的單一化，應用較為狹隘。而美國化學周本次實驗活動極大地豐富了能量觀教學素材，值得國內(nèi)一線教師借鑒、應用。