“美國化學周”三十周年：“珍珠婚”中的化學

吳盼盼　任紅艷　趙妍

摘要： 簡述美國化學周的發展歷程，以實驗活動為重點，結合科普閱讀推廣、采訪未來化學家等活動、模擬珍珠的生長過程、解釋其生長環境蘊含的原理，以此介紹2017年“美國化學周”三十周年：“珍珠婚”中的化學。針對我國化學教育活動的開展情況，總結出幾點啟示： 實現生活化學化，化學生活化；綜合學科知識，提高科學素養；重視非正式學習在化學教育中的作用。

關鍵詞： 美國化學周； 晶體生長； 生活化學習； 學科綜合； 非正式學習

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

1 美國化學周發展歷程

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

例如，2008年活動主題“盡情享受化學”與北京奧運會有關，實驗活動以運動項目及器材中的科學原理為設計原則，從化學的角度揭示奧林匹克精神。2009年是門捷列夫首次提出化學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，將一些元素的發展史及其性質介紹融入到各實驗活動中。2014年美國化學周緊扣“糖果”開展系列活動，加深民眾對糖果的認識。美國化學周的歷年活動主題[1]讓人們感受到化學無處不在，體會化學在人類生活中的重要意義，這些與美國化學會“讓化學走向社會”的理念完美契合。

2 2017年美國化學周活動的整體設計與實施

本次美國化學周于10月21號到27號舉行。2017年正值美國化學周30周年，珍珠作為30周年的紀念石，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晶過程[2]。因此，類比結晶過程，可以認為珍珠是由碳酸鈣的過飽和溶液在符合動力學和熱力學條件下，經歷了成核、生長和聚集等自組裝過程形成的。珍珠生長對水質要求較高。水質直接影響珍珠的質量與產量，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。

不難發現，珍珠的生長過程與生長環境蘊藏著豐富的化學知識。珍珠是碳酸鈣在貝類體內結晶的結果。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晶的產物。美國化學周則以30周年紀念為契機，聚焦于“地球化學”，緊扣“化學巖石”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導致水體渾濁的，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出來，真正做到“從生活走進化學”。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、海鹽等的結晶過程，開拓科學視野。采訪未來科學家版塊則通過訪談地球環境化學家，讓民眾對化學有更深入的認識，起到職業教育與引導作用

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.。美國化學周不僅在學校、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、互聯網等方式進行相關活動推廣，其內容包括實驗活動、競賽、社區活動介紹、與“化學巖石”主題有關的科普閱讀以及采訪未來化學家等，真正實現了活動對象大眾化。美國化學周活動內容豐富，具體如表1所示。

3 圍繞“珍珠婚”的特色活動介紹

本次美國化學周緊扣“化學巖石”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珍珠以及地球上巖石的化學知識，進一步加深民眾對珍珠的認識，凸顯化學在地球科學中的重要作用。

3.1 實驗活動

我們都知道洞穴里的奇幻現象“鐘乳石”和“石筍”需要歷經千年才能形成。這種現象與珍珠生長過程類似，也是漫長的結晶過程。然而，與人工養殖珍珠一樣，化學能夠縮短其形成周期。充滿魔力的化學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。當我們看到精致如藝術品的晶體從溶液里緩緩生長，能夠深深地感受到，化學是如此誘人，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，用棉球將肥皂液涂抹在整個相框上，晾干；接著在水杯中配制瀉鹽飽和溶液，另取一支棉球將瀉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，或者進行重復實驗，并觀察結晶形狀。

安全提示： 防止熱的液體飛濺；實驗時，戴好手套并綁好頭發，做好安全預防工作；實驗結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。通過實驗可以發現： 快速冷卻時，晶體中會形成雜質，并且晶體不會長得很大；緩慢冷卻時，晶體中雜質較少，并且會長大，厚度甚至可能達到1cm。實驗結束后，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（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，再冷卻結晶，其本質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晶。因此，晶體生長方向不同，則會導致晶體形狀的差異。

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生和科研工作者，更是公眾，這正是美國化學周“化學走向大眾”思想的最佳體現。實驗過程中，觀察晶體形狀和定量測量晶體大小，則體現了化學周實驗活動的科學性。除此之外，活動多次強調記錄所觀察到的實驗現象以及實驗操作的安全性，表明良好的化學實驗習慣不是一蹴而就的，需要在每次實驗過程中慢慢培養。可見，美國化學周實驗活動的開展，有利于培養學習者化學乃至科學實驗基本素養。

3.2 科普閱讀活動

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

科普閱讀于2013年首次引入美國化學周。這項活動的價值不僅在于幫助公眾學習學科知識，更在于拓展其學科視野，綜合學習各學科知識，也進一步體現了美國化學周“面向大眾”的思想。本次化學周活動引入了“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構類似的科學知識。

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晶過程： 在太陽能作用下，海水不斷蒸發，成為飽和溶液，氯化鈉晶體不斷析出，海鹽由此產生。此外，文中還介紹了氯化鈉的名稱、元素符號、組成、晶體結構模型及用途等，讓大眾從化學角度對熟悉的鹽有更科學的認識。“巖石的三種基本類型”介紹了地球巖石的基本類型以及形成過程。其中化學沉積巖是由沉積物中的礦物質溶于水后結晶形成的，鐘乳石和石筍就是典型的化學沉積巖。同樣的原理，變質巖或火成巖落入河中經過結晶過程，亦會變成沉積巖。不難發現，巖石的形成離不開結晶過程。“生長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。

通過對礦物質食鹽、巖石形成過程的介紹，大眾對“結晶”這一化學術語有更生活化的認識，并可將此知識延伸到珍珠的生長過程。對寶石相關知識進行科普介紹，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，也是學生了解教材之外的科學概念、科學史及科技進展等的重要途徑，對開闊學生的科學視野有舉足輕重的作用[5]。

3.3 采訪未來化學家

“采訪未來化學家”是2010年美國化學周推出的創新活動版塊，活動以訪談形式向大眾介紹活動主題相關領域的代表性工作者。本次訪談對象Herndon博士是俄亥俄州肯特州立大學地質學系助理教授。作為環境地球化學家，她研究土壤、巖石和水，探索地質化學對土壤的影響。她提出要引導青少年不斷探索未知的大自然，以發現其美妙之處，使他們正確地認識化學。

未來化學家版塊中還介紹了Herndon博士的工作和成長經歷等，使得該版塊不局限于單一的化學研究內容，還將其滲入到生活中。Herndon博士的經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“采訪未來化學家”版塊，一方面，大眾不僅了解到有關化學學科的知識和化學對人類生活的重要作用，更能夠正確理解化學發展的意義，并且對化學職業發展有更清晰的認識；另一方面，這些科學家的人生經歷，也將激勵青少年一代不斷學習，朝著積極向上的方向發展。

4 美國化學周活動的啟示

本次美國化學周活動緊扣“地球化學”，與商會、學校、博物館等機構合作開展系列活動，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。由此得出本次化學周活動對我國化學教學的幾點啟示。

4.1 實現“生活化學化，化學生活化”

美國化學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，使得學生能在生活中感受到化學的存在，學化學知識，悟化學原理，真正做到生活化學化。雖然珍珠廣為人知，但其形成過程較為復雜。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，并結合粘粒測量實驗，說明珍珠生長環境條件該如何滿足，實現將深奧的化學知識以生活化的方式呈現出來，深入淺出。《普通高中化學課程標準（2017年版）》認為，化學科學與生產、生活以及科學技術的發展有著密切的聯系，對社會發展、科技進步和人類生活質量的提高有著廣泛而深刻的影響[6]。在教學中，教師應重視STSE內容主題的選擇和組織，緊密聯系生產、生活實際，使學生認識化學與人類生活、生產的密切關系，讓學生通過生活化情境開展探究活動，綜合運用所學知識解釋和解決有關的STSE問題，感受化學對人類生活的重要作用。

4.2 綜合學科知識，提高科學素養

美國化學周的長期志愿者Hazari希望美國化學周與其他學科，不僅僅指科學、技術、工程和數學，而是包括所有學科，能夠實現進一步整合與聯系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.。美國化學周正在努力實現這一目標，如土壤粘粒含量測試以及科普閱讀中有關巖石的知識都與地質學相關。這正與美國亞利桑那大學塔蘭克教授提出的交叉概念相符合。交叉概念超越學科界限，通過它來分析課程內容，有助于幫助教師建立不同課程之間清晰的聯系。思考交叉概念更有利于重新塑造化學課程，使化學課程強調重要的主題而不是一些孤立的話題。于學生而言，交叉概念有助于學生建立與真實生活情境之間的聯系，引發學生更有意義的學習[7]。我國新課程改革的重要內容——學科綜合，與交叉概念有異曲同工之妙。《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出，在化學教學中，教師應重視跨學科內容主題的選擇和組織，加強化學與物理學、生物學、地理學、材料科學和環境科學等學科的聯系，引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其變化的規律，幫助學生拓寬視野，開闊思路，綜合運用化學及其他學科的知識分析解決有關問題，發展學生的科學素養[8]。

4.3 重視非正式學習在化學教育中的作用

非正式學習即發生在教室及學校以外的物理環境或物聯網虛擬環境、在無事先計劃、無確定的評價方案甚至不為人意識到的環境中達成的學習方式[9]。在國內，由于學校教育占主導地位，非正式學習與正式學習之間的矛盾制約了非正式學習的發展。而美國化學周活動則首先考慮學生對科學的興趣，突出了學習者的選擇權和主動權，強調以興趣和動機為基礎的學習的重要性。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，這也體現了終身學習的思想理念，通過這種“面向大眾”的非正式學習活動，真正意義上實現科學普及化。

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

參考文獻：

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

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[4]周穎. 化學冬令營開幕式上的發言（節選）[J]. 化學教育， 2008， 29（2）： 81～81.

[6][8]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（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. 非正式科學學習研究的最新進展及對我國科學教育的啟示[J]. 全球教育展望， 2010， （9）： 74， 90～92.