南京晓庄学院
教师教育学院
生物化工与环境工程学院
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范佳慧陈凯
张凤
美国国家化学周是美国化学学会（ACS）举办的一年一度的化学盛会，于每年10月的第4个星期举行，自1989年以来已成功举办了23届。通过在学校、购物中心、科学博物馆、图书馆、火车站举办活动来庆祝这一盛会，包括开展化学研究，参加各种比赛和游戏。
2013年的化学周将目光投放到“能量”上，能量是整个世界发展和经济增长的驱动力，是人类赖以生存的基础。美国化学学会致力于通过国家化学周普及大众对能量的进一步认识。
这届化学周特色在于除了保留最具代表性的相关主题实验以外，还增添了科普类小文章、采访未来科学家等，调动了参与者的积极性，同时在一定程度上扩大了参与者的范围，强化科技普及之目的。
1美国国家化学周化学实验活动案例
2013年度的美国国家化学周活动丰富多彩，美国化学学会网站为此主题提供了简单易行的实验活动专题汇编，美国《化学教育》期刊更将整理归纳出历年发表的以化学反应中的能量变化、新能源开发和利用等主题实验活动案例提供给师生参考。
1.1探究蜡烛燃烧
1.1.1实验目的
利用生活中的相关材料，解释燃烧需要氧气，且不同浓度的氧气环境燃烧程度有所不同，有利于让学生科学地理解燃烧现象。
1.1.2实验材料
蜡烛、6 cm×6 cm硬纸板、8 cm×8 cm铝箔纸、一大一小的玻璃杯，容量为0.946 L（国际标准1夸脱）的玻璃瓶一个、容量为3.785 L（国际标准1加仑）玻璃瓶1个、秒表等。
1.1.3实验步骤
(1)用铝箔覆盖在纸板纸上，四周各折1条边并使其尽量平铺。
(2)将蜡烛置于用铝箔覆盖的纸板中间。
(3)点燃蜡烛，将小玻璃杯从上往下倒扣在蜡烛上，记录蜡烛燃烧的时间，细心观察烧杯的变化。在数据表中记录该时间和观察到的现象。注意：在实验之后玻璃容器仍然是热的，在进行下一实验之前要等玻璃杯冷却。
(4)用大玻璃杯替换小杯子继续实验，在此之前预测蜡烛燃烧的时间并加以记录。再用其他不同大小的玻璃杯重复该实验。注意：在预测时间后再开始实验，在表1中记录实际的时间。
1.1.4问题
(1)尝试解释蜡烛熄灭的原因。
(2)解释为什么在不同尺寸玻璃容器的笼罩下蜡烛保持光亮的时间不同？有什么证据能证明？
(3)在玻璃杯内观察到哪些现象？
1.1.5安全提示
①需要成年搭档的监督和帮助；②蜡烛的火焰不能接触玻璃杯的表面，玻璃受热不安全，如果温度太高易炸裂；③必须戴上防护眼镜；④阅读学习所用材料的警告标签，遵守安全警告和预防措施（如戴手套、绑长头发），小心使用仪器，根据提示步骤操作。
1.1.6实验原理
燃烧反应需要空气中氧气的参与才能进行。在燃烧过程中，蜡烛中的碳元素与氧元素反应形成二氧化碳，而氢元素与氧元素反应产生水。在大玻璃杯中有更多的氧气，因而蜡烛燃烧的时间久。蜡烛熄灭，温度下降，水蒸气液化。
1.2高效能水果电池
1.2.1实验材料
0.425 kg(15盎司）青柠檬汁（pH=2.5)、未加碘食盐、镁条、铜片、小玻璃杯或塑料杯、导线、鳄鱼夹等。
1.2.2实验示意图
1.2.3实验步骤
将铜片置于盛有青柠檬汁的小杯左侧，将镁条放在小杯右侧。将镁条、铜片的尾部弯曲固定在杯子边缘，并用鳄鱼夹和导线将第1个杯子中的镁条与第2个杯子中的铜片相连，以此类推。第1个杯子中的铜片、第6个杯子中的镁条用鳄鱼夹与自制小车相连。
1.2.4实验原理
青柠檬汁呈现强酸性，可作为原电池的电解质溶液。铜片是正极，镁条是负极移动，在电解质溶液内部电子向负极，又通过外电路线经过自制小车驱动工作后回流到正极。不断地为自制小车提供电能。用食盐（注：原活动采用食盐作为电解质，但电解后会产生氯气，建议改用硫酸钠或硝酸钾作为电解质更佳）来增加青柠檬汁的导电性，并减小电池的内阻，6个电池串联形成电压为9 V的电池。
2科学阅读的推广
本次化学周活动首次引入3篇科普文章作为开展阅读活动的素材，虽然化学是实验的科学，但是也需要学生和民众通过阅读来积累足够的学科知识并拓展学科视野，这是实验探索的前提和基础。
2.1沙子产生的能源
沙子是细碎的岩石并且大部分由二氧化硅组成。硅砂的新应用是“水力压裂砂”，通过进一步研究，可以用于增产天然气。
2.2生物燃料的应用
也许有一天汽车不再靠汽油而靠藻类或杂草运行，科学家们正在研究用杂草等生物燃料代替石油等化石燃料。
2.3生活中的烷烃
汽油中最重要的化合物是辛烷。天然气的主要成分是甲烷，甲烷是最简单的碳氢化合物。高压下存储在烧烤架上附着的金属罐里的气体是丙烷。
透过科学读物中文字与图画内容，学生关注到教材之外的科学概念和科技进展，进一步了解到化学在能源开发、能量利用方面的突出贡献。
3采访未来的科学家
“未来化学家”模块以访谈形式，向大众介绍了在能源研究领域具有代表性的化学工作者的研究成果。Michelle Buchanan博士正在研究的课题包括：能使汽车更硬更轻的材料；发展新型电动汽车电池，开发能节省家用和学校能量的新化学反应。Michelle Buchanan博士在业余生活中喜欢烹饪，并说到烹饪和化学实验很像，可以通过改变食谱看看会发生什么变化。她认为开发技术能使人们拥有丰富、清洁、实惠的能量。
该创新模块的引入有利于大众或学子正确认识化学相关职业特征，有利于生涯规划的引导。我国基础化学教育极其需要这种教育方式的引入。
4美国国家化学周活动的评价与思考
4.1可成为国内化学实验教学的直接素材
本次化学周活动部分实验主题在国内科学教育中也有出现，但对比国内外差异，有利于国内实验教学拓展新思路，体现实验的不同视角。
4.1.1将简单蜡烛实验引出开放性探究问题
人教版9年级化学上册第1单元走进化学世界课题2《化学是一门以实验为基础的科学》中也涉及到了对蜡烛及其燃烧的研究。
人教版教材设置的问题有：燃烧前（物理性质）、燃烧时（比较火焰温度、新物质的产生）、燃烧后（蜡烛熄灭的白烟）的现象或性质观察记录，注重物理性质、化学性质的初步区分，产生新物质的验证。由于这种学习分析方法在小学科学教材中已有涉及，对于部分学生新颖度不大，难以引发学生的兴趣和好奇心。而美国化学周的实验内容主体虽然类似，但是设置的问题更具有探究深度和开放性。此外化学周实验表现了对一些安全细节问题的关注，对于初学化学的学生操作、探究来说显得格外重要。从探究方法来看，国内化学教育更加关注观察、对比、验证等方法，而国外侧重于预测、变量控制等，体现出更多的开放性。
4.1.2水果电池
人教版初中物理8年级下册第6章《电压 电阻》课后“动手动脑学物理”和人教版高中化学必修2第2章《化学反应与能量》中，均出现了水果电池，现对与化学周中出现的水果电池进行评析。
化学周利用青柠檬汁制作水果电池，注重串联电路的设计，并利用产生的电能进行汽车运动快慢和负载牵引实验，将柠檬汁中的化学能转化为电能，并进一步转化为机械能，能量观的体现更加明显。通过控制变量，比较不同浓度的青柠檬汁和食盐加入量对电池性能的影响。该实验突出思维复杂性和变量可控性，体现科学全貌。而国内教学中无论是物理还是化学教材只注重比较不同水果蔬菜产生电压的高低和正负极的区分。在培养学生的能量转化、变量控制等科学思维上有所欠缺。
4.1.3结构性工作单与实验报告
实验“利用热能工作”通过瓶子与套在瓶口的气球作为一个系统，放入冷水和热水中发生的现象来体现系统与环境之间能量交换的原理。提供结构性工作单，要求学生记录装热水的瓶子、装冷水的瓶子的现象，以及对设计装置的想法。结构性工作单是国际科学教育界广泛使用的一种评价工具，让学生实际动手探究，同时把探究过程和结果写在具有一定提示结构的纸质单子上。而我国初高中、大学基础教育的理科实验以实验报告为主，实验报告是在学生亲自动手操作，观察实验现象并进行理性分析和思考后作出的书面报告。结构性工作单对学生的知识技能和写作水平要求高，需在规定时间内当场独立完成，要求学生按照一定的结构真实地记录自己实际的探究过程和结果，以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力。因此我国可转变传统的实验报告形式，借鉴结构性工作单的优点，促使实验期间学生的各项思维发展。
4.2活动体现学科综合性
化学周活动未必仅限于化学学科，作为21世纪的中心科学，化学既承接了关联学科的思维方法，又为他们提供了创新的途径。2013年度化学周主题“能量”本身就是一个重要的科学领域核心概念，实验活动不可避免地承载了多学科特征，如在青柠檬汁电池的研究中涉及到了化学（能量的转化）、物理（电压、电流）、数学（比较不同浓度的青柠檬汁和食盐加入量对电池性能的影响中数学公式的应用及函数图）、技术（组装电池、组装电能发动车）。
4.3化学教育需要非正式学习
非正式学习是指在正规学校教育或继续教育之外，在工作、生活、社交等非正式学习时间和地点接受新知的学习方式。非正式学习不仅能为学生提供丰富的认知冲突和社会互动机会，还能帮学生建立完善的知识结构，提高科学论证能力。
化学周活动就是各个国家的学生和大众在化学方面非正式学习的重要途径之一，家长、教师以及社会参与者都在这种非正式学习过程中扮演着重要角色，社会各界都在提供科学学习资源和学习机会方面给予极大的帮助。美国国家化学周以多元化的课外活动形式，在学校、购物中心、科学博物馆、图书馆、火车站都可以进行实验，摆脱了只能在专业场所进行实验的局限。
4.4科学阅读的必要
科普文章的特点是：科学性、思想性、通俗性、艺术性、知识性。化学周选取的科普文章普及了化学专业用语，如二氧化硅、甲烷、辛烷等，使读者受到科学思想的熏陶。用通俗易懂的语言概述了能量在生活中的方方面面，展示了对大众和学生有关化学基础知识的普及。
科学阅读帮助儿童构建学科的重要思想，综合认识科学与社会生活息息相关，并帮助儿童学会从科学的视角分析问题。但可惜的是，在我国的科学教育中，教科书独行其道， 构成了儿童科学阅读的全部内容。因此，在教室中融入系统的、综合的、与生活实际和科学家工作联系紧密的科学阅读，不仅对学生当前科学概念的掌握、科学本质观的发展极有帮助，而且对儿童今后科学学习的不断深入也是十分有益的。在主题、内容的选取，核心概念的确定等方面，还可借鉴教材的相关内容，但并不局限于教材，发挥科学阅读独有的作用。
4.5活动体现科技前沿
化学科技的发展，使得化学教学内容得到了前
所未有的充实和拓宽，实验教学与科普活动也应与时俱进，让学生和大众在活动中体会前沿化学知识，感悟化学中的神奇现象。美国化学周活动中的
案例也体现出这一特点。例如，通过科普文章展示水力压裂砂、铝空气电池等，开阔了活动者的视野；对于科学家的采访是一种职业生涯的引导，也是对大众和学生了解科技前沿的重要形式。科普文章将科技发展中专业性比较强、一般人不易理解的科学知识传播、输送到社会大众之中，使他们能准确把握科技发展的进程，提高科学素养，增强科技意识，并促使社会形成热爱科学、追求真理、探索奥秘的强烈科学文化氛围。
4.6为能量观建构提供丰富素材
能量变化是化学反应的基本特征之一，而且能量观是化学学科的核心观念，是化学学科研究要考虑的重要问题，是研究物质的理科课程的共通问题。但是目前国内中学化学教学对于学科观念的重视还只局限在微粒观、元素观和变化观，能量观的忽视一方面是因为教学工作者对其理解尚不够深入，另一方面也因为教学实验活动的单一化，应用较为狭隘。而美国化学周本次实验活动极大地丰富了能量观教学素材，值得国内一线教师借鉴、应用。
收稿日期：2014-06-10