“美国化学周”三十周年：“珍珠婚”中的化学

吴盼盼　任红艳　赵妍

摘要： 简述美国化学周的发展历程，以实验活动为重点，结合科普阅读推广、采访未来化学家等活动、模拟珍珠的生长过程、解释其生长环境蕴含的原理，以此介绍2017年“美国化学周”三十周年：“珍珠婚”中的化学。针对我国化学教育活动的开展情况，总结出几点启示： 实现生活化学化，化学生活化；综合学科知识，提高科学素养；重视非正式学习在化学教育中的作用。

关键词： 美国化学周； 晶体生长； 生活化学习； 学科综合； 非正式学习

文章编号： 1005-6629（2018）6-0092-05 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 美国化学周发展历程

美国化学周是由美国化学学会（American Chemistry Society， ACS）前任主席Pimentel博士发起，于每年10月份举办的一项科技普及活动。每年的美国化学周都会推出一个全新主题，据此展开系列活动。该活动面向全体公民，活动主题不仅涉及化学的各个方面，还与人们的生活息息相关，且紧跟时代步伐。

例如，2008年活动主题“尽情享受化学”与北京奥运会有关，实验活动以运动项目及器材中的科学原理为设计原则，从化学的角度揭示奥林匹克精神。2009年是门捷列夫首次提出化学元素周期律并编制人类历史上第一个元素周期表的140周年，该年的活动以“元素周期表”为主题，将一些元素的发展史及其性质介绍融入到各实验活动中。2014年美国化学周紧扣“糖果”开展系列活动，加深民众对糖果的认识。美国化学周的历年活动主题[1]让人们感受到化学无处不在，体会化学在人类生活中的重要意义，这些与美国化学会“让化学走向社会”的理念完美契合。

2 2017年美国化学周活动的整体设计与实施

本次美国化学周于10月21号到27号举行。2017年正值美国化学周30周年，珍珠作为30周年的纪念石，是人们熟知的最古老的宝石之一，被称为“宝石皇后”。珍珠的生长是典型的生物矿化，而生物矿化最主要形式就是溶液结晶过程[2]。因此，类比结晶过程，可以认为珍珠是由碳酸钙的过饱和溶液在符合动力学和热力学条件下，经历了成核、生长和聚集等自组装过程形成的。珍珠生长对水质要求较高。水质直接影响珍珠的质量与产量，水体浑浊时间长，则会危害珠贝健康，故保持水体处于低浑浊度是珍珠生长的必备条件[3]。珍珠之所以珍贵，其中一个原因就是物以稀为贵，天然珍珠一般为3～5年才能长成。

不难发现，珍珠的生长过程与生长环境蕴藏着丰富的化学知识。珍珠是碳酸钙在贝类体内结晶的结果。而地球上广泛存在的各种岩石，亦是碳酸钙以不同形式自然结晶的产物。美国化学周则以30周年纪念为契机，聚焦于“地球化学”，紧扣“化学岩石”主题，巧妙地以“珍珠”为线索，通过两个晶体种植实验来模拟珍珠的生长过程，用粘粒含量测试实验让大众明白是何种物质导致水体浑浊的，实验的趣味性吸引更多民众参与本次活动。

在庆祝的同时，运用化学知识，让珍珠深奥的生长原理、生长条件的选择以通俗易懂的方式呈现出来，真正做到“从生活走进化学”。此外，本次活动通过科普阅读推广版块，让公众从理论上明白岩石、海盐等的结晶过程，开拓科学视野。采访未来科学家版块则通过访谈地球环境化学家，让民众对化学有更深入的认识，起到职业教育与引导作用

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.。美国化学周不仅在学校、博物馆、商场等公共场所举行活动，为了让更多民众有机会参与其中，亦通过新闻报纸、互联网等方式进行相关活动推广，其内容包括实验活动、竞赛、社区活动介绍、与“化学岩石”主题有关的科普阅读以及采访未来化学家等，真正实现了活动对象大众化。美国化学周活动内容丰富，具体如表1所示。

3 围绕“珍珠婚”的特色活动介绍

本次美国化学周紧扣“化学岩石”主题，以30周年“珍珠婚”为契机，围绕“珍珠”开展大众化、趣味化、多样化的系列活动，旨在以不同形式展现珍珠以及地球上岩石的化学知识，进一步加深民众对珍珠的认识，凸显化学在地球科学中的重要作用。

3.1 实验活动

我们都知道洞穴里的奇幻现象“钟乳石”和“石笋”需要历经千年才能形成。这种现象与珍珠生长过程类似，也是漫长的结晶过程。然而，与人工养殖珍珠一样，化学能够缩短其形成周期。充满魔力的化学能让我们只需半小时，仅用生活中常见的材料就可以制造出美妙的“钟乳石”和“石笋”，如果时间更长，就可能会看到更加壮丽的水晶景象。当我们看到精致如艺术品的晶体从溶液里缓缓生长，能够深深地感受到，化学是如此诱人，如此令人叹为观止，甚至令人感动[4]。

为了让大家更好地了解30周年美国化学周實验活动的特点，下面对“种植晶体”的两个实验以及测量土壤中粘粒含量实验进行详细介绍。

实验活动1 制造针状泻盐晶体

泻盐常用来舒缓脚痛和肌肉，也可以用来治疗伤口。本实验就是利用泻盐来制备晶体。

“种植”泻盐晶体

实验用品均为生活中常见的一些材料，包括： 泻盐、温水、肥皂液（或洗涤液），棉球、测量勺、小碗（2个）、放大镜、相框上的玻璃框（13cm×18cm）。

实验时，首先向小碗中加入一勺水和几滴肥皂液，用棉球将肥皂液涂抹在整个相框上，晾干；接着在水杯中配制泻盐饱和溶液，另取一支棉球将泻盐溶液涂抹在整个相框上，晾干。30分钟后，用放大镜观察所形成晶体的形状和图案，并画在纸上；最后，将剩余肥皂液和泻盐溶液倒进水槽，或者进行重复实验，并观察结晶形状。

安全提示： 防止热的液体飞溅；实验时，戴好手套并绑好头发，做好安全预防工作；实验结束后清理实验仪器并洗手。

实验活动2 制造硼砂水晶雪花

硼砂是一种从沙漠中提取出来的矿物，用在洗衣粉里使水变“软”并能杀死真菌。本实验活动是从硼砂中提取晶体，并且比较缓慢冷却和快速冷却条件下晶体形状和大小的差异。

“种植”硼砂晶体

实验所需材料为： 硼砂粉、两杯水（约500mL）、冰水混合物、食用色素、汤匙、大易拉罐（或高脚玻璃杯2个）、陶瓷碗（大号或烧杯）、玻璃管、尺子（12英寸）。

实验时，首先将两根玻璃管弯曲成有趣的形状，如雪花、星星、蝴蝶或者螺旋形，将末端扭曲在一起，使其足够小，可以放进高脚杯或者易拉罐里；接着将水倒入水杯中并加热，若用微波炉加热，则需保证每30s搅拌一次；然后向热水中加入6勺硼砂粉与2～4滴食用色素，用勺子搅拌至其完全溶解；分别向两个易拉罐（或高脚杯）中倒入等体积的硼砂溶液（约占易拉罐体积3/4），记为1号和2号，并分别插入制作好的玻璃管。将1号置于常温状态下， 2号置于冰水混合物中； 4～6小时后，观察易拉罐中晶体形状，并记录；连续观察几天，测量晶体尺寸，比较缓慢冷却和快速冷却条件下晶体的大小和形状的差异。通过实验可以发现： 快速冷却时，晶体中会形成杂质，并且晶体不会长得很大；缓慢冷却时，晶体中杂质较少，并且会长大，厚度甚至可能达到1cm。实验结束后，取出玻璃管放在纸巾上，将硼砂溶液倒入水槽。

安全提示： 防止热的液体飞溅，刺激皮肤；使用硼砂晶体和实验结束后均需洗手；禁止食用实验材料。

这两个实验活动从生活中常见的物质（泻盐和硼砂）制备晶体，旨在模拟珍珠是如何生长的。将泻盐和硼砂配成饱和溶液，再冷却结晶，其本质都是过饱和溶液中形成晶核，晶核不断生长、聚集，最终形成晶体，与珍珠的生长过程十分相近。两个实验的差异在于所制备晶体的形状不同： 针状泻盐晶体是在二维平面（玻璃相框）上，从泻盐的单个微小颗粒向外扩散进行生长；而硼砂晶体则在三维平面（玻璃管）逐渐生长，形状类似雪花。生物矿化形成珍珠的形状大多为圆形，这是因为珍珠是珠母贝的分泌物在珠核（或异物）表面上以同心圆形式逐渐形成的壳角蛋白和碳酸钙的结晶。因此，晶体生长方向不同，则会导致晶体形状的差异。

实验材料生活化、实验操作简单化是美国化学周实验活动的一大特色，这是因为实验活动对象不仅仅是在校学生和科研工作者，更是公众，这正是美国化学周“化学走向大众”思想的最佳体现。实验过程中，观察晶体形状和定量测量晶体大小，则体现了化学周实验活动的科学性。除此之外，活动多次强调记录所观察到的实验现象以及实验操作的安全性，表明良好的化学实验习惯不是一蹴而就的，需要在每次实验过程中慢慢培养。可见，美国化学周实验活动的开展，有利于培养学习者化学乃至科学实验基本素养。

3.2 科普阅读活动

本次美国化学周活动，除设置实验活动外，还通过推广科普阅读，对“化学岩石”——珍珠主题内容进一步拓展。

科普阅读于2013年首次引入美国化学周。这项活动的价值不仅在于帮助公众学习学科知识，更在于拓展其学科视野，综合学习各学科知识，也进一步体现了美国化学周“面向大众”的思想。本次化学周活动引入了“地球的盐——氯化钠的故事”、“岩石的三种基本类型”、“生长在坚硬的地方的岩石、矿物和宝石”等文章作为开展科普阅读的素材，介绍更多与珍珠生长或结构类似的科学知识。

阅读“地球的盐——氯化钠的故事”可以知道，盐的形成同样是自然界的结晶过程： 在太阳能作用下，海水不断蒸发，成为饱和溶液，氯化钠晶体不断析出，海盐由此产生。此外，文中还介绍了氯化钠的名称、元素符号、组成、晶体结构模型及用途等，让大众从化学角度对熟悉的盐有更科学的认识。“岩石的三种基本类型”介绍了地球岩石的基本类型以及形成过程。其中化学沉积岩是由沉积物中的矿物质溶于水后结晶形成的，钟乳石和石笋就是典型的化学沉积岩。同样的原理，变质岩或火成岩落入河中经过结晶过程，亦会变成沉积岩。不难发现，岩石的形成离不开结晶过程。“生长在坚硬的地方的岩石、矿物和宝石”还介绍了珍贵的宝石。与珍珠一样，宝石的价值取决于其颜色、清晰度、大小和稀有性。珍珠和宝石都具有颜色，主要是因为其中含有Fe、 Mn等金属离子。

通過对矿物质食盐、岩石形成过程的介绍，大众对“结晶”这一化学术语有更生活化的认识，并可将此知识延伸到珍珠的生长过程。对宝石相关知识进行科普介绍，则让大众明白珍珠具有颜色的原因。此外，图文并茂是科普读物的另一大特点，有助于大众深入了解活动主题，也是学生了解教材之外的科学概念、科学史及科技进展等的重要途径，对开阔学生的科学视野有举足轻重的作用[5]。

3.3 采访未来化学家

“采访未来化学家”是2010年美国化学周推出的创新活动版块，活动以访谈形式向大众介绍活动主题相关领域的代表性工作者。本次访谈对象Herndon博士是俄亥俄州肯特州立大学地质学系助理教授。作为环境地球化学家，她研究土壤、岩石和水，探索地质化学对土壤的影响。她提出要引导青少年不断探索未知的大自然，以发现其美妙之处，使他们正确地认识化学。

未来化学家版块中还介绍了Herndon博士的工作和成长经历等，使得该版块不局限于单一的化学研究内容，还将其渗入到生活中。Herndon博士的经历也让更多的人明白家庭教育、兴趣等因素能够促进自己不断进步与探索。通过“采访未来化学家”版块，一方面，大众不仅了解到有关化学学科的知识和化学对人类生活的重要作用，更能够正确理解化学发展的意义，并且对化学职业发展有更清晰的认识；另一方面，这些科学家的人生经历，也将激励青少年一代不断学习，朝着积极向上的方向发展。

4 美国化学周活动的启示

本次美国化学周活动紧扣“地球化学”，与商会、学校、博物馆等机构合作开展系列活动，具有几下特点： 活动对象大众化——本次活动面向全体公民；活动内容趣味化——制备晶体等实验吸引了成千上万公众的眼球；活动形式多样化——开展激动人心的制作“云”、超级低温氮气以及大象牙膏实验National Chemistry Week [EB/OL]. 2017-10-28. www.chemistry.msstate.edu.。美国化学周正因为具有以上特点，才能至今仍然生机勃勃，影响深远。由此得出本次化学周活动对我国化学教学的几点启示。

4.1 实现“生活化学化，化学生活化”

美国化学周活动以珍珠为主线，涉及的材料如泻盐、硼砂、土壤、氯化鈉、岩石等均来自于生活，制备泻盐晶体和硼砂晶体，使得学生能在生活中感受到化学的存在，学化学知识，悟化学原理，真正做到生活化学化。虽然珍珠广为人知，但其形成过程较为复杂。本次活动则通过两个晶体制备实验、盐和岩石的科普阅读为民众模拟了珍珠的形成过程，并结合粘粒测量实验，说明珍珠生长环境条件该如何满足，实现将深奥的化学知识以生活化的方式呈现出来，深入浅出。《普通高中化学课程标准（2017年版）》认为，化学科学与生产、生活以及科学技术的发展有着密切的联系，对社会发展、科技进步和人类生活质量的提高有着广泛而深刻的影响[6]。在教学中，教师应重视STSE内容主题的选择和组织，紧密联系生产、生活实际，使学生认识化学与人类生活、生产的密切关系，让学生通过生活化情境开展探究活动，综合运用所学知识解释和解决有关的STSE问题，感受化学对人类生活的重要作用。

4.2 综合学科知识，提高科学素养

美国化学周的长期志愿者Hazari希望美国化学周与其他学科，不仅仅指科学、技术、工程和数学，而是包括所有学科，能够实现进一步整合与联系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.。美国化学周正在努力实现这一目标，如土壤粘粒含量测试以及科普阅读中有关岩石的知识都与地质学相关。这正与美国亚利桑那大学塔兰克教授提出的交叉概念相符合。交叉概念超越学科界限，通过它来分析课程内容，有助于帮助教师建立不同课程之间清晰的联系。思考交叉概念更有利于重新塑造化学课程，使化学课程强调重要的主题而不是一些孤立的话题。于学生而言，交叉概念有助于学生建立与真实生活情境之间的联系，引发学生更有意义的学习[7]。我国新课程改革的重要内容——学科综合，与交叉概念有异曲同工之妙。《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，在化学教学中，教师应重视跨学科内容主题的选择和组织，加强化学与物理学、生物学、地理学、材料科学和环境科学等学科的联系，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律，帮助学生拓宽视野，开阔思路，综合运用化学及其他学科的知识分析解决有关问题，发展学生的科学素养[8]。

4.3 重视非正式学习在化学教育中的作用

非正式学习即发生在教室及学校以外的物理环境或物联网虚拟环境、在无事先计划、无确定的评价方案甚至不为人意识到的环境中达成的学习方式[9]。在国内，由于学校教育占主导地位，非正式学习与正式学习之间的矛盾制约了非正式学习的发展。而美国化学周活动则首先考虑学生对科学的兴趣，突出了学习者的选择权和主动权，强调以兴趣和动机为基础的学习的重要性。它推出的一系列形式多样、丰富多彩的实践活动，面向不同年龄阶层的公众，这也体现了终身学习的思想理念，通过这种“面向大众”的非正式学习活动，真正意义上实现科学普及化。

在终身教育的背景下，非正式学习显得尤为重要。我国在科学普及方面通过中国科学技术协会等机构所做的示范性努力是有目共睹的，如“科普中国”网站的创建。在非正式科学教育的场馆建设及资源开发方面也有可喜的进展，科技馆、博物馆、老年大学、“互联网+”背景下学习方式的多元化等就是最好的证明。但是我国非正式学习活动的开展与推广，仍有较大的提升空间： 在国家层面要充分肯定非正式学习在儿童及成人终身教育中的作用，并大力建设博物馆、图书馆等非正式教育资源；积极开展科学教学研究，促进非正式学习与正式学习更好的融合；对教师进行非正式学习培训，以帮助学生更好地开展非正式学习。

参考文献：

[1][5]张桂林， 文丰玉. 2016年美国国家化学周活动介绍[J]. 化学教学， 2017， （8）： 93～97.

[2]崔福斋等. 生物矿化[M]. 北京： 清华大学出版社， 2007： 55～73.

[3]戈贤平等. 淡水珍珠养殖新技术[M]. 上海： 上海科学技术出版社， 2002： 63～80.

[4]周颖. 化学冬令营开幕式上的发言（节选）[J]. 化学教育， 2008， 29（2）： 81～81.

[6][8]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（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]张宝辉. 非正式科学学习研究的最新进展及对我国科学教育的启示[J]. 全球教育展望， 2010， （9）： 74， 90～92.