基于STSE教育理念的“北京冬奧會(huì)”化學(xué)科普探索

孫海宙，黃夢(mèng)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(shū)記在“科技三會(huì)”上提出，“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)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(yùn)含的內(nèi)容以人民群眾喜聞樂(lè)見(jiàn)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(huà)題[2]。

STSE是“Science，Technology，Society and Environment”的英文縮寫(xiě)，旨在強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的相互關(guān)系，重視科學(xué)在社會(huì)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(guò)程中將現(xiàn)實(shí)生活與理論相連接，從而幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)所學(xué)理論的理解和運(yùn)用，同時(shí)提升其對(duì)社會(huì)發(fā)展、技術(shù)裝備及所處環(huán)境的認(rèn)識(shí)。在2022年北京冬奧會(huì)中，谷愛(ài)凌和蘇翊鳴成功摘金激發(fā)國(guó)民的自豪，王濛代入感極強(qiáng)的解說(shuō)點(diǎn)燃國(guó)民對(duì)冰雪運(yùn)動(dòng)的熱情，冬奧會(huì)吉祥物“冰墩墩”受到國(guó)民的追捧。同時(shí)一大批彰顯人文特色、科技元素、綠色理念的化學(xué)先進(jìn)成果被運(yùn)用到北京冬奧會(huì)的運(yùn)輸、安保、衛(wèi)生、后勤等方面，極大地助力了北京冬奧會(huì)的成功舉辦，并促成其為一場(chǎng)備受關(guān)注、理念先進(jìn)、成果顯著的體育盛會(huì)和科技盛會(huì)。

借助學(xué)生本身對(duì)于富有表現(xiàn)力的冰雪運(yùn)動(dòng)、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(diǎn)事件的科普活動(dòng)相結(jié)合，借助真實(shí)的“北京冬奧會(huì)”情境科普化學(xué)知識(shí)，分別從人文冬奧、綠色冬奧和科技冬奧進(jìn)行闡述，培養(yǎng)其對(duì)化學(xué)的興趣以及加深學(xué)生對(duì)科學(xué)事業(yè)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)運(yùn)用化學(xué)促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、環(huán)境保護(hù)的參與意識(shí)(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(huì)這個(gè)平臺(tái)促進(jìn)東西方文化的交流、共享與互鑒，更在于對(duì)“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(huì)”的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)和“構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體”的時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)。本次北京冬奧會(huì)注重對(duì)中國(guó)社會(huì)人文思想的傳承和發(fā)揚(yáng)，注重現(xiàn)代科技對(duì)社會(huì)個(gè)體的人文關(guān)懷，注重對(duì)社會(huì)和時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)的建設(shè)與推動(dòng)。

1.1 北京冬奧會(huì)獎(jiǎng)牌繼往開(kāi)來(lái)，凸顯人文思想

北京冬奧會(huì)的獎(jiǎng)牌“同心”設(shè)計(jì)理念來(lái)源于中國(guó)傳統(tǒng)弦紋玉璧，共設(shè)五環(huán)，五環(huán)同心、同心歸圓，表達(dá)了“天地合·人心同”的社會(huì)人文內(nèi)涵，也表現(xiàn)了共建人類(lèi)命運(yùn)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(jiǎng)牌用水性硅烷改聚氨酯涂料作為保護(hù)膜，保障了獎(jiǎng)牌質(zhì)感細(xì)膩、耐磨性好、綠色環(huán)保等性質(zhì)。獎(jiǎng)牌盒的制作采取了中國(guó)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(huì)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(hù)航，體現(xiàn)人文關(guān)懷

在北京冬奧會(huì)中，頒獎(jiǎng)典禮都會(huì)在特設(shè)的頒獎(jiǎng)廣場(chǎng)進(jìn)行。結(jié)合了中國(guó)傳統(tǒng)文化元素的石墨烯發(fā)熱服飾為頒獎(jiǎng)禮儀小姐在低溫下順利完成頒獎(jiǎng)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(mǎn)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(guò)碳分子團(tuán)之間的摩擦、碰撞產(chǎn)生熱能，并以遠(yuǎn)紅外線的形式輻射出來(lái)，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(huì)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(guó)文化的點(diǎn)火儀式，本次冬奧點(diǎn)火儀式是以由代表參賽國(guó)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(huì)的“一起向未來(lái)”主題。而將火炬“飛揚(yáng)”插入其中，完成點(diǎn)火儀式，體現(xiàn)人類(lèi)命運(yùn)共同體理念，寓意“微火雖微，永恒綿長(zhǎng)，生生不息”。火炬“飛揚(yáng)”使用高壓儲(chǔ)氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)在低溫下火炬仍能穩(wěn)定燃燒，同時(shí)以鈉鹽為基礎(chǔ)的焰色反應(yīng)使原本無(wú)色的火焰呈黃色。同時(shí)“飛揚(yáng)”的外殼由碳纖維與第三代聚硅氮烷樹(shù)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(kāi)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(huì)吉祥物“冰墩墩”以我國(guó)國(guó)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(jì)通過(guò)將冰雪運(yùn)動(dòng)和文化要素緊緊結(jié)合，展示了中國(guó)獨(dú)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(qiáng)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)吹氖指校揖邆淞藰O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(shí)代其有望以服裝家紡產(chǎn)品的形式走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。

2 綠色冬奧

作為中國(guó)莊嚴(yán)宣布“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)后主辦的首屆國(guó)際大型體育盛會(huì)，北京冬奧會(huì)是一次有著重要意義的契機(jī)，向國(guó)際社會(huì)展現(xiàn)在環(huán)境保護(hù)、綠色發(fā)展方面中國(guó)履行大國(guó)承諾、肩負(fù)大國(guó)責(zé)任、體現(xiàn)大國(guó)擔(dān)當(dāng)。我們通過(guò)介紹本次北京冬奧會(huì)中亮相的與化學(xué)知識(shí)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(hù)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(chēng)的國(guó)家速滑館是北京冬奧會(huì)標(biāo)志性場(chǎng)館，也是唯一新建的冰上競(jìng)技場(chǎng)館。CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)在該館建造過(guò)程中起到了極其重要的作用，在綠色環(huán)保、安全無(wú)毒的條件下為場(chǎng)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(dá)到良好的制冷效果，同時(shí)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(chǎng)融冰、場(chǎng)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(duì)臭氧層無(wú)破壞、安全無(wú)毒、能耗低、冰面溫差小的優(yōu)勢(shì)，完美契合綠色冬奧的理念。

2.2 氫能源燃料車(chē)示范運(yùn)營(yíng)踐行綠色發(fā)展

在北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)期間，有一千多輛氫燃料電池車(chē)投入示范運(yùn)營(yíng)。不但為賽事交通運(yùn)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(chē)以氫氣為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫碾娔埽瑤缀踔慌欧派晌铩甗10]。氫電池相對(duì)于鋰電池有著能量密度高、碳排放低、續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在低溫條件下也不會(huì)受到影響。來(lái)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(shí)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(chē)的示范運(yùn)營(yíng)有望促進(jìn)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(huì)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(pán)被廣泛使用，克服了原來(lái)石油基聚酯材料難降解的缺點(diǎn)，將綠色發(fā)展理念融入到飲食過(guò)程之中。聚乳酸可由含淀粉的物質(zhì)通過(guò)微生物發(fā)酵作用制備，這將很大程度上減少對(duì)石油的依賴(lài)，且其生產(chǎn)過(guò)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞，減輕溫室效應(yīng)。可降解材料在北京冬奧會(huì)的亮相將推進(jìn)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(jìn)萬(wàn)千百姓家

供應(yīng)北京冬奧會(huì)各體育場(chǎng)館的電力不僅有來(lái)自張北的風(fēng)電，還有來(lái)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(guò)太陽(yáng)光照射以后光生電子的產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電[12]。CdTe發(fā)電玻璃相對(duì)于傳統(tǒng)玻璃有著反射率低的優(yōu)勢(shì)，將有效提高光利用率，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)電的理念。CdTe發(fā)電玻璃最突出的優(yōu)勢(shì)是制造成本低廉、原材料消耗極少，發(fā)電時(shí)CO2排放量小，有望真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，共享綠色發(fā)展的成果。

3 科技冬奧

北京冬奧會(huì)是一個(gè)難得的平臺(tái)，使世界各國(guó)尤其是中國(guó)的先進(jìn)科技成果獲得海內(nèi)外前所未有的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)冬奧盛會(huì)科技成果的產(chǎn)業(yè)落地，讓每一個(gè)中國(guó)人切實(shí)地享受到科技發(fā)展的成果，這對(duì)于加快現(xiàn)代化科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)具有重要的意義。我們通過(guò)介紹本次北京冬奧會(huì)中與化學(xué)息息相關(guān)的科技成果，帶領(lǐng)學(xué)生見(jiàn)識(shí)化學(xué)知識(shí)在科技發(fā)展過(guò)程中的重要地位，從而拓寬學(xué)生的化學(xué)知識(shí)面和提高學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)，為培養(yǎng)能建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)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(jiàn)證中國(guó)速度

中國(guó)短道速滑隊(duì)在混合團(tuán)體接力賽中以2分37秒348的成績(jī)奪得中國(guó)代表團(tuán)北京冬奧會(huì)首金。雙組分水性聚氨酯涂料作為頭盔保護(hù)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(diǎn)，在中國(guó)短道速滑隊(duì)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(tuán)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，故通常使多異氰酸酯過(guò)量來(lái)補(bǔ)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(shì)，將在汽車(chē)面漆、木器補(bǔ)漆及皮革涂料等領(lǐng)域獲得更廣泛的運(yùn)用。

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

在北京冬奧會(huì)開(kāi)幕之際，中國(guó)人民銀行發(fā)行北京冬奧會(huì)紀(jì)念鈔，受到人民群眾的熱烈歡迎。本款北京冬奧會(huì)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(qiáng)、科技含量高的特點(diǎn)。將聚丙烯顆粒在低于薄膜熔點(diǎn)、高于玻璃化溫度時(shí)，通過(guò)物理、化學(xué)等手段制成平片[14]，再將平片在橫縱兩個(gè)方向進(jìn)行拉伸后便可制得雙向拉伸聚丙烯薄膜。隨后經(jīng)過(guò)涂布、印刷、防偽等工序處理之后便可制得印有冰雪運(yùn)動(dòng)員、長(zhǎng)城、冰雪等圖案的冬奧紀(jì)念鈔。這對(duì)于促進(jìn)冰雪運(yùn)動(dòng)理念傳播、推動(dòng)我國(guó)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(shí)隨地體會(huì)冰雪魅力

在中國(guó)科技館的冬奧主題特展中，由北京理工大學(xué)通過(guò)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(huì)因長(zhǎng)時(shí)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(shí)其良好的生物相容性也為更廣闊的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在未來(lái)，凝膠冰雪不僅將對(duì)大眾冰雪體育運(yùn)動(dòng)的推廣和普及做出貢獻(xiàn)，還將憑借其特殊的性質(zhì)在農(nóng)業(yè)、機(jī)器人和醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮作用，更好地助力科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

3.4 增稠流體(STF)材料滑雪服保護(hù)運(yùn)動(dòng)員拼搏瞬間

在本次北京冬奧會(huì)中，運(yùn)動(dòng)員蘇翊鳴在單板滑雪男子大跳臺(tái)比賽中奪得冠軍，成為首位贏得冬奧會(huì)單板滑雪金牌的中國(guó)運(yùn)動(dòng)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(hù)運(yùn)動(dòng)員滑雪過(guò)程中起到了很重要的作用。在運(yùn)動(dòng)員意外遭受高速撞擊時(shí)，STF材料能夠瞬間形成堅(jiān)硬的防護(hù)層，阻斷外來(lái)的沖擊對(duì)運(yùn)動(dòng)員的傷害[16]，從而在運(yùn)動(dòng)員奪冠之路上提供堅(jiān)實(shí)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(xiǎn)行業(yè)也能為相關(guān)人員提供安全保障。

4 STSE教育理念運(yùn)用至科普活動(dòng)中的意義

我們以“北京冬奧會(huì)”為情境，其主題口號(hào)“一起向未來(lái)”為導(dǎo)向，以化學(xué)知識(shí)(科學(xué))為載體，從“科技冬奧”(技術(shù))、“人文冬奧”(社會(huì))、“綠色冬奧”(環(huán)境)三方面來(lái)剖析化學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)北京冬奧會(huì)“一起向未來(lái)”愿景的過(guò)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(guò)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(shí)、科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度通過(guò)技術(shù)手段來(lái)解決社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題的意識(shí)，幫助學(xué)生構(gòu)建“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境”相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展的概念，從而實(shí)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(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。

圖2 基于STSE教育理念的“北京冬奧會(huì)”化學(xué)科普

這對(duì)“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(dòng)開(kāi)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(yùn)動(dòng)會(huì)，或9月在浙江杭州舉辦的第19屆亞洲運(yùn)動(dòng)會(huì)為科普活動(dòng)的情境；同時(shí)科普活動(dòng)的內(nèi)容也可進(jìn)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(yùn)用物理知識(shí)對(duì)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(jìn)行解釋?zhuān)\(yùn)用生物知識(shí)對(duì)聚乳酸的生物發(fā)酵過(guò)程和降解過(guò)程進(jìn)行解釋。

5 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)教育是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)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(dòng)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(dòng)作用。將STSE教育理念應(yīng)用于公眾熱點(diǎn)事件知識(shí)科普活動(dòng)中，借助具體的主題情境來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)內(nèi)涵的掌握，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)社會(huì)人文、技術(shù)手段、環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)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(shí)代意識(shí)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)推動(dòng)和引領(lǐng)“人類(lèi)命運(yùn)共同體”的構(gòu)建，幫助我國(guó)在激烈的科技競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。