大学化学, 2019, 34(8): 160-166 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905019

科普

播种化学梦  铸造科学魂——西北大学化学科普实验室的实践与反思

姚凤凤1,2, 闫春更3, 张伟1, 马佳妮1, 赵军龙,1, 谢钢,1

Northwest University: Sowing the Seed of Chemistry and Weaving the Dream of Science, Development and Reflection of the Public Science Laboratory of Chemistry

YAO Fengfeng1,2, YAN Chungeng3, ZHANG Wei1, MA Jiani1, ZHAO Junlong,1, XIE Gang,1

通讯作者: 赵军龙,Email: zhaojunlong327@163.com谢钢,Email: xiegang@nwu.edu.cn

收稿日期: 2019-05-6   接受日期: 2019-05-31  

基金资助: 陕西省一流专业建设项目
西北大学本科教学质量提升计划.  JX17079

Received: 2019-05-6   Accepted: 2019-05-31  

Fund supported: 陕西省一流专业建设项目
西北大学本科教学质量提升计划.  JX17079

摘要

在新高考改革的背景下,提升学生学习化学的兴趣势在必行。在探索如何让化学以更好的方式示人,如何培养、提升学生学习化学的兴趣和科学态度的路途中,西北大学化学科普实验室应运而生。本文从项目产生的背景、项目愿景与目标、项目建设与实施、项目评价与反思以及项目展望五方面对化学科普实验室的实践与反思进行了介绍。

关键词: 科学教育 ; 学习兴趣 ; 实验探究 ; 趣味化学

Abstract

Under the background of college entrance examination reform, it becomes imperative to improve the students' interest in chemistry. During the effort to investigate how to present the chemistry knowledge, to cultivate and promote students' interest and professional attitude towards chemistry, we developed the public science education laboratory of College of Chemistry and Materials Science, Northwest University. In the current paper, we introduced the background of setting-up, the missions and targets of the laboratory, as well discussed the construction, evaluation systems and prospection of the laboratory.

Keywords: Science education ; Learning interest ; Laboratory research ; Interesting chemistry

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姚凤凤, 闫春更, 张伟, 马佳妮, 赵军龙, 谢钢. 播种化学梦  铸造科学魂——西北大学化学科普实验室的实践与反思. 大学化学[J], 2019, 34(8): 160-166 doi:10.3866/PKU.DXHX201905019

YAO Fengfeng. Northwest University: Sowing the Seed of Chemistry and Weaving the Dream of Science, Development and Reflection of the Public Science Laboratory of Chemistry. University Chemistry[J], 2019, 34(8): 160-166 doi:10.3866/PKU.DXHX201905019

自2014年9月起,浙江、上海两省市决定从新入学的高中生开始,结合各地课程改革的实际,在全国率先实施新高考改革方案。在此背景下,化学学科从理科生必考科目演变为选考科目,在高校招生考试中的地位发生了明显的变化,学生对化学学科的态度倾向是否也会随之发生变化?有研究者通过调查发现,学生在选择高考科目时,除了考虑自身的学习基础、家长和教师的建议等因素外,学生本人对这门课程的价值认同、兴趣态度、学习信心等情感态度是影响其科目选择的决定性要素[1]。从2014–2017年,两大试点已完整地走完了第一轮高考改革的实践,调查显示,虽然学生基本认同化学对社会发展等方面的价值,但其在兴趣态度上的表现却令人担忧,特别是对从事化学学科相关工作的兴趣[2]。国际科学教育研究也显示,从20世纪80年代开始,年轻人愿意从事科学相关职业的兴趣在不断地下降,不少研究者将提升学生对科学学习的兴趣态度作为“科学教育研究的紧迫议程”[3]。在探索如何让化学以正确的姿态示人,如何培养、提升学生学习化学的兴趣和科学态度的路途中,西北大学化学科普实验室应运而生。

1 项目愿景与目标

1.1 项目愿景

调查表明,绝大多数学生对科学的学习兴趣主要体现在参与科学活动、获取课外科学资源,而非一般意义上的课堂学习[4],目前国内的科学教育现状如表1所示。

表1   科学教育现状分析

科普场所科普形式师资队伍
科技馆科学类展品参观演示志愿者讲解员、辅导员
中小学科学课堂授课、看视频中小学教师、兼职教师
中小学科学课堂授课、看视频中小学教师、兼职教师
科普机构科学类实验动手体验社会应聘
中小学科学课堂授课、看视频中小学教师、兼职教师
科普机构科学类实验动手体验社会应聘

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图1为目前科学教育机构、组织之间的关系。中小学科学教育处于比较边缘的位置,处境被动;大学具有丰富的资源,处于科学教育中心[5],但很多时候并没能完全起到辐射作用;博物馆、科技馆则扮演了资源整合的角色[6],是承上启下的核心,但更新换代慢、活动设计单一。西北大学化学科普实验室立足学科优势,充分利用大学优质资源与条件来服务中小学科学教育,为高等化学教育与基础化学教育之间搭建桥梁,弥补传统科学教育的劣势,为化学学科的体系化发展贡献力量。

图1

图1   科学教育组织关系示意图


1.2 项目目标

项目研创团队充分考量了西北大学现有化学教育资源优势及陕西省基础教育阶段学生化学素养发展现状和需求,进一步明确了该项目目标:

(1)利用高校化学资源与条件优势服务基础化学教育,实现高等化学教育与基础化学教育的有效对接,传播化学学科思想,展示化学科学魅力,弘扬化学科学价值观。

(2)开发特色化学体验课程,创设化学科学体验环境,为学生全面而深入地理解化学、热爱化学、研究化学提供支撑。设计并开展趣味性实验、探究性实验等化学实践活动,通过现场演示、动手操作、启发式交流、开放式评价和科学思考总结的“4 + 1”环节,激发学生对化学学习兴趣,增强学生感性体验与理性思维的融合,增强其环保意识、安全意识和合作探究意识,提升其科学素养。

(3)通过资源开发和技术支持等途径,推进并支持中小学校园科普文化建设,吸引更多的学生选考化学,选择化学专业并从事与之相关的工作。把科普活动带入乡村,让贫困地区的学生接触趣味化学实验,体悟科学方法、科学思想与科学精神。

2 项目建设与实施

2.1 项目建设

在项目目标指引下,研创团队从人力资源、硬件资源方面完成项目建设。

2.1.1 人力资源

西北大学化学科普实验室项目指导团队以西北大学化学国家级实验教学示范中心资深专家带队,项目管理部门主要有科普实践部、内务外联部。管理团队成员由西北大学各院系对公益科普事业有热情的青年学者组成,有过硬的相关专业科学知识功底和丰富的社会实践经验。

项目成员有西北大学化学与材料科学学院教授2人、副教授1人、博士生2人(高分子化学、有机化学专业)、硕士生8人(物理化学3人、无机化学3人、分析化学2人)、本科生10余人(应用化学、材料化学、化学基地班)。

2.1.2 硬件资源

西北大学化学科普实验室现有110平米线下实体实验室,拥有20套基础化学实验装置、6台3D打印机和1套VR虚拟趣味实验机。

2.2 项目实施类型与案例

项目实施以来,主要开展了以下四方面的工作:(1)承接中小学校园科普文化建设工作,辅助学校进行科普工作。为中小学提供特色校园文化建设服务:科技与时事热点相结合提供“每天一个科普小知识,每周一节科学实验课,每周一期科普实验视频”、筹办科技主题活动、创建科学社团等。(2)与科技馆合作,提供实验活动设计和组织等服务。为科技馆提供与众不同的科普活动设计服务:提供长期的活动设计方案、排练科普知识类晚会节目、组织实验秀等。(3)创设线下实体实验室,提供实验探究体验服务。为亲子团体、学习小组提供趣味性科学实验体验服务,为中小学生提供趣味实验体验课程。(4)组织扶贫公益,助力贫困地区文明建设。实验室与贫困地区中小学合作,通过培训相应教师、提供科普实验课程方案、辅助建设科普社团、提供仪器和实验材料等,助力校园科普文化建设,让贫困地区的孩子能获取到更为丰富、具有可持续性的科学知识。相关案例介绍如下。

2.2.1 “小小化学家”实验探究课程

开设“小小化学家”实验探究课程,以思维严谨、逻辑缜密的探究实验为基础,从正式规范的实验操作开始,引导学生积极思考,勇于发现、探索[7]。在实验方案的设计上保证了实验的趣味性、可操作性以及前沿性[8]。取材贴近于生活,带领学生发现身边的知识和奥秘,佐以实验探究表格或实验课堂导读,以三人小组为单位合作开展实验探究。

部分探究实验课程展示:

第一部分  食品添加剂与食品安全

1、探究真假乳制品

奶茶店里售卖的奶茶,原料是牛奶吗?浓浓奶香自然好喝,但它真的有营养吗?也许我们的眼睛会骗人,来尝试做一杯假牛奶,学习如何用科学的手段来鉴别真假牛奶吧。

2、食物调香师(香精类食品添加剂的认识)

浓浓香味让人食欲大开,有很多的香气来自于工厂的合成产品,找找看这些味道里面有没有熟悉的那一种,尝试变身调香师,“创造”喜欢的味道。

3、增稠剂与凝固剂

顺滑的口感离不开增稠剂的作用,增稠剂在生活中是如何使用的?凝固剂与增稠剂又有什么区别?一起研究豆腐、果冻在二者的作用下是如何完成华丽变身的。

4、甜甜的是糖吗?(甜味剂的认知)

标注着无糖的可乐仍然能够喝出甜味,甜味是能够带给人类幸福感的味道,而这种幸福的味道仅仅来自于糖吗?加入到食品中的甜味剂对我们身体又有什么影响吗?糖在生活中又扮演着怎样重要的角色呢?

5、保持食物的新鲜与稳定(防腐剂的认知)

在购买东西时我们习惯于看一看生产日期,新鲜的食物更有吸引力。但在超市里买到的食物中或多或少地加入了一些防腐剂的成分,认识一下这些无处不在的防腐剂,尝试制作果汁,并保持它的新鲜。

第二部分  颜料与印染技术

1、回忆的蓝色(蓝晒法冲洗照片)

在没有数码相机的年代里,记录生活需要靠化学反应来完成,让时间回到1842年,体验最经济实惠的照片冲洗办法——用蓝晒法冲洗相片。

2、植物与染色剂

喜欢牛仔裤的蓝色吗?早在六千多年前秘鲁人已经学会了如何去印染神奇的蓝色,这种办法可以将颜色牢固地附着在布料上,在蓝色附着的同时伴随着各种各样的化学变化,是怎样的化学变化呢?

3、躲藏在不同溶剂的颜色(水性颜料与油性颜料的研究)

食用色素、水彩笔、油画棒、丙烯颜料、国画颜料……这些颜料一样吗?不同颜料的特质决定了颜料的应用方向,一起来探究一下水性颜料与油性颜料的不同,如何保持这些颜色经久不衰。

4、蔬菜水果中色素的提取与研究

走入菜市场,五彩缤纷的水果蔬菜让人食欲大开,我们吃到肚子里的颜色是什么样的成分?尝试提取这些好看的颜色并用它们来画画吧。

第三部分  各色金属变化多

1、铁矿石与铁的冶炼

铁是人类文明中最重要的金属,人类最早发现铁是从天空落下的陨石,考古学家曾经在古坟墓中发现陨铁制成的小斧,铁在当时被认为是带有神秘性的最珍贵的金属。而今天我们如何去利用和大规模生产铁呢?

2、懒惰的金属和活泼的金属

你知道吗?金属里也有活泼的小孩和懒惰的小孩,活泼的金属能够比较容易地参与到各种化学反应中,而懒惰的金属更喜欢独来独往,这些性质条件使不同的金属在生活中扮演着不同的角色,它们各司其职,在生活中起着不同的作用。

第四部分  现代材料的研究与应用

1、光敏材料

从古代的夜明珠到如今的夜光涂料,这些材料为什么能够发出不同光亮和颜色?在其中蕴含着什么科学原理和化学变化?

2、温变材料

温变材料可以随着温度的升高和下降而反复改变颜色。让温变材料反复改变颜色的秘密在于其中蕴含的小胶囊在保护着色彩的结构,在隐藏状态下呈现透明,而我们利用这些材料就可以制造各种会变色的玩具了。

第五部分  化学与现代工业

1、现代农业与化肥

地球上众多的人口想要填饱肚子不是一件容易的事情,而提高粮食产量最快速的方法就是利用现代化工生产技术让植物生长得更快更好,学习生产和制造化肥的过程并理解化肥如何被植物利用。

2、肥皂与皂化反应

肥皂是每个家庭必备的日化产品,然而早期的肥皂是一种奢侈品,这种人工合成的洗涤剂改变了生活,利用科学知识,学习如何制造一块肥皂吧。

2.2.2 科普实验剧本

以丰富多彩的表演形式外加跌宕起伏的实验过程,将精彩的化学实验与舞台相结合,通过相声、音乐剧,或者小品、唱跳舞蹈,达到将实验的神奇与节目融合在一起的目的。以探究性实验课程“历史中的化学传奇——火”为例,将其改编为科学实验节目,并取得了较为良好的演出效果,如图2所示。图3为科普剧“新编白雪公主”剧照。

图2

图2   “历史中的化学传奇——火”剧照


图3

图3   “新编白雪公主”剧照


2.2.3 科普实验视频

将学生们动手实验的过程用视频录制下来,让学生用自己的语言去表达,不仅能够锻炼学生的动手能力,而且对表达能力和语言组织能力也有很大的提升。图4是在西安市莲湖区行知小学的校园电视台拍摄的属于学生们的实验探秘节目。

图4

图4   实验探秘节目视频截图


2.2.4 现有科普教育模式

① “化未来化学社团”——每周开展化学实验课,每次实验均配备实验记录表、实验总结。

② “化学大观园”——周一到周四每天一条化学知识报道,周五总结回顾。

③ “趣玩实验室”——每周一期化学视频,时长3 min。

④ “化学小天地”——每月一期化学知识主题科普板,以制作宣传板为主,附加本月化学社团成果展示。

⑤ “化学月”“实验大闯关”“科普节目秀”——根据学校安排,开展校内科普实验活动。

2.3 项目实施成果(部分)
2.3.1 中小学校园科普文化建设成果

自2017年7月成立至今,西北大学化学科普实验室先后与西北大学附属小学、西安小学、西安高新第一小学、西安交通大学附属小学、陕西师范大学附属小学、西北工业大学附属小学、西安远东教育集团第一小学、西安市曲江第一中学、铜川市阿庄中学等二十余所中小学校及家长协会达成合作。在与中小学合作建设校园科普文化方面,实验室已有丰富的合作经验和成熟的合作方案,能专业、迅速地帮助学校形成个性化科普教育模式。

2.3.2 与科技馆合作成果

化学科普实验室已经与陕西省科技馆、榆林市科技馆、延安市科技馆、西安市儿童科技馆等确立合作关系,为科技馆设计变化多样、有趣好玩的科学表演方案,参与人数过万人。科学实验展示活动受到各大科技馆的广泛好评,得到科技馆和来访者的一致认可。

2.3.3 化学科普实验室

实验室周末及节假日在西北大学国家级实验教学示范中心组织面向中小学生开放的实验体验课。学生可以根据自身兴趣和要求在线上平台选择主题实验项目,在确保安全的前提下,由专业人员在化学科普实验室里提前讲解、示范演练,学生学会基础操作后可自主进行实际操作。作为趣味实验室,不仅可以弥补校内教学课堂中动手操作能力的欠缺,同时还可以更一步促进同学之间的交流,培养其探究、合作能力。将化学带入生活的同时,激起学生对化学的浓厚兴趣。

实验室自2017年7月建立以来,已开发原创课程超80节,累计9000余名学生完成实验体验课程,科学实验知识辐射人数超40000人;其中,有超65%的学生参加了两期以上的课程;客户群体好评率达95%以上。

2.3.4 扶贫公益成果

目前实验室团队成员已赴平利县、周至县、白水县等国家级贫困县开展科普活动,并与校方在校园科普文化建设方面达成共识,计划一年内让50个中小学的学生与化学“零距离,面对面”接触,感受化学学科魅力。

3 项目评价与反思

3.1 学生反馈

在体验完化学科普实验室探究课程后,学生表示对化学有了新的认识,发现化学是一门神奇、有趣的学科,在每次探究活动中都特别开心与激动;实验后常常带着满怀的好心情、好回忆以及满脑子的知识而归,并且实验过后对实验的步骤、现象以及注意事项都记忆犹新。学生在亲自体验后感受到了科学产品的来之不易,体会到了科学的奥妙,对大学有了新的认识,并且期待考上一所好大学,在谈及职业理想时,许多学生表示以后想成为科学家。以下内容选自学生日记:

学生1:今天,我去了西北大学化学科普实验室,一进入实验室就看见桌子上摆满了瓶瓶罐罐,还有很多化学实验器材。我怀着激动、好奇的心情穿上了白大褂,戴上了防护眼镜和手套。老师先进行示范、讲解,接着让我们试着自己去做,我很紧张,手还有点抖。老师带我们做了很多有趣的实验,给我们看了3D打印机,里面可以打印出大白、面具、小飞行旗。真的很高兴,看似简单的飞行旗做起来却需要花费1–2个小时,程序相当复杂,科学产品真是来之不易啊。今天的实验让我对化学有了新的认识,它是那么神奇,那么有趣!

学生2:今天,我在老师的带领下做了一些有趣的化学实验。原来以为化学实验很危险,但今天发现做实验真有趣,很崇拜教我们做实验的大学生老师,以后也想像他们一样钻研科学,考上像西北大学这样的好大学。看来为了实现我的目标要开始好好学习,天天向上了。

学生3:今天下午真开心呀!我去了西北大学化学科普实验室,观看了有趣的实验,自己还体验了一回。老师先给我们讲解了什么是二氧化碳,接着做了几个实验:有可以让水马上结冰的实验,有在泡好的茶里放了一点二氧化碳颜色就变成紫色的实验,还有杯中彩虹实验等等。这次活动给我留下了深刻的印象,我虽然不知道各种实验器材的名称,但是随着我年龄的增长、知识的积累,我长大后有可能会像居里夫人那样终身陪伴它们。

3.2 项目反思

项目对于基础教育的意义:该项目充分利用大学的仪器设备、创新人才、前沿知识、文化氛围等优质资源弥补基础教育的资源、精力匮乏。将大学科研精神带入中小学,开拓学生视野,激发学习化学的兴趣,启发思维,培养科学探究与创新意识;全面助力中小学校园科普文化建设,充分展示化学魅力;助力科技馆开展科技体验活动,有利于开拓学生的科学视野,了解社会、科技、生活情境中科学知识的运用。

项目对于高等教育的意义:大学生可以充分利用所学知识,利用身边资源进行创新活动,既调动了大学生的创新意识,又巩固了所学的基础知识,学以致用,实现了前沿知识与基础知识的有效融合。同时,西北大学就业创业指导中心方面表示:“这个创业项目来源于学生所学专业,体现了“科创互哺”的特点,也说明现在大学生对创业已不再陌生,敢于在创业的道路上大胆实践,对创业内容的选择更加有的放矢、科学审慎。学校也要发挥好引导作用,营造良好的创业氛围,强化大学生创业意识,注重发掘和培养创新创业人才,打造创业精品项目。”

对于社会的意义:营造科学文化氛围,直接或间接引领全民进行科普,从而消除人们对化学的偏见,提高全民科学素质。

4 项目展望

西北大学化学科普实验室项目目前还在不断地探索与实践中,还需要更系统化的实验课程设计,有待不断改良实验体系;未来将结合教育发展潮流(如STEAM课程[9]、慕课等)去探索如何优化项目结构与内容,增强学生的课程体验;需要逐步扩大科普规模(覆盖面),进一步提升其教育价值,让更多孩子受益,感受化学魅力。

参考文献

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徐培珍; 赵斌; 孙尔康. 化学实验与社会生活, 南京: 南京大学出版社, 2008.

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