基于STSE教育理念的“北京冬奥会”化学科普探索

孙海宙，黄梦兰，章鹏飞，徐伟明

杭州师范大学材料与化学化工学院，杭州 311121

2016年，习近平总书记在“科技三会”上提出，“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”[1]。如何将科技创新成果背后蕴含的内容以人民群众喜闻乐见的形式呈现，帮助民众更好地理解，这已经成为广大化学科普工作者思考的重要话题[2]。

STSE是“Science，Technology，Society and Environment”的英文缩写，旨在强调科学、技术、社会、环境的相互关系，重视科学在社会生产、所处环境和技术发展中的应用[3]。STSE理念注重情境化教学，在教学过程中将现实生活与理论相连接，从而帮助学生加强对所学理论的理解和运用，同时提升其对社会发展、技术装备及所处环境的认识。在2022年北京冬奥会中，谷爱凌和苏翊鸣成功摘金激发国民的自豪，王濛代入感极强的解说点燃国民对冰雪运动的热情，冬奥会吉祥物“冰墩墩”受到国民的追捧。同时一大批彰显人文特色、科技元素、绿色理念的化学先进成果被运用到北京冬奥会的运输、安保、卫生、后勤等方面，极大地助力了北京冬奥会的成功举办，并促成其为一场备受关注、理念先进、成果显著的体育盛会和科技盛会。

借助学生本身对于富有表现力的冰雪运动、富有科技含量的技术和产品的兴趣，我们将STSE教育理念与公众热点事件的科普活动相结合，借助真实的“北京冬奥会”情境科普化学知识，分别从人文冬奥、绿色冬奥和科技冬奥进行阐述，培养其对化学的兴趣以及加深学生对科学事业的认识，进一步提高学生对运用化学促进社会发展、技术进步、环境保护的参与意识(图1)。

图1 STSE教育理念与化学科普

1 人文冬奥

人文冬奥的内涵非常广泛。它不仅仅指借助冬奥会这个平台促进东西方文化的交流、共享与互鉴，更在于对“以人为本”“以文化人”理念的继承和创新，顺应“构建和谐社会”的社会发展趋势和“构建人类命运共同体”的时代发展趋势。本次北京冬奥会注重对中国社会人文思想的传承和发扬，注重现代科技对社会个体的人文关怀，注重对社会和时代发展趋势的建设与推动。

1.1 北京冬奥会奖牌继往开来，凸显人文思想

北京冬奥会的奖牌“同心”设计理念来源于中国传统弦纹玉璧，共设五环，五环同心、同心归圆，表达了“天地合·人心同”的社会人文内涵，也表现了共建人类命运共同体的人文追求。为降低金牌的磨损程度或银牌和铜牌在空气中的氧化程度，奖牌用水性硅烷改聚氨酯涂料作为保护膜，保障了奖牌质感细腻、耐磨性好、绿色环保等性质。奖牌盒的制作采取了中国传统大漆工艺。作为天然高分子材料，大漆的主要化学成分是漆酚、漆酶和漆多糖[4]，在同空气接触之后会逐步硬化、变褐，生成漆膜，从而起到抗腐蚀、抗氧化、耐磨损的作用。

1.2 石墨烯发热服饰温暖护航，体现人文关怀

在北京冬奥会中，颁奖典礼都会在特设的颁奖广场进行。结合了中国传统文化元素的石墨烯发热服饰为颁奖礼仪小姐在低温下顺利完成颁奖仪式提供了重要的保障。不仅如此，石墨烯技术的围巾、手套、袜子也满足了工作人员在低温环境下的保暖需求。石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料[5]，是迄今为止导热系数最高的材料，其能在通电的情况下通过碳分子团之间的摩擦、碰撞产生热能，并以远红外线的形式辐射出来，为人体在低温下提供温暖保障。石墨烯发热服饰以科技为底色为冬奥会增添了一抹人文关怀。

1.3 碳纤维火炬传递冬奥圣火，彰显人文理念

相较于以往着重展示本国文化的点火仪式，本次冬奥点火仪式是以由代表参赛国家和地区的“小雪花”汇聚而成的“大雪花”为主火炬，凸显北京冬奥会的“一起向未来”主题。而将火炬“飞扬”插入其中，完成点火仪式，体现人类命运共同体理念，寓意“微火虽微，永恒绵长，生生不息”。火炬“飞扬”使用高压储氢技术实现在低温下火炬仍能稳定燃烧，同时以钠盐为基础的焰色反应使原本无色的火焰呈黄色。同时“飞扬”的外壳由碳纤维与第三代聚硅氮烷树脂的复合材料制成[6]，能够在高于800 °C的条件下氢气燃烧环境中不起泡、不开裂。

1.4 云绒“冰墩墩”憨态可掬，展现人文精神

北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”以我国国宝——大熊猫为原型，比赛期间受到海内外网友的广泛关注和追捧。其设计通过将冰雪运动和文化要素紧紧结合，展示了中国独特而悠久的历史文化和人文精神，象征着鼓舞人心的奥林匹克精神和顽强拼搏的意志。能够撑起顶流“冰墩墩”的填充物是再生云绒(循环再生聚酯纤维)。它是由多种聚酯高分子材料混纺[7]，其不但具有柔顺爽糯的手感，而且具备了极佳的持久抛弹性能。再生云绒的发展前景也非常广阔，可具备抗菌、除螨、防霉等功能，在“后冬奥”时代其有望以服装家纺产品的形式走进千家万户。

2 绿色冬奥

作为中国庄严宣布“碳达峰、碳中和”目标后主办的首届国际大型体育盛会，北京冬奥会是一次有着重要意义的契机，向国际社会展现在环境保护、绿色发展方面中国履行大国承诺、肩负大国责任、体现大国担当。我们通过介绍本次北京冬奥会中亮相的与化学知识或理论息息相关的技术和产物，引导学生思考化学与环境保护、经济社会发展之间的关系，培养学生“绿水青山就是金山银山”的发展观念和“敬畏化学、理解化学、用好化学”的学习理念[8]。

2.1 二氧化碳(CO2)跨临界直冷制冰技术铸就“冰丝带”

有“冰丝带”之称的国家速滑馆是北京冬奥会标志性场馆，也是唯一新建的冰上竞技场馆。CO2跨临界直冷制冰技术在该馆建造过程中起到了极其重要的作用，在绿色环保、安全无毒的条件下为场馆制备高质量、温度硬度可控的冰面提供了保障。该技术将原本要排放到大气中的CO2回收至制冷装置中，达到良好的制冷效果，同时利用科技手段将制冷结束后的高品质余热回收，可用于冰场融冰、场馆除湿、空调采暖、生活热水[9]。相较于传统的氟利昂和氨制冷剂，CO2制冷剂有着对臭氧层无破坏、安全无毒、能耗低、冰面温差小的优势，完美契合绿色冬奥的理念。

2.2 氢能源燃料车示范运营践行绿色发展

在北京冬奥会和冬残奥会期间，有一千多辆氢燃料电池车投入示范运营。不但为赛事交通运输提供了重要保障，而且践行了绿色环保和可持续发展理念。氢能源燃料车以氢气为燃料，通过电化学反应将化学能直接转变为可利用的电能，几乎只排放生成物——水[10]。氢电池相对于锂电池有着能量密度高、碳排放低、续航能力强的优点，同时在低温条件下也不会受到影响。来自光能、风能资源丰富的张北的“绿电”为电解水制备氢气提供能源，实现了“绿电”制造“绿氢”，从源头上降低了碳排放。氢能源燃料车的示范运营有望促进相关行业的快速发展，助力低碳事业发展。

2.3 聚乳酸(PLA)餐具助力舌尖上的“绿色”

在北京冬奥会的餐厅中，由可降解材料聚乳酸(PLA)制成的一次性餐具、垃圾袋、托盘被广泛使用，克服了原来石油基聚酯材料难降解的缺点，将绿色发展理念融入到饮食过程之中。聚乳酸可由含淀粉的物质通过微生物发酵作用制备，这将很大程度上减少对石油的依赖，且其生产过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、耐菌性及抗紫外线性[11]，在堆肥条件下可以完全降解为水和CO2，有效降低对生态系统的破坏，减轻温室效应。可降解材料在北京冬奥会的亮相将推进人们观念的转变，呼吁人们践行绿色环保理念。

2.4 碲化镉(CdTe)发电玻璃冬奥谢幕走进万千百姓家

供应北京冬奥会各体育场馆的电力不仅有来自张北的风电，还有来自CdTe发电玻璃的绿色光电。CdTe发电玻璃是在普通玻璃上沉积了一层以半导体CdTe为主的薄膜，是一种新型绿色环保建筑材料。通过太阳光照射以后光生电子的产生，可实现发电[12]。CdTe发电玻璃相对于传统玻璃有着反射率低的优势，将有效提高光利用率，实现绿色发电的理念。CdTe发电玻璃最突出的优势是制造成本低廉、原材料消耗极少，发电时CO2排放量小，有望真正走进千家万户，共享绿色发展的成果。

3 科技冬奥

北京冬奥会是一个难得的平台，使世界各国尤其是中国的先进科技成果获得海内外前所未有的关注。实现冬奥盛会科技成果的产业落地，让每一个中国人切实地享受到科技发展的成果，这对于加快现代化科技强国建设具有重要的意义。我们通过介绍本次北京冬奥会中与化学息息相关的科技成果，带领学生见识化学知识在科技发展过程中的重要地位，从而拓宽学生的化学知识面和提高学生的自主创新意识，为培养能建设科技强国的创新型人才做铺垫。

3.1 双组分水性聚氨酯涂料头盔见证中国速度

中国短道速滑队在混合团体接力赛中以2分37秒348的成绩夺得中国代表团北京冬奥会首金。双组分水性聚氨酯涂料作为头盔保护涂料有着抗划伤能力好、VOC (Volatile Organic Compounds)值低、能够有效降低风阻的特点，在中国短道速滑队夺冠之路上发挥了重要的作用。双组分水性聚氨酯涂料是由多异氰酸酯的-NCO基团在水中和多元醇的羟基发生化学反应而成[13]。由于多元醇和溶剂水存在反应的竞争关系，故通常使多异氰酸酯过量来补充其与水的副反应而产生的损失。双组分水性聚氨酯涂料凭借其特有的优势，将在汽车面漆、木器补漆及皮革涂料等领域获得更广泛的运用。

3.2 双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)纪念钞铭刻北京冬奥会拼搏中国瞬间

在北京冬奥会开幕之际，中国人民银行发行北京冬奥会纪念钞，受到人民群众的热烈欢迎。本款北京冬奥会纪念钞是由BOPP (双向拉伸聚丙烯薄膜)制成，有着难以复制、耐磨损性强、科技含量高的特点。将聚丙烯颗粒在低于薄膜熔点、高于玻璃化温度时，通过物理、化学等手段制成平片[14]，再将平片在横纵两个方向进行拉伸后便可制得双向拉伸聚丙烯薄膜。随后经过涂布、印刷、防伪等工序处理之后便可制得印有冰雪运动员、长城、冰雪等图案的冬奥纪念钞。这对于促进冰雪运动理念传播、推动我国塑料钞领域的发展具有重要的意义。

3.3 凝胶冰雪“永不融化”随时随地体会冰雪魅力

在中国科技馆的冬奥主题特展中，由北京理工大学通过将水凝胶与冰雪结合在一起而研发的“凝胶冰雪”新型材料[15]惊艳亮相。它有着和天然冰雪几乎相同的触感和视感，却不会因长时间触摸而融化。其奥秘在于一种亲水的高聚物网络的应用。该网络集合物理和化学手段交联制得，能够将冰晶融化后的水依然锁在其中。同时其良好的生物相容性也为更广阔的应用奠定了坚实的基础。在未来，凝胶冰雪不仅将对大众冰雪体育运动的推广和普及做出贡献，还将凭借其特殊的性质在农业、机器人和医疗等领域发挥作用，更好地助力科技强国建设。

3.4 增稠流体(STF)材料滑雪服保护运动员拼搏瞬间

在本次北京冬奥会中，运动员苏翊鸣在单板滑雪男子大跳台比赛中夺得冠军，成为首位赢得冬奥会单板滑雪金牌的中国运动员。应用了由聚乙二醇和硅微粒加工制成的剪切增稠流体的滑雪服在保护运动员滑雪过程中起到了很重要的作用。在运动员意外遭受高速撞击时，STF材料能够瞬间形成坚硬的防护层，阻断外来的冲击对运动员的伤害[16]，从而在运动员夺冠之路上提供坚实的帮助。作为非牛顿流体的一种，STF材料除了在滑雪领域能够大展拳脚之外，在矿业、安保等危险行业也能为相关人员提供安全保障。

4 STSE教育理念运用至科普活动中的意义

我们以“北京冬奥会”为情境，其主题口号“一起向未来”为导向，以化学知识(科学)为载体，从“科技冬奥”(技术)、“人文冬奥”(社会)、“绿色冬奥”(环境)三方面来剖析化学技术和产品在实现北京冬奥会“一起向未来”愿景的过程中所起到不可或缺的作用(图2)。以趣味性、科学性的方式帮助学生了解化学技术和产品的前沿应用情况，在科普过程中提高学生的科学素养，培养学生使用科学知识、科学方法和科学态度通过技术手段来解决社会和环境问题的意识，帮助学生构建“科学·技术·社会·环境”相互促进、协同发展的概念，从而实现学生全面可持续发展和更好地服务于科技强国战略、人才强国战略。

图2 基于STSE教育理念的“北京冬奥会”化学科普

这对“双减”政策下义务教育阶段的课后服务等非正式学习环境的科普活动开展有很好的辐射和借鉴意义。STSE教育完全可以以今年6月在四川成都举办的第31届世界大学生夏季运动会，或9月在浙江杭州举办的第19届亚洲运动会为科普活动的情境；同时科普活动的内容也可进行拓展，并不局限于化学，可推广到物理、生物、信息技术等领域，例如运用物理知识对自由式滑雪减震原理、张北柔性直流电网技术的输电原理进行解释，运用生物知识对聚乳酸的生物发酵过程和降解过程进行解释。

5 结语

科学教育是建设科技强国的重要内容和关键途径，是科技创新人才培养的主要阵地[17]。科普活动作为科学教育的重要组成部分，在培育创新人才和提升公民素质方面起到了重要的推动作用。将STSE教育理念应用于公众热点事件知识科普活动中，借助具体的主题情境来促进学生对科学内涵的掌握，加强学生对社会人文、技术手段、环境保护的认识和理解。我们希望在百年未有之大变局中，学生能够具备科学素养、宏观视野和时代意识，结合所学知识推动和引领“人类命运共同体”的构建，帮助我国在激烈的科技竞争中占据领先地位。