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从奥运会中的化学知识说起

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月26日 21:11:14

  摘要:结合体育新闻事件和体育活动,介绍体育中的化学知识,不但可以提高学生对化学学习和体育运动的兴趣,增长科学知识,还可以增加他们对科学过程和方法的了解,体会科学技术对社会和个人所产生的影响,从而提升学生的科学素养,同时也提高化学教学效果。文章介绍了体育中的一些化学教学素材,以及把这些素材融入教学的效果调查、体会和建议。 
  关键词:体育;化学素材;科学素养;化学教学资源 
  文章编号:1005–6629(2016)11–0029–06 中图分类号:G633.8 文献标识码:B 
  1 引言 
  体育运动为化学技术的应用提供了一个舞台,化学也为体育运动的发展进步做出了积极贡献。将化学元素融入到体育领域里,有助于体育健儿创造佳绩,使体育运动变得更有魅力。为此,我们可以引导学生从奥运的角度认识化学,了解体育中蕴含的丰富的化学知识,提升科学素养。2016年里约奥运会引发了一轮关注体育运动的热潮。针对学生对体育中丰富的化学知识不太了解这一情况,笔者在里约奥运会举办前后,注意开发适合学生实际的体育中的化学素材,向学生介绍跟体育运动和赛事有关的化学知识,使之融入化学教学,激发学生学习化学的兴趣,受到学生的欢迎。现将有关内容和体会、建议简介如下。 
  2 可供选用的一些教学素材 
  2.1 体育场所建设中的化学 
  北京奥运会主场国家体育场鸟巢外形的钢架采用的是一种型号为Q460的特殊钢材。它是一种低合金高强度钢,强度是普通钢材的两倍,在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形,生产难度很大;体育场屋顶钢结构上覆盖双层膜结构,上层为耐腐蚀性、保温性能好,自洁能力较强且透明的ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)膜,下层为半透明的PTFE(以玻璃纤维织物为基材涂覆聚四氟乙烯树脂,不易老化,在雨水中具有自洁性能)吸声膜材料,可保证鸟巢内语音的清晰度。“水立方”由大大小小约3000个用ETFE膜材料制作的透明泡状薄膜覆盖,外部光线透过这些薄膜照射到室内,能节省30%的电力,是当时国际上建筑面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。许多体育馆使用的茶色玻璃是一种有机玻璃,主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯,含有微量的铁、钴、硒等氧化物,它透过的红外线只有普通玻璃的四分之一。具有光线柔和、防眩、隔热的效果。 
  田径场的跑道、室内外网球场、羽毛球场、屋顶运动场等经常采用聚氨酯橡胶等材料。跳远场上,一些沙池里填充的并非天然沙子,而是细颗粒的橡胶泥粒,疏松柔软,可保障运动员肌肤不受损伤。 
  没有天然草坪,是开展校园足球运动的障碍之一。如今,以PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PA(尼龙)、聚酯纤维制作的人造足球草坪代替天然草坪,具有弹性好、耐磨抗蚀、安全、经济、美观等优点。 
  2.2 体育设施和器材中的化学 
  1972年的慕尼黑大赛上,美国选手推出了“秘密武器”——一种用涤纶加聚酯制成的新型弓弦。1985年,又一种新的弓弦——高分子聚乙烯弦问世,射箭的命中率又有了进一步的提高。 
  撑竿跳高运动的撑竿最早使用木杆,最高成绩为3.30米;1905年开始使用竹竿,最高成绩达到4.77米;1930年出现金属竿,最好成绩达到4.80米;1948年开始使用玻璃纤维竿。现在的撑杆普遍采用玻璃纤维和合成树脂制成的玻璃钢撑杆。这种撑杆质量轻,弹性好,强度大,使最高成绩已突破6米高度。 
  标枪杆的材料最初采用木材,后来又制成竹杆标枪。1952年起,逐渐改用铝杆标枪。1984年洛杉矶奥运会上,前民主德国选手乌贝霍思使用铝杆标枪,投出105米世界最高纪录。 
  冲浪运动用的帆板大多是泡沫塑料制成,也有用木材、碳纤维和其他材料制成的。 
  保龄球中心以软木塞和合成强化橡胶混合组成,外层用硬质橡胶、塑胶或玻璃纤维包围压制而成。各种颜色的飞碟盘则是用塑料制作的。 
  2.3 运动(员)装备中的化学 
  运动员的服装、训练装备一般是由各种材质的化学合成材料制成的,随着化学材料的更新换代,运动员的服装和训练装备的材料也一直在改进,极大地促进了运动员运动成绩的提高。运动员的服装多采用轻便、耐磨、透气性好、防水防热的有机合成纤维,如涤纶、耐纶、晴纶、氨纶等制成。 
  跳水、游泳运动员穿的泳衣经历了丝绸泳衣、尼龙泳衣、含有超细尼龙纤维和聚氨酯纤维的“大力士”泳衣等演化过程。第四代“鲨鱼皮”泳衣在泳衣的臀部、胸部和大腿位置加入了光滑的聚亚胺酯板材,比“尼龙弹力比基尼泳衣”减少了5%的阻力,利于运动员提高速度。据报道,在水立方参加游泳比赛的运动员,90%都穿“鲨鱼皮”泳衣。还有报道说,是“鲨鱼皮”泳衣成就了美国游泳名将菲尔普斯8金的梦想[1]。 
  不同项目运动员的训练鞋用不同材料制作。如:篮球、排球运动员采用弹性十分好的顺丁橡胶做鞋底,顺丁橡胶(BR)全名为:顺式-1,4-聚丁二烯橡胶,简称BR,分子式为- [CH2-CH=CH-CH2] -n,是由丁二烯聚合制得的结构规整的合成橡胶。与天然橡胶和丁苯橡胶相比,硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨性和弹性特别优异,运动负荷下发热少,耐老化性较好,易与天然橡胶、氯丁橡胶或丁腈橡胶并用。足球运动员使用强度十分高的聚氨酯橡胶作底材,并安装上聚氨酯防滑钉。田径运动员要求鞋柔软而富有弹性,一般选择高弹性的异戊橡胶鞋底。 
  拳击、散打、击剑等运动的护具,武术运动中的刀、枪、鞭等,摔跤、柔道等运动的垫子都采用了化学组成、结构不同的材料。 
  2.4 体育赛事活动中的化学 
  奥林匹克宪章规定,由五个相套的、颜色不同的圆环作为奥林匹克标志,象征五大洲的团结以及全世界的运动员以公正、坦率的比赛和友好的精神在奥林匹克运动会上相见。化学家利用碳原子及氢原子合成了分子结构类似奥林匹克标志的奥林匹克烯(Olympicene,C19H12),并在2009年利用扫描式隧道显微镜拍摄图像(见图1左图)。这是一个由五个苯环融合组成的多环芳烃,属于苯并芘类化合物(见图1右图)。其结构十分微小,宽度只有约1.2纳米,相当于人类头发丝的约10万分之一。 
  “奥林匹克烯”不只是向奥运致意,还有实际的科学价值:它的结构与石墨烯类似,在电学和光学等方面都有独特之处,将来或可应用于研发下一代太阳能电池或发光二极管等。“奥林匹克锁烃”(Olympiadane)的分子中有五个套在一起的圈,而不是并环,其平面(图2a)和立体(图2b)的两种结构示意图如下。 
  历届奥运会开幕式都要举行隆重的“火炬接力”。以前火炬使用的燃料大多是液化天然气,主要成分是甲烷及其他烷烃,燃烧后排放物为二氧化碳和水。丁烷气和煤油是常用的火炬燃料,液态丁烷的火焰风吹不灭,雨淋不熄。2000年悉尼奥运会的火炬燃料是一种由丙烷和丁烷混合而成的燃料,该燃料产生的火焰不仅不怕风吹雨打,而且可以在水下传递,不会污染水体。2008年北京奥运会火炬内燃料是99%以上纯度的丙烷,火苗高达一米,即使在200米以外,仍然清晰可见[2]。火炬还采用高品质铝合金和中空塑料设计,十分轻盈。下半部喷高触感塑胶漆,手感舒适不易滑落。 
  里约当地时间2016年8月10日,当陈若琳和刘蕙瑕参加女子双人十米跳水决赛时,赛场泳池的水竟然变成了碧绿色。据外媒14日报道,巴西工作人员表示,在清洗水池时用了过氧化氢(即双氧水),错误地与氯混合使用,在泳池中发生了次氯酸与过氧化氢的反应,生成盐酸、氧气和水,使次氯酸漂白作用消失,导致水池不再具有杀菌作用,浮藻得以滋生,令池水变绿,里约奥运跳水池变绿多日的谜底终于解开。生活中多数泳池的水呈碧蓝色,是因为加入了硫酸铜的缘故,硫酸铜具有防治绿藻的作用。 
  里约奥运会的200余万套生物塑料餐具来自武汉一家高科技公司,是利用秸秆、竹粉、植物淀粉等可再生原料制造出的可降解生物塑料制品。里约奥运会的奖牌为历届奥运会中最为环保的奖牌:金牌不含损害生态的水银,奖牌所使用的银从回收的旧镜面及废弃X光片中提取而来,银牌和铜牌均使用30%的可循环材料。奖牌绶带由回收的塑料瓶制成。 
  奥运会上五彩缤纷的焰火、发令枪产生的白色烟雾的成分等,都与化学知识息息相关。此外,除了鼓励观众和游客使用公共交工具通前往赛场观赛,奥组委还规定场内只能销售使用可循环利用材料包装制成的食品,用生物柴油为发电机提供动能,改进通风系统以减少空调使用率,降低碳排放量。这些都可与化学教学中的环保话题结合起来。 
  2.5 体育生理保健与安全防护中的化学 
  运动员在运动和比赛中,体内的血液、肌肉等成分和身体机能会发生一系列变化,运动员机体的内环境也在时刻变化着,其中涉及到一些化学知识。教师可结合运动员运动过程中体内发生的生物化学变化、运动员科学饮食、反兴奋剂等内容进行教学。 
  2.5.1 体育生理保健中的化学 
  在进行上海九年级化学下册第五章“酸”的知识的教学时,可结合运动员乳酸堆积进行教学。乳酸是人体运动过程中体内葡萄糖代谢的中间产物。由于运动相对过度,氧气供应不足形成无氧代谢,机体内产生的乳酸不能在短时间内进一步分解为水和二氧化碳,从而导致大量乳酸在体内堆积,引起局部肌肉的酸痛。介绍了乳酸产生机理,教师还可向学生介绍消除乳酸的方法。 
  在体育竞赛中常常有一些运动员盲目使用违禁药物提高比赛成绩,这种行为违反体育道德和体育法规。目前常见的比赛违禁药物有合成类固醇、麻醉剂、兴奋剂、β阻断剂和利尿剂。服用类固醇能增长肌肉、增强耐力,适应大运动量训练和加速训练后的恢复,在比赛中取得较好成绩。但此类药物对身体的危害性很大,不但损伤肝脏,还是肝癌的诱因,而且可以使泌尿系统发生癌变,给心脏、血管带来危害。为维护奥林匹克原则、维护运动员的身体健康,1968年,奥委会公布并完全禁止运动员服用违禁药物[3]。奥运会也规定了一些允许使用的药物和营养剂。如:维生素C、维生素B12、复合维生素、磷酸肌酸、氨基酸混合物、葡萄糖、果糖、抗凝剂、镁、铁、叶酸等,教师可介绍它们的化学成分以及在体育运动中的功效。 
  运动员外伤治疗使用的红药水、碘酒、生理盐水、双氧水、酒精等都与化学有关,教师可结合授课内容介绍这些物质所含化学成分的结构、性质和用途等。 
  2.5.2 体育安全防护中的化学 
  举重、体操等运动员在比赛前一般都要用一种“白粉”擦手,这种白粉是碳酸镁粉,具有良好的吸湿性,可以增大手与器械间的摩擦系数。保障运动员在比赛时手不打滑并起保护作用。 
  一些运动员在比赛场上受伤,队医会迅速向前往运动员身上喷一些液体,片刻后运动员往往又能继续参加比赛。这种液体叫氯乙烷,它极易挥发,同时吸收大量热量,使受伤部位温度瞬间降低,避免和减轻淤血肿胀现象,使运动员痛觉减退,起到镇痛和局部麻醉的作用。 
  3 将体育中化学素材融入教学的途径 
  3.1 创设有利于化学知识教学的体育情境 
  情境教学法是指在教学过程中,教师有目的地引入或创设具有一定情感色彩的、以形象为主体的生动具体的场景,以引起学生一定的态度体验,从而帮助学生理解教材,并使学生的心理机能得到发展的教学方法。情境教学法的核心在于激发学生的情感和动机,以此推动学生认知活动的进行[4]。 
  情境教学可以激发学生学习动机。激发学习动机一般在导入新课时进行,这是学习新课的重要一步。如:一些项目的运动员要参加高原集训,一些学生也有在旅行中经历高原缺氧的经历,他们对高原缺氧原理可能并不知晓。教师在进行上海教育出版社初中九年级化学上册“2.2神奇的氧气”教学时,可播放一段“上海女孩穿越青藏线,肺水肿发作命丧高原”视频创设情境,引起学生对高原缺氧现象的好奇心,进而产生学习氧气性质的动力。依据建构主义学习理论,当学生接收的知识与自身原有认知或日常生活中积累的经验有一定相似之处时,掌握新知识就越容易。在教学过程中,教师根据学生感兴趣的体育知识设置有趣的教学情境,便可以最大程度地激发学生学习兴趣,使之积极参与课堂教学活动,主动掌握新知识,并增强运用已有知识去解决生活和训练中问题的能力。有利于学生在上课时带着积极的情绪,主动地投入到教学活动中来。  在进行氧气性质的教学时,教师可顺便介绍田径比赛中裁判员常用的发令枪的原理。发令枪中所用的“火药纸弹”含有氯酸钾和红磷,扣动扳机时,二者反应发出巨响和闪光,同时生成五氧化二磷的白色固体微粒,在空气中形成白烟。 
  3.2 开发体育中的化学知识的趣味实验,让学生体验科学探究的过程和方法 
  在进行上海九年级化学上册第3章“走进溶液世界”、上海高中一年级第二学期“探究电解质溶液的性质”内容的教学时,教师可让学生带不同种类的运动饮料、电解质饮料到学校。如:宝矿力水特电解质补充饮料、佳得乐运动饮料、脉动维生素饮料、维体运动饮料、怡冠运动饮料等,一起探究不同饮料中所含有的化学成分,测定不同饮料的pH、导电性等,让学生学以致用,对电解质饮料进行深层次的了解。教师还可准备食用柠檬酸、小苏打、食盐、糖等,和学生一起制作运动饮料。 
  在进行高二有机化学内容进行时,教师可让喜爱不同运动的学生带自己的训练鞋到教室,如篮球鞋、足球鞋、跑步鞋、乒乓球训练鞋、羽毛球训练鞋等,教师提前搜集资料,准备PPT,向学生介绍不同运动鞋的化学成分,尤其是鞋底成分,让学生明白不同鞋底含有的材料的差异。 
  教师还可指导学生用漂白粉、硫酸铜等化学物质模拟游泳池的消毒原理,制作一杯类似消毒过的游泳池中的液体;利用生物血液样本试测血液的pH、血乳酸等生理指标变化并进行探究,了解学生机体的疲劳程度,为今后科学锻炼提供有益的指导。 
  3.3 加强观念渗透,促进学生在潜移默化中积淀科学素养 
  观念是人对于事物或者事物某些方面(问题)的概括性的、总结性的、综合性的认识(见解、看法)。这里说的观念,既包括化学学科观念、科学观念,也包括思想道德和其他方面的观念。科学观念可以提供了解和学习科学的基本框架,有利于知识的掌握;促进科学理论形成、发展,提升人的思维品质;引领、调控科学活动,导致规则、方法形成;全面养育科学素质,提升科学教育水平。正确的观念有助于提升人的思维品质,有助于形成正确的世界观和价值观,提升人的思想境界,提高人的认识水平,是立德树人的重要内容和前提性基础[5]。体育中的化学教学应该重视科学观念和其他正确观念的渗透。 
  观念比较抽象,需要教师在教学中结合体育中的化学知识的教学,适时进行渗透。例如,让学生意识到运动员的吃、穿、住、用、行都可以和化学结合起来,逐步形成化学价值观、绿色化学观和必须正确运用化学知识的科学伦理道德观等,促使学生在反复强化学习中积淀科学素养。再如:在进行上海九年级化学下册“7.2食品中的营养素”一节教学时,可对教学内容进行拓展、提升,结合运动员科学饮食、运动员控体重等实践进行教学,将知识学习与实践有机结合起来。学生科学素养的培养需要教师长期的努力,将培养素养的教学常态化、长期化,持之以恒,一定会有所成效[6]。 
  3.4 举办体育中的化学知识竞赛,让学生在主动参与中提升科学素养 
  开展有关体育中的化学知识的知识竞赛并适当设置一些奖品或激励措施,有利于促进学生的参与热情,并在以后的学习、生活中主动关注和积累与体育有关的化学知识,甚至主动关注生活中与化学有关的各种现象,进一步促进学生科学素养的提升,提高学生的生活质量,改变学生的价值观和对一些问题的模糊看法。 
  4 将体育中的化学素材融入教学的效果反馈 
  笔者任教于上海体育学院附属竞技体育学校,该校学生化学学习积极性普遍不高,但大多对体育兴趣浓厚。笔者在里约奥运会举办前后的几个月里,有意识地将有关体育中的化学素材融入教学。为获得学生对这种做法的反馈,笔者设计调查问卷对初三、高一、高二3个年级的学生进行问卷调查,了解学生对于教师结合体育知识进行化学教学的喜好程度、学生对体育中的化学知识的兴趣、学生关注体育中的化学知识的差异性等,共发放问卷128份,回收有效问卷116份。除此之外,笔者还设计了访谈提纲,选取学习基础优、中、落后三类学生各6名进行访谈,以进一步了解学生对教师今后进行化学教学的建议等,也为今后的研究提供参考。问卷调查和访谈结果显示: 
  (1)绝大部分学生喜欢教师将体育融入化学进行教学。 
  调查结果显示,47%的学生认为这种尝试非常好,可以让他们了解体育场馆、运动员服装等的材料,了解兴奋剂知识等;34%的学生认为这种尝试挺好,可以增强学生学习化学的兴趣;两者比例合计达到81%。 
  课堂上,教师结合体育知识进行化学教学,学生学习兴趣的变化情况为:70%的学生学习兴趣有一些提升,15.6%的学生上课表现更积极,6%的学生增强了学习化学的信心,只有1%的学生学习兴趣没什么变化。 
  (2)大部分学生认为了解体育中的化学知识比较有用。 
  调查发现,9%的学生认为了解体育中的化学知识很有用,50%的学生认为比较有用,40%的学生认为有用,只有1%的学生觉得没什么用;53%的学生在日常生活中对体育中的化学知识比较感兴趣,41%的学生在日常生活中对体育中的化学知识兴趣一般。 
  此外,76%的学生想知道奥运会等体育赛事中的化学知识,只有3%的学生不想知道。说明对体育中化学知识感兴趣的学生还是占较大比例。 
  (3)学生对体育中化学知识的关注点呈现差异性。 
  关注体育生理保健知识的学生比例最高,占53%,其次是关注体育设施和器材中的化学的学生,关注运动(员)装备中的化学知识的学生,占比均为16%,其余15%为关注运动安全防护、兴奋剂等方面的学生。学生关注点不同,也给教师教学带来启发:应尽量结合学生兴趣比例较高的内容进行授课。 
  在对学生访谈,了解学生对教师今后在化学教学上应该多关注与体育哪些方面结合的内容时,学生的关注点也呈现差异性。主要包括:运动装备和器材的化学材料,如拳击、散打等运动的护头、护齿、护裆、护腿、护肩、拳套、绷带等的材料;跆拳道的道服、护头、护具、脚靶的材料;武术运动中剑、刀、棍、枪、鞭、三节棍等的材料;柔道、摔跤垫子的成分;控体重服的成分;乒乓球球拍表面的胶皮、粘胶皮使用的胶水的化学成分;运动员如何科学饮食、控制体重、选择合适的营养品;兴奋剂的化学成分以及哪些食物中可能含有兴奋剂;不同体育项目运动鞋的材料;运动员受伤后使用哪些化学物质处理。可见,竞技体校学生的关注点大多都与自身专业训练相关。 
  对于普通中学学生而言,关注点可能不大涉及体育专业知识,所以教师应在平时有意识地积累体育以及其他领域中有关化学知识的素材,才能在教学过程中游刃有余。还可通过改进教学评价环节,对学生积极提问、回答问题的行为,可实施给予表扬、加平时分等激励机制,激发学生学习积极性。 
  开发体育中的化学素材,培养和提升学生科学素养的核心是让学生以体育中化学知识的学习为切入点,促使学生在已有的化学知识基础之上,积极主动摄取更多的化学知识,提升自身化学素养、科学素养,逐步掌握化学学习方法,学会全面、辩证地看待化学学科,在未来面对可能出现的实际问题时,能利用化学知识和科学方法解决、思考生活中的实际问题,成为一个全面发展、可持续发展的人。 
  参考文献: 
  [1]玉丽丽.体育运动中的化学[J].六盘水师范高等专科学校学报,2008,(6):14. 
  [2]刘小英.化学使体育更有魅力[J].中国科教创新导刊,2011,(2):169. 
  [3]陈柯.体育中的化学[N].大众科技报,2004-11-09. 
  [4] http://baike.so.com/doc/501649-531190.html. 
  [5]吴俊明,吴敏.为什么要关注科学观念[J].化学教学,2014,(4):3. 
  [6]禹绍蒙.初中化学教学中培养学生化学素养的研究[D].芜湖:安徽师范大学硕士学位论文,2014:34.
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