自制冰激凌与火箭科学

3.自制冰激凌与火箭科学

2节课，每节课各2小时

STEM说明：物理科学，地球及宇宙科学、生命科学、化学、工程学

写作活动：技术写作、创意写作、描述型写作

本教案根据朱丽叶丝·迪亚兹·潘诺琳甘的创作课堂编写。

通过这两节课，学生们实际接触到的火箭科学（即航天航空工程学）的内容并不多。不过，他们将会接触到相关领域的内容。学生们会成为物理学家、化学家和工程师，共同探索宇宙中最深的奥秘（例如：如何制作冰激凌？），并在活动过程中记录他们的发现。同样重要的是，在每一节课中，学生们都能够消除自己的一些误解，同时体验到科学的本质和实践。

第一课时：冰激凌

从科学的角度看，冰激凌其实非常有意思：经历了从液体到固体的变化。从食物的角度看，冰激凌又非常美味。在本课时中，我们将进一步对冰激凌这一令人着迷的特质进行研究。

课堂简介（15分钟）

在课堂的一开始，找一块比较大的跟学生们一起写写画画的地方，比如黑板、白板或图表纸都可以。在上面先写上以下内容：

科学家们的工作是什么？（请写几句话并画图进行描述。）

给学生们几分钟的时间去写下他们自己的答案，然后让他们和大家分享，并在黑板上将他们的答案写出来。在进入下一个环节，进行冰激凌制作之前，设置这样一个环节的主要目的是想要多少打破“实验袍偏见”。是的，有些科学家会调配化学配方，在实验室中使用激光、粒子束甚至杀伤性射线，不过科学家们也会做很多很酷炫的事情。在这个环节与学生们一起想想科学家们都做些什么工作，并将答案列出来，越是能跳出实验室的框框，与日常生活相关联越好。例如：

不管怎样，你和你的学生的讨论，主要是为了说明科学家们正在为找到问题的答案而努力。而我们今天的主要问题是：如何制作美味的冰激凌？

冰激凌问答[1]（25分钟）

在开始活动之前，进行一个关于冰激凌的科学问答环节。在这一环节中，可以使用《关于冰激凌你知道些什么》，将这一环节设计成写作练习环节，也可以是一场讨论，当然也可以两者结合。问问学生：

一般情况下，学生们能够很快说出糖、牛奶或奶油。当学生们说到这些原材料的时候，你可以将它们拿给学生看，让他们知道自己说对了。不过学生们基本上不会记得盐，将盐拿给学生们看，但不要告诉学生盐在制作冰激凌过程中会起到什么作用。课堂可能会因为提到盐而变得安静，要做好准备，充分利用这种安静——暂停一下，利用这段时间提出新的假说。接下来，你可以提一个非常好的问题：这些制作冰激凌的原材料分别是固体、液体还是气体？

组织学生们进行头脑风暴，想想在制作冰激凌的过程中，原料为什么会从液态变为固态。你可以用一些没头没脑的问题来为讨论暖场：我们是否有使用一些神秘的化学材料？是否跟气象因素相关？还是谁拥有《冰雪奇缘》中的艾莎公主那样呼风唤雪的神力？或者……科学？学生们很快就能够从接下来的环节中得到答案。

制作冰激凌（50分钟）

终于到制作冰激凌的环节了！先在每一张工作台上摆好制作原料、量杯、量匙、勺子和纸巾，并将《一起来做冰激凌实验》分发给每一位学生。你可以多给学生一些资料纸，这样他们可以记录多批次的冰激凌制作过程。稍微花一点时间，向学生们说明一下刚刚分发的材料以及制作冰激凌的步骤，让学生们明白自己必须如实记录实验过程中发生的情况，而不是将应该发生的情况写下来。在实验中，很多事情都无法完完全全按照计划进行，而留意这些意外情况对于科学家和工程师们解答问题大有帮助。在这50分钟里，学生们应该有时间制作两批冰激凌。在制作第一批的时候，最好能够组织学生同时开始进行制作，并且在差不多的时间，同时停止摇晃装有冰激凌的袋子。在第一批冰激凌制作完成后，可以进行试吃。当然也要安排时间让学生们记录下自己的观察。

第二轮！这一次，请每一位学生对食谱进行一处改动（跟其他实验操作一样，将这个改动记录下来）。大部分学生可能会做出将糖的用量增加到三倍或者其他类似的决定，不过也会有小部分学生会选择改变摇晃袋子的时间，或者不放盐——类似这样的改动，是接下来课堂中即将要进行的重要讨论。为了确保学生们尝试做出的改变并非仅仅围绕冰激凌的口味，你可以要求同组的学生必须进行不一样的实验。如果现场觉得课堂材料可能会不够，你可以让学生们按原食谱一半的量来进行操作。

第三轮，即后续的冰激凌制作！如果材料还有剩余的话，学生们可以继续对食谱进行改良，可以不断尝试新的实验，直到50分钟结束，要记得提醒学生们记录下他们所做的每一个改变，如加入更多牛奶、减少糖的用量、延长或缩短摇晃袋子的时间等等。课堂上总会有那么一些学生，他们坚信，香精和糖放得越多，冰激凌就会越美味。错！——不过每个人都应该通过自己动手实验来明白这一点。

冰激凌和说明时间（30分钟）

接下来，是时候让学生们对自己做出来的冰激凌进行品尝，同时向其他同学说说自己的发现。在学生们试吃的时候，问问学生，当他们按照食谱一步一步操作的时候，他们观察到了什么情况，而当他们对食谱进行改变的时候，他们又观察到了什么情况，让学生们展示自己试验的结果，然后，向学生们提出本课最为重要的问题：冰激凌究竟是怎么冻住的？一开始原材料是液体，为什么最后就变成固体了呢？

为了回答这两个问题，学生们需要重新回顾一下物体的形态。冰块吸收热量融化，由固态水变成液态水。问问学生，热量是从哪里来的？（从任何与冰块接触的物质，比如我们的手，比如冰激凌原料，甚至空气。）

要制作冰激凌，我们必须停止这一融化过程，所以，我们需要一种神奇的原料——盐。盐降低了冰块的凝固点，让冰块比原来要“凉”一些，改变了冰块融化温度，所以在摇晃袋子的时候，袋子里的牛奶就会慢慢凝固。

我们都知道，在温度低于32华氏度，即0摄氏度的时候，水就会结冰；不过如果我们在水中加入盐，调制浓度为10%的盐水，只要温度不低于20华氏度，即零下6.67摄氏度的话，盐水就不会结冰；如果我们加入更多的盐，制成浓度为20%的盐水，这时候只有在温度降低到2华氏度，即零下16.67摄氏度以下，溶液才会结冰。在实验中，我们在装有冰块的袋子中加入盐，降低了冰块的凝固点，充分降低了环境温度，为牛奶结冰和制作冰激凌创造了条件。

如果要将制作冰激凌的原理分析透彻，需要用到高中，甚至是大学里才会学到的物理和化学知识。不过要注意，在课堂上，重要的不是一个非常确切的说明，不是比热容、溶解热这些准确的术语。对于大部分学生来说，重要的是让他们感到惊讶的瞬间。学生在探索发现过程中所感受到的刺激和对类似现象的好奇才是他们成为热动力学小能手的原因。

最后，让学生们用写作的形式完成总结：

利用刚刚制作冰激凌实验中所做的笔记，动手写出自己的完美冰激凌食谱。

鼓励学生们将自己的食谱带回家，一周后问问学生们回家进行冰激凌制作试验的情况。

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）

不管是学生还是成年人，要理解为什么往冰块里面加入盐，可以降低温度，有利于冰激凌凝固，都不是一件那么容易的事情。如果学生来自冬季有冰雪的地区，他们肯定看过自己的家长和扫雪车往通道、马路和人行道撒盐，融化道路表面堆积的冰雪。那为什么往冰块里面加盐反而能够帮助冰激凌凝固呢？答案是又冷又酷的化学，主要是热量（能量）的流动。

在分子层面，单一一个水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的，看上去就好像老鼠头上的两只耳朵。在包括水在内的任何液体中，每一个水分子都在持续不断的运动中。这些水分子在运动过程中会相互“握手”形成一些比较弱的氢键。在水分子们相互碰撞挤压的过程中，这些氢键很容易被破坏，不过也很容易再次形成。[2]水分子之间这些短暂联系的存在，解释了为什么雨水会成滴地出现，为什么在一个杯子装满之后，你还能够利用水的张力，在保证液体不外溢的情况下让水杯更满一些，为什么水黾可以在水的表面活动。

温度其实是一个系统中运动（动能）的一个量度。如果说某个物体是热的（例如一杯水或你周边的空气），那就意味着这个系统内的分子正在快速运动。水温的下降，意味着系统内的分子运动减弱，也就是说系统内的动能减少。当水分子运动越来越慢的时候，水分子就好像“粘”在一起了。尽管用我们的肉体感官很难感知，不过随着温度下降，水会跟其他液体一样出现明显的黏滞感（“粘稠”，就像枫糖浆一样）。随着温度的下降，水分子的运动逐渐减弱，相互“拉起手”，在临近凝固温度的时候，水分子牵手和放手的数量达到一个平衡。如果水分子牵手的数量要多于放手的数量，水就会开始结冰，在结冰的过程中，相互牵手的水分子数量会越来越多，最终会形成冰晶。一个冰晶的结构是非常有规律的：冰晶中的水分子排列非常整齐，每一个水分子都通过氢键与其他水分子联系在一起。

那么，盐在这其中起到什么作用？精制食盐（氯化钠NaCl）是由一个带有正电的钠离子（Na+）和一个带有负电的氯离子（Cl-）组成。氯化钠分子中的钠离子和氯离子之间的联系仅仅是正负电相互吸引（就好像磁铁的正负极相吸一样），这种联系非常弱（不过比起氢键还是要强一些）。在被加入水中后，氯化钠会溶解在水中，也就是说，氯化钠的钠离子和氯离子在水中被水分子分离开来。尽管，我们经常用“盐”来指代食用盐（氯化钠），不过盐其实可以是由其他原子组合而成，如氯化镁、氯化钙和氯化钾。跟氯化钠一样，所有的盐都是通过带正电离子和带负电离子之间相互吸引组成的，这样的联系被称之为离子键。当盐溶于水的时候，其原子会在水分子中分散开来。

当单独的盐原子（例如钠离子和氯离子）在液态水中与水分子混合的时候，水分子更容易与其他粒子发生碰撞，这样一来，水分子要找到其他水分子来形成氢键就不是那么容易。想象一下，如果一个玩具球池子里（那种幼儿可以进去玩耍的球池）只有一样的红色球，如果红色球彼此卡住的话，整个池子的球很快就会卡住，你在里面也动弹不得。如果有人能够往池子里扔进一袋黄色的球，要整个球池的球卡住就要花上很长的时间，因为大部分时间里，球与球之间会发生碰撞，而这些碰撞并不是非常有效，红色的球会不时撞到黄色的球。由于这种混合，液体要形成稳定的冰晶格（开始凝固），就需要更低的温度（-18℃）。这种现象就是凝固点的降低。

那为什么盐能够加快冰块的融化呢？在凝固点（0℃），水处于一个平衡的状态——这时候融化和凝固同时发生，达到一个平衡——所以在人行道上的一小块冰面的大小会保持不变。如果往这个系统中加入热能（温度上升），这个平衡就会发生变化，脱离冰面的水分子数量就会多于重新加入冰面的水分子的数量，结果冰面就会开始融化。同样，盐也可以使这个平衡发生变化。如果往冰里面加入盐，盐会慢慢溶解于那些从冰晶格里脱离出来的水分子中（记住，如果没有盐的话，这些水分子很快又会重新变成冰晶格的一部分，而其他的水分子会脱离出来），所以，这些水分子在运动的过程中，除了会撞到其他的水分子外，还会撞到钠离子和氯离子——这样一来，脱离出来的水分子重新找到冰晶格中合适的水分子的几率就会降低。越来越多的水分子会从冰晶格中慢慢脱离出来，这些水分子会不断运动，不断与钠离子和氯离子发生碰撞。除非温度降低到一定程度，低到水分子可以克服盐对这种平衡的作用，水才会重新结成冰。

而且，冰块融化的过程需要从周边环境中吸收热量，这样一来周边环境的温度也会下降。在制作冰激凌的过程中，我们要求学生往装有冰块的袋子中加入盐，冰块袋中包裹着冰激凌混合物，这样一来，冰块混合物的温度可以降低到-10℃，这样的温度完全足够使冰激凌原料凝固，最终形成冰激凌。

第二课时：冰激凌冷藏

在本课的活动中，学生们将会面对一个比较简单的工程任务：他们将自己做一个简易的冷藏箱。（注意，在这部分教案中我们穿插了很多加大任务难度的建议，对于那些可以承受额外挑战的学生，你可以适当增加任务的难度。）

有一些学生在第一次尝试的时候就能够成功完成任务，一次性完成为一块冰块制作冷藏箱的任务，实力更强的学生还能够独立继续下一个任务，顺利完成用于储存冰激凌的冷藏箱。不过，在这个环节，我们希望学生们都能够深刻理解一点：STEM学科的专业人士们一直很注重通力合作，而且这样会更容易成功。

自制冷藏箱（20分钟）

在学生们进入教室之前，事先将冰块准备好，以备随时取用，同时也要准备好铝箔，上课时会将冰块放在铝箔上。如果可能的话，控制室温不要太低，保持温暖。准时开始上课（哪怕还有部分学生没到），将冰块一块块放在铝箔纸上，然后将铝箔纸和冰块一起放在学生的座位上；给每位学生分发材料《一起来冷藏冰激凌》；根据材料上写明的第一步，让学生们选任何一种“冷藏箱制作材料”，取大概19平方分米大小（也可以随机给学生们分发不同的材料），然后用手上的材料自行制作冷藏箱（只能使用一种材料），完成后，将自己的冰块转移到冷藏箱中，然后让冰块在冷藏箱中放置30分钟。将装有冰块的冷藏箱放在一边，然后一边进行下一步活动，一边等待30分钟过去。

打包行李（20分钟）

如果学生们完成了各自的冷藏箱，让学生们根据《一起来冷藏冰激凌》上面的指示，画出自己的冷藏箱，然后让学生们进行下面这个写作活动：

如果你那个经常有一些疯狂想法的叔叔到你家来，说要带你去旅游（你的父母对此表示同意），而且你们俩要在一个小时内到达飞机场。叔叔说这一趟旅行是要去阿拉斯加、夏威夷、格陵兰岛、哥斯达黎加、俄罗斯和坦桑尼亚——都是些很热或者很冷的地方。你必须要以非常快的速度打包行李，就你目前家里有的衣服，你会选择带哪一些，好让自己在旅途中不会感觉太冷或太热？

本教案的大主题是热量传递。学生们在防止冰块融化的时候，他们用了什么方法去尝试不让热量传递到冰块？上面这个写作活动会让学生们在另一个情境中就热量传递进行思考。大部分学生都可以凭直觉将自己的冰块用某种材料包裹起来，以保持冰块温度。而这些学生在选择炎热天气的服装的时候，一定会有一部分学生选择泳衣来让自己保持清凉。为什么他们不会像包裹冰块那样，选择将自己包裹起来呢？时间允许的话，在进行下一个环节，也就是就冰块的冷藏情况进行汇报之前，可以针对这些非常明显的矛盾开展一些非常有意思的讨论。

汇报结果（20分钟）

在课堂开始后40分钟，让学生们花十分钟的时间，打开他们的冷藏箱，观察冰块并记录在《一起来冷藏冰激凌》上面。

然后，在接下来的十分钟里，让学生们轮流将自己的观察向全班同学做汇报。什么材料比较好？什么材料不太适合？怎样的组合起到作用？怎样的组合没有起到作用？不同形状、不同大小的材料对于冷藏效果有没有影响？最好能够将这些结果记录在黑板、白板、图表纸或幻灯机屏幕上，让需要的同学可以随时参阅。

在班级汇报接近尾声的时候，你可以利用这个机会，跟学生们说明一下，科学家和工程师们经常会进行类似的汇报。他们在会议上分享自己的发现（当然，他们也会在工作场合与同事们分享自己的发现，在互联网上参与群体讨论），用分享知识的方式促进其他人的工作。

冰激凌测试（20分钟）

在完成了分享汇报之后，是时候将冰激凌拿出来了。将学生们分成几个小组，跟学生们说明，他们的任务其实跟上一个环节差不多（只不过这个环节他们会有口福）：防止冰激凌融化！这一次，每个小组可以随意选择自己需要的冷藏箱材料。

观察，进行关于宇宙庇护所的写作（25分钟）

学生们十有八九能够从前面的汇报分享环节获得一些制作冷藏箱的建议，而且他们很可能会将这些建议用在他们制作的第二代冷藏箱上。在学生们完成任务后，让他们在《一起来冷藏冰激凌》上画出自己的冷藏箱并作出相应的说明。

完成上述任务后，接下来到了小作文时间。下面这个写作任务其实是将上一个写作任务放在另外一个情境中的版本。理想情况下，学生们会将他们从实验和合作中所学到的内容，运用到他们的写作中去：

你是一位星际探险家，你喜欢寻求刺激的体验。在探险过程中，你从不知道你下一次会在什么样的星球着陆，有些很冷，有些很烫，有些日夜温差可以达到上千度。为了适应这样的极限环境，你应该带上些什么样的装备？你的航空服和庇护所应该是什么材质的？（任何时候都能够使用，而且你要能够独自使用。）

学生们在写作过程中应当时不时停下来观察一下自己的冰激凌。

分享结果和享受美食（15分钟）

让学生们打开自己的冷藏箱，并将最终的结果记录在《一起来冷藏冰激凌》上。带领全班同学进行简单的讨论，总结出什么策略是有效的，看看学生们能否通过集体讨论，得出最后的结论。学生们可能会注意到：效果最好的冷藏箱有很多层。其中至少有一层是相对较轻的（也就是说密度不高），即用瓦楞纸板、泡泡纸，或者用报纸松散地将冰激凌包住；另外一层可能是会反光的材料（如铝箔纸）。在完成讨论之后，学生们便可以开始享用冰激凌了（希望还没有化掉） ！

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）

如果非常笼统地说，其实可以说整个宇宙“想要”最终达到恒温的状态，所以能量会以热能的形式从温暖的物质向寒冷的物质转移。一般来说，热能的转移有三种不同的方式：热量传导（直接相互接触的物体之间的热能传导）；对流传导（通过气体或液体流动来实现热量传导——想想水壶中沸腾的水，再想想为什么在煮意大利面的时候要不断进行搅拌）；辐射传导（来自可见光、紫外线、微波等）。为了阻止周围的热量转移到冰块或冰激凌上，我们希望要有某种能够反射辐射的材料（如铝箔纸），而且在冷藏箱的层与层之间要留有一定的空间，或者使用一些密度比较小的材料（防止热量传导），而且在设计的时候，还要考虑减少冷藏箱内外空气流动（防止对流传导）。

科学是重要的。

任何公元2000年后出生的孩子都将面对一个人类可以在外太空生存的世界。这一切好像一部现实版的科幻剧，从飞机的诞生到外太空飞行，到能够登顶月球背面来尽览日出破晓，我们仅仅用了一代人的时间。这种发展靠的不仅是某个决定或者是某个非常知名的人的努力，它既不是一个小的地方团体的智慧结晶，也不是一个强有力的政府所能够谋划的。这种发展扎根于一代又一代人的不懈努力，这些人所积累构造的宏伟的知识金字塔让我们可以去探索更远的星球。

所有的这一切都不是理所当然注定可以实现的。研究是难以预测的——研究可以推动我们向前迈进，同样也有可能让我们不得不后退一大步。研究往往是漫长而复杂，同时也是深奥而不稳定的，要想三言两语就将研究说清楚是十分困难的。

作为地球上一个物种，如果我们人类要继续不断积累知识，我们不仅仅要在属于我们的时代努力得出成果，而且还要启发后人，让他们沿着我们的足迹继续前进。我们不仅需要掌握科学这门独特的语言，而且我们还要做好准备，为不懂科学这门语言的人做好翻译。

科学是重要的。曾经我们只能抬头看天，但现在我们能够在天际漫步。我们每一个人都有义务继续为知识的积累劳心出力，用我们的热情去感染其他人。我们作为个体向前迈出的每一步，都是整个人类向前发展的重要一步。

——克里斯·哈德菲尔德上校

加拿大宇航员克里斯·哈德菲尔德上校拥有许多个第一，他是第一位操作加拿大机械臂Canadarm、进行太空行走、操纵国际空间站的加拿大人，甚至很多人都知道他会时不时弹上一曲。在《来自宇航员的地球生活指南》一书中，哈德菲尔德上校记录了他宇航员受训及太空探索的岁月，告诉读者如何让不可能变为可能。

[1] 本教案根据伊莱恩·M. 保洛柯基在826全美进行的《科学俱乐部：冰激凌！》一课编写，该教案收录于《不要忘记写作——小学生篇：50个令人兴奋且效果极佳的写作课堂》， J. Traig （编）， 2001，美国加利福尼亚州三藩市Jossey-Bass出版社。

[2] 注意：每一个单独的水分子中连接“头”（氧原子）和两只“耳朵”（氢原子）的是共价键，共价键是一种非常稳定的化学键。