科学漫谈2016春季刊

包玉刚实验学校科学杂志社 YK Pao Science Journal Club

2016 春季刊

太阳光驱动的水体亚硝酸盐脱除独立装置 自闭症，社区模式和爱 防止汽车对行人伤害的声光提醒装置研究 时间膨胀 盲人钢琴入门自学辅助装置

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包玉刚实验学校 科学漫谈 Science Journal 2016年 第1期 2016年创刊 主办：上海民办包玉刚实验高中 出版单位：上海宣哲印务科技有限公司 封面题字：吴子健校长

封面设计：于佳铭 (八年级) 版面编辑：于佳铭 级）

(八年级)，龚博雅（十年

杂志编辑团队成员合影

Logo设计：王励新（八年级） 封面音乐：段旻暄 (十一年级)

编辑团队： 八年级：江一达，王励新，于佳铭，吴彬浩， 楼亦奇 九年级：余闻秋， 徐凌舟， 丁佳薏 十年级：龚博雅（社长） 指导老师： 翁梅倩 李曦 审稿老师：尚之礼 水百合 庄勤 达宁 庄康 达 蒋家杰 内尔波特 葛睿思 葛凯伦 Michael Dawson Peter Mihalcik Ruth Tyson 致谢：感谢 Ingo Wihelm老师为本版提供的 图片

地址：上海市松江区三新北路900弄1800号 邮政编码：201620

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科学组老师合影

目录 创办人寄语 苏文骏

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校长前言 伍德文

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徐凌舟 丁佳薏报道校际合作，共建辉煌——上海民办包玉刚实验高中与上 海交通大学签署共建协议

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原创研究 岳昭延（11 年级） 太阳光驱动的水体亚硝酸盐脱除独立装置

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张峻瑄（11 年级）防止汽车对行人伤害的声光提醒装置研究

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段旻暄 郝瑷家（11 年级） 自闭症、社区模式和爱

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龚博雅（10 年级）怎么了？暗能量与暗物质背后的秘密

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徐凌舟（9 年级） 盲人钢琴自学辅助的装置

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王励新（8 年级）电流跟电压和电阻的关系

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龚博雅（10 年级）爱因斯坦狭义相对论——时间膨胀

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科普 孙天博（11 年级）维持身体中的养分？试试微生物生物菌群吧 ( 微生物菌群与营养失 调的关系 )

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丁佳薏（9 年级）你开心就好——这样就好了吗？

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林雨濛（9 年级）食品添加剂——第三类食品

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余闻秋（9 年级）维生素 D 和感冒

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徐凌舟（9 年级）维米尔画中的光学

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鲁昱旻（8 年级）体外受精

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江一达（8 年级）我们不寻找快乐，我们制造快乐

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楼亦奇（8 年级）饮食与健康

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科学社团采访 林雨濛（9 年级）包校创新工程社采访

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余闻秋（9 年级）徐逸航采访

49

龚博雅， 丁佳薏（9，10 年级）解剖社采访

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龚博雅（10 年级）科学杂志社采访

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龚博雅（10 年级）种子俱乐部采访

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丁佳薏（9 年级）僵尸日活动采访

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龚博雅，徐凌舟（9，10 年级）健康日活动采访

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江一达，王励新（8 年级）环保社采访

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科技进展与竞赛 班弘毅（9 年级）获奖感言

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王励新（8 年级）2015 科技重大事件

23,35,40,42

王励新（8 年级）英特尔国际科学与工程大奖赛

54

其它 徐凌舟（9 年级）中药猜谜活动

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为何要学习科学？科学探索源自人类对世界本能的好奇，始于大自 然中我们所见到、所观察到的事物。随着时间的推移，我们的好奇心已 超越了人类在地球上的体验，科学探索的维度随之变得更深更广，探索 围绕物质的本源、细胞、原子和粒子等微观世界。科学的独特之处在于： 通过学习科学，我们不但可以观察世界，了解世界，而且可以改变世界 及我们的生活方式。正是通过对物理学的研究，我们才研制出探索太空 的火箭，探索深海的装备；正是通过对化学的钻研，我们才制造出各种 各样的日常生活用品——从鞋子、夹克衫到电子产品和净水器，不一而足； 正是通过对生物学的研究，我们才能减少疾病和年龄对人类身体的影响； 也正是通过对科学的探索，我们才能测算出人类对地球的影响并寻求减 少影响的途径。 在包校，我们希望同学们不仅仅学习科学知识和理论，而更重要的是， 学习科学研究的方法并培养科学家应有的精神。同学们应培养敢于提出 问题并专注于研究的能力、研究过程中收集数据和信息的能力、运用计 算技能来分析数据的能力，还要养成严谨的治学态度。从根本上说，同 学们要遵守科学诚信、在研究中百折不挠，从而塑造科学研究者应有的 品格——研究结果应来源于实验数据，而非通过操作数据来佐证先前的 假设；积极面对实验中的挫折和失败，耐心地，持之以恒地从事科学研究。 衷心祝贺所有参与包校中学部《科学漫谈》杂志编辑工作的老师和 同学们创刊成功！同学们通过发表作品，可以培养科学研究中的最重要 的一种能力——分享自己的研究发现和收获，为知识的汇聚和积累贡献 自己的力量。我们必须牢记——最卓越的科学家不仅是优秀的数学家， 还是出色的作家和演讲家。 最后，我由衷希望包校学子能够体验到做一名科学家所应得的收 获——不断探索的喜悦和醍醐灌顶的满足。 苏文骏 包校创办人及副理事长

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非常荣幸应邀为包校首刊《科学漫谈》题写序言。曾经作为一名从 事研究工作的科学家，我有幸体验过开拓人类知识领域所带来的那份兴 奋与满足。当我看到包校的“校园科学家们”正在收获着同样的兴奋与 满足，这种兴奋与满足流露在《科学漫谈》所刊载的文章里，让我觉得 我们在开展校园科技工作上的付出是相当值得的。 科学探索和研究能从多方面对学生的性格发展起到积极正面的影响。 对科学世界的广泛了解可以帮助我们对关乎未来人类生存至关重要的领 域展开讨论，诸如健康和医药、食品生产、能源及环保等领域。随着学 生不断加强对科学知识的深入学习，提出有价值的问题的能力会变得像 解决问题的能力一样重要。但是，对问题的回答都不是孤身一人所能解 决的。科学家需要借鉴前人或当前的研究来开辟属于自己的科学探索之 路。有价值的科学研究的另一个基本特征就是要学会从失败中学习。我 深深地知道，科学研究中，总会有失败和沮丧，也一样有兴奋和满足！ 但是，如果我们满怀耐心、保持谦虚对失败的实验进行反思和总结，找 出失败的原因，那么失败的实验也能像成功的实验一样让我们有同样的 收获。这样的反思和学习不仅仅在科学领域弥足珍贵，在人生的每一个 致力的领域皆是如此。 以上我分享的几点——找到并提出有价值的问题的能力、运用知识 来解决问题的能力、学习过程中谦虚合作的态度、从失败的实验中乐于 反思和学习的能力——都是科学探索的核心内容。这些内容也同样是包 校使命和愿景的根本所在。这就是为何我们致力于开创世界级的、以学 生为主导的科技项目的原因；这也是为何我对包校学生通力合作创办《科 学漫谈》感到欢欣鼓舞的原因。祝贺所有参与科学研究的学生们！也感 谢科学组的老师激发、引导并支持我们年轻的科学家们！

伍博文 包玉刚实验学校中学部执行校长

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校际合作，共铸辉煌 上海民办包玉刚实验高中与上海交通大学签署共建协议

2016年5月5日，包校有幸迎来了上海交通大学 张杰校长一行来我校莅临指导，当日上海民办包玉 刚实验高中与上海交通大学签订了两校历史上首个 高校与中学的共建协议，同时张校长还对包校的师 生进行了以“逐梦之路”为主题的演讲。张校长的 精彩演讲让我们受益非浅。 签约仪式 5月5日，上海交通大学张杰校长首次到访包 校。包校创办人包陪庆教授、苏文骏先生、吴子健 总校长、秘书长李婧，中学部执行校长Paul Wood 博士、小学部执行校长Micheal Spencer等校领 导，以及教师代表参加了此次活动。 在包陪庆教授等校领导的陪同下，张杰校长一 行参观了包校校园。 随后，包校与交通大学举行了 隆重的签约仪式，本次签约是包校有史以来第一次 与大学合作！代表着两校之间将正式合作交流、分 享资源。我校将有机会分享交通大学的学习资源，

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并展开一系列学习探索项目。 包陪庆教授在致辞中对张杰校长一行的到访表 示热烈欢迎。她提到，上海交通大学历史悠久，大 师云集，享誉海内外。早在上世纪80年代，包校 与交大的渊源就开始了——包玉刚爵士为促进中国 教育发展，向交大捐赠了一千万美元的巨款，这是 中国高等教育海外捐助的第一批捐款，它由邓小平 主席亲自代表交大接受。交大用此捐款建造了位于 徐汇校区的包兆龙图书馆和闵行校区的包玉刚图书 馆，这两座图书馆承载着历代交大人美好的回忆。 交大与包氏家族的情谊仍在持续，2015年12月4 日，由包氏家族捐资打造的塑胶跑道也在交大闵行 校区正式启用。 随后，苏文骏先生就包校与交大签署共建协议 发表演讲。他表示,未来包校将与上海交通大学有着 密切无限的携手合作，开展创新培养活动、人文和 科学项目。包校将借助交大世界一流的平台，为包 校师生提供各种各样的学习机会和资源。

“逐梦之旅” 张杰校长不仅是上海交通大学的校长，也是中 国科学院院士、德国科学院院士、第三世界科学院

究……他还为我们介绍了交通大学的校园环境和优 秀的管弦乐团，并讲述了一个关于管弦乐团有趣的 小故事，大家都听得乐在其中。

院士、英国皇家工程院外籍院士、美国科学院外籍

最后，在问答板块中，张校长与同学们的问答

院士、第17、18届中央候补委员以及上海市十三

精彩纷呈。张校长讲述了自己的求学经历，并强调

届人大代表。他在物理学领域的研究有着很高的声

自学习惯的重要性，也鼓励我们在求学路上要坚持

誉。然而，张杰校长与同学们预想中的校长有所不

乐观的心态；同时，他也介绍了交通大学文科和社

同——他既不是满头白发，也不是一脸严肃，难以

会科学的进展；而对即将毕业的高年级学生们，他

接近。他身着西装，一头黑发，气质英俊，镇定稳

认为大学最显著的特点就是它既是一个注重科学精

健中洋溢着神采与活力。他的发言铿锵有力，将复

神与人文情怀的地方，也是一个勇敢尝试，试错的

杂的知识用平常的语言给予解释，将科研故事娓娓

阶段；谈到对学生创新思维的培养时，他提出最初

道来，严谨却不拘谨。

东、西方的教育理念差异，西方为思辨推翻，东方

在他的以“逐梦之旅”为主题的报告中，他介 绍了交通大学的历史、特色，并用三个“交大人” 的故事为我们呈现了一个“充满梦想和决心”的交 通大学。 交通大学建立于甲午战争战败之后的第二 年，1896年。它的前生是南洋公学，是中国近代教 育史上建校最早的两所大学之一，由盛宣怀上奏光 绪皇帝拟建。交通大学的发展也是中国高等教育史 的一部分，是中国高等教育在苦难中走向辉煌的历 程。

则主张知识的传承，并指出中国创新能力在基础教 育阶段有待进一步。张校长还以“饮水思源，爱国 荣校”的交大校训，鼓励在座的同学们努力奋斗， 成为中国乃至世界的领袖人才！ 在大家热烈的一片掌声中，讲座结束了。每位 同学都在这九十分钟中有所思考和启发。在这场精 彩深刻的逐梦之旅上，张杰校长用他敏捷的思维和 丰富的知识底蕴带我们回顾了以交通大学为首的中 国高等教育在艰难中成长的历史，科研工作者们伟 大的坚持和奉献精神，以及优质大学的学术氛围。 我们的梦想，也在憧憬中悄悄发芽。

接着，张校长为我们讲了三个“交大人”在 科研路上追梦的故事：季向东教授为解开暗物质之 丁佳薏、徐凌舟报道

谜，探索宇宙中的暗物质究竟是什么，在四川锦屏 山一条横穿山顶深处的隧道下2500m地底深处开展 调研希望能在中国直接探测出暗物质。十几年来季 向东教授的团队一直在深山中坚持着研究；武向平 教授为探寻150亿年前的“宇宙第一缕曙光”，在 天山严寒恶劣的气候条件下坚持研究，并于2004年 组建了我国第一个天线阵列；孔海南和张才喜教授 为治理洱海水源污染坚守13年，使得洱海水质明显 改善，同时也改变了洱海的文化，洱海人的农耕习 惯和生活习惯。 在之后的版块“梦想的途径”中，张校长为 我们介绍了交通大学“自强首在储才，储才必先兴 学”的理念，和交通大学师生在各个领域的卓著 贡献和表现：南海的钻进平台、医学、个性化组合 药物筛选、东京审判研究、海洋资源战略与海权研

上海交通大学简介 交通大学共有 29 个学院 / 直属系，25 个直属单位，13 家附属医 院。学校现有本科专业 62 个，涵盖经济学、法学、文学、理学、工学、 农学、医学、管理学和艺术等九个学科门类。上海交通大学也是国 际化程度最高的大学之一。中欧国际工商学院，交大密西根学院和 上海交大——巴黎高科卓越工程师学院已成为中外合作办学的典范。

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十一年级

太阳光驱动的水体 亚硝酸盐脱除独立装置

撰文 / 岳昭延

利

用热分解法制备了 TiO2/RuO2/Ti 双涂层电极，并通过周期性（30 min）改变电极极性的方法获得催化 性及稳定性能优越的 TiO2/RuO2/Ti 电极电催化装置。将该电催化系统应用到几类典型水体（微咸水，

半淡咸水，淡水，城镇水体，河流水体）中进行了脱除亚硝酸盐污染物的尝试，均取得了良好的脱除效果。此外， 设备借助于太阳能电板装置现场转化太阳能为电能，为电催化氧化提供能源，实现了亚硝氮的无能耗绿色处理。 小试结果显示该太阳能供电装置具有和市政供电结合稳压电源供电完全一致的电催化效果。本课题将改进的 电催化技术与太阳能转换结合，创造出一个无能耗、完善解决水体亚硝酸盐污染问题的方案。

研究背景

表 1 亚硝氮对不同鱼类对的安全指标 鱼类 安全指标（mg(N)/L）

在水生态系统的污染中，除了有机物污染外， 含氮污染物（氨氮，亚硝氮）实际上已经逐渐上升 为覆盖面广且影响广泛的主要污染物。工业污染排 放、种植业污染排放、家禽业养殖污水排放、水产 养殖污水排放、生活污水排放等各种人类生产生活 活动加重了水体氨氮污染趋势，引起水体的富营养

草鱼 [5]

0.12

鲤鱼 [6]

1.80

罗氏沼虾 罗非鱼

[6]

黑壳虾

[8]

[7]

南美白对虾

0.60 2.80 0.028 [8]

0.10

化，藻类过度繁殖，进而影响水生动物的生存环境， 造成生态破坏和各种程度的经济损失 [1]。 氨氮和亚硝氮在水体中互相转化，当氨氮被氧

鱼虾的新陈代谢，亚硝酸盐的浓度会出现累积现象，

化成亚硝酸盐时，亚硝酸盐会引发一系列的危害，如：

如：在高密度的养虾池中，亚硝酸盐的含氮量可高

亚硝酸盐在人体内可与蛋白质分解产生的胺类形成

达 20 mg/L。然而当水体中亚硝酸盐含氮浓度累积

具有致癌性的物质——亚硝基化合物

[2]

；亚硝酸盐

到 0.10 mg/L，就会对水体中养殖的鱼，虾类产生

对水体养殖有非常严重的影响 [3-5]，如：亚硝酸盐的

危害。鱼、虾类对于亚硝酸盐的中毒表现 [3-6] 主要

含量过高会破坏鱼类的免疫系统，诱发其他疾病，

分为两种：1. 慢性中毒：症状不明显，鱼，虾类摄

严重者会直接中毒死亡。高浓度的亚硝酸盐是诱发

食量减少，活动能力减弱，身体消瘦，体表无光泽，

鱼类出血液病的原因之一，当水体溶氧不足时，分

见人回避反应缓慢；2. 急性中毒：一般发生在清

子氨和亚硝酸盐含量高，会导致鱼体代谢功能失调，

晨，肉眼观察似缺氧浮头，且往往伴随缺氧症状同

免疫能力下降。据估算，在中国，由于氨氮及亚硝

时发，严重时会造成大批鱼、虾类死亡，死亡率可

氮的水体污染而导致的鱼虾生长减缓和死亡造成了

达 90%。

约 1/3 的水产养殖成本上升。水中氨氮浓度并非固

亚硝酸盐的存在对于人类健康，鱼虾的正常繁

定不变，而是可在多种氮的存在形式间互相转化。

殖发育都构成了严重的威胁，水体中亚硝酸盐污染

一般认为，在养殖水体中硝酸氮、游离态氮对水体

治理的需求日益突出。目前，处理亚硝酸盐的方法

生物是无毒的，而亚硝氮和氨氮对养殖动物有较大

偏向于缓解亚硝酸盐带来的危害，并不能从根本上

的毒害。亚硝酸盐的浓度通常也是衡量养殖水质好

解决问题。主要方法如下 [4,11,12]:

坏的重要指标，是养殖者重点关注的对象。表 1 是 根据我国《地面水环境质量标准》（GB3838[9]

2002）

1. 直接降解法：（1）利用臭氧、双氧水等强氧 化剂，将 NO2- —N 氧化成毒性较小的 NO3- —N。此

亚硝氮对不同鱼类的安全指标。

8

随着养殖周期的延长，由于氨基酸类饲料的应用和

[10]

及 国 标 GB5749-2006

法成本低，速度快，但是在常规使用浓度下效率低，

可 知， 养 殖 体

水体亚硝酸盐易反弹；（2）利用铁屑及铵盐等将酸

系中亚硝酸盐含氮一般不应超过 0.10 mg/L。此外，

性条件下的 NO2- —N 还原成易挥发气体。此法降解

迅速，脱氮彻底，成本低，安全环保，但还原条件苛刻，

本课题中，我们拟用电催化的技术实现亚硝酸盐的

维系时间短，水体亚硝酸盐易反弹；

脱除。由于废水中普遍存在氯离子，在外加电场氧

2. 物理法：利用沸石粉、活性炭等高吸附能力

化的作用下 Cl - 形成活性氯，活性氯的氧化效果非

吸附剂将亚硝酸盐吸附在其结构中。此法优点是作

常明显，因此在电化学催化氧化中广受关注。在本

用时间短，缺点是吸附剂用量大，且没有从根本上

课题中我主要针对电催化氧化的间接氧化过程，选

2

2

使 NO 脱离水体，当被固定的 NO 达到饱和浓度时，

择催化活性及稳定性优越的电极材料，解决活性涂

易发生爆发性的中毒现象；

层及基底结合牢固性问题，并将其应用于水体亚硝

3. 微生物法：将传统的生物脱氮“硝化 - 反硝

酸盐的有效处理。此外，为了实现处理装置运行能

化”工艺应用于水体处理，通过在水体中添加微生

源的自主性，也为了实现亚硝酸盐的绿色处理，我

物制剂，借助微生物之间的协同作用强化水体中的

们模拟在装置中整合太阳能电池系统，将太阳能通

氨化、硝化及反硝化作用，并借助人为的合理控制，

过装置自身现场转化为绿色电能提供电化学催化氧

将废水中存在的各种含氮化合物转化为氮气等含氮

化的能源。从长久来看，这样的设计既可以降低电

气体而从水体脱除。该方法低污染，易操作，处理

催化的成本，也可以避免架设外部的电路系统。针

效果彻底，是目前具有前景的亚硝酸盐治理方法。

对以上问题，我们课题的初步思路是：

但是存在投资、运行、处理费用高等问题。此外，

（1）利用太阳能面板将太阳（光）能转化为电能；

硝化、反硝化细菌的方法见效较慢，从加入自养菌

（2）利用蓄电池蓄电，储能及进行电压调制；

菌种到见效，需要几周到一个月的时间，对于实际

（3）电催化活性材料制作电催化反应电极；

的水产养殖来说，存在一个时效性的客观实际问题。

（4）电催化进行亚硝酸盐的快速脱除。

反硝化细菌（异化硝酸盐还原酶作用）也可能会把 硝酸盐转化为亚硝酸盐，在水体亚硝酸盐浓度高于 0.2 mg/L，水体溶氧量不足时，微生物制剂法就不 宜使用。由于如上各种原因，反硝化、硝化细菌脱 除水体亚硝酸盐的效果并不十分理想，其只能在一 定程度上起到缓解和预防亚硝酸盐形成的作用。 通过文献查阅，我发现利用电化学催化的方法 可以在水体系中引入氧化还原过程。近年来，许多 人开始关注电化学方法处理污染水体。电催化氧化 技术 [13] 一方面可以利用污染物在电极表面发生直 接氧化反应；也可以借助于电解产生次氯酸根离子 （ClO-）、羟基自由基 (·OH)、高价金属离子等强 氧化剂，将污染物间接氧化成其他物质。与其他方 法相比，电化学方法具有操作更简便，效率更高， 可控性较强，以及经济成本更低等优势。从原理上看， 电化学催化的方法既具有一般的化学法快速氧化还 原亚硝酸盐的高效率，又具有很好的持续性，能长 效控制亚硝酸盐的浓度，不易反弹。因此，本课题 的主要目标是利用电化学催化的办法处理水体亚硝 氮的污染问题。

研究过程 方案设想的提出 水体中亚硝酸盐污染问题一直困扰着人类，目 前并没有十分合适的途径将亚硝酸盐彻底脱除。在

技术路线 目前的阳极材料主要有金属电极、碳素电极、 非金属化合物电极以及 DSA 电极等。金属电极虽 然具有良好的导电性，但在电解过程中可能会发生 阳极溶解现象，引起阳极损耗而且向溶液引入新 的杂质；虽然有不溶解的惰性电极，如 Pt 电极， 但是其本身存在因污染而失活的问题，且价格特别 昂贵；碳素电极在使用中虽然组成不变，但其体积 和表面结构容易发生改变；非金属化合物电极具有 特殊的物理性质，但其理论研究尚处于起步阶段。 DSA 电极 [13-15] ( dimensionally stable anodes) 是 20 世纪 60 年代末、70 年代初发展起来的一类 新型阳极材料 , 其结构是以耐腐蚀性能强的金属材 料 ( 如 金、 铂 、 钛、 不 锈 钢 等 ) 作 基 底， 并 在 其 表面涂覆一层具有电催化活性的金属氧化物而成。 涂层的化学成分以过渡金属氧化物 RuO2、IrO2、 SnO2、TiO2、PbO2、MnO2、Ta2O5 等 为 主， 再 添 加部分其他过渡金属或其氧化物组合而成，构成一 元或多元复合活性氧化物涂层，如 RuO2[16]、RuO2Pt [17]、RuO 2-TiO 2[18]、RuO 2-IrO 2-TiO 2[19]、SnO 2RuO2-Sb[20]、RuO2- SnO2-IrO2[21]、RuO2-Sb2O5SnO2[22] 等涂层体系。根据阳极材料应具备的性能， 金属氧化物电极以其良好的稳定性和催化活性使得 其目前在电化学工业得到了广泛的应用。目前国内

9

外对 DSA 电极的研究 [23, 24] 主要集中于涂覆技术、

（1） 设备的结构设计和制作；

涂层活性元素组成、涂层结构等的改进，减少涂层

（2） 电催化材料的选择、结构设计和制作；

的裂纹数量，提高电极寿命。通过在网上查询资料，

（3） 电催化电极使用寿命的优化；

询问科技老师以及阅读相关文献后，了解到 RuO2

（4） 水体系中含氮物种（氨氮、硝酸根中的

是半导体型氧化物，具有金属导电性，同时其也是

氮、硝酸根中的氮）的检测， 产物分析。

良好的电催化剂，可以促进阳极析出氯气，且析

研究内容

氧电位高，析氯电位低 [25, 26]。我决定用现有的 RuCl· 3 3H2O 试 剂 来 制 备 RuO2/Ti 复 合 电 极。 但 由

一、电极材料的制作及优化

于 RuO2 晶体的硬度不够，阳极长期使用会发生钝

（一）钛基底的预处理

化现象。借助于 DSA (RuO2-TiO2/Ti) 电极的特点，

将厚度为 0.5mm 的钛板裁为 4.0cm × 7.5cm

Ru4+(0.65*10-8cm) 和 Ti4+(0.64*10-8cm) 离 子 半

和 15.0cm × 7.5cm 的尺寸，并在顶端及四角打孔。

径接近，RuO2 和 TiO2 可以形成固溶相，使氧化层

先将钛片放于 0.5 M NaOH 溶液中， 60℃水浴 0.5 h，

和钛基底的结合更为牢固 [15]。虽然 TiO2 导电性不佳，

接着用去离子水清洗钛片表面粘附的 NaOH，并在

但 RuO2 是半导体型氧化物具有金属导电性，由于

去离子水中超声 15min。再放于乙醇溶液中超声 0.5

部分 Ti4+ 被 Ru4+ 所取代使 TiO2 成为具有一定导电

h，之后放于乙醇溶液中备用。

性的半导体，超过变化的 RuO2 便起催化剂的作用，

用砂纸（1200 目）打磨备用钛板直至呈表面有

TiO2 起着钛基底搭桥作用，使涂覆物粘附在钛基底

金属光泽，接着用 10wt% 的草酸溶液刻蚀 2h (85

上。因此，RuO2-TiO2 复合电极在氯碱工业 [15]，污

℃ )，水洗并在去离子水中超声 5min，烘箱中干燥，

水处理工业 [17] 等有着广泛的应用。RuO2 对 Cl- 的

以用做涂覆活性材料的基底。（酸刻蚀：钛基底的

氧化有较高电催化活性，城镇水体中和地表水体，

优化，提高基底与 RuO2 的结合，防止其脱落）

特别是微咸水、咸水体系中往往普遍含有一定量的 -

Cl ，因此在电化学催化的设计中可通过生成氯活性 2

（二）TiO2/RuO2/Ti 电极的制备 采用热分解法制备：

物种来间接氧化 NO 。在本课题中，我们对一系列

1. 涂覆法制备 RuO2 层：

不同盐度的典型水体中亚硝酸盐的脱除进行了考察。

将 50μL RuCl3·3H2O 水溶液（1.6g/mL）加

本课题中预制备 TiO2/RuO2/Ti 双涂层电极，与

入 1.5mL 的小离心管中并加入 1.0mL 乙醇（分散

文献中报道的 RuO2-TiO2/Ti 电极略微有些差别。常

剂作用：RuCl3 溶于乙醇中，乙醇沸点、低易挥发，

规 的 RuO2-TiO2/Ti 电 极 是 通 过 热 分 解 法 将 RuO2-

这样样品干燥快 ) 分散，超声 0.5h 以上直至小离心

4+

TiO2 以混合物的形式涂覆到钛基底上，由于 Ru 和 4+

管底部无明显絮状颗粒，然后将分散后悬浊液涂覆

Ti 离子半径相近，可以形成固溶体以提高涂层的

在已刻蚀处理的钛片（4.0cm × 7.5cm）某一表面上，

耐腐蚀性及与基底结合的牢固性 [27]。但是此类电

然后在 80℃烘箱中烘干；重复上述操作，将 RuO2

极表面存在裂缝和细孔，由于阳极在电解过程中会

涂覆在钛片的另一面上。双面涂覆完全后，80℃烘

有氧气析出，氧气会通过渗透的方式进入电极而把

干备用。

钛基底氧化；在含氯离子的溶液中，表面活性物种

注 释： 扩 大 4 倍 尺 寸 的 16.0cm × 7.5cm 钛

RuO2 由于被氧化 , 以及不同价态的 Ru 离子与 Cl-

片 其 单 面 涂 覆 量 也 相 应 扩 大 4 倍， 即 200 μL

结合，生成可溶性的氯化物络离子，即活性物种的

RuCl3·3H2O 水溶液（1.6g/mL）/ 单面。

阳极溶解。针对常规的 RuO2-TiO2/Ti 电极存在的问

2. 提拉法制备 TiO2 层：

题，我们拟用新的涂覆手法，将 RuO2/Ti 表面涂覆

采用提拉法在 RuO2/Ti 电极上涂一层 TiO2 薄膜。

一层薄薄的 TiO2，一方面可以提高电极表面的平滑

（TiO2 层：保护层的作用，减弱 RuO2 氧化溶解作用）。

度减少电极表面的裂缝，减缓钛基底的氧化；一方

钛源使用钛酸四丁酯（C16H36O4Ti，相对密度

面可以减缓 RuO2 的氧化溶解现象，以提高电极的

0.996g/mL)，钛酸四丁酯在空气中水解缩聚会生成

稳定性及寿命。

TiO2。将钛酸四丁酯在异丙醇中稀释 100 倍配制成

项目需要解决的问题如下：

10

1:100 的钛酸四丁酯异丙醇溶液，将上述 RuO2/Ti

电极垂直浸入钛酸四丁酯异丙醇溶液，以 6.4mm /s 的

NO2- 的实际浓度。

速度提拉 RuO2/Ti 电极，在空气中晾干后置于 80℃

NO3- 的 浓 度 使 用 硝 酸 根 离 子 选 择 电 极 检 测

的烘箱中干燥。烘干后，将其放入马弗炉中 400℃

（PXS-270 离 子 计，PNO3-1-01 电 极）。NO3- 液

煅烧 4 h，升温速率为 2.0℃ /min。最后得到所需的

膜电极检测原理如下所述：离子在液膜与试液两相

TiO2/RuO2/Ti（4.0cm × 7.5cm）电极。

界面间进行扩散，会破坏两相界面附近的电荷分布 的均匀性，在两相间产生和浓度相关的相界电位。

（三）电催化脱除亚硝酸盐

我们可以利用电位变化检测溶液中的 NO3- 浓度。实

几类典型水体中亚硝酸盐的脱除实验 配 制 不 同 盐 度 (0.03M、0.01M、0.005M NaCl) 的水溶液、自来水、河流水溶液（取自上海 徐汇区淀浦河）各 1.0L，加入 10mg NaNO2，分别 配制成 10mg/L NaNO2 污染物几类典型水体。用小 尺寸（4.0cm × 7.5cm）电极进行亚硝酸盐的脱除 实验，利用稳压直流电源（APS30035DM）提供 5.0V 直流电压，电极间用玻璃纤维（12V-20AH, 0.2mm） 隔开， 电极与电极间间距为 4.0mm，正负极均用 相同材料的电极，电解液 250mL，每隔 30min 改 变两个电极的极性（正负极）。 NO2- 的浓度使用紫外分光光度法进行检测。测 定 原 理 如 下 所 述： 在 pH=1.8 的 H3PO4 介 质 中， NO2- 与磺胺偶联生成红色染料，在 λ =540nm 左 右具有最强吸收。实验过程中利用测定红色染料在 540nm 处吸光度对 NO2- 的浓度进行定量。实验步 骤：取 1.0mL 待测样溶液，加入 0.5mL 显色剂（磺 胺 溶 液 , 0.2M）， 稀 释 25 倍， 静 置 30min ( 使 NO2- 与磺胺反应完全 )，利用紫外 - 可见分光光度计 （UV-2450）测试其在 540nm 处测吸光度；根据 所作标准曲线，计算出 NO2- 的实际浓度。 典型水体中亚硝氮的产物分析 取 0.03M NaCl 溶 液、 自 来 水 各 1.0L， 均 加

验步骤：取 5.0mL 待测样，稀释 2.0 倍，加入 0.1mL KH2PO4（1mol/L，稳定剂），搅拌状态下测量 , 从离子计上直接读出示数；根据所作校正曲线（附 图 Fig. 1S.B），计算出 NO3- 的实际浓度。 使 用 氨 气 敏 电 极 检 测（PNH3-1-01，PXS270 离子计）NH4+ 的浓度。 氨气敏电极检测原理 如下：指示电极为 pH 玻璃电极，中介溶液（0.1M NH4Cl），电极浸入待测溶液中，NH3 会通过透气膜， 然后与 H2O 反应生成 OH-，被 pH 玻璃电极感应。 实验步骤：取 5.0 mL 待测样， 加入 0.1 mL NaOH （4.0 mol/L，提供碱性环境），搅拌状态下测量，从离子 计上直接读出示数；根据所做校正曲线 ( 附图 Fig. 1S.C)，计算出 NH4+ 的实际浓度。 （四）电极稳定性 ( 寿命 ) 探索 配 制 含 有 0.03M NaCl 和 10mg/L NaNO2 水 溶 液， 用 小 尺 寸（4.0 cm × 7.5 cm） 电 极 进 行 亚 硝 酸 盐 的 脱 除 实 验， 利 用 稳 压 直 流 电 源 （APS30035DM）提供 5.0 V 直流电压，电极间用 玻璃纤维（12V-20AH, 0.2 mm）隔开，电极与电 极间间距为 4.0mm，正负极均用相同材料的电极， 电解液 250mL，每隔 30min 改变两个电极的极性（正 负极）。

入 100mg NaNO2。用小尺寸（4.0cm × 7.5cm）

二、扩大体系（高浓度亚硝酸盐，大体积溶液）

电极进行亚硝酸盐的脱除实验，利用稳压直流电源

中亚硝酸盐的脱除实验

（APS30035DM）提供 5.0V 直流电压，电极间用

配制如下三种水溶液： 1. 含 0.03M NaCl 及

玻璃纤维（12V-20AH，0.2mm）隔开， 电极与电

10mg/L NaNO2 水 溶 液，2. 自 来 水 配 制 的 10mg/

极间间距为 4.0mm，正负极均用相同材料的电极，

L NaNO2 溶 液，3. 含 0.03M NaCl 和 100mg/L

电解液 500mL，每隔 30min 改变两个电极的极性（正

NaNO2 水溶液。用大尺寸（16cm × 7.5cm）电极

负极）。

（4/6 个）进行亚硝酸盐的脱除实验，利用稳压直 2

使用紫外分光光度法对进行检测 NO 的浓度。

流电源（APS30035DM）提供 5.0 V 直流电压， 电

实 验 步 骤： 取 1.0mL 待 测 样 溶 液， 加 入 0.5mL

极间用玻璃纤维（12V-20AH, 0.2 mm）隔开， 电

显 色 剂（ 磺 胺 溶 液 , 0.2 M）， 稀 释 25 倍， 静 置

极与电极间间距为 4.0mm，正负极均用相同材料的

2

30min ( 使 NO 与磺胺反应完全 )，利用紫外 - 可见

电极，电解液 20L，每隔 30min 改变两个电极的极

分光光度计（UV-2450）测试其在 540nm 处测吸

性（正负极）。

光度；根据所做标准曲线 ( 附图 Fig. 1S.A)，计算出

11

三、太阳光驱动电催化装置的搭建及稳定性测

场和磁场等。本工作中扫描电子显微镜主要是用来

试

观察电极表面的形貌变化。由上图 1 A&B 对比可知，

用 自 来 水 配 制 20L 含 10mg/L NaNO2 溶 液，

Ti 片在刻蚀前后表面发生了较明显的变化，刻蚀后

用大尺寸（16 cm × 7.5 cm）电极（6 个）进行亚

表面呈现凹凸不平，疏松多孔状，这有利于提高 Ti

硝酸盐的脱除实验。用太阳光驱动电催化装置提供

基底与 RuO2 的结合力，同时增大了基底的比表面

5.0V 直流电压，其中太阳能装置器件：太阳能面

积，降低了活性氧化物脱落的可能性。由图 1C 可

板 (100W-12V)， 蓄 电 池（12V-45AH）， 控 制 器

知，由于涂覆手法的不均匀性等原因，煅烧后的电

（20A-12V/24V）。电极间用玻璃纤维（12V-20AH，

极表面存在裂缝及小孔，这会促进电解过程中产生

0.2 mm） 隔 开， 电 极 与 电 极 间 间 距 为 4.0mm，

的活性氧通过迁移或者扩散的方式透过活性涂层进

正 负 极 均 用 相 同 材 料 的 电 极， 电 解 液 20L， 每 隔

入 Ti 基底，而把基底氧化。对于这种问题，我们又

30min 改变两个电极的极性（正负极）。

在 RuO2/Ti 电极表面涂一层薄薄的 TiO2 膜，减少

电极的物理化学性质测试 一、电极的扫描电子显微图谱 (SEM) 电极材料的催化活性及寿命一直引发广大研究 者的关注，电极材料在进行电催化反应过程中会发 生钝化失活现象，影响电极寿命，其主要原因 [15, 26, 28] 有：表面涂层因与基体结合不牢而剥落；涂 层上存在裂缝，使钛基体氧化；以及表面涂层溶解。 针对以上问题，我们主要做了如下处理：1、对钛基 底进行初步的除表面氧化物及油渍处理，用砂纸打 磨，并用 10 wt% 草酸刻蚀；2、将氯化钌涂覆液少 量多次地涂覆在钛基底上，并用提拉法在表面涂一 层 TiO2 保护膜；3、周期性改变电极极性（改变正 负极）。

电极表面的裂缝，同时降低 RuO2 在阳极氧化而发 生溶解的可能性。对比图 1C&D 可以看出，涂 TiO2 膜保护层后，电极表面的裂缝有减少。 二、电极电催化活性 几类典型水体中亚硝酸盐的脱除趋势 氯度与盐度的关系式 ( 克纽森盐度公式 ) 如下 S%=(0.030+1.8050Cl)%， 地 球 上 盐 度 最 高 的 海 域：红海，盐度在 3.6 ~ 3.8% 之间；盐度最低的海 域：波罗的海，盐度只有 0.70 ~ 0.80%，对于海水 盐度的划分如下表 2。根据国家标准 GB/T 57502006[29] 规定，自来水中含氯量在 0.10~2.0mg/L， 即盐度 S%= 0.030~0.034% 水质达标。对于某些 不合格的自来水，需要暴晒处理后才能进行家庭养 殖。而一般养殖水体对于盐度要求在低盐度池塘养 殖（S%=0.20-1.1%），即微咸水中养殖。查资料 [30-32] 可知：一般淡水鱼的盐度指标 S% ≤ 0.15%， 如：鲢鱼在盐度低于 0.14% 正常生长，鳙鱼，草鱼， 团头鲂，鲢鱼的耐盐度依次降低。罗氏沼虾的安全 盐 度 是 0.37%， 江 黄 颡 鱼 的 安 全 盐 度 ≤ 0.70%。 盐碱新池塘的 Cl- 的平均含量在 0.03M，即盐度为 0.21%（半淡咸水区）。根据以上资料总结分析， 设置了以下五个浓度梯度分别代表几种典型水体的 养殖体系（表 3），来研究该电极在典型水体中亚 硝酸盐脱除效率。 表 2 盐度 (S%) 分布

淡水 图 1 A. Ti; B. 10 wt% 草酸刻蚀的 Ti; C. 10 wt% 草酸刻蚀的 Ti /RuO2; 和 D. 10 wt% 草酸刻蚀的 Ti /RuO2/TiO2 材料的 SEM 图

扫描电子显微镜利用电子和物质的相互作用， 可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信 息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构、内部电

12

微咸水 / 半淡咸水

咸水

＜0.050% 0 . 0 5 - 3.0-5.0%

卤水 ＞5.0%

3.0% 根据图 2 可知：在几类典型水体中，水体盐度 由 河 流 水 → 自 来 水 → 0.005M → 0.01M → 0.03M

表 3 不同浓度 NaCl 代表的盐度 (S%) 及典型水体 典型水体

盐度

实验水体

盐碱地 / 微咸

0.03M NaCl

(0.050-3.0%)

（去离子水配置）

微咸水

0.01M NaCl

(0.050-3.0%)

（去离子水配置）

淡水

0.005M NaCl

( ＜0.050%)

（去离子水配置）

城镇水体

自来水（国标）

0.20% 0.065%

河流水体中的盐度含量远低于 0.033%（淡水区），

常见鱼类

电催化系统在这两种水体中脱除亚硝酸盐的速率

罗 氏 沼 虾、

较淡水体系 (0.005M NaCl) 更为缓慢。因此，该

江黄颡鱼等

地区自来水体和河流水体在盐度上符合观赏鱼的

草 鱼、 鳙 鱼

养殖标准。

等淡水鱼 0.033% 0.0030-

三、典型水体中亚硝氮的产物分析

鲢鱼、草鱼、

B：城镇水体）亚硝酸盐的脱除机理及各种离

观赏金鱼

子浓度变化趋势具有一致性。在盐碱地水即盐

0.0034% 河流水体

上海徐汇

不明确

由图 3 可知：在不同水体（A: 盐碱地水，

鳙鱼等

度较大的水体中，所有的亚硝酸盐中的氮物种

鲫鱼

(20.7mg(N)/L NO2-) 在 30min 左右完全脱除了，

（淀浦河）

部 分 转 化 为 了 硝 酸 根 中 氮 物 种（18.7mg(N)/L NO3-），部分 转化为铵盐 中的氮物种 （1.8 mg(N)/ L

N H

4 +

） 。

在延长的降 解 过 程 中， NO3-—N 物种 十分稳定，含 量没有发生 明显的变化， 而 NH 4+ —N

图 2 典型水体 (a) 盐碱地水：0.03 M NaCl， (b) 微咸水：0.01 M NaCl，(c) 淡水：0.005 M NaCl，(d) 城镇水体：自来水，(e) 河流水体中亚硝酸 盐脱除效果

物种含量在 逐 渐 减 小，

NaCl 的逐渐增加，TiO2/RuO2/ Ti 电极对于亚硝酸盐

最 后 消 失，

(10mg/L NaNO2) 的脱除速率也是逐步增加的， 脱 除过程进行 5min 时，不同盐度下的脱除率依次是： 3.08%, 7.66%, 10.69%, 27.31%, 98.91%。由此可 知：NaCl 的含量对于亚硝酸盐的脱除起着至关重要 的角色，据文献报道，Cl- 在阳极放电，生成新生态 活性氯 ClO-，反应过程如下 [33,34]： -

-

2Cl → Cl2+2e

Cl2+H2O → HClO+ClHClO → H++ClOClO- + NO2- → NO3-+Cl亚硝酸盐的脱除反应主要是借助于次氯酸根离 子的间接氧化作用，在低浓度的 NaCl 的电解液中， 亚硝酸盐也可以逐步被氧化而脱除掉，但是脱除速 率比较缓慢，脱除同样浓度的亚硝酸盐需要更久的 时间，消耗更多的电能。由于上海徐汇区自来水及

溶液中总氮 3 典型水体 (A) 盐碱地水：0.03 M NaCl，(B) 的图 城镇水体：自来水中亚硝酸盐电化学催化过 铵 程中各溶液氮物种的变化

减少量等于 盐中氮物种

2

的减少量。进一步验证了 NO —N 物种在含氯的电 解液中主要发生了氧化作用，微量的 NO2-—N 发生 还原作用生成 NH4+—N，但最后 NH4+—N 最后会被 氧化而产生气态 N2 而脱离溶液。观察图 3B 可知： 在城镇水体系中，NO2-—N 物种的变化趋势和含较 大盐度体系具有一致性，说明城镇水体中存在其他 的离子并不会干扰亚硝氮的脱除反应。同时，由于 城镇水体中 Cl- 的含量相对较低，NO2-—N，NO3-—N， NH4+—N 三种物质变化相对较缓。NO2-—N 在 8h 左 右才完全脱除；在前 8h 的电解过程中，硝酸根的含 量在逐步的增加；而铵根离子在电解过程进行 4h 时 含量达到最大值（1.1mg(N)/L NH4+），在随后延

13

长的电解过程中铵根离子逐渐消失，最后溶液中总

改变两个电极的极性（正负极），使在阳极氧化的

氮的含量等于硝酸根中氮含量。

Ru 离子在阴极得到还原而减缓溶解速度。通过图

根据实验结果可知：NO2- 的脱除反应主要是借

4A&B 对比可以看出，周期性（30min）改变电极

助于次氯酸根离子的间接氧化作用，而 TiO2/RuO2/

极性，电极的稳定性明显提高。由图 4A 可知，电

2

极的极性（正负极）不交换时，在前三个循环测试

的氧化作用；同时也有微量 NO 在阴极被还原成

中电极对于亚硝酸盐的脱除率降低十分明显。而图

Ti 电 极 有 利 于 Cl2 的 析 出 作 用， 进 一 步 便 于 NO 2

4+

4+

NH ，NH 在氯酸根离子的氧化作用下生成 N2，

4B 显示 50 个循环测试中，电极催化活性保持相对

最终从溶液中彻底脱除，总氮的减少量等于逸出的

稳定，除后期的几个循环中脱除速率略微下降。电

N2 中氮的含量。其反应过程如下 -

[33-36]

：

极在 10min 内亚硝酸盐 (NaNO2 10mg/L) 的脱除

-

(1)

率均达到 99.0% 以上，表明通过周期性（30min）

Cl2 + H2O → HClO + H+ + Cl-

(2)

改变电极极性的方法可以显著提高电极的稳定性。

(3)

图 5 为循环测试图，周期性改变正负极后，电极在

(4)

电催化反应 2min 后对亚硝酸根的脱除率仍可以达

(5)

到几乎 100%。

2Cl → Cl2 + 2e -

+

HClO → ClO + H 2

-

4+

NO + 2H2O + 2e → NH 4+

NH

2

-

+ 2O2 + 4e +

-

+ HClO → N2 + H2O + H + Cl 3

-

NO + HClO → NO + H2O + Cl

(6)

四、电极稳定性 ( 寿命 ) 探索

五、扩大体系（高浓度亚硝酸盐，大体积溶液） 中亚硝酸盐的脱除实验

图 4 电极稳定性测试 (A: 电极正负极极性不变，B: 电极正负极极性 改变 )

图 6. 多电极电催化系统装置图

根据电催化系统（TiO2/RuO2/Ti 电极）进行亚 硝酸盐脱除的实验结果，我们获得了初步结论：该 电催化系统在一定盐度下可以有效脱除亚硝酸盐， 图 5 电极在 2 min 对亚硝酸盐的脱除率测试

针对表面活性物种 RuO2 由于被氧化而发生溶 解的问题我们做了如下改进：通过每间隔 30min

14

亚硝酸盐主要通过的 ClO- 的间接氧化作用被氧化 成硝酸盐，部分在阴极被还原成铵盐，但铵盐在含 ClO- 的溶液中最后转变成气态 N2 而脱离体系；此外，

电极的稳定性也得到了有效保证，这些均为后期电

一步我们需要验证该电催化系统是否也适用于高浓

催化系统（TiO2/RuO2/Ti 电极）应用于真实的养殖

度的亚硝酸盐体系，我们将亚硝酸盐的浓度扩大了

体系做了铺垫。

10 倍，该 4 电极系统依旧可以高效的脱除亚硝酸

进一步，我们需要验证该电催化系统在大体系

盐，在电解过程进行 180 min 时，其脱除率达到

（高浓度亚硝酸盐，大体积溶液）中的可行性，即

99.5%。日常生活中水体中的亚硝酸盐浓度不会超

该系统是否依旧可以高效脱除亚硝酸盐。因此，我

过 100mg/L，由此可见，在含有一定浓度的氯离子

们设计了多电极系统来进行养殖体系中亚硝酸盐的

时，该 4 电极电催化系统可以应用于养殖体系，以

脱 除 实 验， 电 极（16.0cm × 7.5cm，0.16mg/ 单

及可以高效地脱除亚硝酸盐。

面涂覆量）4/6 个，如上图 6。

图 8 多电极电催化系统 (a) 4 电极 , (b) 6 电极中亚硝酸盐的脱除效果 （10 mg/L NaNO2，城镇水体，20 L）

电极的数量对催化反应也有较大的影响，增加 电极的数量可以提高电极的有效面积，提高催化效 率。由此做了两组对比，分别为 4、6 电极体系，脱 除城镇水体配置的 10mg/L NaNO2 水溶液 20L。从 图 8 可以看出，当电极的数目增加为 6 个时，城镇 水体中亚硝酸盐的脱除效率显著提高，在电催化进 行 6h 后，脱除效率由 52.7% 增加到 95.2%。 由此可知：对于该多电极系统电催化亚硝酸盐 浓度较高且体积较大的亚硝酸盐污染水体，均有一 定的实用性，当氯 图 7 四电极电催化系统进行 (A) 几类典型水体 (a) 盐碱地水： 0.03 M， (b) 微咸水：0.01 M，(c) 淡水区：0.005 M，和 (d) 城镇水体：自来水 中亚硝酸盐的脱除效果；(B) 不同浓度 NaNO2 (a) 10 mg/L，和 (b) 100 mg/L 溶液中亚硝酸盐的脱除效果（0.03 M NaCl ）

离子含量较低时， 可以通过增加电极 的数目来缩减反应

我们首先选择的是 4 电极电催化系统进行 20L

时间，进一步证实

含 10mg/L NaNO2 的几类典型水体进行亚硝酸盐

了该电催化系统可

的脱除实验（图 7A），该电催化系统取得了良好

以应用于养殖水体

的亚硝酸盐脱除效果，在电解过程进行 25min，几

中脱除亚硝酸盐。

类典型水体中亚硝酸盐的脱除率依次为 98.8%，

六、 太 阳 能 装

23.2%，15.4%，8.8%， 说 明 4 电 极 系 统 适 用 于

置自身现场转化为

亚硝酸盐的脱除反应。虽然对于盐度极低的自来水

绿色电能提供电化

体系，脱除速率相对较缓慢一些，但是在放大浓度

学催化氧化的能源

体系中该多电极电催化系统还是有一定效果的。进

借 助 于 太 阳 能图 9 太阳光驱动的水体亚硝盐的脱除装置

15

材料成本 表 4 本装置涉及的主要材料及费用 材料名称 单价 用量 金额 ( 元 ) C16H36O4Ti

0.11 元 /mL 1mL

0.11

Ru(RuCl3)

11.5 元 /g

33.54

Ti

1333 元 /m2 0.072m2

96

蓄电池

230

1个

230

太阳能装置

368

1套

368

2.92g

（太阳能面板， 控制器） 图 10. 太阳能面板提供电能的电路图

热水器的原理，将太阳能转化为热能，我们想到利 用太阳能面板将太阳能转化为电能，以作为我们电 催化系统的电源。太阳能面板是指利用半导体材料

运行成本 太阳能装置提供绿色电能，无运行成本。

总结与展望

在光照条件下发生的光生伏特效应 (photovoltaic)

本工作设计搭建了亚硝氮的无能耗绿色处理的

将太阳能直接转换为电能的器件，是诸多太阳能利

装置，利用太阳能电板现场将太阳能转化为电能，

用方式中最直接的一种，目前大多数材料为硅。有

为电催化氧化提供能源驱动，实现了亚硝氮的无能

太阳光的地方就能发电，因此太阳能光伏发电适用

耗绿色处理的装置。通过对传统的 RuO2/Ti 电极进

于从大型发电站到小型便携式充电器等多种场合。

行改进，制备 TiO2/RuO2/Ti 双涂层电极。扫描电子

于是，我们打算搭建如上图 9 装置，来进行电催

显微镜证实了双涂层的制备方法可以有效减少电极

化脱除养殖体系中的亚硝酸盐。其中太阳能面板

表面的裂缝数目，有效延长电极寿命；进一步地，

(100W—12V) 是用来将太阳能转化为电能的装置；

通过周期性（30min）改变电极极性（阴阳交替）

蓄电池（12V —45AH）用来储存电能，同时也可

的方式可以通过阴极还原消除 RuO2 活性物种的自

以为用电器提供电能；控制器（20A—12V/24V）

身的氧化失活，有效提高电极的稳定性。在循环测

可以将蓄电池 12V 的输出电压通过 USB 输出端口

试中，由于 RuO2 活性物种的自身的氧化失活，电

转换为实验所需的 5.0 V 外压（图 10 为具体的工作

极极性不改变时电极催化活性下降十分迅速；电极

电路原理图）。图 11 验证了该装置供电的稳定性，

的极性（正负极）改变时电催化活性稳定性显著提高。

其脱除速率与直流稳压电源提供输出电压的脱除速

在历经 50 次的重复实验后，电极在 10min 内对亚

率相当，说明太阳光驱动装置可以长久地输出 5.0 V

硝酸盐 (10mg/L NaNO2) 的脱除率均达到 99.0%

电压。

以上。将该电极系统应用到几类典型水体（微咸水， 半淡咸水，淡水，城镇水体，河流水体）中脱除亚 硝酸盐，均取得了良好的脱除效果。在盐度远低于 0.033%（淡水区）的城镇水体及河流水体中，亚硝 酸盐的脱除效果也是非常良好的。我还进行了电解 过程中的产物分析，发现电催化过程中亚硝酸根主 要有两种去向，其中大部分被 ClO- 直接氧化成了硝 酸盐，还有少量的亚硝酸盐在阴极被还原成铵盐， 铵盐在 ClO- 的作用下进一步被氧化成氮气而从水体 去除。在此基础上，还尝试了养殖水体亚硝酸盐的 脱除试验的小试，发现低盐度高浓度的亚硝酸盐的

图 11 不同电源提供 5.0V 电压 (a). 恒压直流电源，(b) 动力电进行 亚 硝 酸 盐 的 脱 除 速 率 .（6 电 极 体 系，20 L 自 来 水 配 制 的 10mg/L NaNO2）

16

条件下，该电催化系统依旧有令人满意的脱除效果； 利用本设备的太阳能供电装置和市政供电结合直流

稳压电源供电进行亚硝酸盐的电催化脱除实验小试， 实验结果两者具有同样的效果。 总而言之，本工作所得到的实用独立电催化装 置能够有效地脱除各种养殖水体系中的亚硝酸盐污 染，技术路线简易可行，无二次污染，无需外部供能， 成本低，拥有良好的产业化前景。

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趣味猜药名 1. 艳阳牡丹妹（打一中药名） 2. 涨潮 （打一中药名）

摘自医学百科——中药谜语 答案详见杂志

3. 五月初五（打一中药名） 4. 何人不起故园情（打一中药名） 5. 浪费钱财（打一中药名）

整理 / 徐凌舟

17

十一年级

防止汽车对行人伤害的 声光提醒装置研究

撰文 / 张峻瑄

本

发明是一种主动提醒行人和助力车的安全预警系统。针对大型车辆转弯 、乘用车车辆倒车、停车打开 车门等三个极易发生安全隐患的典型场景，根据车辆现有车速、方向盘转角、转向灯、位置灯、雨刮

等传感器和开关信号，通过与传感器信号融合，计算相应场景的车辆后方和侧方危险区域范围，由声光提醒 装置控制蜂鸣器、LED、步进电机对危险区域发出声音和灯光（改变光照亮度、区域大小、角度等）提醒行人。

引言

大雾是造成重大事故的元凶之一，Audi 最新研

在实际生活中，我们经常在马路上见到在行人，

发的激光雾灯可让后车及时发现自己，通过在车辆

特别是电动车闯红灯、不按规定行驶等，以及如下

尾部安装一个红色的激光发射器来实现激光束以一

图 1 所形象描述的“低头族”，经常低头走路，偶

定的角度向下发射，确保不会直接照射到人眼。在

尔抬头看路，这些都对车辆和行人安全提出了新的

正常状态下开启，除了后方地面上多了投射的两道

要求，即除了增加车辆主动安全配置，还应增加对

杠外并没有什么稀奇，但在雨雾天便会成一个向路

车辆旁边可能出现危险的行人的声光提醒。随着因

面倾斜的三角光亮警示牌，相比传统的雾灯更容易

意外开车门，行人以及驾驶员的疏忽等因素造成的

被发现，穿透力也更强。

车祸的数量增加，这一问题值得引起关注，并应提 出相应的解决办法。

主流汽车厂商已经着手于解决有关于行人安全 的技术，强调了相关问题的重要性。

概述 随着传感器和电子技术的发展，汽车主动安全 配置越来越多，从基础配置如倒车雷达、倒车影像 到车道偏离报警、车道保持、并线辅助、盲点检测、 自适应巡航、夜视系统等先进配置，都为车辆安全 提供了保障。但是这些现有的主动安全系统都是提 醒车内驾驶员，对外部行人和车辆没有起到效果。 本发明是基于车辆现有传感器，在易发生危险 的时刻和区域，在主动安全系统提醒驾驶员的同时， 图 1 低头族形象 （“清华博士画了一组深入骨髓的漫画，毫无幸免，全部躺枪。”）

开门预警系统系统是奥迪的专有技术，利用“侧 向辅助系统（Side Assist System）”的雷达传感器， 当驾乘者试图打开车门触碰到车门把手的同时，藏 于后保险杠内的雷达传感器会检查车辆后方是否有 运动物体快速接近，如果有，门把手处会亮起红色 的灯光警告，提示驾乘者后方有物体接近不要开门。 如果驾驶员执意要开门，拉动把手的一瞬间（还未 解锁）会有刺眼的红光亮起，导致驾驶员的手猛然 缩回，达到安全目的，该系统对驾驶者在视线受限 的情况下开门下车有极大的帮助。

18

增加车辆外部对行人和其他车辆的提醒，我们称之 防止汽车对行人伤害的声光提醒装置或行人提醒装 置。行人提醒装置是根据车辆现有的传感器和开关 状态信息，例如车速传感器、方向盘转角传感器、 阳光传感器、纵向加速度传感器、位置灯开关、背 光调节开关、雾灯开关、雨刮开关、转向灯开关、 危险警报灯开关、发动机起动状态、门状态、钥匙 状态、安全带状态等，通过传感器信号融合手段， 计算出对行人或车辆存在危害的危险区域，通过智 能化调节照射到此危险区域的 LED 光照的强度、照 射区域、照射角度以及蜂鸣器声音频率的大小，达 到既能提醒车辆周边行人和车辆，又不会因光照和

声音影响到他人和车辆的目的，最大限度地避免了

报警声音频率越高。目前这种方式能够有效的提示

外因造成的行人伤害。以下是根据此原理，针对大

驾驶员后方障碍物距离，从而减少后方碰撞发生概

型车辆转弯、乘用车倒车和乘客开车门三种典型危

率，然而仅仅通过提醒驾驶员还是远远不够的。当

险场景设计的行人提醒安全装置，说明如下。

侧面出现行人或自行车时，由于驾驶员只能预知正

场景 1：大型货车转弯时，转弯半径较大，同

后方障碍物和行人情况，无法预知侧面情况，往往

时存在内轮差（也就是车辆转弯时前轮与后轮地转

会由于视野盲区或者倒车车速过快，引起事故。本

弯半径之差）。 驾驶员可以通过外后视镜观察车辆

发明是根据车辆启动、方向盘转角、车速、纵向加

两侧情况，而货车旁边行人不易判断自身是否处于

速度、位置灯、雨刮、雾灯等状态，给予周边行人

安全区域，如果此时能够给予行人明显的危险区域

及车辆危险区域声音提示，并且智能调整危险提示

提示，这样可以最大限度的保证行人处于安全区域

区域大小和亮度，如图 5 所示。

以避免事故的发生。本发明是由行人提醒模块来采

场景 3：乘客开车门特别是开后排车门时，如

集车辆方向盘转角、角加速度、车速、位置灯信号等，

无前排驾驶员提醒，遇后方快速驶来的车辆或自行

划出需要警示的危险区域，此危险区域可根据车辆

车，容易发生碰撞，这就需要提醒后排乘客后方来车，

实时行驶状况，发出声音提示，并对危险区域灯光

此时不要打开车门；或提醒后方车辆前方车辆将要

的亮度进行智能调节，如图 4 所示。

打开车门，注意减速避让。本发明通过车辆启动状态、 钥匙状态、安全带状态、中控锁、后背门开关状态 等判断车辆内乘客是否有打开车门意图，提醒后方 车辆采取减速避让等措施以降低安全隐患，如图 6 所示。

图 4：大型货车转弯提醒行人工作示意图

场景 2：车辆倒车时，如果配置倒车影像和倒 车雷达，当接收到倒车信号时，后摄像头会把影像 传输到车载显示屏上。如配置方向盘转角传感器， 还可以显示动态辅助线。雷达传感器把采集到的信 号发送到雷达控制模块，雷达控制模块处理后也会 发送车载显示终端进行报警，一般距离障碍物越近，

图 6：乘用车开车门行人提醒示意图

工作原理 在描述三个场景工作原理前，需要了解行人提 醒装置涉及到的控制器及传感器、执行器的布置位 置，控制器和执行器将在下文中介绍，如下图 7 所 示为行人安全装置系统传感器布置位置示意图。

图 7：行人安全装置传感器布置位置示意图 图 5：乘用车倒车行人提醒示意图

19

场景一： • 当 整 车 行 驶 状 态（ 发 动 机 状 态 信 号 或 新 能 源 Ready 信号）时，大型货车或公交车转弯（转 向灯信号）时，随着方向盘转角最增大，安全 提示区域增大； • 角 加 速 度 增 加， 在 原 提 示 区 域 基 础 上 增 加 0~100%； • 车速小于 3Km/h 时，提示区域无变化；车速大 于 3Km/h 时，随着车速增加提示区域增加； • 白天（位置（车）灯呈关闭信号）时，随着光 照强度（阳光传感器）增加，提示区域亮度增大； • 当晚上（位置（车）灯呈打开信号）时，随着 背光亮度（背光调节开关等级信号）增加，提 示区域亮度增大； • 当雾灯（雾灯信号）打开时，提示区域亮度最大； • 当提示开始工作时，提示区域 LED 以 1Hz 频率 闪烁、同时蜂鸣器工作，提醒侧方行人； • 当车辆故障灯（危险警报灯信号）点亮时，车 辆两侧同时有相应的安全提示范围，与危险警 报灯一起组成车辆后部和两侧危险区域警示。 如下图 8 是大型货车行人提醒装置系统框图。 如下图 9 是基于系统框图的软件逻辑开发流程图。 场景二： 车辆倒车时，驾驶员可以看到倒车影像，听到 声音提示，而行人除了能够看到白色倒车灯外，无 其他提醒装置。倒车信号（MT）、档位信号（AT） 和整车行驶状态（发动机状态信号或新能源 Ready 信号）是系统工作的前提条件。 • 方向盘转角越大，提示区域偏向车位偏向方向； • 车速和纵向加速度越大，提示区域侧面和后方

区域同时越大； • 当打开雨刮（前雨刮信号）或雾灯（雾灯信号） 时，提示区域最大； • 当车辆危险警报灯（危险警报灯信号）点亮时， 提示区域最大； • 根据位置灯信号和阳光传感器信号，调整指示 区域亮度； • 当提示开始工作时，提示区域 LED 以 1Hz 频率 闪烁、蜂鸣器工作，提醒侧方行人； 如下图 10 是乘用车倒车行人提醒系统原理框图。 场景三： • 后排及副驾乘客开车门时，往往不能通过外后 视镜观察后方来车，目前已有车型通过后方雷 达和外后视镜雷达探测后方车辆速度，预判开 门是否存在碰撞风险，在门把手开关附近警示 乘客 （奥迪研发的开门预警系统）。本创新发 明通过预判乘客开门意图，旨在提醒后方车辆 减速或避让。 • 整 车 行 驶 状 态（ 发 动 机 状 态 信 号 或 新 能 源 Ready 信号），由 Running 到 Off 或钥匙电源 状态由 KL15 到 Off 或检测到 Key Off 信号（机 械钥匙）； • 检测到主驾安全带解开或副驾安全带解开，提 示相应危险区域 30s； • 中控闭锁时，检测到其余三门有解锁需求（门 锁拉手状态），提示相应危险区域 30s； • 当检测到任意一侧车门打开（门锁状态信号）时， 该侧危险区域指示打开； • 当提示开始工作时，提示区域 LED 以 1Hz 频率 闪烁、蜂鸣器工作，提醒侧方行人； 注： 1. ABS，Anti-lock braking system，防抱死制动系统 2. ESP，Electronic Stability Program，电子稳定程序 3. BCM，Body Control Module， 车身控制模块 4. EMS，Engine Management System，发动机管理系统 5. VCU，Vehicle Control Unit， 整 车控制器 6. ACU，Airbag Control Unit，安全 气囊控制单元。

图 8：大型货车行人提醒装置系统框图

20

课程创新点 在提醒驾驶员的同 时，提醒有安全隐患的 车辆周边的人或者车辆， 实现车内、车外同时提 醒，避免了典型交通事 故的发生。 基 于 车 速 的 行 人、 助力车提醒，随着车速、 方向盘转角和角加速度 变化，提醒范围智能化 自适应调整。 通过多传感器融合技术进行智能化的识别，进 行综合判断，实现控制策略。 基于车辆现有传感器信号，不额外增加传感器， 对整车其他控制器更改小，成本低，可行性高。

图 10：乘用车倒车行人提醒系统原理框图

办法是增加 LED 灯亮度，减少执行器震动。 算法，输入、输出控制比较明确，初版软件难 度不大，但是需要大量的时间和经费用在试验车的

方便移植到不同种类车辆，控制模块和执行器

标定上，既要保证投射范围不过大，防止影响到其

分开，两者通过线束连接，可通过参数标定实现不

他车辆和行人，又不能过小，以免行人看不清，达

同车型的应用配置。

不到提醒行人和车辆的目的。

问题及解决方法

拓展研究方向

执行器布置，大型货车布置执行器时，需求重

从被动提醒转变到主动提醒，可以利用后保险

点考虑震动和泥水影响投射效果，目前有效的办法

杠处已有的超声波雷达，如果配置 BSD（盲点监测

是加固定支架和在上部增加挡泥水装置、使用防水

系统），亦可根据 BSD 系统布置在后保处的雷达，

插件。这些关系到批量生产车辆一致性问题。

探测出与后方来车的相对距离并计算其变化量，根

光源的选择，涉及到成本、大小、性能等，一 般 LED 是最优选择，各方面都比较均衡。

据这两个参数进行运算分析，测算出相应的危险区 域进而给出声光预警提示。

天气变化，当出现雨、雾、沙等天气时，投射

与车联网功能结合，当车辆挂倒档时，倒车影

在不同地面上，行人和车辆能否看清，目前有效的

像工作，参考行车记录仪功能，当发生碰撞时，打 开紧急录像功能，此时碰撞前后 14s 的视频会存储 下 来， 并 且 可 以上传到后台， 既可以用于事 故 责 任 鉴 别， 还可以上传数 据 至 后 台， 可 以通过大数据 分析增加此行 人提醒安全系 统的优势及对 行人的提醒效 果分析。

图 12：乘用车门开行人提醒装置原理框图

未来随着

21

最新光源的发展和普及，可以选择穿透性更强，能 见度更高的光源，如还未普及的激光镭射灯。

用价值。 3. 研发流程需要经过十分严谨的考量。通过对

V2V 技术，根据车联网技术定位车辆精确位置，

案例具体的分析和具体，整个流程包括并解决了一

根据场景 3 检测到当前车辆有开车门意图时，通过

切具有安全隐患的问题，以确保这项创意的利用价

车联网 V2V 技术告知后方一定范围内车辆，后方车

值和运用范围。

辆接提醒后可提前采取减速、避让等措施，同时前 方车辆会有相应提醒，提示驾驶员不要打开车门。

总结 1. 课题的选题来源于对生活中常见的典型交通 事故案例的观察，如货车内轮差、汽车开门等意外 引起的事故，由此发现了汽车安全技术上的空缺， 确立了创新点和研究方向。 2. 如今，汽车开始装备越来越多的智能安全系 统，主要以主动安全系统为主以确保车辆和车内乘 客的安全。许多配置，如自适应续航和主动防碰撞 系统均共同运用了雷达等技术。这项创意也同样巧 妙地运用并结合了现有的汽车技术，不仅减少了研

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撰文 / 王励新

22

十一年级

自闭症，社区模式和爱

撰文 / 段旻暄，郝瑷家 指导老师 / 曹小夏，翁梅倩

我

谁是曹老师 ?

们热爱音乐和艺术，因为音乐就是表现爱，音 乐能感化人们的心灵世界。 它们更有将不同

曹老师是中国城市交响乐团首席指挥家——曹

国家，文化和不同教育背景的大众聚集在一起的能

鹏的女儿，她与父亲一同开了在中国使用音乐治疗

量。音乐和艺术的确无法像现代科技那样推动时代

自闭症的先河。曹老师和志愿者们已经花费了整整

的变迁和发展，然而它们却是我们历史最好的载体。

8 年的心血来帮助确诊的自闭症孩子进行康复训练，

千百年来，人类将他们的智慧，情感融入其中，让

而这些心血确实也得到了莫大的回报。如今，已经

后人看到他们的前身，他们的现在以及他们的将来，

有相当一部分孩子可以融入正常人的生活，还有许

这也就是为什么任何一个普通人都可以在某一瞬间

多人被正式录入上海城市青少年交响乐团团员，曹

被几个简单的音符或是几笔勾勒出来的画面感动。

老师给予这些孩子一切可能的关爱的机会，他不仅

有时，我们会想，如果每个普通人都会被音乐

是音乐领域里的专家，更是爱的传播者。

和艺术感染，那么那些特殊人群又会对音乐和艺术

曹老师眼中的星星的孩子们

有什么不一样的感受呢？这个冬天，我们在曹老师

这些孩子比普通人要“不愿应答”很多。

的“天使知音沙龙”中认识了一群患有自闭症的孩 子和他们的家庭。因此，我们拥有了一个珍贵的机 会让我们去探索音乐神奇的力量是否能帮助这些“星 星的孩子”们，我们也借此机会进一步了解了自闭 症和这个特殊的群体。

他们不愿与人交流的原因就是因为他们封闭了 自我，他们“不愿应答”，不愿去管外界发生了什么， 所以就把自己沉浸在自己的世界里，重复地，反复 地做一件事。他们很难去了解新鲜事物，并与周围 的事物和人群发生互动。

2015 年科技重大事件 波士顿动力 波士顿动力公司主要是以工程设计和机器人设计为主要项目。它最 著名的产品是一个四肢机器人，叫做“BigDog”。 在 科 技 科 学 快 速 发 展 的 当 今 社 会，BigDog 被 升 级 为 一 种 更 加 强 大 的 机 器 人， 叫 做 LS3。LS3 是 四 肢 支 持 系 统 的 简 称， 也 叫 做 AlphaDog。它被设计成军事工具，帮助士兵携带负荷。LS3 适应于任 何一种环境，它可以携带 181 公斤的负重行走 24 小时。

新型仿生隐形眼镜 来自加拿大的 Gareth Webb 发明了一种仿生镜片，可以将人类的 视力提升三倍。还有，带上这种仿生镜片的人们再也不会得白内障。 Webb 是 Ocumetics 的总裁，他花费了八年的时间和三百万美元在研 发这种镜片上。 最出乎意料的事情是：安置仿生镜片的手术只需要八分钟，而且病 人并不会感受到任何的痛苦。但是，只有超过二十五岁的人才能安置这 种镜片，因为到二十五岁人的眼睛才完全发育好。 Ocumetics 希望这款仿生镜片能在 2017 年正式投入市场。 撰文 / 王励新

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这些孩子都是“完美主义者”。

越多的人认识到自闭症孩子需要适合他们的教育方

和普通人不同，这些患有自闭症的孩子们可以

式和学校，所以有些人包括我自己正在希望办专门

长时间重复做一件事而从不感到厌烦。所以他们只 要接到一个任务，就会不厌其烦地练习，直到掌握 为止。就好比如果你教这些孩子们如何从 A 点走到 B 点，但如果你让他们从 C 点走到 B 点， 他们不会 像普通人一样再去寻找最短路线，而是先从 C 点走

专门为自闭症儿童量身定制的学校。 是什么原因导致了自闭症？为了更好的了解自 闭症，我们阅读了文献并设计了调查问卷，以下是 我们对这组病人的调查报告：

调查数据

到 A 点，再从 A 点走到 B 点。虽然他们比我们“走 得慢”，但是他们却不会“迷路”。 音乐治疗让这些孩子们打开耳朵，动起来。 自闭症也叫孤独症，因为他们没有人倾诉，也 没有人懂得他们，所以他们也非常需要认同感，也 想获得一种集体精神。艺术能够激发人们的想象力 和创造力，它会营造一种氛围，使每个人都参与其中。 自闭症患者还有一个特点就是不听指令，他们不想 听我们说话，但是却会被音乐带动起来，因为音乐 好听，这就是音乐的魅力。他们开始学会听着音乐 打节奏，他们要认真听才不会错，音乐打开了他们 的耳朵。他们通过听音乐，开始听我们的指令了。 在玩音乐的过程中他们慢慢融入到集体中，学会唱 歌，开口说话了，学会跳舞，开始改正了不让人触 摸的习惯了，他们学会了手拉手，拥抱，过去他们 不会看书、看谱，通过一系列的学习，大部分孩子 学会了看谱。沙龙中有四位同学加入了上海青少年 交响乐团。在乐团里这些星星的孩子们渐渐地学会 了如何和他人交流，并融入到集体中去。

我们在沙龙中对随机 25 名患者及家属做了深度 的调查和访问（患者病情和医疗史），以下是我们 的调查结果： • 84% 患者为男性，8% 为女性，8% 为未知（因 并未在调查表中回答） • 76% 的患者在 2-4 岁时在家人或医生的判断 下确诊并开始治疗，23% 在 5-7 岁时被确诊， 余下 1% 未知。 • 这些行为或体征失调帮助家人或医生确诊： -- 92% 的患者语言表达能力迟缓 -- 84% 的患者兴趣爱好局限于特定范围内 -- 76% 的患者有重复异常行为 -- 28% 的患者感官信息处理失调 -- 16% 的患者患有癫痫 -- 4% 的患者患有异食症 -- 16% 的患者无任何以上或其他体征失调 -- 除此之外，还有患者有严重的过敏症状和 多动症 • 患者在出生时：

什么样的教育是适合自闭症孩子的？

-- 72% 无任何病症

自闭症患者初期会有很大程度的不稳定情绪，

-- 20% 患有黄疸

而且也因为有焦虑等症状，因此无法静下心来看书， 要进普通的高中或是大学学习还是有困难的。但是

-- 8% 患有缺氧症 • 患者的家庭中有这些遗传病史：

如果社会上的爱心人士能够给予他们更多的包容，

-- 4% 患者家属患有智力障碍

自闭症的孩子们也能早些进行有效的康复治疗训练，

-- 4% 患者家属患有精神疾病

他们可以非常好地融入社会并将贡献出自己的力量。

-- 16% 患者家属患有糖尿病

他们虽然和我们常人非常不同，但是也有很多超越

-- 16% 患者家属患有高血压

我们的地方，他们有的可以清晰地记住上海 16 条地

-- 8% 患者家属患有荨麻疹

铁线的线路图、他们会三位数乘法马上报给你们听、

-- 4% 患者家属患有乙肝

他们会告诉你明年任何一个日子是周几。有的可以

-- 48% 无遗传病史

在听完一首歌后立刻完整地演奏出来，他们的天分 在包容的社会环境中是是可以展露出来的！”一位

• 8% 的患者家庭居住临近与化工厂，垃圾场， 工业垃圾堆或放射性高压电场旁

美国自闭症学校的校长告诉我，他可以教他们让他

• 68% 的患者的父母双方在 30 岁后生育患者。

们上大学，但是他不能像曹老师的音乐沙龙一样让

• 患者的母亲在怀孕期间曾暴露于以下外界条件：

星星的孩子们上台表演如此美妙的音乐。现在越来

24

-- 4% 患者母亲曾吸二手烟

科学以外的启发

-- 4% 患者母亲曾孕期使用抗生素等处方药 -- 8% 患者母亲常暴露于 X 光射线

近些年来，自闭症的发病率以难以置信的速度

-- 16% 患者母亲曾过度使用电脑

升高着，2015 年美国报告了每 68 个人中就有一位

-- 20% 患者母亲曾进行过保胎治疗

被确诊为自闭症患者。但直到今天，自闭症病因不明，

-- 20% 患者母亲严重情绪不定

无法通过筛查进行诊断，更没有药物可以治疗自闭

• 患者的母亲：

症。不仅如此，治疗自闭症的花费十分昂贵，来自

-- 40% 出现难产状况 , 并采取剖腹产

贫困家庭的患者无法承受昂贵的诊疗费用，那么他 /

-- 20% 采取剖腹产

她们将很有可能错失最好的康复治疗时间。

-- 40% 正常顺产 • 病人接受治疗时长：

由于以上种种原因，美国目前广泛运用社区模 式来应对。那么这个模式是否适合中国的社会情况

-- 8% 患者刚刚接触恢复治疗

呢？通过对曹老师办的自闭症患儿音乐沙龙的调研，

-- 12% 患者接受 0.5-3 的康复训练

根据对于我们收集的一手资料的分析和对于自闭症

-- 60% 患者接受 4-7 年的康复训练

患儿以及家庭的近距离的接触，以及交流访谈，我

-- 20% 患者接受 8 年及以上的康复训练

们发现曹老师的社区模式非常有效，运作灵活，非

• 在治疗过程中，哪些治疗方式对患者病情起到

常值得进一步的调研和推广。

了突出的疗效：

以下是我们调研的结论：

-- 84% 家庭表示音乐治疗十分有效地改善了

1. 在沙龙中，病人家属之间可以互相分享经验，

患者的交流能力，动作协调能力，语言组

这有助于尽早发现并对自闭症进行诊断和治

织能力，焦虑症和交流意识。

疗。

-- 24% 家庭表示 ABA 理疗可以有效改善患者 的理解力，增强其注意力

2. 社会各界的爱心人士，包括老师，学生，医 生，护士，科学家，社会工作者，艺术家，

-- 4% 家庭表示中药调理可以稳定患者情绪

企业家愿意作为志愿者来帮助这些患有自闭

-- 4% 家庭表示运动治疗可以增进患者的协调

症的孩子们，他们为自闭症患儿带来很多的

能力

我们从问卷调查表中学到什么？ 通过我们的问卷调查我们发现问卷调查是一个 帮助医生了解病因，帮助疾病的诊断，治疗和预防 疾病的一个非常有用的工具。 我们的调查发现： 1. 自闭症更常见于男孩（在我们这组调查群体

资源，同时为自闭症患儿创造了很多接触社 会，融入社会的机会 。 3. 志愿者们的大爱，对于社区的贡献，创建了 一个由自病症患者和家属以及社会各届爱心 人士的大家庭。在这个大家庭中，大家互相 帮助，分享资源，这也是中国社会为特殊人 群构建和谐美好社区的尝试典范。

的男女发病率比是 10.5 : 1）。 2. 母亲孕期的健康状况与自闭症可能相关，需 要进一步证实。 3. 基因遗传可能是导致自闭症的一个原因，但 其他很多因素可能更与之相关联。但事实上 自闭症到目前为止病因不明。 4. 该组患者的父母生育年龄都超过了 30 岁。 5. 音乐是可以帮助自闭症患者的有效的治疗方

参考文献： 1. "Autism." KidsHealth - the Web's Most Visited Site about Children's Health. The Nemours Foundation. Web. 21 Apr. 2016.

2. "Autism Spectrum Disorder Fact Sheet." Autism Spectrum Disorder Fact Sheet. Web. 21 Apr. 2016.

3. "Autism Spectrum Disorder." NIMH RSS. Web. 21 Apr. 2016.

4. "Autism Spectrum Conditions." : MGSE. Web. 21 Apr. 2016.

5. Medical News Today. MediLexicon International. Web. 21 Apr. 2016.

6. "What Is Autism?" Autism Speaks. Web. 21 Apr. 2016.

法之一 （需要进一步扩大样本量并设立对 照组进行更系统的统计学比较）。

25

十年级

怎么了？

暗能量与暗物质背后的秘密 撰文 / 龚博雅

我

们身后的漫无边际的宇宙究竟是由什么组成

相处的银河系的研究，我们发现 3 个证明这看不见

的？是我们熟知的分子，离子还有原子？不，

摸不着的神秘“吸铁石”存在的有效证据。

在我们身边熟知的物质仅仅构成浩瀚宇宙中的 5%，

首先，暗物质决定了星系旋转曲线（galaxy's

然而剩下的 95% 皆是那无穷无尽的黑暗。20 世纪初，

rotation curves）的形状。也就是所有天体围绕银

曾有人断言“人类从此完成物理王国的所有研究”，

河系中心的行进轨道。你可以想象自己在旋转，如

然而他也许不会想到，1905 年后，自相对论被提出

果你身边有一个质量，你的行进速度就会变慢。当

后，一次次的伟大发现为物理王国开辟了全新的探

科学家测量银河系的旋转速度时，他们发现结果与

索方向。从相对论到宇宙大爆炸的证实，再到之后

猜想值大不相同。而这影响着银河系转动的能量，

的量子理论和量子力学，人类开始向身后的黑暗进

就是凝聚一切的暗物质。也正是因为它的存在，提

发。然而，这黑暗究竟是什么？

供人类，甚至整个太阳系一个赖以生存的环境，而

要追寻问题的答案，我们必须要从二十世纪的

不是在迅速的旋转中化为灰烬。

思维巅峰者之一爱因斯坦说起。在广义相对论中，

爱因斯坦在相对论中曾这样说，“由于任何质

爱因斯坦曾提出过“宇宙学常数”（cosmological

量都能弯曲空间，所以任何有质量的物体都有引力”。

constant）的概念。这一常数的存在，引导人们推

光在经过引力时，会被弯曲。引力越大，弯曲的程

断真空区（empty space）可以生成自身能量。既

度就越大。“由于暗物质包含了宇宙 85% 的质量，

然这一能量作为宇宙本身的性质之一，所以其本身

其产生的巨大的引力透镜效应（lensing effect）会

也不会被宇宙膨胀所影响。

使来自于遥远星际的光在暗物质的引力在被弯曲。”

在爱因斯坦逝世后，有一次，一名叫做阿兰·古

最后，如果没有暗物质存在，也就没有星系的

斯的大学生正与他的教授亨利共同研究天文方面的

生成。没有暗物质，势不可挡的暗能量只会无限加

内容。当他重新阅览了自己关于宇宙膨胀速度的计

速宇宙中的一切，向外扩张。

算后，在他的脑海迅速萌发出解释宇宙爆炸及膨胀

如今，科学家正致力于寻找暗物质真实身份的

的猜想。他提出在新生宇宙时期，有一种与重力

候选人。然而，首先要解决的问题是，为什么暗物

相斥的力量使宇宙向四面八方无限扩张。而这种

质是暗的？也许，是因为它那神秘的黑暗外表，但

力量正是这篇文章的中心之一 ——暗能量（dark

是为何不把这抹黑暗，解释为电中性（electrically-

energy），也正是这个力量的存在导致了 137 亿年

neutral）的象征呢？当然，成为候选人之一不仅仅

前的宇宙大爆炸。事实上，我们的宇宙是由 70% 的

需要这一指标，首当其冲的，就是一定要够冷，用

暗能量，和 25% 的暗物质组成的。正因为暗能量的

物理的语言来说就是运动速度慢。让我们追溯到宇

含量大大高于其他物质，宇宙空间以扩张形式 运动。而随着宇宙越来越庞大，其自身生成的 暗能量就更多，所以膨胀的速度也在源源不断 地增加。 既然暗能量是一股反作用于引力的能量， 那么暗物质究竟是什么？他们两者之间的又有 什么不同与关联？言简意赅地说，暗物质吸引 万物而暗能量排斥万物。想象宇宙扩张自然是 易事，因为我们可以观察到宇宙的膨胀，可是 暗物质究竟是什么？通过科学家门对我们朝夕

26

图片来源：必应

* 翻译版本：译者注：怎么了“What's the matter, 与暗物质 dark matter 有一语双关之用。”

宙大爆炸，像光子等质量亦可以忽略不计的物质自

谜，在这段总结中能提到内容实在寥寥无几。对于

然过轻所以其飞快的自身行进速度自然不包含在我

暗能量与暗物质，未知大大超过已知。

们的选项中。反之，质量大的物质运动过于缓慢， 以至于它们甚至不存在于新生期中的宇宙。幸运的 是，万物之美，就在于一切尽有例外，而这个有着 得天独厚的恰当温度的例外，轴子（axion）毫无疑 问地成为了暗物质最抢手的候选人之一。 成为暗物质候选人的另一指标则是准确的相互 酌强度（interaction strength）。质量大的物质往 往会产生剧烈的相互作用从而转化为反粒子（antiparticles）或者较轻的粒子，而质量小的物体则相反。

参考文献 1. Chui, G. (2016) Illuminating the dark universe. Available at: http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2013/ illuminating-the-dark-universe (Accessed: 29 March 2016).

2. Grocutt, E. (no date) What is gravitational Lensing?. Available at: http://www.cfhtlens.org/public/what-gravitational-lensing (Accessed: 29 March 2016).

3. http://www.bing.com/images/search?q=dark+matter+galaxy+r otation+curve&view=detailv2&&id=7946D4E3B5E37521796959B 395A29F7F8747F543&selectedIndex=0&ccid=NDmQ2MML&sim id=607987423519705181&thid=JN.dxVcXUcz6YxS%2ffPoh%2bJm 8g&ajaxhist=0 (Accessed: 29 March 2016).

4. MicrosoftFeedback (2016) Dark matter galaxy rotation curve Bing images. Available at: 5. Posted (2015) Why is there dark matter?. Available at: http:// www.preposterousuniverse.com/blog/2015/07/07/why-isthere-dark-matter/ (Accessed: 29 March 2016).

而弱核力（weak nuclear force）位于这两个极中 灰色地带。其中，一个显著的代表 , 也是暗物质最 有希望的候选人就是大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles） 当然，稳定的结构也同样重要。已知的大 部分稳定粒子都是没有重量或者重量极少可被忽 略不计的物质。如果质量庞大的粒子想要拥有稳 定的结构则需要构成对称性。主要有规范对称性 （或称局域对称性；

图片来源：NASA/ESA

gauge symmetry, local symmetry）及 整体对称性（global symmetry）。规范对称 性往往需要伴随远程的 力伴随（比如电磁波）。 换而言之，这些粒子 需要具备模拟的电荷 （analogue of electric charge）。而轴子由于 自身质量足够轻，所以 不需要对称性的辅助。 最后，对于候选人 的考研是其本身不需消 耗大量能量（dissipation less）。然而，由于质 量大的粒子需要模拟的电荷来构成规范对称性以保 持稳定状态，所以他们显然不在考虑范畴内。即 使是整体对称性，它的状态也较容易被打破。幸 运的是，大质量弱相互作用粒子实际由超对称性 （supersymmetery）保持稳定状态。 在暗能量与暗物质的背后仍然有无数的未解之

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九年级

盲人钢琴自学辅助装置

撰文 / 徐凌舟

本

装置旨在引导盲人练习初级钢琴曲。语音播放模块和触键反馈利用了盲人在听觉触觉上的优势，可以 代替人工教授在练琴时提供适时的引导与提示。不但降低了一遍遍口授所花费的人力成本，且更为高

效 。装置中设置了整曲学习模式及分段学习模式。整曲模式帮助盲生从整体上感受乐曲；分段学习的模式是 使盲生可以分段练习，确保一段练习熟练后再接到下一阶段，从而避免盲生因记忆量大而产生厌倦或畏惧心理。 本装置还设置了左右脚踏板，模拟钢琴脚踏板，来操作装置相关选项。通过本装置，可以降低盲人钢琴学习 的人力与资金成本，让盲人能够更加方便地感受音乐带来的快乐。 意义

开发板用于控制语音模块，电容按键等装置各部分。

音乐在我们生活中不可缺少。 它传递美，思想

其中语音模块的 TF 卡中存好语音片段，调用指令便

和对周围一切的感知。而掌握一门乐器能提高我们

可播放相应曲目和指引。语音播放中，涵盖了特定

的生活品质和综合素养，成为许多人渴望的一技之

的学习模式引导，分为整曲播放和分段学习。整曲

长。对于同样身为社会以份子的盲人而言，视力的

播放可帮助盲生从整体上感受乐曲。 而分段学习则

缺陷常常使它们产生因看不见世界的的孤独感，从

将练习量均分为段， 确保练习效率，避免盲生因记

而影响到他们的心理健康。我们有责任和能力通过

忆量大而产生厌倦心理。分段模式中还涵盖分音节

努力让他们体验到我们所享有的生活乐趣及品质。

指导，提示音符及其指法。通过琴键下点动式电容

演奏音乐时的尽情表达和接收就可以作为他们所能

按键的输出电平，开发板可判断触摸到琴键的情况，

了解世界的重要途径。

配合语音模块播放该音符给予即时反馈。每一学习

在五花八门的乐器中，钢琴因入门简单，结构

指引都可踩踏板重复。为方便琴键方位的记忆， 琴

规律，所以容易被盲人接受。 同时，失明反而使盲

键还上按了相应的盲文。 不同于人工教授，本装置

人有较强的听觉、感觉和记忆力。 这为他们学习弹

低成本的特点可降低盲人学琴的人力与资金成本，

奏钢琴提供了好的条件。

它还带有特定的自主学习模式，即时的反馈和可自

现今问题 只是，现今的盲人钢琴教学还停留在口耳相传

行调整并重复的的学习进度，可让更多盲人有机会 通过自学来感受音乐带来的快乐。

的阶段，需要老师在旁一遍遍地读谱，重复指令，

功能

耗费人力金钱。因此钢琴在盲人中的普及率低下。

1. 自行调整的学习模式。分为整曲播放提供曲

另外，盲校音乐教学教材落后，所用的都是普高的

目大意和分段模式实现巩固、练习量均分。

音乐教材，缺乏针对性。盲人器乐教学的辅助工具

2. 可重复的语音指引。自行控制练习进度

也有限，成效不高。

3. 分段模式中教授指法，帮助记忆琴键位置

为了使音乐普及于他们，提高他们的生活品质， 我便设计了这个一个盲人钢琴入门自学辅助装置。

4. 电容按键配合语音模块提供即时的触键反馈 现阶段针对人群

装置定义 基于电子琴的盲人钢琴自学入门装置，目的在 没有老师辅导的前提下，通过听、触觉引导，提供 盲人入门钢琴弹奏的机会。 使用自动语音引导，电 容按键感应，配合特定学习模式指导盲人学习入门 级乐曲。 装置使用了基于 STM32F103ZET6 主控芯片的

28

图 1: 系统结构框图

未学、初学（一年以下）钢琴的盲人

实现特定语音片段的播放。语音片段存贮在一张 TF 卡中，将该 TF 卡插入语音模块的 TF 卡槽中即可工

系统结构

作。

图 1 为整个装置的系统结构图。 语音播放模块则从听觉角度为盲人提供指引。 除菜单指引外，开头为曲目选择，再分为整曲播放 和分段播放模式。期间分段播放后又将每个音单个 拆分播放。盲人弹对音符后即使通过播放该音节给 予反馈。 电容触摸按键从触觉角度为盲人提供指引反馈。 与语音播放模块相配合，弹奏时，电容按键感应到 琴键上的触碰，向主控芯片传递信息。若是正确的 音符语音模块便会发出反馈。 左、右脚踏板与语音模块指引相结合，两个按 键从触觉角度起到选项功能。盲生只需踩踏左踏板 或右踏板便能切换选项并进行选择操作；左踏板代

图 3: 语音模块实物图

表选项，右踏板代表确定。 LED 灯位于琴键上方，亮起提示正确音符。对 明眼人起到提示作用，便于有效的监督和帮助。 OLED 显示屏将盲生正在练习阶段的步骤以文 字形式在显示屏上提示。电源供电模块则保证了整

电容按键 本装置使用点动式电容按键，实现盲生使用本 装置过程中的按键反馈。 OLED 显示屏

个装置的各个模块工作在正确的电压下。

硬件部分 主控芯片 本文选用的主控芯片为 STM32F103ZET6，该 款芯片是一款有意法半导体公司出品的芯片，其价 格较低，功能较多，适用于一般电子控制系统的开发。 语音模块 图 4: 语音模块背部分布图

下图为一个 OLED 显示屏的实物图。 该 OLED 用于在装置调试过程中进行相应数据 的显示，以及在正常人使用装置时的音符提醒。 电源模块

图 2: 开放版示意图

该语音模块通过串口与主控芯片进行通信，来

图 7:OLED 实物图

29

本装置的输入电压为 12V 直流，而语音模块是

课题的演示装置。装置实物图如下所示。

5V，主控芯片及电容按键为 3.3V 供电，因此需要 相关的电压转换模块来进行电压的转化。 琴键盒设计

图 8: 电压转换模块

为了降低装置的开发成本，我使用模拟钢琴盒 来实现系统的开发。下图为模拟琴键盒的设计图纸。 将切割好的亚克力板自行组装，最终形成了本

图 11: 钢琴盒部分实物图

图 12: 脚踏板部分实物图

软件部分 下图为本装置的软件流程图，其中描述了装置 软件实现部分的主要逻辑。

图 9: 琴键盒设计图

图 10: 脚踏板结构设计图

（续见 P31 下）

30

八年级

电流与电压和电阻的关系

撰文 / 王励新 指导老师 / 王忠

如

何改变电路中灯泡的亮度？既可以在电路中增加 / 减少一个电阻，又可以增加 / 减少一个电池。增加 / 减少一个电阻便是改变该电路的电阻，增加 / 减少一个电池便是改变该电路的电压。为什么会是这样？

究竟电流跟电压和电阻是什么关系？ ( 一 ) 实验问题：电路中的电流跟电压和电阻是什 么关系？

实验器材： 电源，开关，电流表，电压表，滑动电阻器，

( 二 ) 实验猜想：电流跟电压成反比关系（在电阻

15Ω 电阻，导线若干

不变的情况下）；电流跟电阻成正比关系（在电压

实验过程：

不变的情况下）

（1）根据电路图将电路装好

( 三 ) 实验设计：要探究电路中电流跟电压和电阻

（2）将滑动变阻器滑动到最底段

的关系，需要把实验分成两个小实验来完成探究。

（3）纪录电流表和电压表的读数

并且合理使用控制变量法。

（4）将滑动变阻器滑动到中间

实验一：探究电流跟电压的关系，需要保持被

（5）纪录电流表和电压表的读数

测导体电阻不变，所以不能跟换被测导体电阻。

（6）将滑动电阻器滑动到另外一端

为了测出导体电阻的电流和电压，所以要在电

（7）纪录电流表和电压表的读数

路中加入电流表和电压表。要想看出电流跟电

实验二：探究电流跟电阻的关系，需要保持电

压的关系，光靠一组数据是不行的，所以在电

路的电压不变。既然要保持电路的电压不变，

路中串联滑动变阻器，得以获取多组实验数据，

所以串联一个滑动变阻器来保持电压不变。为

并且保护电路。

了确信电路电压不变，所以要加入电压表来检 测电路电压是否有改变。为了测出导体电阻的 电流，所以还要在电路中加入电流表。通过更 换被测导体电阻来获得跟多的数据。 实验器材： 电源，开关，电流表，电压表，滑动电阻器， 15Ω 电阻，30Ω 电阻，62Ω 电阻，导线若干 实验电路图

其步骤主要如下描述： 程序开始后，根据提示，使用脚踏板的左右键 来选择所需要学习的曲目。 选定曲目后，根据语音提示，使用脚踏板的左 右键来选择学习的模式。按左键表示进入整曲播放 模式，按右键表示进入分段学习模式。 当进入整曲播放模式后，装置则会完整播放所 选择的乐曲。若是整曲播放完毕后，将回到原来选项。

3. 将该原理安装到其他乐器 参考文献 1. 石红艳 . 搞好盲人计算机教学的几点体会 [J]. 才智 ,2012,(35):90.

2. 蔡学静 , 张剑 , 魏明欣等 . 浅谈盲人生活助手设计 [J]. 美术大 观 ,2010,(4):101.DOI:10.3969/j.issn.1002-2953.2010.04.072.

3. 田春雨 , 陈明大 . 盲人钢琴教学艺术研究 [J]. 长春大学 学报 ,2002,12(2):85-86.DOI:10.3969/j.issn.10093907-B.2002.02.030.

4. 林洲 . 盲校多媒体音乐教学初探 [C].// 信息技术教育应用研 究 .2002:383-386.

5. 彭莹 . 盲校音乐教学中存在的问题及解决对策 [C].// 全国第四届中小 学艺术教育科研论文报告会论文集 .2013:188-193.

展望 1. 二级练习阶段的实现 2. 现为试行阶段，成熟后在电子琴键上安装

31

实验过程：

结果。

（1）根据电路图将电路装好 （2）滑动滑动变阻器，得以保持电路电压在 2V （3）记录电流表的读数和被测导体电阻值

参考文献 1. ”Ohm's Law." Baidu, n.d. Web. < http://baike.baidu.com/link?ur l=BqC4F5dN8WfgMXdTs7bNkD7a795Z8auUuguGY7vFFgHIJqml Pw0kkrIUDaFyGCgrdJO3_zoscuvrblXCAWv1M_>.

（4）更换被测导体电阻成 30Ω （5）滑动滑动变阻器，得以保持电路电压在 2V

表一：电阻相同的情况下，电流和电压的关系

（6）记录电流表的读数和被测导体电阻值 （7）更换被测导体电阻成 62Ω （8）滑动滑动变阻器，得以保持电路电压在 2V （9）记录电流表的读数和被测导体电阻 ( 四 ) 实验结果： 实验一：当我们保持电阻一样时，我们发现电 流和电压成正比的关系。电流会随着电阻的增 大而增大。（见实验一图与表） 实验二：当我们保持电压不变时，我们发现电 流与电阻成反比的关系。电流会随着电阻的增 大而减小。（见实验二图与表） ( 五 ) 实验结论： 在我们的科学研究项目中，我们测试了欧姆定 律的公式。一个极其强大的公式，预测了电流， 电压和电阻潜在的关系。在被测导体电阻不变 的情况下，同一电路中导体的电流跟导体两端 的电压成正比关系，当导体两端电压不变时， 导体中的电流跟导体电阻成反比关系。 ( 六 ) 实验评估： 众所周知，温度是整个实验中的一个重要影响 因素，温度可以改变金属导体的电阻。当温度 下降到一定时，金属导体会进入超导态。超导 态的金属不存在电阻，欧姆定律亦不会适用。 因此，欧姆定律只适用于常温状态。由于学校 实验条件的限制，在本次课堂实验中，我们没 有对温度的改变进行检测。 此外，欧姆定律只能在纯电阻电路，金属导电 和电解液导电的情况下适用。并不在气体导电 和半导体元件等中适用。 由于是课堂实验，因此我们没有足够的时间来 重复这个实验，本文中的实验数据只是一次实 验的结果，但是课堂中的同学都得到了相似的

32

实验二：电压相同的情况下，电流和电阻成反向非线性关系

爱因斯坦狭义相对论现象

边栏：如何撰写论文

下面文章边栏中解释了撰写科学论文的格式。正规科学论文共分为一下几个部分： 标题，作者，摘要，引言，征文，论点，论据及论证，讨论，结论，鸣谢。参考文献。

时间膨胀

翻译版本

撰文／龚博雅 指导老师／保罗·麦卡洛

标题： 概括论文内容，简 单易懂 有时可以有效地概括 论文内容

1. 摘要： 时间为什么是一个变量？而不同人在相对同样的一段时间内与他所真正经历的

摘要:

时间长短又有什么样的关系？以上问题，无不回到“光速是不变”的定论。在

--简要前言

爱因斯坦的狭义相对论中，同一参照系中的所有观察者都以惯性态运动，而不 同的惯性速度使每个观察者感受到的时间不同。简而言之，当你以匀速高速运 动时，你所经历的时间将会变慢。然而，由于我们能够达到的速度，相比光速

概括论文的谜底，正 文，结论 不能使用缩写及引用

来说差之甚远，狭义相对论中所描述的现象，将不会被我们轻易察觉。 关键词：狭义相对论，时间膨胀

2. 引言： 17世纪，艾萨克·牛顿建立了当代物理的基石。他将世界比喻为舞台，以三

引言：

维的线性数轴模型表示（x,y轴为空间，z轴为时间），由于时间也同样是线性

简要介绍背景

的，所以时间是守恒的。然而，牛顿并没有解释将所有数值联系起来的原因。

解释你的初衷

换而言之，为何时空是相对的？两个世纪后，阿曼德·斐索鉴于“地球上飞 机速度为315 000 km/s”成功地测量出光速的大小。而这一数值与介电常数 和自由空间（真空）磁导率相对的衡量（所谓的光速）一致。1864年，詹姆

1~4段 往往以一个有关的问 题结束

斯·克拉克·麦克斯韦通过对电磁学的研究，提出光是一种电磁波。由于麦克 斯韦的公式与伽利略相对论相悖，光速仍然被认为是变量。因为光速会时刻由 于观察者的速度而改变，所以麦克斯韦不得不被迫提出“以太”的概念。而光 速仅仅在光源相对以太为静止态时保持恒定。19世纪80年代，迈克尔逊莫雷

33

实验曾一度被认为是失败的，然而恰恰正是因为他们的贡献，爱因斯坦总结出光速不仅仅是极限的 速度，更是一个衡量。空间与时间的反比例变化使光速始终保持不变，牛顿的三维线性数轴模型也 从此因速度的相对变化而被扭转，并对时空产生至关重要的影响。 3. 正文： 3.1．论点：时间为变量。

正文：

3.2．论据及论证：

论点： 讨论的问题

论据及论证： 包括所有方法和材料

为了证明时间为变量，我将引出光钟实验。假设激光源与观察者A （

第一参考系）同时位于行进的火车车厢内，观察者B（第二参考系）站立于火 车外的铁轨上观察实验。 3.3．论证方法与步骤 B v S

S’

A

A - Light source & detector B - Mirror S -Second reference frame S' – First reference frame v – velocity of the train

使用图表，表格或流 程图解释复杂的内容

其中，第一参考系中的时间可以计算：（由于观察者与光钟位于同一个参 考系，所以用Δtₒ表示） Δt= 首先，光束直射向镜子，镜子随后反射光回到A处的探测器中。假设AB之 间距离为D，则这段距离为2D。同时光速于空气与玻璃间的差异在整个演示 中被忽略。 B

S

S’

B

B

x’ = 0

x’ = 0

A

A

A

v

x=0

然而，由于火车在第二参考系中为匀速直线运动，观察者B将看见一道约 为045度的倾斜光线与他垂直视线相交后，变为135度。（详见图3.2）假设 倾斜光线于AB点间的运动距离为L，光线往返AB的运动时间即为 Δt = 第二参考系中时间表示为Δt） 利用勾股定理，L的长度即为 L = 因此在第二参考系中，光线往返AB的运动时间为 将D提到右边，等式即转化为： 1 ( vΔt)2 + (Δt o c)2 Δt = 2 = c

34

1

v2 1− 2 c

1 ( vΔt)2 + D 2 Δt = 2 c

（等式 2）

写出完整以及充足的 信息，使你的实验 可以被其他研究人 员重复

2L 。（ C

1 ( vΔt)2 + D 2 2

。

（等式1）.如果

提及道德规范，如果 你的课题内容涉及人 类，请写明实验者时 候愿意参与。如果涉 及动物，请写出最小 的使用数量

因为数学无法定义

1−

v2 <0 c2

，由此可以得出火车的速度小于光速；Δtₒ始终小于Δt。（。为句

号）因此，时间在不同参考系长短不同。等式2可以用希腊字母γ (gamma) 简写： Δt= γ Δtₒ Δtₒ表示其第一参考系中观察到的相对时间，也可称为本征时间。Δt表示第一参考系外观察到的 所有相对时间。当人的行进速度高于平常速度时，时间也相对平常值所减缓。同时，由于“速度对 时空产生着至关重要的影响”，地球上所知的速度无法使γ值产生巨大波动。

4. 讨论

为进一步强化我的理论，我将引出双胞胎悖论。该悖论假设双胞胎B被送到太空遨游10年，

而A着继续留在地球。（因此，由于B的速度始终大于A，）然而，当两人仅仅通过观察对方的行进 时，A与B都认为“我比我的兄弟/姐妹行进地慢”。请问谁说的对？ 毫无疑问，由于B的相对速度大，所以其参考系中的时间相对减缓。我们作为A、B参考系外的 观察者可以轻松的判别两人谁更年轻。然而，但仅仅使用对方参考系时，我们依旧可以做出判断。 事实上，只有A一人会始终保持在惯性状态，而B这需要通过加速来转弯回到地球。鉴于狭义相对 论，我们可以得出加速参考系内的观察者将对事情的先后顺序及速度进行错误判断，所以只有A是 对的。 5. 结论

结论：

该实验证明了时间膨胀的存在。时间膨胀指不同参考系中观察者观察到的不同

写出所有结论，并适 当地使用图表和表格

时间之间的关系。参照系中行进物体的相对速度对完成等式起着至关重要的作 用。 然而，人们脑海中之所以根深蒂固了牛顿的相对论，是因为我们在地球 上达到的速度往往过小，所以

1−

v2 c2

的值接近1。因此，就像Δt= Δtₒ一样。

参考文献 1.

Douglas, C. Giancoli, Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics. Pearson, 1984, Upper Saddle River, New Jersey. Print.

2.

K.A Tsokos, IB physics standard and higher level, Fifth edition. Print.

3.

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_physics

简要概述主要的发 现。不要讨论实验 过程 不要展示所有的实验 结果。这并非是日 记！！ 使用恰当的方式展 示数据

2015 年科技重大事件 引力波 在 2015 年九月，位于美国的 LIGO 第一次探测到引力波的存在。 之所以这是一个令人兴奋的消息，是因为引力波在过去的一百多年里 都是一种猜想，而这是人类第一次证实引力波的真实存在。 但是，究竟什么是引力波？基本上，引力波就是物质导致时空弯 曲时而产生的涟漪。在 1916 年，爱因斯坦在基于广义相对论而提出 的假设。

撰文 / 王励新

35

十一年级

维持身体中的养分？ 试试微生物菌群吧！

微生物菌群与营养失调的关系 撰文 / 孙天博

大

家知道最能够危及五岁以下儿童生命的疾病是 什么吗？

两个动物模型被用来评估肠道细菌对宿主的影 响。他们选择了果蝇作为无脊椎动物物种的代表，

没错。答案是饥饿。用更科学的方法表达，即

以及亩骶用来代表脊椎动物 ( 哺乳动物 )。François

为营养失调。营养失调是由于不良的饮食习惯或不

Leulier 和队友给两个实验对象提供低蛋白的食物 ,

合理的饮食结构，身体中缺少微量营养素造成的。

一组含有菌群 , 一组没有 , 并观察实验对象生长的发

那么，这个可怕的疾病是如何危及到我们的健康的？

展和变化。

在研究后我发现，营养失调能够导致每年近六百万 儿童的死亡，而一亿五千万侥幸生存下来的儿童继 续存在营养不良的情况。 那么，微生物菌群又是什么呢？ 微生物菌群是人体内所有微生物的总称，譬如 说大肠菌就一个很好的例子。 最后，这两个事物又有什么关联哪？ 人们总是认为营养失调可以通过简单的改善饮 食结构和饮食习惯而改变，可这一假设是错误的。

结果 食用了微生物菌群的动物在生长中的各个方面 变得更加强大 , 包括它们拥有更大的骨骼结构 , 正常 工作的器官和强有力的心跳。在分析结果时 , 科学 家发现微生物会影响动物的激素 : 肠道微生物通过 增加生产一种名为 IGF - 1 的激素鼓励动物的生长。 总的来说 , 这次调查证明了益生菌的好处，还对潜 在的治疗方案提出假设。

实验 2：非洲的实践

科学家们最近发现绝大部分营养失调的孩子都缺少 正确比例的微生物菌群，他们的实验证明了人体中

背景资料

如果缺少特定的细菌，将会很大程度影响健康水平。

相同年龄段的孩子通常拥有极其相似的肠道菌

以下几个实验将进一步向我们展示微生物菌群

群。乔治华盛顿大学微生物学家 Jeffery Gordon 发

和营养失调的联系。

现营养不良的婴儿的体内有不同的微生物菌群。他 的团队从而决定研究马拉维营养不良的婴儿体内的

实验 1：细菌对于动物的重要性 没有人能准确的说出微生物对人体的影响。所

肠道细菌。

方法

以，生物学家 François Leulier 和他的团队做了一

这 项 实 验 集 中 研 究 特 定 类 型 的 微 生 物：

个可以观测微生物菌群能够如何为人体带来益处的

Ruminococcus gnavus and Clostridium

实验。

symbiosum 。所需的细菌分别取自营养不良的儿童

François Leulier 和他的团队着重调查了体内的 一种益生菌菌群，一类经常出现在人体和动物肠道 中的细菌。尽管对人体有益，这种微生物菌群的使 用在 2010 年遭到了欧洲食品安全管理机构的质疑， 因为能够证明益生菌有益的实验数据不足以支撑让 民众安全食用。所以，这个团队决定开展基础和临 床性研究，积累知识并重新认识肠道细菌对人体的 作用。

和健康的孩子体内 , 并被移植到无菌鼠体内。所有 的实验老鼠统一进食马拉维儿童食用的食物

实验结果 有着不成熟的微生物的无菌鼠的成长状况与营 养不良的儿童相匹配 , 而那些有着成熟的微生物菌 群的老鼠更加健康 : 他们有着更发达的肌肉以及强 壮的骨骼。Gordon 希望此项研究有助于我们重新认 识营养不良并根治此病。

试验方法 （续见 P37 下）

36

九年级

你开心就好—— 这样就好了吗？

撰文 / 丁佳薏

“你

开心就好”是一种空洞的乐观心态，一种仅仅为了一时的快乐而不追求长久意义的心理。2013 年登载于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一篇研究论文从生物学的角度将这种“享乐主义”

的心态与反之更加“追求意义”的心态对人体健康的影响进行了分析。该研究证明，怀有“追求意义”的心 态的人身体更加健康。 “你开心就好”已成为当代网络流行用语，用以表达一种随意的心态，即“开心就好”。觉得身边的人所 做的事情没什么意义，我们会说：“你开心就好”。然而，“开心”就够了吗？我们是否也要抱着“享乐主义”， 对自己说“我开心就好，感觉快乐就行”， 还是给自己树立目标，努力达成，追求更加有意义的幸福感？同 样是快乐，你会选择那种呢？对于不同的人，这个哲学问题会有不同的答案。然而，笔者不久前看到的一篇 来自美国北卡罗来纳大学心理学的研究者 2013 年登载于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的研究论文，却 通过科学实验证明：追求人生意义的人比只追求享乐的人要活得更健康，身心更加愉悦。这究竟是什么原因呢？ 以下是笔者读过这篇论文后，对其研究的简单介绍。 哲学家认为快乐有两种形式——“享乐主义”，

健康状态。（这些指标有：1 型干扰素抗病毒免疫

即纯粹的快乐，或“空洞积极的情绪”，以及更深

反应，机体 IgG1 抗体合成，机体炎症反应（包括

层次的“幸福”, 即“超越了自我满足的，为了更高

IL1B, IL6, IL8, IIF 等细胞因子转录水平的检测）等）

尚的目的而努力过程中所获得的快乐”，或“终极

背景知识点

的幸福感”。这两种快乐与人类生物和进化有着密

炎症反应——机体与致炎因子进行抗争的反映。

切关联，前者被假定为可以促动基本的生理和心理

致炎因子作用于机体后，一方面引发组织细胞的损

适应，后者则可以激发更复杂的社会和文化才能。

坏，使局部组织细胞显现变性、坏死；另一方面，

然而，这两种概念不同的快乐在实证中互相关联，

诱导机体抗病机能增加，以益于清除致炎因子，使

交互影响。因此，人们很难判定哪种快乐与人体健

受损组织得到修复，从而使机体的内环境以及内环

康和寿命有着最直接的联系，这两种快乐是否参与

境和外环境之间达到新的均衡。 免疫反应——机体免疫系统对抗原作出的防御

同样的生物过程，以及它们是否会产生不同的生理 反应

作用 。 为了研究这些问题，研究者们通过观察人体中 一系列炎症反应和免疫反应的指标来反应出机体的

讨论 通过实验 , 科学家们证实了微生物对于疾病的 影响。这些实验结果重新定义了营养不良以及其治 疗方法 , 这表明肠道微生物群在特定环境下可能形 成独特的“疾病微生物群”。尽管现在对于运用不 同的微生物群的组合来治疗营养不良仍有许多不确 定性，科学家正在尝试新方法，试图创造新的可能性。 在未来 , 我们希望能够降低甚至消除营养不良的现 象。

实验过程 研究者招募了 80 名健康的成人。参与者均提交

参考文献 1. Functional Genomics Group. Web. 2. Functional Genomics of Host/intestinal Bacteria Interactions. F. LEULIER. Web. 3. http://www.bioenergychina.org/fg/ 4. http://www.ibdm.univ-mrs.fr/equipe/immune-response-anddevelopment-in-drosophila/ 5. http://igfl.ens-lyon.fr/equipes/f.-leulier-functional-genomicsof-host-intestinal-bacteria-interactions 6. http://www.sciencemag.org/news/2016/02/right-gutmicrobes-help-infants-grow 7. Immune response and development in Drosophila J. Royet.Web 8. The Right Gut Microbes Help Infants Grow. Elizabeth Pennisi.

Web.

37

报告，在报告中回答诸如“在过去一周中，你感到

immune)，免疫细胞有单核细胞、树状突细胞、

快乐或满足的频率是多少？你感到你的生活有一种

NK 细胞等。第一道防线可以迅速反应。 ( 见

方向和意义吗？你有经受一些挑战你并使你成为一

图二、图三 )

个更好的人的经历吗？你有对社会做出贡献吗”等

第 二 道 防 线 —— 适 应 性 免 疫 (adaptive

问题，从而区分出偏向“享乐型”和偏向“追求意

immune)，免疫细胞有 T 细胞和 B 细胞。第二

义型”的人群。接着测量了他们的身高，体重，并

道防线比第一道防线强，但反应需要时间。第

提供了在静息状态下静脉穿刺的血液样本。

一道防线太弱被攻破后，树状突细胞可以了解

实验方法 1. 检测炎症反应在转录水平的表达，检测炎症反 应细胞因子

抗原的特征，加工，递呈给第二道防线的 T,B 细胞，用以对付抗原。（见图四） 那么实验结果究竟是怎样的呢？

2. 检测免疫细胞的水平

实验结果 在讲解实验结果之前，首先需要了解两个基本 的生物知识： 1. 当遇到外界刺激时，人体会产生炎症反应，产

• “享乐型”的人的炎症反应转录水平和免疫细 胞水平（见图五） • “追求意义型”的人的炎症反应转录水平和免 疫细胞水平（见图六）

实验结论

出转录因子，向免疫细胞求救。炎症反应越强，

实验结论表明，面对同样的刺激时，“享乐型”

产出的因子越多。对于相同的刺激，不同体制

的人比“追求意义型”的人有更剧烈的炎症反应，

的人炎症反应程度不同。（见图一）

说明“追求意义型的人”体质更强； “追求意义型”

2. 人体内环境在面对抗原（抗原，任何可诱发免

的人的免疫第一道防线产出大量细胞，可以迅速消

疫反应的物质，如病毒）的侵袭时，有两道防线：

灭抗原，康复快，而“享乐型”的人第一道防线无

第 一 道 防 线 —— 非 特 异 性 免 疫 (innate

法经受和抗原的战斗，还需过一段时间，等第二道

图二 图一

图四

图三

图五

图六

（续见 P39 下）

38

九年级

食品添加剂——第三类食物

撰文 / 林雨濛

食

品添加剂，是我们每天生活中接触到的但并未引起我们重视的另一类食物。它一共可以分成五大类。 本文将对其分类，成分，应用，作用和副作用进行概述。有些食品添加剂是有益于我们身体健康的，

有些会有副作用，有些则可以导致疾病的发生。 我们每天吃的食物都是由植物或动物产品组成

体激素水平的升高，但对其可能引起的副作用尚不

的，然而还有一类我们并不会太去在意的“食物”－

明确。 现代社会对生产的要求十分高，为了更高的

食品添加剂。什么是食物添加剂，它的分类，作用

收入，更高的产量，人们也只能去追求速度，而非

和副作用是什么？本文将对此做个综述报道，您也

品质 。 与此同时，杀虫剂这一类的添加剂也带来了

可以据此给出自己的观点。

更多的利益。

食品添加剂是为了改善食品的色，香，味等（略

第二类添加剂是防腐剂，这些添加剂在保持食

去品质），以及为防腐和加工工艺的需要而加入食

物的新鲜和稳定时也同时防止食品自然腐烂。在这

品中的人工合成或者天然物质。常见的食品添加剂

其中多为抗氧化剂，用于延长食物可以被存储的时

共有五类，我们将分别进行讨论。

间。防腐剂中最常见的例子是盐和糖：将食物腌制

第一类型的添加剂是在植物和动物生长时使用

在盐中可以延长存放生肉的时间，因为它通过渗透

的，它们被用于保护农作物 / 库存并加快生长速度。

将水分引出。大多数合成抗氧化剂对我们的健康会

这些添加剂不仅对于我们的健康有害，还对海洋和

造成一定的不良影响，但确切的副作用目前仍不明

河流造成了严重的污染。在植物上使用的一种添加

确。有一些添加剂，如 E320 和 E321 都是人工抗

剂 , aliar，这是一种用于水果的化学催熟剂；副作用

氧化剂， 以蜡状固体的形式出现在食品包装和动物

包括会增加癌症的发病率。这类添加剂除了运用在

饲料中。他们会提高胆固醇在血液中的含量，从而

植物的生长中，人类还用此类添加剂成功地培育出

增加心脏病的风险。不过，也有一些天然防腐剂对

了一种康沃尔品种（Cornwell Cross） 的鸡，大大

我们的健康是有益的。卵磷脂便是一个例子，它是

增加了鸡的生长速率。人们在喂给它们的玉米中混

大豆的提取物，且含有抗氧化剂。其他抗氧化剂的

合了生长激素，7 周后他们便会由于身体过于沉重

例子包括维生素 C 和 E，都被证明可以降低癌症风

而失去站立的能力。长期食用这种鸡确实引起了人

险。

防线的细胞来消灭抗原，恢复健康。因此，“追求

使生活中快乐的同时也变得更有意义。这样的人生

意义型”的人要比“享乐型”的人身体更加健康。

不仅不会有遗憾和挫败感，更是一个健康的人生，

讨论 在生活中，人们究竟是享受快乐，还是追求更 有意义的目标？现在，你也许不用再从哲学的角度 思考这个问题了——这个实验从生物学的角度回答 了这个问题，证明了在生活中追求意义、努力奋斗 的人比纯粹追求快乐的人要更健康，更能够拥有强 壮的身体来抵御疾病的危害。虽然嘴上说“开心就 好”，人可不能过度沉浸在“今朝有酒今朝醉”的 观念里。我们应当挑战自己，树立目标和方向并努 力前进，哪怕会经历一些痛苦仍然坚定不移地前进，

长寿的人生。 参考文献 1. Fredrickson, Barbara L. "A Functional Genomic Perspective on Human Well-being." A Functional Genomic Perspective on Human Well-being. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 13 Aug. 2013. Web. 13 Mar. 2016.

2. http://baike.baidu.com/link?url=CgbbY8HxWgwkZ1YzXQvg54ZMxTUPGZrL_ua-QYfA2fLuVs45uK-hpzPB2JM02wNIKO-vb_ bJN1yOM8kNoBWQa 3. http://baike.baidu.com/link?url=E32WIN4Kxr6MBFpho-bZJ4cR Et41G8aFHU9m2qe8PdezyAseo9b7565dwserPLWCegFAllMYv7y x9sp9Pdg4bK 4. http://baike.baidu.com/link?url=uuNhhYjLAcdbAHvdWuVRWkb vVR-hKUAQo1x_wT9P2FpwVrfXdTAM1ghzfzhIaR64pdInH0ngb pfvJVENu2drVq 5. http://baike.baidu.com/link?url=VCsM2iBsmeKPjLfbIBodZ1O2sD 35q3JOvHTlzcXGIgfqfrZAkbjjIi0H5tIl-dnd 6. http://v.qq.com/iframe/player.html?vid=s01638hy15a&300&NaN &auto=0

39

第三类型的添加剂用于改变我们购买的食品的

基异硫氰酸酯，可以在植物中被发现，他们已被证

外观并保证它们的一致性。他们不仅使食品的外观

实有益于治疗植入前列腺肿瘤－然而单独使用其中

更美观，同时也增强了食物的口感。果胶是一种可

任何一个添加剂并没有任何效果。

以提高食物稠度的添加剂，这种可溶性纤维可以在

只要被欧盟和瑞士许可，所有被允许的化学食

橙子，柠檬，葡萄柚和苹果等的果皮内找到。它被

品添加剂都会得到一个对应的电子数字编码 （ 例如

证明具有抗癌和降低胆固醇的功能 - 但与此同时果

E320，E230-233）。这些码被用于表示个体的添

胶也有副作用，如腹绞痛，腹泻等。另一种常见添

加剂。他们不仅使化学品看起来危害更小，而且也

加剂便是食用色素：柠檬黄（E102，生动的黄色色

掩盖了真正加入到我们的日常饮食中的化学式，因

素）可能会导致有哮喘和湿疹的人产生过敏性反应，

为大多数人并不会去重视那些看似没什么意思的数

也可使儿童得多动症的发病率增加。然而，根据泰

字和短字符串。总体而言，添加剂对儿童的心理和

勒博士（健康杂志，2011 年）的文章，我们并没有

行为的副作用已被科学家基本概括为：有影响儿童

足够的证据去证明所有色素都会危害我们的健康。

的学习关注能力，并有增加注意力缺陷多动障碍的

第四类添加剂直接影响着我们的味觉和嗅觉感

风险。

官，这类添加剂可以提高食品的味道，吸引更多的

总结上述所有信息，日常使用的食品添加剂可

客户去购买产品。盐和糖除了可以延长食物寿命以

分为 5 种类型：生长期间使用的，防腐剂，改变食

外，也是日常生活中最常用的调味添加剂。阿斯巴

品外观的，让食物更好吃的和提高营养价值的添加

甜是一种在“无糖” 可乐中使用的人造甜味剂，比

剂。只要由欧洲联盟许可的添加剂，都有相对应的

蔗糖甜 200 倍，会对人体的健康造成伤害。海狸香

电子编码。食品添加剂他们虽然带来了很多负面的

是一种天然调味料，以黄色分泌物的形式被提取出，

影响，但他们也同时有利于食品行业的发展和我们

往往被用来做香草味食品的替代品，因为它比真正

的健康。

的香草成本要低。海狸用它与尿液一起来占领领土。 这种香料可以安全食用，也没有任何已知的副作用。 第五类添加剂被用来提高某些食物的营养价值， 以便提供额外的矿物质和维生素，让我们的身体得 到均衡的营养。在许多谷物食品中，钙会被添加到 谷物混合中，有益于增强我们的骨骼和牙齿。其它 添加剂如维生素 B，维生素 D 和维生素 E 可以从鱼 的身上提取，它们可以加强我们的神经系统和免疫

参考文献 1. Gordon Edlin, Eric Golanty, Kelli McCormack Brown, 2002, 'Health and Wellness' Hawaii, Jones and Bartlett Publisher 2. Health Magazine, 2011. (health.com) 13-Jan-2011, Priyam 3. Michael Pollan, 2009, The Secrets Behind What You Eat, London, The Penguin Group, P119, P120, P117, P128.

4. The Food Debate, 13-Jan-2011 by Priyam.

5. tiki.oneworld.net/food/food6.html 6. 2007, Jonny Bowden, 'The 150 Healthiest Food on Earth', USA, FairWinds Press, P297.

系统。另外，有两种化学添加剂叫做姜黄素和苯乙

2015 年科技重大事件 屠呦呦 屠呦呦，第一个获得诺贝尔奖的中国女科学家。一个没有医学学位 和博士学位的女科学家获此荣耀让许多人感到吃惊，屠呦呦的贡献在于 她发现了青蒿素，一种可以减少疟疾而致死亡的药物。疟疾是一种致命 的疾病，通过蚊子传播。 屠呦呦从中国古代中药的配方中汲取了研究灵感。她试图在那些中 药的配方中找到治疗疟疾的方法。最终，她找到了一种治疗疟疾的方法， 在这其中提到了一种叫做青蒿的药材。青蒿对疟疾的治疗有着至关重要 的作用。她和她的团队于是在青蒿中提取出青蒿素，进行大样本的临床 研究，并证明此成分对于疟疾有着非常好的疗效。

40

撰文 / 王励新

九年级

维生素 D 和感冒

撰文 / 余闻秋

感

冒，医学上也称为上呼吸道感染，在各个年龄阶段中都是最为普遍的传染性疾病。越来越多的证据证 明维生素 D 缺乏与感冒有关。 在接下来的这篇文章中，我们将会探讨维生素 D 在体内的新陈代谢以及

引起维生素 D 缺乏的因素，同时我们也会列举一些预防维生素 D 缺乏的方式。 维生素 D 的发现在二十世纪掀起了轩然大

固醇 ( 维生素 D3 原 ) 转化而来。然而这种方式又和

波———科学家们发现维生素 D 可以减少将近 50%

酶促过程不同有关。经波长范围 280 ～ 320um 的

的癌症发生率，90% 的感冒病人在摄取维生素 D 后

紫外线的照射下，维生素 D3（也被叫做胆钙化醇）

会自行痊愈，甚至发现其还有延年益寿的功效。感

会在体内进行两次转化，才能为人体所用。需要注

冒（也叫做上呼吸道感染）在男女老少都是最为高

意的是，紫外光的强度会随着季节和纬度的改变而

发的传染性疾病，越来越多的研究数据表明，维生

改变，它和皮肤色素沉着最终都会影响维生素 D3

素 D 缺乏会导致感冒的发生。 那么维生素 D 缺乏

在人体内的合成。

和感冒之间有什么关系？它的原理又是什么？如何 通过补充维生素 D 的方式来预防感冒呢？

另一种摄取维生素 D 的方式来源于饮食。除了 高脂肪的鱼类，大多数食物在没有任何添加的情况 下维生素 D 含量都很低。另外，准确来说，鱼类中

维生素 D 的发现：

的维生素 D 其实是维生素 D3，然而真正可用于体

早在 1918 年年初，英国医生爱德华·梅兰比

内转化与吸收的却是维生素 D2（也被叫做麦角钙化

爵士就发现鱼肝油可以有效地缓解并预防佝偻症，

醇），在紫外线的照射下这种物质可由植物和真菌

却错误地得出这种病症的发生都归因于另一个食源

类（例如伞菌）固有的麦角固醇产生。维生素 D2

性因素——维生素 A 缺乏。在接下来的实验中，他

和 D3 将会在肝脏中被转化成二羟维生素 D。虽然

通过向鱼肝油内输送氧气的方式去除了所有维生素

这是一种没有活性的物质，但它却是维生素 D 在血

A，却发现此成品依旧可以治愈佝偻症。他对于没能

液循环中的主要形式。最后，当它在肾脏中被彻底

证明这个猜想而觉得很失望，并总结出佝偻病是一

转化成 1，25 二羟基维生素 D 的时候，才可以真正

种营养缺乏症，却没有意识到这种新物质的存在。

发挥它的作用。

四年后，埃尔德·麦科勒姆也进行了这个实验。他 找到了那种缓解佝偻症的神奇物质，并将这种新的

维生素 D 与感冒的关系：

维生素命名为维生素 D。

在平日，尤其是在寒冷的冬天，感冒已经成为 医生接诊的最为常见的疾病。这些症状包括流鼻涕，

维生素 D 的体内代谢：

喉咙疼，咳嗽，甚至会感到呼吸困难、嗜睡等。在美国，

维生素 D 是一种类固醇的衍生物，它可以帮

感冒是大多数人请假，缺席的理由之一。

助钙，磷在体内的吸收，促进骨矿化并维持肌和骨

最近，越来越多的数据探究并强调了二羟维生

骼的健康。近年来，人们又发现了维生素 D 的新作

素 D 含量与上呼吸道感染发生率的关系。第三次国

用——它在人体防御机制以及在包括单核细胞，巨

家健康与营养调查研究（ 1988 ～ 1994 年美国的

噬细胞，淋巴细胞，上皮细胞在内的免疫细胞都扮

概率调查）发现在 18883 位 12 岁以上的试验者之

演着至关重要的角色。人们也发现维生素 D 和诸多

中，感冒的发生与体内维生素 D 的含量有着密切联

疾病都有密切的关系，例如感染性肺病，哮喘，和

系。在上报感冒的次数中，维生素 D 含量小于 10

癌症。

纳克／毫升的人群占了 24%，含量小于 30 纳克／

维生素 D3 并不能由人体自身产生，而是在紫

毫升的人群占了 20%，而大于 30 纳克／毫升的人

外光和饮食摄入的作用下由皮肤分泌的 7- 脱氢胆

群则只占全体的 17%。而在特殊人群（例如患有哮

41

喘，慢性肺病，烟史）中，维生素 D 含量低与感冒

最后，也是最重要的一点，我们应该在阳光下多多

的关系更为密切。

锻炼身体 。

中国维生素 D 缺乏的现状：

总结

在 中 国， 维 生 素 D 缺 乏 是 十 分 普 遍 的 ——

总而言之，感冒和维生素 D 有着非常密切的联

在 埃 格 斯 多 费 尔 先 生 的 综 述 论 文 中 提 到， 大 约

系，它的缺乏可能导致更频繁，也更严重的疾病的

40% ～ 90% 的人体内维生素 D 含量低于 50 纳克

发生。为了预防感冒，也为了预防维生素 D 缺乏，

／毫升； 在一月份，超过 40% 以上的学龄期女生

我们应该多晒太阳，并摄入含有丰富维生素 D 的食

有着低于 12.5 纳克／毫升的维生素 D 含量。有如

物。

下几点原因导致了维生素 D 的缺乏： 首先，由于我国的空气污染过于严重，人们选 择不出门或者尽量少出门，这就减少了暴露在阳光 下的机会。

专业术语： 佝偻病是在未发育成熟的哺乳动物的骨骺闭合 之前，由于维生素 D，磷以及碳的新陈代谢受损或

第二，许多亚洲国家将白皙的皮肤作为衡量“美” 的标准，这使得许多人在出门的时候，也不忘带上 阳伞或是遮阳帽，用带有长袖的衣服来避免皮肤变

者缺乏导致有缺陷的骨矿化和骨碳化 ，它可能会造 成骨折或是畸形。 呼吸道包括鼻窦，鼻腔，咽，喉。

黑，这也大大减少了在阳光下暴露的时间。 第三，不均衡的膳食以及基本科学常识的匮乏 减少了从食物中获取维生素 D 的机会。此外，富含 维生素 D 的食物由于供应不足，在市场上的销售受 到了限制，也是其中一个原因。

参考文献 1. AA, Ginde, Mansbach JM, and Camargo CA Jr. "Association between Serum 25-hydroxyvitamin D Level and Upper Respiratory Tract Infection in the Third National Health and Nutrition Examination Survey." National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine National Institutes of Health, 23 Feb. 2009. Web. 15 Mar. 2016.

2. Aranow, Cynthia. "Vitamin D and the Immune System." Journal of Investigative Medicine : The Official Publication of the American Federation for Clinical Research. U.S. National Library of Medicine, 1 Aug. 2012. Web. 15 Mar. 2016.

如何预防维生素 D 缺乏： 缓解维生素 D 缺乏的方法就是多多摄入一些 富含维生素 D 的食物，并接收充足的阳光。维生

3. Cannell, John. "Information on the Latest Vitamin D News and Research." Vitamin D Council. Vitamin D Council, 10 Dec. 2013. Web. 14 Apr. 2016.

素 D 理事会建议，每天最理想的维生素 D 摄入量

4. Deluca, Hector F. "History of the Discovery of Vitamin D and Its Active Metabolites." Nature.com. Nature Publishing Group, 8 Jan. 2014. Web. 08 Mar. 2016.

为 5000 国际单位。一些富含维生素 D 的食物例如

5. "Top 10 Foods Highest in Vitamin D." HealthAliciousNess. Daisy Whitbread. Web. 05 Apr. 2016.

蘑菇（每 100 克含有 446 国际单位），坚果类（每

6. "Vitamin D and Health." The Nutrition Source. Harvard T.H. Chan School of Public Health. Web. 15 Mar. 2016.

100 克含有 531 国际单位），鱼类（每 100 克含有

7. W, Zhang, Stoecklin E, and Eggersdorfer M. "A Glimpse of Vitamin D Status in Mainland China." National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine National Institutes of Health, 14 Apr. 2013. Web. 15 Mar. 2016.

759 国 际 单 位）， 鱼 肝 油（ 每 100 克 含 有 10000 国际单位），以及鸡蛋（每 100 克含有 871 国际单 位）。需要注意的是，绿色蔬菜几乎不含有维生素 D。

2015 年科技重大事件 AlphaGo 在 2015 年十月份，人工智能 AlphaGo 第一次在对抗专业围棋选 手的围棋比赛中获胜。这是人工智能发展中一个重要里程碑。 人工智能让电脑拥有与人类相同，甚至超越人类的思考能力。而 AlphaGo 就是一个人工智能的例子。AlphaGo 是由谷歌 DeepMind 开 发专门用来下围棋游戏的软件。在第一次比赛获胜后，AlphaGo 紧接着 与世界上著名围棋选手李世石比赛。最后，AlphaGo 以四胜一输的比分 赢得了比赛。

42

撰文 / 王励新

九年级

维米尔画中的光学

撰文 / 徐凌舟

看

过电影《带着珍珠耳环的少女》的人一定记

的白砖块比最浅的黑砖块颜色要深。这样的精准很

得片中这样一个场景——工人们小心翼翼地

可能是光学仪器辅助过的结果。

将一个大盒子搬入画家维米尔的画室后方。朝箱子 里看去，可以看到一幅完整的图画。"Do you know what it is?" "A camera obscura."

另外，维米尔的大多数画都取景自同一间房间。 连地砖，窗户，房梁位置也没有大差别。 例如下图中的窗户就出现在他的至少十幅画中，

本文的要讲的就和维米尔的这个大盒子——暗 箱有关。 暗箱是照相机的前身，它可以通过透镜把

其中，除了打开程度之外，窗户的大小和装饰花纹 都大致相同。

图像映射在画布或墙上 。早在十六世纪，一些画家 已开始秘密使用光学仪器辅助作画。 而传世画家维 米尔的画和暗箱的联系又有多少呢？ 维米尔生于 1632 年，卒于 1675。是荷兰最伟 大的画家之一。他的画取材于生活的场景，风格温 馨宁静，尤以对光线的掌握著称。他画中对光线、

维米尔画中对光线的超常敏锐，经科学证实，

倒影的描绘近乎真实，至今无人能超越。 而正是这

是常人大脑无法具备的，而画中类似失焦的相片特

些不同寻常的特点，使人们对维米尔的画产生了种

质，导致从 19 世纪末开始，就有人怀疑维米尔在秘

种猜测。

密使用光学仪器作画。人们针对维米尔画作风格的

尔

这 是 维 米

特点提出了种种猜想，最主流的观点便是，维米尔

的《View of

秘密使用了暗箱进行作画。

Delft》， 其 中 表

17 世纪的相机暗箱体积较大，也不便于搬动，

现出的对光线的

多以隔间的形式存在，这也和维米尔在相同房间作

细致观察让人叹

画这一点相照应。他们大抵长这样：

为 观 止， 湖 面 倒 影惟妙惟肖。 令人难以置 信 的 是， 若 是 除 去画面中的色彩， 它简直就是一幅 黑白照片。

此图为维米尔名画《音乐会》的左下角砖块部

相机暗箱利用的是小孔成像的原理。 在暗房一

分。画中的白色砖块因光线原因让人眼将其看为灰

侧放置隔间，图像散发的光线由小孔摄入隔间，交

色。若仔细

叉后成倒立的像成于隔间内侧墙壁（或画布）上。

将黑砖块

前几个世纪的种种观点都只是初步假设，直到

与白砖块

在 Philip Steadman 2001 年所出版的《维米尔的相

进 行 对 比，

机》一书中，问题才得以深入研究。

竟会发现 画中最深

首先，Philip 要从画作房间入手。他通过透视法， 反其道而行之，把画中的 2D 景象转化为 3D 图。

43

各图中的

一步证明书中的观点。

上下上下两道光

只是，两个难题成为了他制画的阻碍。首先，

线代表视野的范

小孔成像成在画布上的都是镜面成像，而维米尔作

围。V 指的是所

出的画明显都是正的。其次，若是照书中所述在昏

有光线的汇聚

暗的暗箱中作画，根本无法看见画布上在画什么。

点，也就是维米

他为此困扰了很久，在一天洗澡时，想到了解

尔眼睛或是他摆

决方法。他利用了一个很简易的装置——呈 45 度倾

放暗箱透镜的位

斜的金属单面镜。

置。 在其中一幅画《音乐 课》中，他还发现了玄机， 画中墙上的镜子映射出了 后方墙壁的部分和他的制 高点。有了这个重要的线 索，Philips 就可利用镜中 墙面和镜子的仰角，还原 镜中呈现的房间部分，并 由前后墙得到教室的长度。

由透镜射进暗箱内部的光反射在暗箱内壁上，

可数据都只是比例，Philip 还需要算出房间的实

内壁上的像再经过单面镜反射到帆布上。接着就可

际尺寸。所幸，维米尔画中的椅子，地砖，墙纸等

以描着帆布上的影像填颜色勾线。神奇的是，每当

实物在一些博物馆中皆有保留。他也由此测量得到

涂在画布上的颜色与影像实际颜色相符时，反射镜

了实际尺寸。Philip 利用地砖的尺寸为比例尺计算画

的边缘就会消失，这成了很好的核对工具。镜面成

作中房间的大小，再与各个画中实物反复对照后，

像的问题得到了解决，因为再加一面反射镜意味着

竟发现维米尔的数十幅画都取景自大小完全相同的

图像会再次反射， 影像也就颠倒回了维米尔画中呈

房间。

现的正常形态。此外，由于暗箱中的像和二次反射

之后，他把六幅相同房间所做画中得出的六张 光线汇聚图重合，会发现他们基本都汇与房间的左 后方。他结合这些点连成的宽度以及光线角度，发 现他们正好围绕成一个长方体，且大小与维米尔的

的帆布成像都是在统一光源下，亮度相互对照，也 就不存在光线不匹配的问题。 确定了方法后，Tim 成功地用这个方法画出了 他外祖父的照片，那是他第一次画油画。

画布完全一致。后墙投影面积和画布的惊人吻合只

接着他便着手准备下一个目标——维米尔的《音

可能是通过暗箱描摹的结果。Philip 假设，维米尔作

乐课》。他去维米尔故居参观他当时绘画的房间，

画时将暗箱置于画室后方，再通过移动透镜，取景

回去后用软件搭建 3D 模型，自己拚窗户、搭门梁、

描摹。

组装家具。并用搭电影场景的方法表现窗外景物。

由此，Philip 可以得出结论，不管占据的成分是

整个场景的重现就耗费了他 213 天。为了使自己的

多少，维米尔必定利用了暗箱辅助作画，并通过成

绘画条件和维米尔当时的一样，他还学习自己动手

像进行了大体的描摹。

研磨颜料，打磨镜片。这些都是他之前从未做过的

他的《维米尔的相机》一书出版后，很快引起

事情。动手开画后，Tim 发现暗淡的光线使他无法

了各界的激烈反响和辩论。也给另一位有钻研精神

勾绘细小的图案，苦思冥想后，他有了改善措施。

的人提供了启发。美国有一位叫 Tim Jenison 的发

他去掉了后方的暗房，在反射镜后再放上一面凹面

明家，他的发明得过两次艾美奖。一天，他的女儿

镜，所有相机暗箱也被拆得只剩镜头了。这样一来，

推荐给了他 Philips 的书，Tim 翻阅后，决定运用书

帆布上就有充足的光线来作画，而凹面镜使细小的

中阐述的光学方法，复制出一幅维米尔的画 ，来进

图案呈现得更加清晰明亮。

44

的人们，他们的创意和坚持让我们从另一个角度探 索 400 多年的名画。 耗时 11 年和前人的经验研究， 这幅类似维米尔原迹的 Tim 版《音乐课》就是对他 们精神最好的证明。艺术和科学，他们的结合是如 此美妙。 附： 其实，在我们学校，也有同学尝试类似的方法 辅 助 作 画。11 年 级 的 Jonas 同 学 在 完 成 2m x 1.5m 的 艺 术 作 业 时， 受 了 小 学 时 描 摹 地 图 的 启 发， 尝 试 用投影仪将电子画稿 Tim 光学仪器的最终搭建图

此后，Tim 每天都花很长时间在画布上重复地 描点勾线，整个过程机械乏味，他也常因久坐而直 不起腰来。可是，他还是坚持了下来。经过 11 年的 努力探索，他克服了画布夜以继日的机械描画和不 断遇到的技术阻碍，终于完成了实验版《音乐课》。

维米尔的《音乐课》 维米尔在 17 世纪时的画作是否依赖于光学仪器 我们无法断定，可是 Tim，Philip 的努力的确向我们 证明了这样一种光学绘图方法在 17 世纪存在的可能 性 。Philip 将建筑技术加入艺术的研究， 为维米尔 的相机这个假设提供了坚实的理论基础，是为一大 突破。而发明家 Tim 则能将观点付诸实践，在多年

映 射 在 帆 布 上， 再 用 灰色颜料勾线，在 15 分钟内就打完了底稿， 大 大 节 省 了 时 间。 在 最 后 矫 正 颜 色 时， 这 个方法也派上了用场。 参考文献 1. 蛋蛋姐 . " 一个疯子用 14 年证明维米尔是个“骗子”." EEUD. 酷玩 实验室 , 9 Feb. 2016. Web. 17 May 2016.

2. "Johannes Vermeer." Wikipedia. Wikimedia Foundation, n.d. Web. 17 May 2016.

3. Philip, Steadman. "Vermeer and the Camera Obscura (part One)."

Essentialvermeer.com. Essential Vermeer 2.0, n.d. Web. 17 May 2016.

4. UCLLHL. "Vermeer's Camera and Tim's Vermeer." YouTube.

YouTube, 2015. Web. 17 May 2016.

5. "Vermeer's Camera." Vermeerscamera.co.uk. Vermeerscamera. co.uk, n.d. Web. 17 May 2016.

后把作品呈现给我们，震惊世人。 感谢有这些可爱

45

八年级

体外受精

撰文 / 鲁昱旻

世

界因为繁殖而变得多样化和有生命，但是，有些人却不具备繁衍后代的能力。所以，人类发明了试管受精， 一种可以帮助那些没有生育能力的人繁衍后代的技术。

体外受精的准备

外受精描述为“一个改变人生的经历。你发现你是

体外受精是一个复杂的过程，通过体外精子与

多么的幸运，发现每个小生命都是无比珍贵。”我

卵子的结合使人受孕。为做准备，女性首先需要服

个人很佩服体外受精这个技术。人是公认为世界上

用药物，来抑制他们的自然月经周期。此外，女性

最聪明的动物，而体外受精技术恰好证明了这一点。

需要通过服用孕激素，使卵巢产生卵。这些药物可

它证实了人类能够使用科技来在大自然的优胜劣汰

以促进卵子的成熟，为女性下一个月经周期时取出

中存活并持续繁殖。因为我们能用我们所知道的方

卵子做好准备。

式来改善我们的生活，所以我们能够活过这么多世纪。

随后，医生们从男性体内挑选出游得最快的精 子并进行冷冻贮藏。有时，还需要一个捐精者，若 一个男性的精子无法游泳，可以通过购买一个捐赠 者的精子或卵子受精。有许多男性将他们的精子放 入精子库，甚至还有一位男性声称他的精子养育了 34 个孩子。

受精过程 体外受精（In Vitro Fertilization）中的 vitro 拉 丁本意是玻璃，而受精的过程确实是在一个玻璃磁 盘里进行的。医生将把卵细胞和精子细胞混合在一 起使它们受精，并在 16 到 20 小时后进行检查。如 果精子弱，那么便会以卵胞浆内单精子注射（ICSI） 将它们注入每个精子特有的卵子。然而，仍然会有 一些受精会失败。但是如果成功，一个胚胎会形成 并在实验室里储存五天。 女性将再次服用药物以使的子宫适应后期存放 胚胎。如果女性在体外受精，质量最好的胚胎将被 移植入体内。体外受精是一项高风险的工作，因为 有可能是双胞胎或多胎出生，如果 2 个胚胎储存可 能导致婴儿过早出生。在这一时期，女性的身体也 会受到很多的压力和不适。由于体外受精是相当困 难的，成功的几率低于百分之 50。

体外受精的好处 体外受精帮助了不能生育的人实现了有个孩子 的梦想。 体外受精是一种极好的物种创造后代的方 式，大多数中国的大熊猫都用体外受精来继续他们 的物种。因为卵子问题，网友乔迪凯利未能怀孕， 因为体外受精，她发现她怀上了一个女婴，她把体

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风险和问题 试管受精是一个奇迹，但仍有它的缺陷。我个 人认为这对女人有太多的风险。她服用那么多药物 折磨身体，若最后失败了，肯定是一个痛苦的经历。 网友爱饿拉 马斯不幸受精失败，写道“当我在圣诞 节前失去双胞胎时，我觉得都是我的错，因为我为 没有他们的未来而内疚。”是的，体外受精对男人 与女人精神上的困难都是极大的。我还想提出一个 问题。男性精子捐献者可以捐献数百万的细胞，如 果男性的精子被许多女人使用，他们的婴儿会有非 常相似的基因，甚至是个性。即使他们可能不认识 对方，他们已经是半个兄弟姐妹了。因此，他们不 能与对方繁殖因为当有类似基因的人的配偶，他们 的婴儿有高风险成为智障或过早出生。因为体外受 精是一种有助于生殖的技术，我认为这一副作用却 反而会降低生殖的可能性。这也延伸到了“爱”的 话题，使个别人因为体外受精而不能相爱。虽然我 仍然支持一个婴儿在人体外形成的这个想法，当我 考虑其压力和影响时，我觉得它需要改善。

参考文献 1. In Vitro Fertilization (Ivf): Side Effects And Risks, March 24th 2015, http://americanpregnancy.org/infertility/in-vitrofertilization/ 2. Definition, June 27, 2013, http://www.mayoclinic.org/testsprocedures/in-vitro-fertilization/basics/definition/prc-20018905 3. Panda Cub born using frozen sperm IVF, 06 April 2016, http:// www.telegraph.co.uk/news/worldnews/asia/china/5901475/ Panda-cub-born-using-frozen-sperm-IVF.html 4. Infertility and In Vitro Fertilisation, January 18, 2015, http:// www.webmd.com/infertility-and-reproduction/guide/in-vitrofertilization 5. Aela Mass, May 1, 2012, Two Moms Make a Right, http:// twomomsmakearight.com

八年级

我们不寻找快乐， 我们生产快乐

撰文 / 江一达

我

8 岁的时候，妈妈怀孕了。不经意间我恍惚察

种抑制性的单胺神经递质，是由色氨酸经过色氨酸

觉到她的口味变了。原本口味偏清淡的她突然

羟化酶的催化形成五羟色胺酸后，再经过五羟色胺

要求吃酸的食物。当我出于好奇问她时她答道：“我

酸脱羧酶的催化成为五羟色胺。之前，它就以被认

也不知道为什么，怀孕后口味就不太一样了，我特

为人体四大情绪调控因子（其它三个是多巴胺、脑

别喜欢吃话梅，这也是为什么我每天都带一罐在身

内啡和催产素）之一研究表明，五羟色胺存于中枢

边。有可能我的身体现在就需要这个吧。”近两年来，

神经系统的多少影响了一个人的情绪、性欲、体温

我的两个邻居也相继办了庆祝怀孕的派对，不可思

调节、记忆力、食欲与社交行为。因此，五羟色胺

议的是她们两个都表示她们怀孕期间对酸味的好感

不仅仅是改变心情那么简单。它还被认为是有潜质

提升了。那么问题来了：酸味与其他味道相比有什

的忧郁症药物，因为忧郁症患者体内五羟色胺含量

么特殊之处？

普遍偏少。生产五羟色胺的过程中，色氨酸是必不

在了解酸味之前，我们首先要知道大脑是如何

可少的。富含蛋白质的食品大多含有较多的色氨酸，

接收到味觉刺激的。当你的牙齿娴熟地刮下话梅那

可是食用大量蛋白质却又不能提升体内的五羟色胺

酸甜可口的果肉时，话梅中的化学物质刺激了分布

含量。据营养学家伊丽莎白·索梅尔阐述：“因为

在舌头与软腭上的味蕾。这些味蕾连接着无数个密

当你吃了很多蛋白质，色氨酸需要与其它氨基酸竞

布在整个口腔内部的神经末梢。他们的细胞核则聚

争，结果只有一点点色氨酸顺利进入了大脑。”之

集在一个坐落于耳道旁的神经节中。从这里，味觉

后她推荐我们食用富含碳水化合物的食物，因为除

刺激向旅程的最后一站——大脑进发。

了它能促使胰脏分泌胰岛素，使色氨酸以外的氨基

但是 ......

酸被身体的其他部位吸收，于是色氨酸便能畅通无

味觉刺激无法跳过味蕾与神经末梢之间的间隙。

阻地被大脑吸收，并最终提升五羟色胺的含量。

因此，为了使其正常运作，少不了神经递质与每种

怀孕的女性经历着生理与心理的双重压力，而

神经递质分别的接收器。科学家发现，刺激不同的

酸性食物能提升人体内五羟色胺的含量，从而带来

味蕾细胞可以分泌出不同的神经递质。为了方便研

快乐，因此孕妇的身体更渴望酸性的食物。

究，科学家将所有味蕾细胞大致分为了三类。第一 类味蕾细胞的准确功能尚未被发现，只知道它有辅 助其他味蕾细胞的功能；相比之下，科学家对第二 类味蕾细胞更加了解，发现它负责察觉甜味与苦 味。而上述两种都会促使一种名叫 ATP 的神经递质 的分泌。第三类味蕾细胞则能通过食物的酸碱程度 探测那让人口水溢得满嘴的酸味。科学家们花了很 久才能大致了解与第三类味蕾细胞相对应的神经递 质——五羟色胺。为了证实这条味觉传递的通道是 否存在，科学家们在小白鼠的五羟色胺受体上接入

参考文献 1. Brookshire, Bethany. "There's a Sour Side to Serotonin." Science News. Science News, 25 Jan. 2016. Web. 29 Mar. 2016. <https:// www.sciencenews.org/blog/scicurious/there’s-sour-sideserotonin>.

2. Bouchez, Colette. "Serotonin and Depression: 9 Questions and Answers." WebMD. WebMD, 12 Oct. 2Ω011. Web. 29 Mar. 2016. <http://www.webmd.com/depression/features/serotonin>.

3. Larson, Eric D. The Role of 5-HT Receptors in Signaling from Taste Buds to Nerves. Diss. The Journal of Neuroscience, December 2, 2015. Print.

4. "7 Foods That Could Boost Your Serotonin." Healthline. Ed. Healthline Editorial Team. 28 Apr. 2015. Web. 29 Mar. 2016. <http://www.healthline.com/health/healthy-sleep/foods-thatcould-boost-your-serotonin#Overview1>.

了一种发光蛋白——绿色荧光蛋白。终于，他们用 肉眼在小白鼠的味蕾细胞上看到了同样的绿点并证 实了这条通路的存在。 五羟色胺，又名血清素（C10H12N2O），是一

47

八年级

饮食与健康

撰文 / 楼亦奇

食

品是人类日常生活中不可或缺的一部分：它们

原始人从鱼蛋，贝类和动物内脏等食物中吸收了至

给我们提供能量，补充营养，并能增强机体的

少四倍多的钙和矿物质，及十倍脂溶性维生素。

免疫力以抵抗疾病的发生。健康食品给我们的身体

这项研究反复证明了现代社会人口中牙齿不健

带来益处很多，而不健康的食物不仅会带来过剩的

康的普遍现象背后的原因：营养不足是导致蛀牙以

糖和饱和脂肪，还可能导致疾病，如糖尿病等疾病。

及人体的其他疾病。

因此，选择正确、健康的食物来食用是很重要的。

说明：健康从选择正确的饮食开始。

但首先，问题是：不同的食物是怎么影响我们的健

哈佛医学院在 2011 年推出的“健康饮食板”

康的？

中推荐了许多营养含量高的食物，包括：

例如，不同的食物可能会对我们的口腔健康产

－健康的油

生很大的影响。被称为“营养学界的艾萨克·牛顿”

－各种蔬菜

的牙齿健康领域专家，安德鲁·韦斯顿布莱斯博士（

－各种颜色的水果

1870 年至 1948 年） ，就致力于研究实际饮食对

－水，茶， 100％果汁，咖啡（含少量糖或无糖）

蛀牙的影响和能拥有一口坚实的牙齿的原因。他的

－牛奶 / 乳制品（每天 1-2 份，不能过量）

牙科诊所每天都会接待大批龋齿和生理退化的案例。

－豆类，坚果，家禽和鱼类

而如此多的案例使布莱斯博士的脑海中浮现出了一

－各种五谷杂粮

个问题：是什么导致人们长龋齿？为了探寻这个问

与要限制食用的食物：

题的答案，博士周游世界，访问了那些拥有健康牙

－黄油

齿的人——与世隔绝的原始人。

－土豆和炸薯条

在他的书《营养和生理恶化》中，布莱斯博士

－培根，冷盘，等加工肉类

放入了原始人的口齿照片，并与那些摒弃了传统饮

－白面包和白米

食而喜爱现代化的食物的人群的照片进行了对比。

－含糖饮料

其中原始人拥有的美丽、健康的牙齿和牙弓让人惊

最后，在健康饮食的同时，记着“健康的身体

叹。

＝有营养的食物＋频繁运动”！

参考文献 1.

右边的过着原始生活的塞米诺尔女孩拥有美丽 且宽广的脸颊，同时她的牙弓也十分宽敞；而左边 的偏好现代加工食物的塞米诺尔女孩则有较狭窄的 牙弓，并且她拥挤的牙齿已经感染了蛀牙。类似的 对比鲜明的照片也不止一次在他的书中出现。 当布莱斯博士分析由原始人摄入的食物时，在 把他们的食物和城市化人口的食物做对比后，发现

48

"Sally Fallon Morell." Weston A Price. The Weston A Price Foundation, 2000. Web. 05 May 2016.

九年级

采访 PIE 社团 - 达宁老师采访

前方记者 / 林雨濛

问题：为什么要进行机器人比赛？

想法运用在工程、设计及编程中。 来自我家乡新罕

Mr. MacLeon：当今全球，几乎所有年级的学

布什尔州的 Dean Kamen， 他在 1992 年成立的 “First

生都在世界级的机器人比赛上竞技。这些比赛的成

Robotics”比赛已经遍布世界各地。许多其他旨在

功，源于对具有创新意识和解决问题能力的毕业生

教育目的的机器人挑战赛，也层出不穷。每一年，

的普遍需求。未来的毕业生需要展现自己的分析能

世界各地的高中生和大学生也都积极参与到这些大

力，吸收、再创新能力和原始创新能力。诸如李彦

赛中来。我们需要通过地区比赛、国内比赛来取得

宏、史蒂夫·乔布斯、马云、雷军和比尔·盖茨这

参加世界级的比赛的资格。在这个过程中，学生将

些创新先驱者，他们的创新成果已经真正地改变了

通过解决工程学的问题以及同其他队伍的解决方法

我们的世界。他们能够捕捉到一些前所未有的机遇，

进行对比，来审视自己团队的成果。

并付诸实践，研发出实用的科技产品。 问题：包校机器人团队的未来是什么？ Mr. MacLeon：我相信创新能力是将来的财富。

问题：对此你的未来计划是什么？ Mr. MacLeon：我的计划是通过科学和计算机 学科部门的共同努力，将工程，编程和机器人深入

我们的毕业生从包玉刚实验学校所能学到的最重要

我校。我计划将 VEX 机器人融入教学与课外活动中，

的能力是清晰地理解问题，在考虑全球的影响力的

让学生和老师一同组队参与进来。参赛队伍中的学

同时，形成有效并恰当的解决办法。

生及老师将如同体育竞技团队一样，身着特定的队

问题：包校机器人项目达到的最终目标是什么？ Mr. MacLeon: 制作机器人不是我们的最终目 标，通过这个项目可以使学生将创新的解决问题的

服参加比赛。现在我和有兴趣参加竞赛的同学每周 有四次会面的机会，我计划在下一学年执行同样的 时间安排。

九年级

采访徐逸航

前方记者 / 余闻秋

G

ordon Xu, 包校 11 年级学生，亲手做过四旋翼飞行器，还曾参加过中美黑客马拉松并搭建了一架由手 势控制的无人机， 在科技领域有许多创新的想法。

记 者： 请 介 绍 一 下 你 最 近 着 手 的 项 目。

体的表面通过。 简单来讲，频率越高的交流电越会

Gordon：我最近正在着手的项目是一个叫做“特斯

在表面上聚集，这种看

拉线圈”的模型，它可以产生高达几百万伏的，人

似强大的电流实际上大

类却可以触摸的闪电。听起来是不是很神奇？因为

多通过人的皮肤导到地

一般情况下直流电的安全电压为 36 伏，也就是说人

面，而导体内部只有很

类不能触碰 36 伏以上的电流。然而，特斯拉线圈产

小的电流，因此人不会

生的闪电是频率高达 20 万赫兹的交流电，不同于直

受到伤害。

流电恒定不变的电压，它的电压图像为一条正弦曲 线。交流电有一种性质——趋肤效应，由于导电体

记者：听起来很有

本身的自感现象，交流电会被分散并更趋于从导电

趣。那么它的工作原理 （续见 P50 下）

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解剖社 庄勤老师和王紫璇采访 前方记者/龚博雅，丁佳薏

在上个学期王易阳和王紫璇举办了一个 解剖社，总共有11个学生和庄老师作为导师进 行社团活动。通过解剖各种生物同学们学习到 了神经系统、血液循环系统、肺循环系统和消 化系统的作用和结构。与此同时同学们也会做 各种各样的切片并在显微镜下进行观察，包括 提取出来的肝细胞等等。通过视频或者纪录片 同学们也学习了免疫系统和病毒，有趣的科普 类短片让所有人在学习知识的同时对解剖保持 着浓厚的兴趣。

是什么呢？

以享有免费的能源。然而这种想法

Gordon：特斯拉线圈由几部

在当时是不被人们，尤其是商人所

分组成：电容用来储存并释放电

接受的。而特斯拉线圈的作用就类

流，初级线圈会传导电流产生交变

似于在这种想法之下的产物。放电

磁场，次级线圈会受到感应电流并

终端可以释放闪电，与此同时它周

为顶端的放电终端（铁球）充能使

身会伴随着强大的磁场。我们都知

之达到极高的电压，和地面产生一

道磁能生电，电能生磁，也就是说

个等效电容，它就会想放电。一般

磁与电能相互转化。比如将小灯泡

每一万伏特左右的电流可以击穿 1

靠近这极大的磁场附近，它不需要

立方厘米的空气，而铁球会释放几

电源就能自动发亮，用电器也是如

百万伏的电流，这就是为什么肉眼

此。特斯拉幻想有一个巨大的发射

就可以看见闪烁的电弧的原因。

塔，上面的放电终端会产生非常强 大，足以笼罩整个地球的磁场，这

记者：那么，特斯拉线圈的用 处有哪些呢？

样每个人都能使用免费的电能来使 用电器工作。而这个发射塔设想的

Gordon： 说 到 特 斯 拉 线 圈

原型其实就是斯特拉线圈。总结来

就不能不提它的发明者——尼古

说，特斯拉线圈可以为人类节约能

拉·特斯拉。他毕生的梦想是找到

源。

自由能源，也就是说全球的人都可

50

指导老师采访 - 庄勤 记者：您认为解剖社给了学生什么样的平台？ 庄：首先这个解剖社是同学们自己开办的，借助这 个社团，同学们可以根据自己的需求和兴趣进行研 究，包括对动物构造，对环境的适应度等等。因为 解剖需要专业的人员指导，利用AF（下午活动）的 时间，在生物老师指导下，同学们不仅获得了系统 性的解剖培训更收获了课外的生物知识。

稳。这个社团让同学们意识到自己的潜力，对自己 的天分有了更深的了解。 记者：在几期活动中，您印象最深刻的是哪一次？ 庄：家鸽的解剖。在课程内，大部分同学们都已接 触过比如哺乳类，两栖类，还有昆虫等无脊椎动物 的解剖。而家鸽的解剖，在课程并不做要求的，但 它作为生物进化上的一个环节－从爬行类向鸟类，

记者：您认为解剖过程中学

哺乳类两个方向的进化，具有研究的意义，所以融

生遇到最大的困难是什么？

入了解剖社的课程。虽然十年级同学做这个解剖

庄：在解剖中同学们遇到更多的是困扰。出于对动

前，对鸟类的构造的知识了解的并不是很多，但是

物的尊重，往往同学们最需要克服的是自己的心理

通过自己的动手操作，他们归纳并总结了这次的经

底线。在IB课程当中就有一条ethical policy（道德

验，并用到了之后的操作中。

规范），禁止现阶段的学生研究任何要剥夺动物生 命的实验。

记者：那您认为在生物学的领域上，还有哪一 些社团的开展可以帮助以后同学拓展知识面？

记者：您觉得这一期的解剖社中，

庄：生物学与医学是密切相关的，现代生物医学的

学生在哪一方面做得最出色？

发展速度很快，技术也不断更新， 但是它可能需

庄：是同学们的动手能力。以前在生物课上20多

要很专业的实验装备，在学校开展这些活动可能现

个同学们同时制作自己的装片，我无法顾及每位同

在条件还不够。但我们现在正在和交通大学进行合

学的成果。然而在社团中，我可以关注同学们在取

作，为有这方面兴趣和爱好的同学提供进一步深入

材，制作装片等许多方面操作。其中，我更发现几

学习的可能和机会。翁老师的种子俱乐部正在为大

个很有动手能力的苗子，因为他们操作时手很平

家创造这类学习机会。

学生采访-副社长采访 - 王紫璇 记者：生物有很多领域，为什么要选择解剖呢？

解剖中除了学到了知识，更是让我重新审视了生命

王：首先，我们对于生物内部结构课程内的知识是

的意义，对所有生物充满了的惊叹和敬畏。

远远不够的。解剖学在生物学当中是必不可少的。 它是我们了解大多数生物器官结构的第一手资料， 通过对于不同生物结构的仔细观察，可以帮助我们 更好的了解它的功能。通过解剖，我对各个生物内 部器官的位置，及其在整个生物体内起到的作用有 了更准确的了解。我更明白了任何生物上的器官腺

记者：解剖有哪些术语？ 王：主要都是医学用语，比如各种骨头和肌肉的名 称（如，心脏的上房下室），还有像上（superior）或者下（inferior）这样的方位术语，但是不常 使用。

体，每一块肌肉，每个神经元，都有它存在的意

记者：解剖的工具有哪些？

义。举例子来说，鸟的骨头是中空的，因为这样的

王：骨剪，手术镊，手术刀，探针，这四样是最基

结构能帮助他们更加轻松地飞翔，不同生物不同的

础的。因为在解剖社中我们没有解剖大型的动物，

身体结构全都尽一切可能的在为这个生物提供最大

所以不需要太过复杂的工具。在提取干细胞的时

化的竞争力，让它最大程度适应环境并且生存。在

候，我们会用到离心机等仪器。 （续见 P52 下）

51

科学杂志社采访 翁梅倩老师采访 前方记者 / 龚博雅

记者 : 您为什么希望开设一个科学杂志社？

量的能力。只要你乐于观察，提问，人人都可以成

翁博士：我在包校工作了一段时间后，发现我

为科学家！此外，科学和哲学，人文，历史，艺术，

们的中文教研组出版了许多学生的学术文章。这让

体育这些学科都是有共通性的，这样的相互关联使

我很受启发，觉得这对我们科学组的师生也会是很

我们的生活变得生动而有趣。

棒的经历。同时，学生们能有机会学习学校课程外

第二，我们的学生应该在这个信息快速流通的

的有趣知识，从而激发他们的想象力，并让他们在

社会中时刻更新自己的知识储备。在未来的日子，

课堂以外更深入的了解科学。我希望学生们能体会

我们可能和机器人一同工作。我们要为这些挑战做

到科学在我们生活中的重要性以及科学精神是什么。

充分准备。对于宇宙、时间的全新认识，也许会全

记者 : 您想通过这个杂志社向包校集体传达什 么？ 翁博士：首先，我们希望学生明白科学是平日 生活的一部分，是一种解决日常问题，提高生活质

变所有的一切，包括我们的行为方式，生活方式， 未来的商业模式，教育模式，甚至是我们社交的方式。 如果我们不及时更新自己，可能会与这些新奇美好 （续见 P53 下）

记者：解剖时有哪些注意事项？

时时保持平稳。在解剖后，遇到不认识的

王：一是工具的用法，比如使用骨剪时，

器官需要自己去查阅资料，有时遇到难以

极其容易变成日常剪东西的手势。第二，

辨认的器官，你则需要自己推理判断。而

也是我们的第一原则：要对实验动物保持

这部分最难的莫过于把理论用于实践，很

尊敬。

多时候我会有些不知所措。

记者：在上一季的社团活动中， 您印象最深刻的是哪一次活动？ 王：印象最深的是解剖鸽子。这节课由我 主讲，在把理论性的解剖步骤和需要找到 的器官结构讲完之后，庄老师让我自己解 剖一整只鸽子。这是我始料未及的，但是 庄老师也并没有解剖鸽子的经验。于是我 凭借之前的动手，在理清楚步骤后，还是 成功地找到了各种器官，也为此也感到自 豪。 记者：你解剖的时候遇到过什么困难？ 王：实际操作中有时会遇到骨头较硬，很 难剪开的情况；同时力道往往比较难掌 控，容易损伤生物的内部器官。实际操作 中最难的莫过于把握精准度，所以手需要

52

然改变我们的社会。另外，新的发明和网络可能改

种子社团采访 翁梅倩老师采访 前方记者 / 龚博雅

记者 : 您能解释一下什么是种子社团？以及加 入社团的要求吗？

后（6 月份），实验部分会在交通大学开始。 记者 : 实验在哪里进行？

翁博士：种子社团的设立是给 10 到 12 年级有

翁博士：我们与交通大学合作开办了这个社团。

学术方面天赋的同学提供的一个平台。这是一个以

所以这个暑假学生将有机会与科学家以及博士生在

项目为单位的课程，给予同学们利用最前沿的技术

真正的实验室里展开实验。他们会加入交大的一些

去设计以及实践与生物科技相关的原创研究的机会。

学术研讨会，并参加他们每周的小组工作汇报。

记者 : 同学们在这个社团里能学到什么？

记者 : 他们主要展开的是哪方面的实验呢？

翁博士：我们的课程会由讲座和实验构成。讲

翁博士：至今为止，学生们在李教授的实验室

座部分是实验部分的必不可少的背景知识，而动手

工作。李教授是来自哈佛医学院附属麻州总院的科

实践可以教会同学们最新的生物科技技术，以及这

学家，他研究的领域是脑科学，所以我们的项目会

些技术可以在哪些科学领域被应用，以及如何应用。

和亨廷顿氏舞蹈症相关。亨廷顿氏舞蹈症是由单基

同时，同学们也会阅读科学论文以及撰写论文。学

因突变后导致的遗传性的渐变性脑疾病。我们现在

习 的 生 物 学 技 术 包 括 DNA/RNA 序 列，PCR， 克

正在做一些与该疾病相关的转基因小鼠，等小鼠培

隆，基因重组工程，细胞转染，分离质粒以及重组

养成功后，我可能会带学生做一些与小鼠有关的实

DNA，蛋白质印迹法以及琼脂糖凝胶电泳。从三月

验。目前我们已与上海交通大学建立进一步的合作

到四月，每周会有一个小时的讲座时间，暑假开始

关系， 并希望交通大学能对我们开放更多的实验室。 图：细胞入侵人体细胞 红色 - 细胞结构，蓝色 - 细胞核，绿色 - 细菌

的事物失之交臂。因此，我希望借助我们的杂志的

师是一位十分可亲可敬的女士，同学们都很喜欢她。

平台，将这些科学最前沿的信息带给同学们。

龚博雅 , 你是第一个写邮件给我们，希望加入这个团

第三，杂志为学生提供了一个展示他们课堂外 的科学活动的平台。

队的人。我们第一次讨论的时候，你对物理的热情 深深地打动了我。你对社团作出很多的贡献，Susie

最后，当同学们步入 11 年级后，IB 课程将要

和我认为将你作为我们队长是一个正确的决定！于

求大家写拓展性的论文。此类论文对学生的科学素

佳铭 , 自愿找到我们并说他愿意协助我们的排版，

养和论文形式有一定的要求。这些能力都需要学习

李老师和我对此感到非常欣慰。王励新 , 江一达 , 徐

训练。因此这个杂志为学生提供了提早培养这些能

凌舟 , 丁佳薏 , 余闻秋 , 楼亦奇 , 吴彬浩 , 你们所有

力素养的机会，同时它也为师生间的学习，交流思

人的都付出了许多汗水，用你们宝贵的周末时间来

路提供很好的平台。

帮助完成第一版杂志的修订和排版。 段旻暄为我们

记者 : 您的团队如何呢，您会怎样形容您的团 队？ 翁博士：我们很幸运有这样出色的团队。李老

的杂志创作了一首优美的乐曲。李曦老师和我认为 拥有这样的团队，成为包校社团中的一份子真的是 我们的荣幸。

53

IB文凭科学课程作业

以有时我需要确认他们计划的安全性，以及那些器

“僵尸出行” 蒋家杰老师采访

材……比如，当他们决定要“建造一个核聚变反应 堆”时，我不得不说，“哎，我们没法那样做！” （笑）。所以，的确，我是他们的负责人，但基本 还是学生们自己决定该做什么、怎么做。

前方记者 / 丁佳薏

记者：第一个问题，也是最重要的一个问题——学 生们有需要解决哪些难题？他们是如何应对的呢？ 蒋老师：作为IB课程的一部分，学生们需要完成一

记者：这类训练会如何针对IB课程给他们提高和帮 助呢？

个 “四人小组” 项目。我们会布置给他们一个跨学

蒋老师：虽然在现实中，一个 “僵尸大灾难” 是不

科的，涵盖物理、生物、化学、数学、计算机等各

太会发生的，但在这样一个任务情境下，学生们作

方面的任务。他们将会进入一个情景当中，并且想

为一个一个团队，互相协作完成任务。这样的能力

方设法解决情景中的问题。我们当然可以直接告诉

非常重要。他们都会上大学，并且他们其中的很多

他们： “你们得想出一个方法为学校持续供电。”

人都希望在科学领域工作。你很少见到一个科学家

但我们并没有这么做。取而代之的是，我们把当天

孤零零地坐在房间里，空想他的奇思妙想。当学生

设置成一个“僵尸灾难日”的情景，即让十一年级

们作为小组中的一员时，他们分享各自的观点，讨

的学生们想象全人类都被僵尸病毒入侵，而他们是

论他们的计划和可能的结果，并且各负责一部分的

唯一还活在地球上的人。他们决定以学校为基地，

资料搜索，在最后将资料全部整合在一起。这样做

因为附近有水道和安全栅栏。接着他们就要想办法

让他们小小体验了一把上大学之后该如何做实验、

解决一系列问题：首先，他们需要电。他们还需要

做研究，以及在工作中遇到难题时该如何解决。

纯净的饮用水，需要食物，因为哪怕他们可以去附 近的超市取得食物，这些食物终究会吃完，他们最

记者：他们做实验的过程中有出错过吗？出过哪些

终仍需生产出自己的食物得以自给自足。解决这些

问题？

问题包含了物理、生物、化学三方面的知识。拿供

蒋老师：出现过问题。我记得有一名学生想要在学

电问题为例，学生们被困在没有电的学校，则他们 必须想出对策，比如他们需要多少电，需要用多 久，以及如何找到供电的方式。

校种土豆。我就问他： “一个人一天需要多少土豆 维持生活？” 他说“六个。”六个土豆看起来不是 很多，是吧？你也许会想“不就六个土豆嘛”。然 而我们有五十名学生，一年有三百六十五天。算下 来，一年就需要种140000个土豆。（我问他）“你

记者：（作为物理学科的老师），您是负责物理部

准备怎么办？如果你想要种的话，需要占用学校里

分的？

的多少土地呢？如果土豆感染了疾病怎么办？”所

蒋老师：可以这么说。但是我想并不真的是 “负 责” ，因为那些点子都是学生们自己想出来的。 他们并不会找到我来问我，“老师，我们该怎么 做？”，并让我回答“哦哦，你们需要太阳能电 池板。”事实上，他们会自己想出计划，然后讨 论：“我觉得我们需要用到太阳能电池板，你看怎 么样？”然后他们会尝试计算出他们所需的太阳能 板的面积大小，和所能产出的供电量。他们还会讨 论：“我们要不要用风力涡轮机？或者用什么别 的材料？”……我的确是他们的负责监督人，所

54

以他很可能需要许多不同品种的农作物，这样才能 提供更多的能量、碳水化合物和蛋白质。所以，那 名学生并没有经过缜密的逻辑思考，来得出他们到 底需要多少土豆。 记者：他们最终都成功了吗？ 蒋老师： 有些人想到不错的方案。比如养动物。你 不能直接说 “我们养鸡怎么样？” ，可以，但在填 饱自己的肚子的同时，你还得喂养这些鸡，便又会 产生许多问题……所以从根本来说，最重要的并非

学生们有没有成功解决问题，而是这个小组合作的

的第一届学生，他们现在在做的都是他们首次尝试

过程，甚至是这种纵观全局，考虑资源利用的

做的事情，同时也是学校第一次做的事情。因此，

意识。随着活动的慢慢展开，学生们都逐渐有些气 馁，意识到要种土豆也没法直接去麦当劳，要养猪 还得把猪给喂饱养好——一切都没那么简单。所以 成功地找到解决方案并不重要，重要的是不断思考 并发现问题的过程。 记者：在遭遇此困境时，学生们应该做何准备来应 对好呢？ 蒋老师：他们需要水，纯净的饮用水。所以学生们 就思索该如何过滤水使得他们成为可以引用的水。 他们就进行了水的提纯。在生物版块，一些学生试 图找到一种僵尸病毒的治疗方法，让人体可以对 病毒免疫，被僵尸咬后不会变为僵尸。一些物理学 生，我在前面提到的，集中在能量生产的问题上： 太阳能电板、风力涡轮机……并得出他们需要多少 点、多少这样的设备。

在他们作为 “第一批” 进行这些项目的同时，学校 可以回过头来，从中看到以后可以改进的地方，比 如想要让学生们在这类项目中有更好的表现，学校 应当在低年级学生中也普及这样的项目。 记者：最后，作为一名老师，你最喜欢本次活动的 哪个环节？ 蒋老师：我最爱的环节————我们制作了一个视 频。是一个录制 “僵尸入侵”的视频，视频里是 老师们在打僵尸、四处逃窜，非常有趣。我们制 作视频的过程也十分有意思，那是项目开展前最有 趣的环节了。不过，事实上，我觉得整个一天都过 得很棒。在最后半小时，我看到学生们都有了他们 的完整的解决方案，写在板上，你们可以去看看那 些展板。你可以看看他们写了什么，也可以跟他们 交谈，问问他们有什么见解。那真是很有意义的一 天。

记者：如果今后还会举办一次这样的活动，您觉得 有哪些地方需要改进的？ 蒋老师：我认为有一点。每一位IB学生每年都要做 类似的项目。项目不会一直是“僵尸灾难日” ，每 年都可以换。但是，小组合作的理念会一直存在。 有一个问题便是参与这次项目的十一年级的同学们 之前从来没有开展过类似的活动，也从来没有以那 样一种方式去想方案、做实验。那是整整一天，从 早上7：50到晚上6：00，他们还得决定何时吃饭， 何时休息，何时继续工作。这是他们一天中的一部 分。这对他们来说都是全新的。所以我希望这样的 项目可以在整个学校都开展起来，使六、七、八、 九、十年级学生也能（在十一年级之前）做个一两 次。它们不需要太复杂，甚至不需要一定是科学方 面的，但他们要分成小组，花一整天，为了某个目 标而努力。这样，到他们上IB的时候，再遇到这类 项目他们就能驾轻就熟，因为积累了之前的经验， 能做好充分的准备。 记者：除了十一年级，您觉得这样的活动会让学校 其他同学受益吗？ 蒋老师：是的。因为十一年级的同学们是我们学校

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英特尔国际科学与工程大奖赛简介 英特尔国际科学与工程大奖赛（Intel ISEF），是全球最大规模、最高等级的面对全球青少年的科学竞 赛。每年有来自75个国家超过1700名的青少年科学家为赢得16个科学类别和1个团队项目类别的总价超 过400万美金的奖学金和奖品展开激烈的角逐。Intel ISEF面向9-12年级（初三—高三）中学生的科学竞 赛，竞赛学科包括了所有自然科学和部分社会科学内容，竞赛学科包括动物科学、行为和社会科学、 生物化学、细胞分子生物学、化学、计算机科学、地球与空间科学、工程学、能源与交通、环境管 理、环境科学，数学、医学和健康科学、微生物、物理、天文学、植物科学。 摘自( https://student.societyforscience.org/)

现在让我们来认识一下两位在该大赛中的获奖者，看看他们到底是如何征服评委的吧！

Sara Volz

Jack Thomas Andraka

Sara Volz发明了一种能够提升水藻制造生物燃油

检测肝癌或者其他癌症。将他的方法与原本检测癌症

费。

的方法相比，我们可以得知这项发明具有多大的革命 但是最令人惊叹的事情是，这项发明的研发主要

都是在Sara Volz的卧室里进行的。她在自己的床底下

性。他的方法比原本的方法快上28倍，大约比原先便 宜了26000倍，并且比原先的测试更加准确100倍。

种植了许多水藻，把它们放置在玻璃器皿之中培养，

这一项伟大的发明是从一个简单的主意开始的，

这就形成了一个小小的水藻花园。除此之外，她在这

是Jack Thomas Andraka在生物课上想出来的。这项

个花园中花费的精力是我们不可想象的；她每天都会

发明的原理其实很简单。他使用一个感应器来测验人

看照那些水藻，确保它们还健康地活着。

体中间皮蛋白。这一个感应器是由单壁的碳纳米管和

Sara Volz

水藻生物燃油是一种可再生能源。但这种燃油却 异常的贵重，Sara Volz的新发明能使这种生物燃油的 价格大幅度下降，甚至从此替代普通日常生活中使用 的化石燃油。 通过她不懈的努力，Sara Volz获得了一项高达 100000美金的奖项。

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Jack Thomas Andraka发明了一种全新的方法来

的工序。这种新型的工序能够降低水藻生物燃油的花

间皮蛋白的抗体做成的。但是这项发明的研发并不简 单。 Jack Thomas Andraka因此发明赢得了价值 75000美元的英特尔国际科学与工程大奖赛，并且在 2015到2016学年，他被斯坦福大学录取。 撰文 / 王励新

为什么包校要设立健康日？ Zigler：健康教育对包校以及其他许多学校都是 课程内不可或缺的一部分。由于时间上的限制， 健康教育无法融入包校的高中课程。虽然去年我

翻译版本

健康日

--不仅是健康饮食 庄康达老师的采访

们曾在下午活动时间尝试开办健康课程，但是同 学们的注意力难以集中。因此，今年我们把课 程浓缩为两次的健康日。每一年的健康活动将会 十分相似，但是我们仍然会逐年进步，不会一成 不变。

您是如何选择健康日的活动和主题的呢？ Zigler：所有的项目都选自健康课程。在其他老

前方记者 / 龚博雅，徐凌舟

Zigler：锻炼是健康教育中至关重要的一环。 我们希望同学们能明白运动的重要性，及明确 适合自己的运动项目。所有的活动不仅是基础 的训练教程，我们更希望能引进全新的体育项 目来更好地帮助同学们找到属于自己的活动。 例如明年我想加入的气功。

师的建议和帮助下，所有的主题会围绕现阶段学 生成长与发展中必不可少的知识。健康日不仅为 我们的高中生补充新知识，同时也不乏各种同学 们热爱的活动。 健康日涵盖的所有内容将会让同学们的今后的 人生受益匪浅。比如，什么是健康饮食，什么是 健康的生活方式，如何保持身心健康，以及你适 合什么运动？

您将骑车等等体育活动融入健康日的意义是什 么？

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环保社团采访 撰文 / 环保社团成员 指导老师 / 陶晶，邹昌如，王雪薇，张毅弘

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九年级

获奖感言

撰文 / 班弘毅

致各位同学、老师：

int Right_motor_back=11;// 右电机后退 (IN4)

大家好 ! 伴随着秋天的落叶，2015 年第十届创

int key=7;

协杯创意科技机器人大赛来到了我们身边，作为一 名包玉刚学校的学生我也有幸去一睹这些有趣新型

const int SensorRight = 3;// 右循迹红外传感器 (P3.2 OUT1)

机器人的风采并获得了奖。首先，我们能得如此殊 荣必须要感谢几位老师的细心指导，其中王忠老师

// 定义按键 数字 7 接口

const int SensorLeft = 4; // 左循迹红外传感器 (P3.3 OUT2)

不厌其烦的悉心指导让我受益匪浅，还有王老师和 张老师在从旁的辅助也使我巩固加深了这些从未学

int SL;

// 左循迹红外传感器状态

习过的知识。其次，从侧面学习我们 stem 小组中

int SR;

// 右循迹红外传感器状态

的其他同学也令我学习到了许多知识，我们在互相

其中我们的车子有两个轮子，前进后退各用两

帮助中共同进步。总之，没有老师同学的共同努力、

个串口控制，这就是 8，9，10，11 串口，若想让

一同进步，我们也不会有如此成就。

左轮后退，给 8 号信号脚一个高电压，依次推论。

现在，恕我详细的说明解析一下我们在课堂

在本次比赛中最关键的部分是红外线传感器，它根

内都学习一些什么，在比赛中又使用到了哪一些技

据地面的反射光判断黑线的所在地，再根据黑线判

能。本次比赛中我们参加的是“循迹”比赛，除此

断其他操作，我们的车子在车头下方分别设有有两

之外，在本次机器人大赛中还有其他项目，让我看

个红外线传感器，用 3、4 号串口控制。同时，所有

到了许多不同与平常生活的科技和许多在他校同样

程序的总开关是 key（7 号接口）。接下来的一段程

努力的同学们。“循迹”比赛的规则流程为：在大

序用来定义这些信号串口，格式为：

小为 2*5m 的场地内，车辆需从标有“开始”的绿

void setup()

色区域出发，沿两指宽的黑线行走，最后在标有“结

{

束”的明黄色区域停下，车辆未停在区域内都算未

// 初始化电机驱动 IO 为输出方式

完成比赛，选手在此期间不能触碰车辆，每位选手 需携带自己的比赛车辆参加比赛，在场下处理好一

pinMode(Left_motor_go,OUTPUT); // PIN 8 (PWM)

切事务（包括编程、组装车辆、调试等），在 10 月 17 日有为一天调试，10 月 18 号为正式比赛。在学

pinMode(Left_motor_back,OUTPUT); // PIN 9 (PWM)

校中我们小组已组装好了车辆，粘上面包板（用来 连接电路）和组装电路，也初步学习编写了“循迹”

pinMode(Right_motor_go,OUTPUT);// PIN 10 (PWM)

轨迹所使用的电脑程序。我来详细讲解一下这由学 校老师花费了众多时间与心血的程序，它也是在比

pinMode(Right_motor_back,OUTPUT);// PIN 11 (PWM)

赛中必不可少的一部分。

pinMode(key,INPUT);// 定义按键接口为输入

此程序语言从 c ＋＋语言为基础再作出改编，

接口

第一步我们先定义信号脚，句式为“int xx ＝ a”，

pinMode(beep,OUTPUT);

xx 是我们自己取的名字（自己记得住就行），a 为

pinMode(SensorRight, INPUT); // 定 义 右 循

我们连接主板的信号脚。这是本部分的程序：

迹红外传感器为输入 pinMode(SensorLeft, INPUT); // 定义左循迹

int Left_motor_back=8; // 左电机后退 (IN1) int Left_motor_go=9;

// 左电机前进 (IN2)

int Right_motor_go=10; // 右电机前进 (IN3)

红外传感器为输入 } 其 中“void setup()｛pinMode……. ｝” 为 固

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定格式，定义刚刚所说的那些串口为输入（INPUT）

// 有信号为 LOW 没有信号为 HIGH

还是输出 (OUTPUT) 串口（信号脚）, 输出串口的意

SR = digitalRead(SensorRight);// 有信号表明

思为程序从串口把指令给小车比如前进后退，输入

在白色区域，车子底板上 L3 亮；没信号表明压在黑

串口的意思为程序从小车接受指令比如开关。再往

线上，车子底板上 L3 灭

下就是基本操作的主程序 :

SL = digitalRead(SensorLeft);// 有信号表明

void run()

在白色区域，车子底板上 L2 亮；没信号表明压在黑

{

线上，车子底板上 L2 灭 digitalWrite(Right_motor_go,LOW); // 右电

if (SL == LOW&&SR==LOW)

机前进

run(); // 调用前进函数

digitalWrite(Right_motor_back,HIGH); analogWrite(Right_motor_go,0);//PWM 比例 0~255 调速，左右轮差异略增减

else if (SL == HIGH & SR == LOW)// 左循迹 红外传感器 , 检测到信号，车子向右偏离轨道，向 左转

analogWrite(Right_motor_back,11);

left();

digitalWrite(Left_motor_go,HIGH); // 左电机 前进

else if (SR == HIGH & SL == LOW) // 右循 迹红外传感器 , 检测到信号，车子向左偏离轨道，

digitalWrite(Left_motor_back,LOW);

向右转

analogWrite(Left_motor_back,0);//PWM 比

right();

例 0~255 调速，左右轮差异略增减

else // 都是白色 , 停止

analogWrite(Left_motor_go,15);

brake();

//delay(time * 100); // 执行时间，可以调整

}

}

}

这是主程序中其中一段，“void run(){ }”为主

此段大致说明根据红外线返回的信号使小车上

格式，说明的是当智能小车前进时（就是左右轮都

的 led 灯对应亮，再令小车做出反应。从此处，程

前进）的一段控制程序。因为是前进，所以定义所

序告一段落。

有左右轮的后退信号脚都是低电压 LOW（不动），

在比赛中，调试时我们也遇到了很多如设备

所有的前进信号脚都是 HIGH( 执行指令 )。由此可

不如意而产生的各种问题，比如小车速度的调整我

以推出停车，后退，向左前转弯，向右前转弯等指令，

们就做了无数次的调整，使它达到一个既能稳定前

在这里也就省略不予显示了，在本次比赛中不需要

进又不至于冲出轨道的量。当然功夫不负有心人，

用左后转弯，右后转弯等指令，所以也不予编程。

最后我们也到达了成功的彼岸。

以下为最后一段主程序后的程序了： while(1)

最后，欢迎感兴趣的同学下学期进入 stem

club ！

{

趣味猜药名 答案：1. 芍药 2. 胖大海 3. 半夏 4. 当归 5. 金银花 问题详见杂志 整理 / 徐凌舟

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