STEM理念下“過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

趙露 許應(yīng)華

關(guān)鍵詞：STEM教育;教學(xué)設(shè)計(jì);綜合性

STEM教育以解決真實(shí)情境中的問題為出發(fā)點(diǎn)，以跨學(xué)科整合為核心，以協(xié)作學(xué)習(xí)為途徑，可以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)，也是綜合性人才培養(yǎng)的重要路徑[1]。在化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用STEM 教育理念，可以將化學(xué)學(xué)科知識(shí)與其他學(xué)科知識(shí)綜合起來，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的理解，體現(xiàn)知識(shí)的綜合應(yīng)用。

本文以人教版高一化學(xué)必修一中“過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”為例，展示如何將化學(xué)教學(xué)與STEM教育理念更好地融合。

一、背景分析

1.學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了過氧化鈉與水的反應(yīng)，對(duì)過氧化鈉的性質(zhì)有了初步的了解，在進(jìn)一步學(xué)習(xí)過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)時(shí)，可從過氧化鈉與水的反應(yīng)進(jìn)行類推和遷移。并且在學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備中，二氧化碳不具有助燃性，但在過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)中卻能生成具有助燃性的氧氣，這將引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究的欲望，并通過此反應(yīng)原理在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。

2.教材分析

“過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)”內(nèi)容位于人教版高一化學(xué)必修一第二章第一節(jié)“鈉及其化合物”。本節(jié)課的內(nèi)容是在學(xué)習(xí)了過氧化鈉與水反應(yīng)之后，對(duì)過氧化鈉性質(zhì)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。在以往的教學(xué)中，教師在課堂上只對(duì)過氧化鈉與水的反應(yīng)進(jìn)行探究，對(duì)過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)一帶而過，實(shí)際上此反應(yīng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義，運(yùn)用于實(shí)踐中能和其他學(xué)科知識(shí)綜合，適合用STEM教育理念教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。

二、教學(xué)目標(biāo)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，要“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解鈉及其化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用”[2]。這與STEM 教育理念極為相符，結(jié)合教材內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況，制定以下四維教學(xué)目標(biāo)：

（1）S（科學(xué)）：了解過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;認(rèn)識(shí)利用過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)制備氧氣的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值;體會(huì)化學(xué)學(xué)科在生產(chǎn)生活中的重要性。

（2）T（技術(shù)）：嘗試設(shè)計(jì)過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案;加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作技能;了解信息技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要性。

（3）E（工程）：了解氧氣面罩的工藝制備;嘗試制作氧氣面罩。

（4）M（數(shù)學(xué)）：能根據(jù)所需氧氣量計(jì)算得出理論上所需過氧化鈉的質(zhì)量。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

在本節(jié)課的教學(xué)中，旨在將STEM教育理念與過氧化鈉和二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。因此，在本節(jié)課開始時(shí)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的社會(huì)情境問題以吸引學(xué)生注意力;通過實(shí)驗(yàn)演示，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。在教師引導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并探究;通過講解過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的原理，探索該原理在氧氣面罩制作過程中的應(yīng)用，展示氧氣面罩的制作工藝，體會(huì)化學(xué)學(xué)科對(duì)社會(huì)的作用;模擬真實(shí)情境，計(jì)算一定耗氧量所需的過氧化鈉的質(zhì)量，以加強(qiáng)數(shù)學(xué)計(jì)算能力和學(xué)以致用的意識(shí);最后，通過交流、反思，鍛煉語言表達(dá)能力，養(yǎng)成總結(jié)、反思的習(xí)慣。

四、教學(xué)過程

1. 立足實(shí)際，發(fā)現(xiàn)問題

[教師活動(dòng)]播放2019年“3.30木里縣森林火災(zāi)”有關(guān)新聞視頻。

[學(xué)生活動(dòng)]觀看，思考。

[教師活動(dòng)]面對(duì)火災(zāi)，應(yīng)當(dāng)如何自我防護(hù)？ 在火災(zāi)中遇到缺氧的情況，有什么方法可以供氧？可以利用化學(xué)知識(shí)解決氧氣供應(yīng)的問題嗎？

[學(xué)生活動(dòng)]思考。

設(shè)計(jì)意圖：涼山火災(zāi)是近年來發(fā)生的較大型的火災(zāi)，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。通過此情境，既可激發(fā)學(xué)生愛護(hù)自然，敬畏生命的情感，又可培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。在這一過程中，也體現(xiàn)了化學(xué)核心素養(yǎng)中的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任，有助于學(xué)生素質(zhì)的提高。

2. 結(jié)合已知，設(shè)計(jì)方案

[教師活動(dòng)]演示“吹氣生火”的實(shí)驗(yàn)，提問“吹氣生火”的原理可能是什么？[學(xué)生活動(dòng)]根據(jù)已有知識(shí)并通過分析人體呼出氣體的主要成分，推測(cè)可能是呼出氣體中的水蒸氣、二氧化碳與棉花上的過氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)。

[教師活動(dòng)]過氧化鈉可與水反應(yīng)，但過氧化鈉可以和二氧化碳反應(yīng)嗎？ 產(chǎn)物有氧氣生成嗎？ 應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明？[學(xué)生活動(dòng)]分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

[教師活動(dòng)]考慮到學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提示學(xué)生過氧化鈉可與鹽酸發(fā)生反應(yīng)生成氧氣;飽和碳酸氫鈉可與鹽酸反應(yīng)。

[學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生可能的實(shí)驗(yàn)方案如下：方案一：如圖1所示。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢W(xué)生在結(jié)合已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過小組討論、教師指導(dǎo)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在這個(gè)過程中，教師所提供的新知識(shí)與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的知識(shí)建立實(shí)質(zhì)性、非人為的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)，并在小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案過程中，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)交流協(xié)作的能力。

3.小組合作，探究發(fā)現(xiàn)

[學(xué)生活動(dòng)]根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

[教師活動(dòng)]來回進(jìn)行指導(dǎo)。

[學(xué)生活動(dòng)]交流討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

方案一現(xiàn)象：過氧化鈉逐漸由淡黃色變?yōu)榘咨?有氣體生成，且生成的氣體可使帶火星的木條復(fù)燃。

方案二現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)過程中未觀察到明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[教師活動(dòng)]兩種實(shí)驗(yàn)方案有何區(qū)別？不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明什么？[學(xué)生活動(dòng)]分析、交流討論，得出結(jié)論：過氧化鈉可與濕潤(rùn)的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，產(chǎn)物有氧氣生成。

[教師活動(dòng)]在人為的實(shí)驗(yàn)操作過程中，有可能因?yàn)椴僮鞯脑蛟斐蓪?shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。為檢驗(yàn)大家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下面為大家介紹一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

[學(xué)生活動(dòng)]聽講、思考。

[教師活動(dòng)]簡(jiǎn)要介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，講解并演示如何在電腦上設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

[學(xué)生活動(dòng)]聽講、觀察、思考。

[教師活動(dòng)]通過在電腦上模擬同樣的實(shí)驗(yàn)，大家觀察到了什么？ 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么？ 對(duì)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”有何感想？

[學(xué)生活動(dòng)]交流、討論，再次得出結(jié)論：過氧化鈉可與濕潤(rùn)的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，產(chǎn)物有氧氣生成。

信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合有很多優(yōu)勢(shì)，例如：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯、結(jié)果更加準(zhǔn)確、效率也更高。

[教師活動(dòng)]分析、講解過氧化鈉與濕潤(rùn)的二氧化碳反應(yīng)的原理，講述信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的重要性。

設(shè)計(jì)意圖：以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，是化學(xué)學(xué)科的重要特征。讓學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)探究過程中，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的人本主義思想，教師起到輔助、支持作用。學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)，既可鍛煉實(shí)驗(yàn)操作能力，又可以發(fā)現(xiàn)自身存在的不足，充分體現(xiàn)“做中學(xué)”這一思想。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)，而實(shí)驗(yàn)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。在此基礎(chǔ)上，引入學(xué)生在日常學(xué)習(xí)生活中接觸不多的“虛擬仿真技術(shù)”，開闊學(xué)生的眼界并期望打開學(xué)生的思維，不再局限于親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，體會(huì)信息技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的重要性，并激勵(lì)學(xué)生積極思考、勇于創(chuàng)新。

4. 做學(xué)結(jié)合，應(yīng)用實(shí)踐

[教師活動(dòng)]實(shí)踐證明，過氧化鈉可與濕潤(rùn)的二氧化碳反應(yīng)生成氧氣，這一原理在生活中的哪些方面可以發(fā)揮作用呢？[學(xué)生活動(dòng)]思考，討論。

[教師活動(dòng)]提示學(xué)生上課之初所播放的有關(guān)火災(zāi)的視頻，思考過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)制氧氣的實(shí)驗(yàn)原理是否可運(yùn)用在火災(zāi)的個(gè)人防護(hù)中？

[學(xué)生活動(dòng)]聯(lián)系已有生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備，想到身處火災(zāi)中時(shí)可能會(huì)發(fā)生缺氧、窒息的情況，可以利用人體呼出的二氧化碳，通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為氧氣，供應(yīng)人體所需的氧氣。

[教師活動(dòng)]播放、展示呼吸面罩制作的原理、工藝。

[學(xué)生活動(dòng)]觀看，思考。

[教師活動(dòng)]提供制備氧氣面罩的物理材料。

[學(xué)生活動(dòng)]以小組為單位，動(dòng)手制作氧氣面罩。

[學(xué)生活動(dòng)]展示小組成果。

設(shè)計(jì)意圖：將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)的價(jià)值和意義。在了解氧氣面罩制作工藝并參與制作的過程中，體會(huì)化學(xué)在社會(huì)生產(chǎn)、生活中的重要性。

5.模擬實(shí)際，定量運(yùn)算

[教師活動(dòng)]成人每天約需0.75 kg氧氣。某人現(xiàn)遇火災(zāi)，離成功逃生至少還需5分鐘，若要保證這段時(shí)間內(nèi)被救人員的正常供氧，問氧氣面罩中所需儲(chǔ)備的過氧化鈉至少為多少？[學(xué)生活動(dòng)]根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式及數(shù)學(xué)知識(shí)，計(jì)算得出至少需要12.7 g過氧化鈉。

設(shè)計(jì)意圖：通過親自動(dòng)手進(jìn)行計(jì)算，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解及數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。

6. 反思總結(jié)，交流評(píng)價(jià)

[教師活動(dòng)]在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，有何體會(huì)和收獲？[學(xué)生活動(dòng)]交流討論，派代表發(fā)言。

[教師活動(dòng)]根據(jù)學(xué)生的發(fā)言，進(jìn)行補(bǔ)充和總結(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：無論對(duì)于教師還是學(xué)生而言，反思與總結(jié)是取得進(jìn)步的重要方式，及時(shí)進(jìn)行反思則更為重要。通過在課堂上生生之間、師生之間的交流，在鍛煉語言表達(dá)能力的同時(shí)也有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的不足、學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗(yàn)。

六、小結(jié)

本研究將STEM 教育理念融入過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)教學(xué)過程之中，在新時(shí)代培養(yǎng)綜合性人才思想的指導(dǎo)下，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融為一體，以培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。在整個(gè)教學(xué)過程中，力圖發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，始終堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師起引導(dǎo)、支持作用。除此之外，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的社會(huì)情境，使得知識(shí)不是孤立的，從而有助于學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)，并讓學(xué)生明白學(xué)以致用的重要性。利用創(chuàng)設(shè)的情境，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任與擔(dān)當(dāng)精神;在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)的過程中，增強(qiáng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。