基于STEAM理念發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計

唐瑜 陳迪妹

[摘要]基于STEAM理念的人教版必修1“鋁與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)”新授課教學(xué)案例中，以探究自熱食品發(fā)熱包成分的反應(yīng)原理為主題，設(shè)計方案探索其成分及反應(yīng)原理，運(yùn)用手持技術(shù)論證推理，并根據(jù)需求對發(fā)熱包進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新再設(shè)計，開展項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐，呈現(xiàn)集科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)、環(huán)保、核心素養(yǎng)于一體的創(chuàng)新課例。

[關(guān)鍵詞] STEAM理念;核心素養(yǎng);項(xiàng)目式教學(xué);食品發(fā)熱包

[中圖分類號]

G633.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

[文章編號] 1674-6058（2020）17-0061-04

STEAM理念是在STEM的基礎(chǔ)上加入“A（Arts）”，融科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）為一體。STEAM教育對于創(chuàng)新教育發(fā)展、促進(jìn)學(xué)科統(tǒng)整融合有著重要意義。STEAM教育的理念可以概括為：以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程和藝術(shù)解讀科學(xué)和技術(shù)。STEAM教育主要以基于項(xiàng)日的學(xué)習(xí)、問題的學(xué)習(xí)為主要教學(xué)（學(xué)習(xí)）方式，引導(dǎo)學(xué)生通過合作與實(shí)踐，完成主題項(xiàng)目任務(wù)和解決生活中的難題[1]。在高中化學(xué)課程中嘗試運(yùn)用STEAM理念開展教學(xué)，可使學(xué)生在真實(shí)的問題情境中通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)鍛煉溝通能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、工程思維能力、批判性思維能力、創(chuàng)造與創(chuàng)新能力，體會化學(xué)與生活的聯(lián)系，感受學(xué)科交融的魅力?，F(xiàn)以“鋁與氫氧化鈉的反應(yīng)”的教學(xué)為例，展示基于STEAM理念發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計。

一、生活案例的選取

“鋁與氫氧化鈉的反應(yīng)”應(yīng)用不能只停留在科普階段，設(shè)計基于STEAM理念的教學(xué)方案時，首先需要以發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為日標(biāo)，搜索既緊密聯(lián)系生活又能與本節(jié)化學(xué)課程內(nèi)容密切相關(guān)的案例，且便于使用科技手段，能拓展運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，能融入工程和藝術(shù)設(shè)計，能貼合STEAM理念展開項(xiàng)日式教學(xué)。高中階段，STEAM課程可以嘗試定位為某一學(xué)科為主、多學(xué)科知識融合的科普教學(xué)及職業(yè)生涯規(guī)劃課程[2]。在不偏離以化學(xué)學(xué)科內(nèi)容為主體的基礎(chǔ)上，規(guī)劃出交叉融合各學(xué)科知識并體現(xiàn)素養(yǎng)發(fā)展的項(xiàng)目式教學(xué)方案。

收集和篩選素材后，筆者認(rèn)為自熱食品發(fā)熱包符合本節(jié)課教學(xué)設(shè)計的初衷，以發(fā)熱包為切入點(diǎn)展開基于STEAM理念的教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)新性和實(shí)用性兼?zhèn)?。如何用化學(xué)原理解釋發(fā)熱包的“黑科技”，圍繞發(fā)熱包的成分、發(fā)生的反應(yīng)、可能存在的隱患、創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計等項(xiàng)日展開鋁和堿反應(yīng)的學(xué)習(xí)，對開拓學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維、運(yùn)用科學(xué)手段和工程思維解決問題等都有積極的意義。

二、基于STEAM理念的項(xiàng)目式教學(xué)規(guī)劃

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）能根據(jù)鋁與酸、堿反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比推測鋁與堿反應(yīng)的化學(xué)原理，能從鋁及其化合物的化學(xué)性質(zhì)的角度解釋鋁與酸、堿反應(yīng)原理的差異;

（2）通過對市面上的發(fā)熱包成分反應(yīng)原理的探析，推測發(fā)熱包的使用可能存在的安全隱患;

（3）會使用手持技術(shù)需要的傳感器和配套軟件，養(yǎng)成科學(xué)探究習(xí)慣，形成用T程思維解決問題的能力;

（4）能根據(jù)任務(wù)內(nèi)容，合理組成團(tuán)隊，分工合作完成任務(wù);

（5）能根據(jù)已知資料，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法計算氫氣是否達(dá)到理論爆炸極限范圍;

（6）能根據(jù)實(shí)際需求，運(yùn)用已學(xué)知識對發(fā)熱包進(jìn)行人性化、藝術(shù)化的優(yōu)化再設(shè)計，強(qiáng)化創(chuàng)新意識和綠色化學(xué)觀念。

2.基于STEAM理念的設(shè)計思路

3.項(xiàng)目設(shè)計流程

基于STEAM理念的項(xiàng)日式教學(xué)過程包括6個核心項(xiàng)日：檢索產(chǎn)品情境引入;揭秘白熱產(chǎn)品發(fā)熱原理;探究鋁與氫氧化鈉的反應(yīng);運(yùn)用手持技術(shù)檢測探究;拓展訓(xùn)練“計算氫氣是否達(dá)到極限爆炸范圍”;環(huán)保推廣創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計。為使課程能夠有條不紊地進(jìn)行，要將項(xiàng)日細(xì)化為一個個具體內(nèi)容。項(xiàng)日設(shè)計流程如表1所示。

三、基于STEAM理念的項(xiàng)目式教學(xué)的具體實(shí)施

S、T、E、A、M，每一種元素都要通過具體的教學(xué)活動來體現(xiàn)，在該項(xiàng)日式教學(xué)的具體實(shí)施過程中，教學(xué)情境和驅(qū)動性問題的雙重設(shè)置有利于發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，從學(xué)生與教師的具體互動行為，可以看出“鋁與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)”課堂教學(xué)呈現(xiàn)的效果是多維度、全方位的。

1.引入自熬產(chǎn)品

【創(chuàng)設(shè)情境，引入發(fā)熱包】

師：同學(xué)們，咱們明天要去野營，要帶什么食物想好了嗎？

生1：我們可以帶烤架野炊，可以帶罐裝食品……

師：可是我們的場地條件有限，不適合野炊，況且這會污染我們的青山綠水，可是罐裝食品吃起來又有點(diǎn)冰涼，有沒有什么吃起來可以很暖和的？

生2：可以帶白熱火鍋。

師：這個提議很不錯，為了明天的野營萬無一失，現(xiàn)在咱們先一起來研究白熱火鍋。這是一盒市面上熱銷的海底撈白熱火鍋，里面有一個食品發(fā)熱包。你們從發(fā)熱包上可以得到哪些重要信息？

2.順勢過渡，推理反應(yīng)原理

師（發(fā)問反應(yīng)原理）：它為什么會叫發(fā)熱包？你們可以根據(jù)已有知識推測發(fā)生了哪些化學(xué)反應(yīng)嗎？

生1：加水后，水會與氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鈣，這是個放熱反應(yīng)。

生2：反應(yīng)生成的氫氧化鈣可以和碳酸鈉反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鈉。

3.實(shí)驗(yàn)對比鋁與酸、堿的反應(yīng)

師（進(jìn)一步深入引導(dǎo)，逐步靠近本節(jié)重點(diǎn)）：氧化鈣與水反應(yīng)初中就學(xué)過了，這是一個很明顯的放熱反應(yīng)，放熱正好符合發(fā)熱包的功能。那鋁粉與氫氧化鈉又起什么作用呢？請回憶初中學(xué)過的鋁與酸的反應(yīng)。在你們的桌面上有鋁片和鹽酸，請大家取適量藥品規(guī)范操作鹽酸與鋁片的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，注意觀察現(xiàn)象。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)1】發(fā)現(xiàn)有氣泡，且試管壁發(fā)燙。

師（引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行鋁與酸、堿反應(yīng)的對比實(shí)驗(yàn)）：很好，這個實(shí)驗(yàn)用的是酸，而發(fā)熱包成分里卻用的是堿，難道堿也會與金屬發(fā)生反應(yīng)嗎？

生1：金屬與堿的反應(yīng)我們還沒碰到過……

師（引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究）：請嘗試使用實(shí)驗(yàn)室里的鋁粉與氫氧化鈉進(jìn)行反應(yīng)，記錄現(xiàn)象，并和鋁與酸反應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行對比。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)2】發(fā)現(xiàn)鋁粉與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，有氣泡冒出，且試管外壁發(fā)燙，現(xiàn)象與酸反應(yīng)很像。

師：生成的是什么氣體，如何驗(yàn)證？

生2：是氫氣，從元素化合價的升降來看，鋁單質(zhì)化合價上升，那氫只有降價了。可以收集氣體點(diǎn)燃以驗(yàn)證產(chǎn)物，也可以做肥皂泡爆鳴實(shí)驗(yàn)。

師（引導(dǎo)學(xué)生推理成分及反應(yīng)方程式）：對的，運(yùn)用此方法可以檢驗(yàn)出鋁粉與氫氧化鈉反應(yīng)生成的氣體是氫氣，那么該化學(xué)方程式該如何書寫呢？請依據(jù)科學(xué)事實(shí)和客觀推測，寫出除氫氣外的另一種產(chǎn)物。

師（逐步講解，完成方程式）：反應(yīng)中水作為氧化劑，水中的氫被單質(zhì)鋁還原為氫氣;而一個水分子可以看作一個氫離子和一個氫氧根離子，單質(zhì)鋁上升至正三價，生成氫氧化鋁，氫氧化鋁呈兩性繼續(xù)和氫氧化鈉反應(yīng)生成四羥基合鋁酸鈉，為方便，寫作偏鋁酸鈉。

4.手持技術(shù)驗(yàn)證疑惑

師（結(jié)合生活提出疑惑）：我們知道了發(fā)熱包里的鋁粉與堿液會反應(yīng)，現(xiàn)在老師給大家強(qiáng)調(diào)一則信息：發(fā)熱包包裝袋醒目地標(biāo)注著“遠(yuǎn)離明火”，大家都清楚這是因?yàn)镠²可燃，那發(fā)熱包在非通風(fēng)的條件下在空氣中反應(yīng)產(chǎn)生的氣體能達(dá)到多大的濃度呢？網(wǎng)絡(luò)有傳言發(fā)熱包產(chǎn)生的氣體可能還含有C0，你們有沒有什么好辦法去驗(yàn)證這個消息的真假，同時檢測H²在空氣中的濃度？

生1：收集發(fā)熱包反應(yīng)過程的氣體，然后點(diǎn)燃，用澄清石灰水驗(yàn)證，就可知道有無CO了。

師：但是沒有解決檢測H²濃度的問題。另外同學(xué)們請看，包裝上寫著“請勿堵塞排氣孔”，若采用導(dǎo)管收集氣體，由于不清楚到底會生成多少氣體，很難確定收集容器的大小。收集容器小了，會造成體系氣壓過大，發(fā)熱包的排氣勢必不順暢，也會因此造成安全問題。同學(xué)們還有別的辦法嗎？

（學(xué)生想不出其他辦法）

師：其實(shí)我們可以使用手持技術(shù)，運(yùn)用CO傳感器和H²傳感器來直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的直觀檢測。（在課前需先向?qū)W生普及一下手持技術(shù)）正如大家所見，兩個傳感器同時檢測，該如何操作呢？

生2：連好電腦后，將傳感器探頭放在排氣孔附近，收集排氣前CO、H²的濃度數(shù)據(jù)和排氣過程各個時間CO、H²的濃度數(shù)據(jù)，做一個數(shù)據(jù)對比。

師：很好！那么我們現(xiàn)在根據(jù)自熱火鍋的使用說明，準(zhǔn)備常溫水，調(diào)試好電腦軟件，連接兩個傳感器?，F(xiàn)在我們可以立刻看到電腦上顯示的數(shù)據(jù)，即空氣中CO、H²的含量。大家看到的數(shù)據(jù)是多少？

生3：0。

師：現(xiàn)在請同學(xué)們四人一組操作，一人往自熱食品的底盒里放入發(fā)熱包并加水;一人拿著兩個傳感器探頭靠近排氣孔（蒸汽可能會很強(qiáng)烈，可以考慮用鐵架臺固定傳感器，再慢慢靠近排氣孔，以免燙傷）;一人觀察現(xiàn)象;一人記錄反應(yīng)前后在電腦軟件上顯示的數(shù)據(jù)。

師：現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束了，有同學(xué)愿意上來分享本組的數(shù)據(jù)收集情況、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果嗎？

生4：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CO在空氣中的含量一直為零，說明并未生成CO;而H²的數(shù)據(jù)卻在逐步上升。

5.查閱費(fèi)料，理論計算

師：根據(jù)初中化學(xué)課本資料卡片顯示，已知H²在空氣中發(fā)生爆炸時體積分?jǐn)?shù)含量范圍為4.O%-74.2%，該范圍即爆炸極限。請同學(xué)們根據(jù)H²傳感器顯示的最大數(shù)值進(jìn)行計算并思考：發(fā)熱包產(chǎn)生的H²含量是否達(dá)到爆炸極限范圍？（已知H²傳感器顯示數(shù)據(jù)的單位為ppm，該處ppm代表氫氣體積分?jǐn)?shù)，換算單位為1 ppm=0.001‰，即1 ppm=百萬分之一，百萬分率與百分率的換算單位為：百分率=百萬分率/10000）

【學(xué)生活動】小組合作討論計算方法，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、單位換算，最終得出是否達(dá)到爆炸極限。

6.創(chuàng)新設(shè)計發(fā)熱包，傳播學(xué)科知識

師：其實(shí)對于普通人來說，多數(shù)會認(rèn)為化學(xué)很陌生。大家也看到了，我們的加熱盒是純黑色的，在使用時，沒有人關(guān)心這里面到底發(fā)生了什么，也沒有人會覺得一個食品的發(fā)熱包會帶來安全隱患。你們可以基于自己的理解，對商家的這種發(fā)熱包進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計嗎？比如加入環(huán)?；蚓G色化學(xué)元素。

生1：包裝盒可以設(shè)計為透明的，這樣肉眼就能直接看到里面劇烈的放熱反應(yīng)。

生2：在發(fā)熱包的包裝袋上除了寫明反應(yīng)成分外，還可以用中文寫出主要涉及的化學(xué)反應(yīng)和可能后果，這樣就算是化學(xué)知識十分匱乏的人，也能通過這些文字說明了解為什么要遠(yuǎn)離明火了。

生3：大部分人在吃完火鍋之后，會把垃圾一股腦扔掉，而發(fā)熱包殘留的化學(xué)成分如果和沒吃完的食物一起混合后不小心拿來喂豬，豈不是很危險？現(xiàn)在都提倡垃圾分類，所以在包裝上最好能標(biāo)明分為哪一類垃圾。

師：同學(xué)們從人性化設(shè)計、化學(xué)知識的普及和環(huán)保三個角度對發(fā)熱包進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，我們把這些意見整理一下，并以一名化學(xué)學(xué)習(xí)者和普通群眾的身份以寫信的方式給商家提出參考建議，希望能引起重視。只需要一點(diǎn)點(diǎn)的改變，我們的生活便會更加美好！

四、總結(jié)與啟示

科學(xué)、技術(shù)、T程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的交叉融合教學(xué)，對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升有顯著的效果。而利用工程思維解決問題在本課例中的手持技術(shù)運(yùn)用環(huán)節(jié)也有充分的體現(xiàn)。對學(xué)生來說，這便是學(xué)以致用，是將科學(xué)精神和工程思維以美觀藝術(shù)的方式呈現(xiàn)。在以項(xiàng)日式的流程推進(jìn)教學(xué)任務(wù)時，教師把握住學(xué)生最近發(fā)展區(qū)一步步引導(dǎo)拔升，學(xué)生則在基于真實(shí)問題的解決中開展分組活動，促進(jìn)了知識的內(nèi)化。此課例對學(xué)生的知識建構(gòu)能力、問題解決能力、高階思維能力、創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力發(fā)展均有顯著促進(jìn)作用，對提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)效果甚佳。

[參考文獻(xiàn)]

[l]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學(xué)生創(chuàng)新能力：訪美國STEAM教育知名學(xué)者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016（5）：4-10.

[2]陳銳彬.基于STEAM理念的統(tǒng)整項(xiàng)目課程初探：以有機(jī)合成為核心設(shè)計制作“冰紅茶飲料瓶”[J].化學(xué)教學(xué)，2019（7）：59-63.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 羅艷）