基于STEAM理念发展化学学科核心素养的项目式教学设计

    唐瑜 陈迪妹

    

    

    

    [摘要]基于steam理念的人教版必修1“铝与氢氧化钠溶液的反应”新授课教学案例中，以探究自热食品发热包成分的反应原理为主题，设计方案探索其成分及反应原理，运用手持技术论证推理，并根据需求对发热包进行优化创新再设计，开展项目式教学实践，呈现集科学、技术、数学、工程、艺术、环保、核心素养于一体的创新课例。

    [关键词] STEAM理念;核心素养;项目式教学;食品发热包

    [中图分类号]

    G633.8

    [文献标识码] A

    [文章编号] 1674-6058（2020）17-0061-04

    STEAM理念是在STEM的基础上加入“A（Arts）”，融科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）为一体。STEAM教育对于创新教育发展、促进学科统整融合有着重要意义。STEAM教育的理念可以概括为：以数学为基础，通过工程和艺术解读科学和技术。STEAM教育主要以基于项日的学习、问题的学习为主要教学（学习）方式，引导学生通过合作与实践，完成主题项目任务和解决生活中的难题[1]。在高中化学课程中尝试运用STEAM理念开展教学，可使学生在真实的问题情境中通过项目学习锻炼沟通能力、团队协作能力、工程思维能力、批判性思维能力、创造与创新能力，体会化学与生活的联系，感受学科交融的魅力。现以“铝与氢氧化钠的反应”的教学为例，展示基于STEAM理念发展化学学科核心素养的项目式教学设计。

    一、生活案例的选取

    “铝与氢氧化钠的反应”应用不能只停留在科普阶段，设计基于STEAM理念的教学方案时，首先需要以发展学生化学学科核心素养为日标，搜索既紧密联系生活又能与本节化学课程内容密切相关的案例，且便于使用科技手段，能拓展运用数学方法，能融入工程和艺术设计，能贴合STEAM理念展开项日式教学。高中阶段，STEAM课程可以尝试定位为某一学科为主、多学科知识融合的科普教学及职业生涯规划课程[2]。在不偏离以化学学科内容为主体的基础上，规划出交叉融合各学科知识并体现素养发展的项目式教学方案。

    收集和筛选素材后，笔者认为自热食品发热包符合本节课教学设计的初衷，以发热包为切入点展开基于STEAM理念的教学设计，创新性和实用性兼备。如何用化学原理解释发热包的“黑科技”，围绕发热包的成分、发生的反应、可能存在的隐患、创新改进设计等项日展开铝和碱反应的学习，对开拓学生视野、激发学生学习兴趣、启发学生创造性思维、运用科学手段和工程思维解决问题等都有积极的意义。

    二、基于STEAM理念的项目式教学规划

    1.教学目标

    （1）能根据铝与酸、碱反应的实验现象对比推测铝与碱反应的化学原理，能从铝及其化合物的化学性质的角度解释铝与酸、碱反应原理的差异;

    （2）通过对市面上的发热包成分反应原理的探析，推测发热包的使用可能存在的安全隐患;

    （3）会使用手持技术需要的传感器和配套软件，养成科学探究习惯，形成用T程思维解决问题的能力;

    （4）能根据任务内容，合理组成团队，分工合作完成任务;

    （5）能根据已知资料，运用数学方法计算氢气是否达到理论爆炸极限范围;

    （6）能根据实际需求，运用已学知识对发热包进行人性化、艺术化的优化再设计，强化创新意识和绿色化学观念。

    2.基于STEAM理念的设计思路

    3.项目设计流程

    基于STEAM理念的项日式教学过程包括6个核心项日：检索产品情境引入;揭秘白热产品发热原理;探究铝与氢氧化钠的反应;运用手持技术检测探究;拓展训练“计算氢气是否达到极限爆炸范围”;环保推广创新优化设计。为使课程能够有条不紊地进行，要将项日细化为一个个具体内容。项日设计流程如表1所示。

    三、基于STEAM理念的项目式教学的具体实施

    S、T、E、A、M，每一种元素都要通过具体的教学活动来体现，在该项日式教学的具体实施过程中，教学情境和驱动性问题的双重设置有利于发展学生的学科核心素养，从学生与教师的具体互动行为，可以看出“铝与氢氧化钠溶液的反应”课堂教学呈现的效果是多维度、全方位的。

    1.引入自熬产品

    【创设情境，引入发热包】

    师：同学们，咱们明天要去野营，要带什么食物想好了吗？

    生1：我们可以带烤架野炊，可以带罐装食品……

    师：可是我们的场地条件有限，不适合野炊，况且这会污染我们的青山绿水，可是罐装食品吃起来又有点冰凉，有没有什么吃起来可以很暖和的？

    生2：可以带白热火锅。

    师：这个提议很不错，为了明天的野营万无一失，现在咱们先一起来研究白热火锅。这是一盒市面上热销的海底捞白热火锅，里面有一个食品发热包。你们从发热包上可以得到哪些重要信息？

    2.顺势过渡，推理反应原理

    师（发问反应原理）：它为什么会叫发热包？你们可以根据已有知识推测发生了哪些化学反应吗？

    生1：加水后，水会与氧化钙反应生成氢氧化钙，这是个放热反应。

    生2：反应生成的氢氧化钙可以和碳酸钠反应生成碳酸钙和氢氧化钠。

    3.实验对比铝与酸、碱的反应

    师（进一步深入引导，逐步靠近本節重点）：氧化钙与水反应初中就学过了，这是一个很明显的放热反应，放热正好符合发热包的功能。那铝粉与氢氧化钠又起什么作用呢？请回忆初中学过的铝与酸的反应。在你们的桌面上有铝片和盐酸，请大家取适量药品规范操作盐酸与铝片的反应实验，注意观察现象。

    【学生实验1】发现有气泡，且试管壁发烫。

    师（引导学生进行铝与酸、碱反应的对比实验）：很好，这个实验用的是酸，而发热包成分里却用的是碱，难道碱也会与金属发生反应吗？

    生1：金属与碱的反应我们还没碰到过……

    师（引导学生进行实验探究）：请尝试使用实验室里的铝粉与氢氧化钠进行反应，记录现象，并和铝与酸反应的现象进行对比。

    【学生实验2】发现铝粉与氢氧化钠发生反应，有气泡冒出，且试管外壁发烫，现象与酸反应很像。

    师：生成的是什么气体，如何验证？

    生2：是氢气，从元素化合价的升降来看，铝单质化合价上升，那氢只有降价了。可以收集气体点燃以验证产物，也可以做肥皂泡爆鸣实验。

    师（引导学生推理成分及反应方程式）：对的，运用此方法可以检验出铝粉与氢氧化钠反应生成的气体是氢气，那么该化学方程式该如何书写呢？请依据科学事实和客观推测，写出除氢气外的另一种产物。

    师（逐步讲解，完成方程式）：反应中水作为氧化剂，水中的氢被单质铝还原为氢气;而一个水分子可以看作一个氢离子和一个氢氧根离子，单质铝上升至正三价，生成氢氧化铝，氢氧化铝呈两性继续和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠，为方便，写作偏铝酸钠。

    4.手持技术验证疑惑

    师（结合生活提出疑惑）：我们知道了发热包里的铝粉与碱液会反应，现在老师给大家强调一则信息：发热包包装袋醒目地标注着“远离明火”，大家都清楚这是因为H2可燃，那发热包在非通风的条件下在空气中反应产生的气体能达到多大的浓度呢？网络有传言发热包产生的气体可能还含有C0，你们有没有什么好办法去验证这个消息的真假，同时检测H2在空气中的浓度？

    生1：收集发热包反应过程的气体，然后点燃，用澄清石灰水验证，就可知道有无CO了。

    师：但是没有解决检测H2浓度的问题。另外同学们请看，包装上写着“请勿堵塞排气孔”，若采用导管收集气体，由于不清楚到底会生成多少气体，很难确定收集容器的大小。收集容器小了，会造成体系气压过大，发热包的排气势必不顺畅，也会因此造成安全问题。同学们还有别的办法吗？

    （学生想不出其他办法）

    师：其实我们可以使用手持技术，运用CO传感器和H2传感器来直接进行数据的直观检测。（在课前需先向学生普及一下手持技术）正如大家所见，两个传感器同时检测，该如何操作呢？

    生2：连好电脑后，将传感器探头放在排气孔附近，收集排气前CO、H2的浓度数据和排气过程各个时间CO、H2的浓度数据，做一个数据对比。

    师：很好！那么我们现在根据自热火锅的使用说明，准备常温水，调试好电脑软件，连接两个传感器。现在我们可以立刻看到电脑上显示的数据，即空气中CO、H2的含量。大家看到的数据是多少？

    生3：0。

    师：现在请同学们四人一组操作，一人往自热食品的底盒里放入发热包并加水;一人拿着两个传感器探头靠近排气孔（蒸汽可能会很强烈，可以考虑用铁架台固定传感器，再慢慢靠近排气孔，以免烫伤）;一人观察现象;一人记录反应前后在电脑软件上显示的数据。

    师：现在实验结束了，有同学愿意上来分享本组的数据收集情况、实验现象和实验结果吗？

    生4：实验中发现CO在空气中的含量一直为零，说明并未生成CO;而H2的数据却在逐步上升。

    5.查阅费料，理论计算

    师：根据初中化学课本资料卡片显示，已知H2在空气中发生爆炸时体积分数含量范围为4.O%-74.2%，该范围即爆炸极限。请同学们根据H2传感器显示的最大数值进行计算并思考：发热包产生的H2含量是否達到爆炸极限范围？（已知H2传感器显示数据的单位为ppm，该处ppm代表氢气体积分数，换算单位为1 ppm=0.001‰，即1 ppm=百万分之一，百万分率与百分率的换算单位为：百分率=百万分率/10000）

    【学生活动】小组合作讨论计算方法，对传感器的数据进行筛选、单位换算，最终得出是否达到爆炸极限。

    6.创新设计发热包，传播学科知识

    师：其实对于普通人来说，多数会认为化学很陌生。大家也看到了，我们的加热盒是纯黑色的，在使用时，没有人关心这里面到底发生了什么，也没有人会觉得一个食品的发热包会带来安全隐患。你们可以基于自己的理解，对商家的这种发热包进行创新优化设计吗？比如加入环保或绿色化学元素。

    生1：包装盒可以设计为透明的，这样肉眼就能直接看到里面剧烈的放热反应。

    生2：在发热包的包装袋上除了写明反应成分外，还可以用中文写出主要涉及的化学反应和可能后果，这样就算是化学知识十分匮乏的人，也能通过这些文字说明了解为什么要远离明火了。

    生3：大部分人在吃完火锅之后，会把垃圾一股脑扔掉，而发热包残留的化学成分如果和没吃完的食物一起混合后不小心拿来喂猪，岂不是很危险？现在都提倡垃圾分类，所以在包装上最好能标明分为哪一类垃圾。

    师：同学们从人性化设计、化学知识的普及和环保三个角度对发热包进行了创新优化设计，我们把这些意见整理一下，并以一名化学学习者和普通群众的身份以写信的方式给商家提出参考建议，希望能引起重视。只需要一点点的改变，我们的生活便会更加美好！

    四、总结与启示

    科学、技术、T程、艺术、数学等领域的交叉融合教学，对学生综合素质的提升有显著的效果。而利用工程思维解决问题在本课例中的手持技术运用环节也有充分的体现。对学生来说，这便是学以致用，是将科学精神和工程思维以美观艺术的方式呈现。在以项日式的流程推进教学任务时，教师把握住学生最近发展区一步步引导拔升，学生则在基于真实问题的解决中开展分组活动，促进了知识的内化。此课例对学生的知识建构能力、问题解决能力、高阶思维能力、创新学习能力发展均有显著促进作用，对提升学生化学学科核心素养效果甚佳。

    [参考文献]

    [l]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力：访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016（5）：4-10.

    [2]陈锐彬.基于STEAM理念的统整项目课程初探：以有机合成为核心设计制作“冰红茶饮料瓶”[J].化学教学，2019（7）：59-63.

    [3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

    （责任编辑 罗艳）