肖敏++吳曉紅

摘要：在美國興起的STEM課程明確要求在科學(xué)教育中整合技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育，如今STEM教育已成為國際上頗具影響力的教育思想之一。以魯科版《化學(xué)與技術(shù)》教材中“‘設(shè)計一座硫酸廠”為例，從原料的選擇、廠址的選擇、資源的綜合利用、反應(yīng)條件的分析等幾個方面，探討了如何在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中融合STEM教育思想并進行了相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，促使學(xué)生打破學(xué)科界限，學(xué)會綜合運用多種學(xué)科知識，提升其探究和解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：STEM教育；中學(xué)化學(xué)教學(xué)；學(xué)科融合；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1005-6629（2016）2-0044-05

中圖分類號：G633.8

文獻標(biāo)識碼：B

1 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中融合STEM理念的思考

STEM代表科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）。STEM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教育。在國家實力的比較中，獲得STEM學(xué)位的人數(shù)成為一個重要的指標(biāo)。它的本質(zhì)是在眾多孤立的學(xué)科中建立_個新的橋梁來為學(xué)生提供整體認(rèn)識世界的機會，通過使這四種學(xué)科整合到一種教學(xué)范例中，把學(xué)生學(xué)習(xí)的零碎知識變成一個互相聯(lián)系統(tǒng)一整體的過程，這樣就消除了這四門學(xué)科中傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)障礙，是一種跨學(xué)科的的學(xué)習(xí)方法。

1986年美國首次在《尼爾日報》提出大學(xué)要加強STEM教育，歷經(jīng)多年已日趨成熟。從2007年美國政府開始重視并探索基礎(chǔ)階段的STEM教育。在STEM教育提出之初，人們就意識到STEM教育不僅對國家未來的創(chuàng)新能力和競爭力有決定性的影響，而且是社會進步的必要基礎(chǔ)，公民的科學(xué)素養(yǎng)直接關(guān)系著21世紀(jì)的社會文化、價值取向和民主政治的實現(xiàn)。

《普通高中課程改革方案》的頒布，預(yù)示著我國普通高中教育課程體系的價值轉(zhuǎn)型。隨著國內(nèi)外新的教育理念的不斷興起，我國課改的繼續(xù)深化，教育工作者逐漸意識到在教學(xué)過程中將科學(xué)概念和探究技能融合在一個有意義的任務(wù)中，打破各學(xué)科界限，綜合運用多學(xué)科知識，提升學(xué)生探究和解決實際問題能力的重要性?；瘜W(xué)學(xué)科作為一門科學(xué)課程，不只是單純地傳授給學(xué)生一些化學(xué)理論知識，培養(yǎng)未來的科學(xué)家工程師，而應(yīng)該是讓大多數(shù)將來很可能不從事化學(xué)研究的普通學(xué)生通過化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，對化學(xué)產(chǎn)生興趣，提高科學(xué)素養(yǎng)，并對他們今后的生存發(fā)展有所幫助。

隨著新課程改革的不斷推進，課程標(biāo)準(zhǔn)的修改以及選修模塊的開發(fā)，更加關(guān)注社會現(xiàn)實生活，結(jié)合學(xué)生熟悉的生活情景和已有的實際經(jīng)驗提煉學(xué)習(xí)素材，從豐富生動的現(xiàn)實生活中尋找學(xué)習(xí)主題，強調(diào)加強學(xué)科之間的融合，要求學(xué)生了解化學(xué)與生活和社會發(fā)展的重要關(guān)系。STEM教育理念的興起為我國教育工作者提供了一條嶄新的思路。

2 教學(xué)流程

魯科版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書化學(xué)選修《化學(xué)與技術(shù)》主題三中的課題1“‘設(shè)計一座硫酸廠”，該課題以“設(shè)計”硫酸廠的任務(wù)為主線，以制備硫酸的化學(xué)發(fā)展史料引出課題，引導(dǎo)學(xué)生從熟悉的實驗室出發(fā)，走進工廠的生產(chǎn)實際中?！霸O(shè)計”任務(wù)從類比實驗室制硫酸的儀器與藥品出發(fā)，觀看工業(yè)生產(chǎn)硫酸的資料與視頻，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)硫酸廠的特點和硫酸的生產(chǎn)實際情況，突出硫酸廠設(shè)計中的三個重要問題：一是生產(chǎn)原料的選擇，并確定生產(chǎn)方法和工藝流程，這是化工廠設(shè)計中的核心問題；二是選擇廠址；三是綜合利用資源。通過這三個各具特點又相互關(guān)聯(lián)的問題，利用化學(xué)變化對原料進行加工的必要性、可能性和合理性，認(rèn)識基本化工生產(chǎn)中的一些問題，力求反映出硫酸生產(chǎn)中重要的化學(xué)知識和技術(shù)問題以及從社會效益、經(jīng)濟效益和創(chuàng)新空間等多種角度認(rèn)識化學(xué)、技術(shù)與社會三個方面相互作用的特點。具體教學(xué)活動如圖1所示。

2.1 利用電子白板技術(shù)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極『生

[引入]播放有關(guān)硫酸制備發(fā)展的化學(xué)歷史視頻。

[提問]看了這段視頻，再結(jié)合我們在必修1中學(xué)過的有關(guān)硫的轉(zhuǎn)化的知識，回想-下我們實驗室制備二氧化硫選擇的是哪些藥品？那實驗室制硫酸涉及的主要反應(yīng)有哪些，并寫出相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程式。小組之間可以進行交流，看哪組想得又快又全面。

[學(xué)生]藥品有亞硫酸鈉和濃硫酸，可以制得二氧化硫。

[教師]寫得非常好，看來大家對硫的轉(zhuǎn)化這一部分知識掌握得很好。請大家以小組為單位，討論一下實驗室制備硫酸的實驗裝置，并在練習(xí)本上試著畫一下草圖，我們請一個小組上來利用電子白板裝配一下實驗裝置。

設(shè)計意圖：利用計算機播放硫酸制備發(fā)展的化學(xué)歷史，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出實際工程問題，明確學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生不僅要認(rèn)真觀看視頻，還要對必修1中涉及到的“硫的轉(zhuǎn)化”的相關(guān)知識非常熟悉，培養(yǎng)了學(xué)生從大量相關(guān)信息中搜集并提煉出對自己有用信息的能力和知識遷移的能力。引領(lǐng)學(xué)生關(guān)注課本并搜集課本中基本信息和拓展信息，讓學(xué)生知曉閱讀和查看文獻或文本以及視頻資料是獲取信息的主要途徑之一，對培養(yǎng)學(xué)生如何獲取信息、進一步提升信息素養(yǎng)有著重要的開啟性作用。

[教師]我們每一個小組都派了代表展示了你們自己的作品，而且大家對每幅作品都做了分析與評價，明白了自己小組設(shè)計的實驗裝置圖的優(yōu)缺點，非常好，希望大家在以后的學(xué)習(xí)過程中都能養(yǎng)成這種多交流多討論的好習(xí)慣。

設(shè)計意圖：利用電子白板調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，給學(xué)生上臺展示自己的機會，培養(yǎng)了學(xué)生運用現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)動手操作的能力和自信心，強化了同學(xué)之間的合作意識。

2.2 分析表格數(shù)據(jù)，運用數(shù)學(xué)思維確定反應(yīng)條件

[投影]我國主要硫資源及應(yīng)用的資料，播放實驗室制硫酸的視頻。

[教師]看了剛才投影的資料以及視頻，并結(jié)合課本第42頁圖3-1-2，第44頁表3-1-1和表3-1-2，完成下面的填空作業(yè)。

設(shè)計意圖：學(xué)生要分析SO₂的催化氧化化學(xué)反應(yīng)的適宜條件，需要利用數(shù)學(xué)思維綜合分析熱化學(xué)方程式、平衡轉(zhuǎn)化率圖表以及教師播放的視頻、展示的資料等，進行交流討論，完成該學(xué)案。這一過程學(xué)生不但復(fù)習(xí)鞏固了化學(xué)平衡的理論知識，而且體會到工業(yè)生產(chǎn)中是以理論為基礎(chǔ)再結(jié)合實際來選擇反應(yīng)的適宜條件的，實際生產(chǎn)過程中需要控制溫度，結(jié)合反應(yīng)放熱的實際情況，將熱能進行合理交換。學(xué)生在完成SO₃的吸收時，回憶視頻中吸收瓶內(nèi)會形成大量酸霧的實驗現(xiàn)象，可見用水吸收SO₃雖然在理論上成立，但效果并不理想，學(xué)生會再次體會到實驗原理與實際生產(chǎn)過程之間的差距，明確理論聯(lián)系實際的必要性，但也不能生搬硬套，需要尋求可行的解決方法。培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力、分析能力和知識遷移能力。endprint

[提問]選擇原料路線時，應(yīng)考慮哪些因素？請以小組為單位進行討論。

[學(xué)生]要考慮原料資源的分布情況，以及利用原料的合理性，開采原料周圍的環(huán)境，因為原料的選擇會影響到生產(chǎn)硫酸的設(shè)備、技術(shù)方案、廠址的選擇、環(huán)境保護以及后續(xù)的儲存、運輸、經(jīng)濟效益等問題。

[教師]這位同學(xué)回答得非常好，看來很認(rèn)真地看了剛才投影的資料。

[投影]若從下列四個城市中選擇一處新建一座硫酸廠，你認(rèn)為廠址適合選在哪里？

A.有較豐富的硫鐵礦資源，交通運輸便利，但文物古跡較多，土地價格較高

B.硫鐵礦資源貧乏，水源、能源充足，交通運輸便利

C.有大型煉銅廠，但周圍興建了較多的商業(yè)中心，人口較稠密

D.黃銅礦資源豐富，水源能源充足，交通運輸便利，遠(yuǎn)離居民區(qū)的工業(yè)園區(qū)

[學(xué)生]選D。

設(shè)計意圖：學(xué)生綜合我國主要硫資源及應(yīng)用的資料以及與同伴交流的結(jié)果，分析在選擇原料路線時涉及的眾多因素，并對選擇題做出正確的判斷，有助于學(xué)生正確認(rèn)識技術(shù)與社會的關(guān)系，理解化學(xué)知識在改進技術(shù)，促進社會發(fā)展方面的重要作用。同時，將對科學(xué)技術(shù)的理解與整個人類、環(huán)境和文化系統(tǒng)的復(fù)雜性結(jié)合起來，并以此為根據(jù)對未來做出決策，有利于理念的滲透，有效促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

2.3 角色扮演，體驗別樣的化學(xué)課堂

[教師]很好，結(jié)合這道題的選項，和你對硫酸的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的了解，我們一起玩一個角色扮演的游戲，開一個擬建硫酸廠交流研討會。大家看—下PPT的角色分配，班長以及各班委迅速給大家分配一下角色。

[投影]新建項目負(fù)責(zé)人.名（主持人）；環(huán)保局局長一名；硫酸廠設(shè)計工程師一名，ABCD四地主管部門代表一名；地質(zhì)工程師一名；原料科科長一名及科員若干名；規(guī)劃科科長一名及科員若干名；技術(shù)科科長一名及科員若干名；市場調(diào)查科科長一名及科員若干名；ABCD四地當(dāng)?shù)氐木用翊砣舾擅?/p>

設(shè)計意圖：要選擇合理的廠址，學(xué)生不僅需要對制得的硫酸的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)有充分了解，而且還要根據(jù)所學(xué)的地理知識、涉及到的環(huán)境問題以及經(jīng)濟效益等因素，綜合分析廠址選擇的合理性。學(xué)以致用，將課堂知識與實際生產(chǎn)相聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生解決工程實際問題的能力。角色扮演能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生語言表達能力，增強了學(xué)生的自信心。

[提問]聯(lián)系我們平時在實驗室做實驗的情況，尤其是在制取一些對環(huán)境有污染的有毒物質(zhì)時，我們實驗裝置的最后一項，也是必不可少的一項是什么？

[學(xué)生]尾氣的回收與處理。

[教師]很好，看來大家在平時做實驗的過程中都非常認(rèn)真，仔細(xì)觀察并分析了我們的實驗裝置。那根據(jù)上課時我們設(shè)計的制取二氧化硫的實驗裝置圖，完成填空作業(yè)的第三部分。

設(shè)計意圖：對于“三廢”的處理，學(xué)生并不陌生，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運用已有知識分析尾氣脫硫的主要方法，以及廢水的處理、廢渣的回收利用，學(xué)生不僅回顧了所學(xué)的知識，并且體會到化學(xué)方程式在我們的實際生產(chǎn)生活中有著極其重要的作用。同時培養(yǎng)了學(xué)生“變廢為寶”的思想，學(xué)生體會化學(xué)并不是“潘多拉”的盒子，只要我們合理設(shè)計生產(chǎn)過程，其所產(chǎn)生的物質(zhì)對于我們來說都是有用的。在這一過程中，學(xué)生認(rèn)識到化工生產(chǎn)并不是單純的化學(xué)問題，需要綜合各個學(xué)科的知識，在進行實際生產(chǎn)過程中不僅要考慮經(jīng)濟效益，更要關(guān)注環(huán)境的保護，資源的合理利用，滲透了“綠色化學(xué)”的思想，符合新課標(biāo)的要求。

2.4 總結(jié)歸納，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的好習(xí)慣

[教師]硫酸在工農(nóng)業(yè)方面都有著重要的作用，可用于制造肥料、藥物、炸藥、顏料、洗滌劑、蓄電池、改良土壤等，也廣泛應(yīng)用于冶金及石油工業(yè)、鞏固國防、原子能工業(yè)及火箭技術(shù)等方面。同時也是日常家居的好幫手。世界各地大多數(shù)酸性化學(xué)通渠用品均含有濃硫酸。這一類的通渠用品就和堿性的通渠用品一樣，可以溶解淤塞在渠道里的油污及食物殘渣等。不過，由于濃硫酸會與水發(fā)生高放熱反應(yīng)，故建議在使用前盡量保持渠道干爽，并慢慢倒入有關(guān)化學(xué)用品，另需佩戴手套。

通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道了工業(yè)生產(chǎn)來源于實驗室，但又高于實驗室。在實際的工程問題中，因為是大批量生產(chǎn)，我們需要考慮的更多。所以需要同學(xué)們很好地掌握相關(guān)的技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等各個方面的問題，學(xué)會知識的遷移及靈活運用。

3 結(jié)語

該課題“設(shè)計”任務(wù)以科學(xué)為線索，以一個實際的工程問題引出課題，涉及“硫的轉(zhuǎn)化”以及相關(guān)熱力學(xué)、動力學(xué)等化學(xué)學(xué)科知識，同時在進行原料、廠址的選擇時，也包含了地理科學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識。在類比實驗室制取硫酸的方法時，有效地將所學(xué)的理論知識遷移到工程技術(shù)問題中，并且需要根據(jù)教材所提供的二氧化硫平衡轉(zhuǎn)化率圖表數(shù)據(jù)以及教師播放的視頻、展示的資料等，思考分析反應(yīng)的最佳條件。這一過程需要學(xué)生運用數(shù)學(xué)思維，綜合分析數(shù)據(jù)資料，才能確定工業(yè)制硫酸中化學(xué)反應(yīng)的最佳條件。教師在整個教學(xué)活動中充分發(fā)揮了計算機技術(shù)和電子白板技術(shù)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情，讓學(xué)生有機會上臺展示自己的設(shè)計成果，學(xué)生樹立了學(xué)習(xí)化學(xué)的自信心，同時也培養(yǎng)了學(xué)生解決實際問題的能力，增強了學(xué)生的語言表達能力、組織能力，強化了學(xué)生之間的合作意識。

現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)有了相當(dāng)發(fā)展之后，科學(xué)開始把技術(shù)作為研究對象，技術(shù)則注重從科學(xué)中尋找指導(dǎo)，它們之間互相滲透、互相促進、互相依賴、協(xié)同發(fā)展，關(guān)系更加密切，以至于科學(xué)技術(shù)化，技術(shù)科學(xué)化，科學(xué)技術(shù)一體化的趨勢日益突出。不難看出在整個教學(xué)活動中，科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個領(lǐng)域之間并不是孤立的，而是存在著一種相互支撐、相互促進、共同發(fā)展的關(guān)系。只有在交互中，在相互碰撞中，才能實現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí)、理解性學(xué)習(xí)，也才能真正培養(yǎng)學(xué)生各個方面的技能和知識。

如今的化學(xué)教育應(yīng)該以培養(yǎng)人為主旨，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為重點，發(fā)現(xiàn)問題并能應(yīng)用知識和技術(shù)解決遇到的實際問題。在我們的日常生活中，當(dāng)碰到實際生產(chǎn)生活問題時，我們首先必須考慮其所涉及的規(guī)律和科學(xué)原理，只有遵循這些規(guī)律和原理，才能真正找到問題的根源所在，才能運用技術(shù)設(shè)計出合理的解決方案，而數(shù)學(xué)作為解決實際工程問題的工具在其他三個領(lǐng)域中被廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的聯(lián)系也越來越緊密，解決其中任何一個領(lǐng)域的問題都會涉及到其他三個領(lǐng)域。因此，在化學(xué)教學(xué)中融合STEM思想是未來化學(xué)教學(xué)的發(fā)展方向，值得每位化學(xué)教育工作者認(rèn)真思考和研究。endprint