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”新授課教學案例中，以探究自熱食品發(fā)熱包成分的反應原理為主題，設計方案探索其成分及反應原理，運用手持技術論證推理，并根據(jù)需求對發(fā)熱包進行優(yōu)化創(chuàng)新再設計，開展項目式教學實踐，呈現(xiàn)集科學、技術、數(shù)學、工程、藝術、環(huán)保、核心素養(yǎng)于一體的創(chuàng)新課例。

[關鍵詞] STEAM理念;核心素養(yǎng);項目式教學;食品發(fā)熱包

[中圖分類號]

G633.8

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674-6058（2020）17-0061-04

STEAM理念是在STEM的基礎上加入“A（Arts）”，融科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數(shù)學（Mathematics）為一體。STEAM教育對于創(chuàng)新教育發(fā)展、促進學科統(tǒng)整融合有著重要意義。STEAM教育的理念可以概括為：以數(shù)學為基礎，通過工程和藝術解讀科學和技術。STEAM教育主要以基于項日的學習、問題的學習為主要教學（學習）方式，引導學生通過合作與實踐，完成主題項目任務和解決生活中的難題[1]。在高中化學課程中嘗試運用STEAM理念開展教學，可使學生在真實的問題情境中通過項目學習鍛煉溝通能力、團隊協(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，體會化學與生活的聯(lián)系，感受學科交融的魅力?，F(xiàn)以“鋁與氫氧化鈉的反應”的教學為例，展示基于STEAM理念發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)的項目式教學設計。

一、生活案例的選取

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

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

二、基于STEAM理念的項目式教學規(guī)劃

1.教學目標

（1）能根據(jù)鋁與酸、堿反應的實驗現(xiàn)象對比推測鋁與堿反應的化學原理，能從鋁及其化合物的化學性質(zhì)的角度解釋鋁與酸、堿反應原理的差異;

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

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

（4）能根據(jù)任務內(nèi)容，合理組成團隊，分工合作完成任務;

（5）能根據(jù)已知資料，運用數(shù)學方法計算氫氣是否達到理論爆炸極限范圍;

（6）能根據(jù)實際需求，運用已學知識對發(fā)熱包進行人性化、藝術化的優(yōu)化再設計，強化創(chuàng)新意識和綠色化學觀念。

2.基于STEAM理念的設計思路

3.項目設計流程

基于STEAM理念的項日式教學過程包括6個核心項日：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;運用手持技術檢測探究;拓展訓練“計算氫氣是否達到極限爆炸范圍”;環(huán)保推廣創(chuàng)新優(yōu)化設計。為使課程能夠有條不紊地進行，要將項日細化為一個個具體內(nèi)容。項日設計流程如表1所示。

三、基于STEAM理念的項目式教學的具體實施

S、T、E、A、M，每一種元素都要通過具體的教學活動來體現(xiàn)，在該項日式教學的具體實施過程中，教學情境和驅(qū)動性問題的雙重設置有利于發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，從學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”課堂教學呈現(xiàn)的效果是多維度、全方位的。

1.引入自熬產(chǎn)品

【創(chuàng)設情境，引入發(fā)熱包】

師：同學們，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，推理反應原理

師（發(fā)問反應原理）：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)生了哪些化學反應嗎？

生1：加水后，水會與氧化鈣反應生成氫氧化鈣，這是個放熱反應。

生2：反應生成的氫氧化鈣可以和碳酸鈉反應生成碳酸鈣和氫氧化鈉。

3.實驗對比鋁與酸、堿的反應

師（進一步深入引導，逐步靠近本節(jié)重點）：氧化鈣與水反應初中就學過了，這是一個很明顯的放熱反應，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？請回憶初中學過的鋁與酸的反應。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實驗，注意觀察現(xiàn)象。

【學生實驗1】發(fā)現(xiàn)有氣泡，且試管壁發(fā)燙。

師（引導學生進行鋁與酸、堿反應的對比實驗）：很好，這個實驗用的是酸，而發(fā)熱包成分里卻用的是堿，難道堿也會與金屬發(fā)生反應嗎？

生1：金屬與堿的反應我們還沒碰到過……

師（引導學生進行實驗探究）：請嘗試使用實驗室里的鋁粉與氫氧化鈉進行反應，記錄現(xiàn)象，并和鋁與酸反應的現(xiàn)象進行對比。

【學生實驗2】發(fā)現(xiàn)鋁粉與氫氧化鈉發(fā)生反應，有氣泡冒出，且試管外壁發(fā)燙，現(xiàn)象與酸反應很像。

師：生成的是什么氣體，如何驗證？

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?？梢允占瘹怏w點燃以驗證產(chǎn)物，也可以做肥皂泡爆鳴實驗。

師（引導學生推理成分及反應方程式）：對的，運用此方法可以檢驗出鋁粉與氫氧化鈉反應生成的氣體是氫氣，那么該化學方程式該如何書寫呢？請依據(jù)科學事實和客觀推測，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)和氫氧化鈉反應生成四羥基合鋁酸鈉，為方便，寫作偏鋁酸鈉。

4.手持技術驗證疑惑

師（結合生活提出疑惑）：我們知道了發(fā)熱包里的鋁粉與堿液會反應，現(xiàn)在老師給大家強調(diào)一則信息：發(fā)熱包包裝袋醒目地標注著“遠離明火”，大家都清楚這是因為H²可燃，那發(fā)熱包在非通風的條件下在空氣中反應產(chǎn)生的氣體能達到多大的濃度呢？網(wǎng)絡有傳言發(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)熱包反應過程的氣體，然后點燃，用澄清石灰水驗證，就可知道有無CO了。

師：但是沒有解決檢測H²濃度的問題。另外同學們請看，包裝上寫著“請勿堵塞排氣孔”，若采用導管收集氣體，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。同學們還有別的辦法嗎？

（學生想不出其他辦法）

師：其實我們可以使用手持技術，運用CO傳感器和H²傳感器來直接進行數(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）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;一人記錄反應前后在電腦軟件上顯示的數(shù)據(jù)。

師：現(xiàn)在實驗結束了，有同學愿意上來分享本組的數(shù)據(jù)收集情況、實驗現(xiàn)象和實驗結果嗎？

生4：實驗中發(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.查閱費料，理論計算

師：根據(jù)初中化學課本資料卡片顯示，已知H²在空氣中發(fā)生爆炸時體積分數(shù)含量范圍為4.O%-74.2%，該范圍即爆炸極限。請同學們根據(jù)H²傳感器顯示的最大數(shù)值進行計算并思考：發(fā)熱包產(chǎn)生的H²含量是否達到爆炸極限范圍？（已知H²傳感器顯示數(shù)據(jù)的單位為ppm，該處ppm代表氫氣體積分數(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）

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

6.創(chuàng)新設計發(fā)熱包，傳播學科知識

師：其實對于普通人來說，多數(shù)會認為化學很陌生。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)熱包進行創(chuàng)新優(yōu)化設計嗎？比如加入環(huán)?；蚓G色化學元素。

生1：包裝盒可以設計為透明的，這樣肉眼就能直接看到里面劇烈的放熱反應。

生2：在發(fā)熱包的包裝袋上除了寫明反應成分外，還可以用中文寫出主要涉及的化學反應和可能后果，這樣就算是化學知識十分匱乏的人，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明分為哪一類垃圾。

師：同學們從人性化設計、化學知識的普及和環(huán)保三個角度對發(fā)熱包進行了創(chuàng)新優(yōu)化設計，我們把這些意見整理一下，并以一名化學學習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。只需要一點點的改變，我們的生活便會更加美好！

四、總結與啟示

科學、技術、T程、藝術、數(shù)學等領域的交叉融合教學，對學生綜合素質(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運用環(huán)節(jié)也有充分的體現(xiàn)。對學生來說，這便是學以致用，是將科學精神和工程思維以美觀藝術的方式呈現(xiàn)。在以項日式的流程推進教學任務時，教師把握住學生最近發(fā)展區(qū)一步步引導拔升，學生則在基于真實問題的解決中開展分組活動，促進了知識的內(nèi)化。此課例對學生的知識建構能力、問題解決能力、高階思維能力、創(chuàng)新學習能力發(fā)展均有顯著促進作用，對提升學生化學學科核心素養(yǎng)效果甚佳。

[參考文獻]

[l]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學生創(chuàng)新能力：訪美國STEAM教育知名學者格雷特·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)整項目課程初探：以有機合成為核心設計制作“冰紅茶飲料瓶”[J].化學教學，2019（7）：59-63.

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

（責任編輯 羅艷）