劉苗苗 羅杏 陳強

摘 要：自STEM教育提出以來，越來越受到各界人士的重視。食品安全也是我們?nèi)粘Ｉ钪写蟊婈P(guān)注的焦點問題。以“自熱火鍋”中發(fā)熱原理的探索展開，以任務(wù)驅(qū)動和小組活動的形式，將STEM教育理念和學(xué)生的食品安全意識融入到化學(xué)教學(xué)過程中，以期為高中化學(xué)課堂中STEM理念的滲透提供教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：STEM教育;食品安全意識;原電池;化學(xué)教學(xué)

一、STEM教育與食品安全

STEM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡寫，作為教育研究中的一個熱點議題，備受國內(nèi)外教育研究者的關(guān)注[1]。STEM教育是幫助學(xué)習(xí)者整合知識，培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)綜合發(fā)展的有效途徑。

近年來，人們對食品的追求越來越高，特別是食品安全問題已成為我國政府和百姓的關(guān)注熱點。盡管近年來，國內(nèi)多位學(xué)者在食品安全事件案例編撰及案例教學(xué)在食品安全相關(guān)課程中的應(yīng)用做了大量探索，但能夠適用于實踐教學(xué)的相關(guān)教學(xué)案例仍然嚴(yán)重不足，案例庫建設(shè)依然處于起步階段[2]，將學(xué)生的教育與食品安全意識聯(lián)合起來培養(yǎng)，是一個值得研討的問題。

二、STEM教育活動

（一）STEM教育的活動目標(biāo)

S（科學(xué)）：通過對自熱產(chǎn)品的分析，明確能量轉(zhuǎn)換過程，掌握原電池的構(gòu)成條件和工作原理，對學(xué)生進行食品安全意識教育，感悟化學(xué)知識在生產(chǎn)和使用的意義，體會化學(xué)科學(xué)在社會發(fā)展中的作用。

T（技術(shù)）：鍛煉自身查找和處理資料的能力并進行了合作學(xué)習(xí)。具有化學(xué)基本實驗操作的素養(yǎng)，設(shè)計并進行原電池工作原理的探究實驗，明確原電池的構(gòu)造、原電池電極的判斷以及電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式方程式的書寫。

E（工程）：工程設(shè)計活動貫穿整個STEM活動，提出問題，解決問題，設(shè)計原電池工作原理的實驗，進行實驗，自主設(shè)計更安全的“自熱火鍋”都是把鍛煉學(xué)生的工程素養(yǎng)作為出發(fā)點。

M（數(shù)學(xué)）：實驗設(shè)計、實驗用品用量、實驗記錄及實驗數(shù)據(jù)分析，分析陌生情境下的電池。

（二）STEM教育的活動設(shè)計思路

本次STEM教育活動設(shè)計思路如下（見表1）。

（三）STEM教育的活動過程

任務(wù)一：了解生活中自熱火鍋的構(gòu)成和加熱原理。

[教師]在中國，自加熱食品始于軍需，自加熱技術(shù)進入民用以后，在消費升級的帶動下，以自熱火鍋為代表的自加熱系列產(chǎn)品得到快速發(fā)展，滿足了消費者在更多消費場景下對熱食的迫切需求，但目前自加熱技術(shù)仍有待提升，急需加大對自加熱包安全性的研究和建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)確保自加熱食品行業(yè)的健康發(fā)展[3]。鑒于以上，布置任務(wù)：讓學(xué)生查閱自熱火鍋相關(guān)資料，回答問題：1.自熱火鍋的組成部分？是怎么“自熱”的？2.發(fā)熱包內(nèi)的物質(zhì)是什么？

[學(xué)生]查閱資料，小組合作討論，得出結(jié)論。1.自熱火鍋主要是由食材、食材鍋、鍋蓋、外鍋和發(fā)熱包組成，其加熱原理是利用發(fā)熱包內(nèi)的物質(zhì)與水接觸，釋放出熱量，上層食材鍋內(nèi)的食物吸收熱量后溫度升高而變熟。2.發(fā)熱包主要成分是焙燒硅藻土、鐵粉、鋁粉、焦炭粉、活性炭、鹽、生石灰、碳酸鈉等，加入冷水后會產(chǎn)生反應(yīng)。

[教師]我們可以看出“水”在這里起到了關(guān)鍵作用，那么水是怎么起作用的呢？（結(jié)合資料，啟發(fā)學(xué)生從物質(zhì)組成、性質(zhì)和變化角度思考自熱火鍋的工作原理。）

[學(xué)生]1.生石灰（CaO）遇水發(fā)熱，這是發(fā)熱包最主要的反應(yīng)原理，即CaO + H2O = Ca（OH）2，反應(yīng)放出大量熱，加入水之后迅速沸騰升溫，控制不當(dāng)會造成危險，也有將堿性物質(zhì)氫氧化鈣吞食下去的危險。2.生石灰和水反應(yīng)的氫氧化鈣，再和鋁粉反應(yīng)，生成偏鋁酸鈣，生成具有可燃性的氣體氫氣，放出大量熱。純凈的氫氣可以在空氣中安靜的燃燒，如果發(fā)熱包加熱時產(chǎn)生的氫氣成分不純，反應(yīng)后釋放出的氫氣量正好處于氫氣的燃燒極限（空氣中氫氣的占比達(dá)到4%-75.6%之間時），就有可能引發(fā)燃爆的風(fēng)險，專家強調(diào)，自熱食品在密閉空間和在一些公共場合密集大量地使用時，有可能導(dǎo)致氫氣累積，如果達(dá)到爆炸下限濃度，碰到一點火源，如身上的靜電或是電路火花，就足以引發(fā)爆燃事故。此外，使用完丟棄的發(fā)熱包也有安全隱患，如將發(fā)熱包丟在垃圾桶，遇到下雨天，由于發(fā)熱包和水反應(yīng)是不需要借助其他任何物質(zhì)的，因此只要發(fā)熱包沒有反應(yīng)完全，遇水就有隱患。垃圾桶也是一個半封閉環(huán)境，若有煙頭之類的火源丟入，就會有爆炸或者燃燒的風(fēng)險。3.發(fā)熱包中含有硅藻土、活性炭等成分，它們是典型的吸附劑，其疏松多孔的結(jié)構(gòu)有利于各種有效成分附著，充分接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。發(fā)熱包通常還有碳酸鈉、氯化鈣、硫酸鎂等鹽分，主要是用來吸收滲入包裝內(nèi)的微量水分，防止氧化鈣逐漸失效，同時在化學(xué)反應(yīng)中起到輔助作用。4.通過查閱資料，知道還有原電池的形成起放熱作用，升溫可達(dá)150℃，蒸汽溫度可達(dá)200℃，但是具體怎么工作的不是很清楚。

任務(wù)二：分析自熱火鍋中原電池的工作原理。

[教師]肯定學(xué)生的回答，以水果電池為原型，啟發(fā)學(xué)生思考自熱火鍋里電池的構(gòu)成要素。提出問題：1.水果電池的構(gòu)成材料有哪些？2.為什么選擇這些物質(zhì)作為構(gòu)成水果電池的材料，其作用是什么？3.對比自熱火鍋里的物質(zhì)組成，說說你的發(fā)現(xiàn)。

[學(xué)生]閱讀文獻(xiàn)，小組討論，得出結(jié)論：1.水果電池的構(gòu)成材料有水果（酸性）、導(dǎo)線、活動性強弱相差較大的金屬片;2.水果電池的構(gòu)成材料均具有導(dǎo)電性，其中水果電池中更活潑的那邊的金屬片能置換出水果中的酸性物質(zhì)的氫離子，作負(fù)極，整個過程發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，而且從理論上來說電流大小直接和果酸濃度相關(guān)，水果起著電解質(zhì)溶液的作用;3.自熱火鍋里鐵、鋁、鎂、炭粉和鹽遇水后發(fā)生原電池反應(yīng)，鐵、鋁、鎂粉作為電池負(fù)極，炭粉作為電池正極，鹽（氯化鈉）溶于水后充當(dāng)電解質(zhì)溶液，空氣參與反應(yīng)，釋放出大量熱量加熱物體。

任務(wù)三：模擬自熱火鍋里的原電池，進行實驗探究。

[教師]總結(jié)原電池的構(gòu)造：有兩種活潑性不同的金屬（或一種是非金屬導(dǎo)體）作電極;電極材料插入電解質(zhì)溶液中;兩極相連形成閉合回路;能自發(fā)的發(fā)生氧化還原反應(yīng);能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做原電池。下面請同學(xué)們，自主選擇實驗材料，設(shè)計并進行自熱火鍋電池模擬實驗。

[學(xué)生]根據(jù)提供的實驗材料，確立實驗方案，繪制原電池草圖，在教師指導(dǎo)下完成原電池工作原理的實驗探究。

[教師]進一步總結(jié)原電池的工作原理，讓學(xué)生通過分析和解釋實驗探究中出現(xiàn)的問題，掌握正負(fù)極的判斷方法，以及原電池電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式的書寫。

[教師]給學(xué)生復(fù)雜情境下的陌生電池，如讓學(xué)生進行奧運會綠色能源LiFePO4鋰離子動力電池的分析，可設(shè)置以下問題：電池是由哪幾部分組成的？正負(fù)極分別是什么？分析出正負(fù)極反應(yīng)物、反應(yīng)產(chǎn)物，說出判斷依據(jù)，寫出電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式。

任務(wù)四：貫徹食品安全意識，任務(wù)升級。

[教師]近年來，多地發(fā)生了多起由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致的自熱食品“闖禍”事件，有的甚至還傷了人。我們的化學(xué)和生產(chǎn)生活息息相關(guān)，通過今天的學(xué)習(xí)，請你明確自熱產(chǎn)品的使用注意事項，爭取將來能設(shè)計出更安全、更環(huán)保的發(fā)熱包。

[學(xué)生]從以下角度明確注意事項：1.選購時：看有無QS標(biāo)志、PP5材質(zhì);2.拿到后：檢查是否破損;3.加水時：加冷水不加熱水;4.使用時：不直接放在玻璃茶幾、桌面上;5.高溫注意：不放入微波、烤箱等加熱，揭蓋要當(dāng)心;6.攜帶時：不能帶上飛機或托運;7.丟棄時：反應(yīng)完全后丟棄，自熱包屬于其他垃圾，注意一下自熱火鍋盒身底部是否有PP5標(biāo)識，一般來說會是聚丙烯，有的話就屬于可回收垃圾。給學(xué)生灌輸食品安全意識和激發(fā)繼續(xù)探究信念。

STEM 教育強調(diào)的是學(xué)生在具體學(xué)習(xí)情境中綜合能力的培養(yǎng)，基于 STEM 理念進行教學(xué)設(shè)計與分析對我國教育發(fā)展有重大意義，本案例以“自熱火鍋”的發(fā)熱原理展開了探究，融合多學(xué)科知識，貫徹食品安全意識，將科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)融入化學(xué)教學(xué)中，綜合地培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考，分析、解決問題，整合資料，合作學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。后期還是希望可以從生活實踐出發(fā)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，呈現(xiàn)出更多、更好的教學(xué)案例，進而提升教學(xué)效果。

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