滕　佼

基于STEM理念的高中化學教學設(shè)計
——以“自制肥皂”為例

滕佼

（哈爾濱師范大學教師教育學院,黑龍江哈爾濱150025）

STEM教育模式是綜合科學、技術(shù)、工程和數(shù)學多個學科于一體的綜合教育模式，是一種能夠培養(yǎng)學生多學科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的教育模式。STEM的概念在美國誕生，后來逐漸發(fā)展為被多個國家所認可和接受的跨學科教育模式。近幾年來，STEM教育模式逐漸地進入了中國的課堂，許多教師開始在STEM理念指導下進行教學設(shè)計探索。該文以“自制肥皂”為例，基于STEM的教育理念對其進行教學設(shè)計。文章簡要介紹了STEM教育理念，然后對教材內(nèi)容、課程標準以及學習者學習特征進行剖析，之后給出符合STEM理念的教學目標，最后呈現(xiàn)出完整的教學過程設(shè)計，以期為一線教師設(shè)計STEM教學案例提供思路。

STEM理念；高中化學；教學設(shè)計

新課程改革之后，化學課程標準被重新修訂，《普通高中化學課程標準（2017年版）》于2018年1月正式出版，依據(jù)新課標編寫的《普通高中教科書（化學）》也在2019年陸續(xù)出版并正式投入中學使用。隨著社會向前發(fā)展，知識也在不斷進步和更新，對教科書的內(nèi)容和質(zhì)量也提出了更高要求。新課標中也融入了新的教育理念，依據(jù)新課標編制的教科書在內(nèi)容選取和內(nèi)容組織上均做出了相應改變，教師使用在新教育理念的指引下編制的新教科書進行教學，能夠順應教育教學改革的趨勢，更加貼近學生思想和生活實際，以適應未來社會發(fā)展需要。新版課程標準頒布后，之前的三維目標變成了五維核心素養(yǎng)，因此化學學科的五維核心素養(yǎng)就成為化學教學培養(yǎng)的重點，在化學教學設(shè)計中融入STEM理念，在課堂上實施STEM教育，可以從多方面更好地培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)，從而提升學生的綜合素質(zhì)。本文以人教版高中化學選擇性必修3中“自制肥皂”的內(nèi)容為例，制定了基于STEM理念的教學設(shè)計方案，希望能夠?qū)處熢O(shè)計STEM教學時提供一點幫助。

一、STEM教育理念

STEM教育理念最初從美國發(fā)源，它是由四個英文單詞的首字母縮寫而成的，這四個英文單詞分別是科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）。所以STEM教育就是集科學、技術(shù)、工程和數(shù)學這四個領(lǐng)域于一體的多學科融合的綜合教育，它的重點在于打破學科領(lǐng)域的邊界。需要注意的一點是，STEM教育并不是將四門學科簡單、機械地疊加在一起，而是將原本零散而又分散的學科重新地進行有機整合，整合成一個有效的整體，整合完后在整個教育過程中具有多種學科素養(yǎng)，它們之間相互促進、相輔相成。在教學過程中對學生開展STEM教育，可以同時培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學素養(yǎng)，在最大程度上拓展學生的知識范圍，增強學生的動手能力、實踐操作能力、創(chuàng)新能力以及解決問題的能力等等，這足以為國家科學技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供穩(wěn)定的人才支撐。

二、“自制手工皂”的教學設(shè)計

（一）教學分析

1.教材內(nèi)容分析

本文以“自制肥皂”這個課題作為研究對象，“自制肥皂”的內(nèi)容位于新版人教版高中化學選擇性必修3的第三章（第80頁）的“研究與實踐”欄目當中，書上給出了研究目的、研究任務和結(jié)果與討論三方面內(nèi)容，其中提到通過化學實驗的方法制取肥皂，體驗化學知識在實際中的應用。國家課程標準是教材編寫、教學評價和考試命題的依據(jù)，是國家管理和評價課程的基礎(chǔ)?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準》在選擇性必修課程模塊3“有機化學基礎(chǔ)”的主題2中，在學習活動建議里提到了“油脂的皂化反應與肥皂的洗滌作用”，在情景素材建議里提到“制皂原理”。本文基于STEM理念對“自制肥皂”進行教學設(shè)計是在學生已經(jīng)學習完了羧酸衍生物的知識并掌握了油脂的重要化學性質(zhì)——皂化反應之后。學生們有了前期學習的基礎(chǔ)知識作為理論支撐，然后進行STEM理念的教學，對學生進行STEM教學實踐，使學生對“制皂原理”理解得更加深刻，對“皂化反應”掌握得更加牢固，同時了解肥皂的去污原理，從而達到課程標準給出的教學要求。

2.學習者特征分析

處于高二階段的學生經(jīng)過高一的學習和訓練，這個階段他們已經(jīng)熟練掌握了化學實驗操作的基礎(chǔ)知識和基本技能，并且在進行本節(jié)STEM實踐課之前學生們已經(jīng)學習和掌握了油脂的堿性水解，也就是皂化反應的基礎(chǔ)知識，但是學生們對制作手工皂的基本流程、具體的制皂原理以及制皂過程中涉及的其他物理、數(shù)學以及工程等知識還有所欠缺。

高中生正處于好奇心過勝的階段，讓高中階段的學生親自動手制作生活中常用的肥皂，可以激發(fā)學生學習化學的興趣，增加學生對于化學學科的熱愛。

（二）基于STEM理念的教學目標

根據(jù)選擇的課題，以《普通高中化學課程標準》為基礎(chǔ)，基于STEM理念為“自制肥皂”課題制定的教學目標如下：

S（科學）：學習油脂的相關(guān)基礎(chǔ)知識，能夠熟練寫出制作手工皂的化學方程式以及掌握基礎(chǔ)實驗的注意事項，從微觀層面理解表面活性劑和肥皂的去污原理。

T（技術(shù)）：了解目前工業(yè)上制作肥皂的工藝流程，以已有知識為基礎(chǔ)設(shè)計本次教學實踐的工藝流程圖，理解知識和技術(shù)之間的關(guān)系。

E（工程）：依據(jù)設(shè)計好的制作手工皂的工藝流程圖，按照流程圖制作手工皂，并在展示交流過程中不斷進行改進。

M（數(shù)學）：數(shù)學學科是這次教學實踐的一個重要輔助工具，利用數(shù)學知識進行實驗過程中藥品的用量的計算、稱量以及對溫度的把控，培養(yǎng)學生的數(shù)學素養(yǎng)。

（三）教學過程設(shè)計

1.創(chuàng)設(shè)情境，鞏固舊知

【情景導入】教師在多媒體上播放有關(guān)肥皂的電視廣告，然后展示手工皂的圖片，再向同學們實物展示各色各樣的手工皂。

【教師活動】同學們，大家平時是不是都用肥皂洗手??？肥皂是我們衛(wèi)生間里面常見的一種清潔用品，古人在很早之前就發(fā)現(xiàn)了皂莢，用它洗頭發(fā)、洗衣服。后來人們又發(fā)現(xiàn)了一種與它性能十分相似的果實，因其比皂莢更加肥厚飽滿，所以古人就給這種果實取名為肥皂子。直到后來人造去污劑的出現(xiàn)，也就沿用了之前的名字，依舊取名為肥皂。那大家知道肥皂是怎么制造出來的嗎？大家想自己動手制造手工皂嗎？

【教師活動】在制作手工皂之前，先回顧一下上節(jié)課學習的有關(guān)油脂的相關(guān)知識。

【多媒體展示】在多媒體上播放上節(jié)課學習的油脂的相關(guān)知識。相關(guān)知識都包括油脂的主要成分、組成油脂的高級脂肪酸的種類和固態(tài)油脂和液態(tài)油脂的分類。還有油脂的化學性質(zhì)，與堿發(fā)生皂化反應的反應原理等知識。

【學生活動】在教師的帶領(lǐng)下深度鞏固有關(guān)油脂的基礎(chǔ)知識，將皂化反應的反應原理熟記于心。

設(shè)計意圖：通過播放肥皂廣告、展示肥皂圖片以及展示肥皂實物作為本節(jié)課的導入，從多個感官吸引了學生的注意，引出課程主題，抓住學生眼球，調(diào)動學生的學習積極性，提高學生學習興趣，激發(fā)了學生對制作手工皂的探究欲望。通過復習之前學習的理論知識，為后續(xù)制作手工皂提供知識基礎(chǔ)，體現(xiàn)科學思想。

2.知識鏈接，交流討論

【教師活動】教師向同學們講述油脂的皂化反應就是制造手工皂最重要的反應原理。然后請同學們仔細閱讀桌子上教師課前發(fā)給大家的紙質(zhì)資料，資料上印的是一些古書中記載的有關(guān)古人制作肥皂的配方，請大家仔細閱讀然后小組討論?；卮鸾處煹南铝袉栴}：（1）古人的配方中，都有哪些共同的成分呢？（2）你們認為制作手工皂的關(guān)鍵成分是什么？（3）能否用日常生活中或者實驗室里面的物品代替這些關(guān)鍵成分呢？

【學生活動和小組討論】學生仔細閱讀教師課前發(fā)放的資料，然后四人為一個小組交流討論，得出古人制皂中用到的共同物品是豬胰或豬油，還有皂角。認為古人制皂共同用到的東西就是制造手工皂的關(guān)鍵成分。

【教師引導】豬胰和豬油中的主要成分就是屬于上節(jié)課所學的油脂，那可以用橄欖油、花生油等代替。那么皂角呢？它其實是一種堿性的物質(zhì)，大家覺得用實驗室的什么藥品代替呢？

【學生回答】用NaOH來代替。

【教師總結(jié)】制作手工皂最關(guān)鍵的成分是油脂+堿液，用到的反應主要是油脂的皂化反應。

設(shè)計意圖：通過讓學生獨自閱讀資料并總結(jié)出制作手工皂需要的重要原料，體現(xiàn)知識和技術(shù)相結(jié)合的思想。讓學生獨自閱讀能夠培養(yǎng)學生閱讀資料并提取關(guān)鍵信息的能力，提升學生的信息素養(yǎng)，同時教師提出問題引導學生主動思考，還能培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。

3.探究設(shè)計，展示交流

教師提前準備材料：酒精燈、玻璃棒、三腳架、石棉網(wǎng)、燒杯、橄欖油（豬油或者其他動植物脂）、氫氧化鈉、人工色素、酒精、蒸餾水、飽和食鹽水、模具等。

【教師活動】用PPT展示幾種常見的制皂方法：冷制法、熱制法、再生制皂法和融化再制皂法。然后向?qū)W生呈現(xiàn)目前工業(yè)上制取肥皂的工藝流程。下面請同學們根據(jù)上節(jié)課學習的皂化反應的原理和剛剛講到的幾種制作手工皂的方法，四人為一個小組，從桌子上教師已經(jīng)準備好的材料中選取認為合適的儀器及藥品，討論其制作方案并畫出制作流程圖。

【小組討論】小組自由討論，合作探究，自主選擇相應藥品和儀器，設(shè)計制作肥皂的方案，將流程圖畫出。

【展示交流】請每一小組派出一個同學作為代表，將組內(nèi)成員一起討論出的設(shè)計流程進行交流展示，介紹設(shè)計原理及提出過程中遇到的問題。

設(shè)計意圖：根據(jù)常見的制皂方法以及工業(yè)上生產(chǎn)肥皂的工藝流程圖，結(jié)合教師提供的實驗藥品和儀器，學生們小組合作得出他們制作手工皂的流程圖，體現(xiàn)工程思想。培養(yǎng)了學生科學探究與創(chuàng)新意識的化學學科核心素養(yǎng)，同時采用小組合作的形式，培養(yǎng)學生的合作意識。

4.確定方案，工程制作

【教師活動】對每一個小組匯報的流程圖進行評價，指出它們的優(yōu)點和需要改進的地方，最終確定手工皂制作方案。然后向?qū)W生講授皂化價和INS值的專業(yè)知識，教給學生制作手工皂時各原料用料的計算方法，包括油脂的用量、所需堿的質(zhì)量、加入水的質(zhì)量以及所選配方的硬度。

【學生活動】根據(jù)教師的講解，修改自己小組設(shè)計的手工皂制作流程圖，同時計算出制作過程中需要的各原料的用量。

【工程制作】制作方案：（1）首先用天平準確稱量油脂的質(zhì)量，用量筒量取95%的酒精和氫氧化鈉溶液；（2）取一個潔凈的燒杯，先后加入剛剛稱量和量取的油脂、酒精和氫氧化鈉溶液，用玻璃棒持續(xù)攪拌使其溶解，待其溶解后按照同學們的個人喜好加入少許人工色素；（3）取三腳架置于桌上，石棉網(wǎng)置于三腳架上，將上一步準備好的燒杯放在上面之后點燃酒精燈，對燒杯小火加熱，或者將燒杯置于水浴中采取水浴加熱，在加熱期間拿玻璃棒不斷攪拌；（4）皂化反應進行完全后，在燒杯中緩慢加入熱的蒸餾水，然后持續(xù)攪拌，待攪拌到燒杯中的液體變得十分黏稠之后，將其緩慢地倒入熱的飽和食鹽水中，加入過程中不停地攪拌；（5）同學們自行選擇喜歡的圖案模具，然后將攪拌好的溶液倒入選好的模具中靜置，等待完全凝固、成型。

【學生活動】學生根據(jù)自己設(shè)計并修改的方案，以及計算出的各原料用量，自己動手按照流程圖和操作步驟制作手工皂。

【教師活動】等到同學們制作的手工皂完全凝固成型后，教師組織進行手工皂的展示交流會。

【學生活動】各小組展示自己的手工皂作品，說出自己在制作手工皂的過程中遇到的問題。對于沒有成功做出手工皂的小組，大家一起交流分析找出原因。最后大家投票選出最喜歡的一組手工皂。

設(shè)計意圖：根據(jù)教師的講授，學生們自行計算自己制作手工皂需要的實驗用品用量，在工程中滲透了數(shù)學思想，培養(yǎng)了學生的數(shù)學思維能力和計算能力；在學生動手制作手工皂的過程中，進一步鞏固了化學實驗的基本操作，提升了學生的動手能力和實驗操作能力；各小組展示自己的手工皂成品，分析成敗關(guān)鍵，能夠提升學生的語言表達能力和分析解決實際問題的能力。

5.知識深化，思考延伸

【教師活動】制作完肥皂后，引導學生思考肥皂去污的原理以及講解表面活性劑相關(guān)知識，進行知識深化與提升。多媒體展示表面活性劑的概念和作用機理，放出肥皂去污原理圖，讓同學討論總結(jié)，嘗試自己說出肥皂去污原理。

【學生活動】學生根據(jù)教師指引，仔細觀察原理圖，解釋肥皂去污原理。

【教師活動】請同學們思考，工廠制作肥皂過程中怎么設(shè)計才能達到綠色化學的要求。

【學生回答】在本節(jié)制作肥皂的基礎(chǔ)上，學生討論總結(jié)回答，要達到綠色化學標準，原料必須便宜簡單易得，中間產(chǎn)物達到回收再利用等。

【課堂小結(jié)】對整節(jié)課的知識進行全面的總結(jié)，向?qū)W生發(fā)放《表面活性劑——制作手工皂》的課后測試題，對學生進行學習評價。

設(shè)計意圖：完成手工皂的制作與展示后，再次聚焦知識層面，引導學生學習肥皂的去污原理，了解表面活性劑相關(guān)知識。并且通過讓學生思考工業(yè)制皂怎樣達到綠色化學的要求，體現(xiàn)“綠色化學”的工程思想，培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展觀念，培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。

三、總結(jié)與啟示

本節(jié)課筆者以“自制肥皂”的內(nèi)容為主題，對其進行基于STEM理念的教學設(shè)計，將科學、技術(shù)、工程以及數(shù)學這四個學科素養(yǎng)滲透在整個教學設(shè)計中。貼近生活的主題可以讓學生體會到化學與日常生活緊密聯(lián)系，完成理論知識到生活實踐的轉(zhuǎn)化。整個過程中，學生不僅學習了學科理論知識，動手操作的能力得到提高，同時科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任等化學學科核心素養(yǎng)也得到培養(yǎng)。

[1] 馬騁.基于STEM教育的高中化學教學目標與評價研究[D].開封:河南大學,2019.

[2] 葉躍芬.融合STEM理念的初中科學教學實踐探索[A];2019全國教育教學創(chuàng)新與發(fā)展高端論壇論文集(卷七).[C],2019.

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