趙露 許應(yīng)華

關(guān)鍵詞：STEM教育;教學(xué)設(shè)計;綜合性

STEM教育以解決真實情境中的問題為出發(fā)點，以跨學(xué)科整合為核心，以協(xié)作學(xué)習(xí)為途徑，可以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)，也是綜合性人才培養(yǎng)的重要路徑[1]。在化學(xué)教學(xué)中運用STEM 教育理念，可以將化學(xué)學(xué)科知識與其他學(xué)科知識綜合起來，加深學(xué)生對化學(xué)學(xué)科知識的理解，體現(xiàn)知識的綜合應(yīng)用。

本文以人教版高一化學(xué)必修一中“過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)實驗”為例，展示如何將化學(xué)教學(xué)與STEM教育理念更好地融合。

一、背景分析

1.學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了過氧化鈉與水的反應(yīng)，對過氧化鈉的性質(zhì)有了初步的了解，在進一步學(xué)習(xí)過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)時，可從過氧化鈉與水的反應(yīng)進行類推和遷移。并且在學(xué)生已有的知識儲備中，二氧化碳不具有助燃性，但在過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)中卻能生成具有助燃性的氧氣，這將引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究的欲望，并通過此反應(yīng)原理在實際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，進一步增強理論聯(lián)系實際的意識。

2.教材分析

“過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)”內(nèi)容位于人教版高一化學(xué)必修一第二章第一節(jié)“鈉及其化合物”。本節(jié)課的內(nèi)容是在學(xué)習(xí)了過氧化鈉與水反應(yīng)之后，對過氧化鈉性質(zhì)的進一步學(xué)習(xí)。在以往的教學(xué)中，教師在課堂上只對過氧化鈉與水的反應(yīng)進行探究，對過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)一帶而過，實際上此反應(yīng)具有較強的應(yīng)用價值和社會意義，運用于實踐中能和其他學(xué)科知識綜合，適合用STEM教育理念教學(xué)設(shè)計，應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。

二、教學(xué)目標(biāo)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，要“結(jié)合真實情境中的應(yīng)用實例或通過實驗探究，了解鈉及其化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用”[2]。這與STEM 教育理念極為相符，結(jié)合教材內(nèi)容和學(xué)生的實際情況，制定以下四維教學(xué)目標(biāo)：

（1）S（科學(xué)）：了解過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實驗現(xiàn)象;認(rèn)識利用過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)制備氧氣的實際應(yīng)用價值;體會化學(xué)學(xué)科在生產(chǎn)生活中的重要性。

（2）T（技術(shù)）：嘗試設(shè)計過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實驗方案;加強實驗操作技能;了解信息技術(shù)在化學(xué)實驗中的重要性。

（3）E（工程）：了解氧氣面罩的工藝制備;嘗試制作氧氣面罩。

（4）M（數(shù)學(xué)）：能根據(jù)所需氧氣量計算得出理論上所需過氧化鈉的質(zhì)量。

三、教學(xué)設(shè)計

在本節(jié)課的教學(xué)中，旨在將STEM教育理念與過氧化鈉和二氧化碳反應(yīng)的實驗有機結(jié)合。因此，在本節(jié)課開始時，創(chuàng)設(shè)真實的社會情境問題以吸引學(xué)生注意力;通過實驗演示，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。在教師引導(dǎo)下設(shè)計實驗方案并探究;通過講解過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的原理，探索該原理在氧氣面罩制作過程中的應(yīng)用，展示氧氣面罩的制作工藝，體會化學(xué)學(xué)科對社會的作用;模擬真實情境，計算一定耗氧量所需的過氧化鈉的質(zhì)量，以加強數(shù)學(xué)計算能力和學(xué)以致用的意識;最后，通過交流、反思，鍛煉語言表達(dá)能力，養(yǎng)成總結(jié)、反思的習(xí)慣。

四、教學(xué)過程

1. 立足實際，發(fā)現(xiàn)問題

[教師活動]播放2019年“3.30木里縣森林火災(zāi)”有關(guān)新聞視頻。

[學(xué)生活動]觀看，思考。

[教師活動]面對火災(zāi)，應(yīng)當(dāng)如何自我防護？ 在火災(zāi)中遇到缺氧的情況，有什么方法可以供氧？可以利用化學(xué)知識解決氧氣供應(yīng)的問題嗎？

[學(xué)生活動]思考。

設(shè)計意圖：涼山火災(zāi)是近年來發(fā)生的較大型的火災(zāi)，造成了較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。通過此情境，既可激發(fā)學(xué)生愛護自然，敬畏生命的情感，又可培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的意識。在這一過程中，也體現(xiàn)了化學(xué)核心素養(yǎng)中的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任，有助于學(xué)生素質(zhì)的提高。

2. 結(jié)合已知，設(shè)計方案

[教師活動]演示“吹氣生火”的實驗，提問“吹氣生火”的原理可能是什么？[學(xué)生活動]根據(jù)已有知識并通過分析人體呼出氣體的主要成分，推測可能是呼出氣體中的水蒸氣、二氧化碳與棉花上的過氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)。

[教師活動]過氧化鈉可與水反應(yīng)，但過氧化鈉可以和二氧化碳反應(yīng)嗎？ 產(chǎn)物有氧氣生成嗎？ 應(yīng)該如何設(shè)計實驗證明？[學(xué)生活動]分組討論，設(shè)計實驗方案。

[教師活動]考慮到學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗，提示學(xué)生過氧化鈉可與鹽酸發(fā)生反應(yīng)生成氧氣;飽和碳酸氫鈉可與鹽酸反應(yīng)。

[學(xué)生活動]學(xué)生可能的實驗方案如下：方案一：如圖1所示。

設(shè)計意圖：根據(jù)實驗?zāi)康模瑢W(xué)生在結(jié)合已有知識的基礎(chǔ)上，通過小組討論、教師指導(dǎo)，設(shè)計實驗方案。在這個過程中，教師所提供的新知識與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的知識建立實質(zhì)性、非人為的聯(lián)系，促進學(xué)生進行有意義的學(xué)習(xí)，并在小組合作設(shè)計實驗方案過程中，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)交流協(xié)作的能力。

3.小組合作，探究發(fā)現(xiàn)

[學(xué)生活動]根據(jù)實驗方案，分組進行實驗探究。

[教師活動]來回進行指導(dǎo)。

[學(xué)生活動]交流討論實驗現(xiàn)象。

方案一現(xiàn)象：過氧化鈉逐漸由淡黃色變?yōu)榘咨?有氣體生成，且生成的氣體可使帶火星的木條復(fù)燃。

方案二現(xiàn)象：實驗過程中未觀察到明顯實驗現(xiàn)象。

[教師活動]兩種實驗方案有何區(qū)別？不同的實驗現(xiàn)象說明什么？[學(xué)生活動]分析、交流討論，得出結(jié)論：過氧化鈉可與濕潤的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，產(chǎn)物有氧氣生成。

[教師活動]在人為的實驗操作過程中，有可能因為操作的原因造成實驗結(jié)果的不準(zhǔn)確。為檢驗大家的實驗結(jié)果，下面為大家介紹一種新的實驗技術(shù)——虛擬仿真實驗。

[學(xué)生活動]聽講、思考。

[教師活動]簡要介紹虛擬仿真實驗，講解并演示如何在電腦上設(shè)置實驗參數(shù)，進行相應(yīng)實驗。

[學(xué)生活動]聽講、觀察、思考。

[教師活動]通過在電腦上模擬同樣的實驗，大家觀察到了什么？ 實驗現(xiàn)象說明了什么？ 對“虛擬仿真實驗”有何感想？

[學(xué)生活動]交流、討論，再次得出結(jié)論：過氧化鈉可與濕潤的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，產(chǎn)物有氧氣生成。

信息技術(shù)與化學(xué)實驗的結(jié)合有很多優(yōu)勢，例如：實驗現(xiàn)象更加明顯、結(jié)果更加準(zhǔn)確、效率也更高。

[教師活動]分析、講解過氧化鈉與濕潤的二氧化碳反應(yīng)的原理，講述信息技術(shù)與化學(xué)實驗結(jié)合的重要性。

設(shè)計意圖：以實驗為基礎(chǔ)，是化學(xué)學(xué)科的重要特征。讓學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的實驗方案，對實驗進行驗證。在實驗探究過程中，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的人本主義思想，教師起到輔助、支持作用。學(xué)生通過做實驗，既可鍛煉實驗操作能力，又可以發(fā)現(xiàn)自身存在的不足，充分體現(xiàn)“做中學(xué)”這一思想。新課標(biāo)強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)，而實驗正是實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。在此基礎(chǔ)上，引入學(xué)生在日常學(xué)習(xí)生活中接觸不多的“虛擬仿真技術(shù)”，開闊學(xué)生的眼界并期望打開學(xué)生的思維，不再局限于親自動手做實驗，體會信息技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的重要性，并激勵學(xué)生積極思考、勇于創(chuàng)新。

4. 做學(xué)結(jié)合，應(yīng)用實踐

[教師活動]實踐證明，過氧化鈉可與濕潤的二氧化碳反應(yīng)生成氧氣，這一原理在生活中的哪些方面可以發(fā)揮作用呢？[學(xué)生活動]思考，討論。

[教師活動]提示學(xué)生上課之初所播放的有關(guān)火災(zāi)的視頻，思考過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)制氧氣的實驗原理是否可運用在火災(zāi)的個人防護中？

[學(xué)生活動]聯(lián)系已有生活經(jīng)驗和知識儲備，想到身處火災(zāi)中時可能會發(fā)生缺氧、窒息的情況，可以利用人體呼出的二氧化碳，通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為氧氣，供應(yīng)人體所需的氧氣。

[教師活動]播放、展示呼吸面罩制作的原理、工藝。

[學(xué)生活動]觀看，思考。

[教師活動]提供制備氧氣面罩的物理材料。

[學(xué)生活動]以小組為單位，動手制作氧氣面罩。

[學(xué)生活動]展示小組成果。

設(shè)計意圖：將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)的價值和意義。在了解氧氣面罩制作工藝并參與制作的過程中，體會化學(xué)在社會生產(chǎn)、生活中的重要性。

5.模擬實際，定量運算

[教師活動]成人每天約需0.75 kg氧氣。某人現(xiàn)遇火災(zāi)，離成功逃生至少還需5分鐘，若要保證這段時間內(nèi)被救人員的正常供氧，問氧氣面罩中所需儲備的過氧化鈉至少為多少？[學(xué)生活動]根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式及數(shù)學(xué)知識，計算得出至少需要12.7 g過氧化鈉。

設(shè)計意圖：通過親自動手進行計算，加強學(xué)生對知識點的理解及數(shù)學(xué)運算能力。

6. 反思總結(jié)，交流評價

[教師活動]在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，有何體會和收獲？[學(xué)生活動]交流討論，派代表發(fā)言。

[教師活動]根據(jù)學(xué)生的發(fā)言，進行補充和總結(jié)。

設(shè)計意圖：無論對于教師還是學(xué)生而言，反思與總結(jié)是取得進步的重要方式，及時進行反思則更為重要。通過在課堂上生生之間、師生之間的交流，在鍛煉語言表達(dá)能力的同時也有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的不足、學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗。

六、小結(jié)

本研究將STEM 教育理念融入過氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)教學(xué)過程之中，在新時代培養(yǎng)綜合性人才思想的指導(dǎo)下，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融為一體，以培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。在整個教學(xué)過程中，力圖發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，始終堅持以學(xué)生為主體，教師起引導(dǎo)、支持作用。除此之外，創(chuàng)設(shè)真實的社會情境，使得知識不是孤立的，從而有助于學(xué)生知識的建構(gòu)，并讓學(xué)生明白學(xué)以致用的重要性。利用創(chuàng)設(shè)的情境，培養(yǎng)社會責(zé)任與擔(dān)當(dāng)精神;在設(shè)計實驗、探究實驗的過程中，增強科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。