高中化学开展STEM教育的实践尝试

时间：2024-05-04

乙若梅龚正元

摘要：以“染料废水污染”为情境素材，以“纳米材料Cu2O”为主题，整合化学、技术、工程和数学等学科知识，设计了适用于高中化学的STEM教育教学案例并予以实施。在化学教学中融入学科前沿知识，帮助学生开拓视野，发展STEM素养和“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。

关键词： STEM教育; 纳米材料; 化学学科核心素养

文章编号： 1005-6629（2021）12-0043-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

STEM教育即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的综合性教育。它涉及四个学科，却不是四个学科的简单叠加，其实质是跨学科知识间的迁移整合。STEM教育具有跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等核心特征[1]，强调学生在真实情境中，通过具体的实践活动，在合作探究和解决问题的过程中发展STEM素养。

项目是以一套独特而相互联系的任务为前提，有效地利用资源，为实现一个特定的目标所做的努力。而项目式学习（Project-Based Learning， PBL）是以学科的概念和原理为中心，以制作作品并将作品推销给客户为目的，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性学习模式[2]。它的重点在于解决实际问题，但依靠单一领域知识难以实现，故它同时侧重于多门学科知识的综合应用，这与STEM教育有异曲同工之妙。另外，项目式学习和STEM教育也都注重“以学生为中心”和真实情境的创设，可见STEM教育与PBL相互关联，二者结合可谓是相得益彰，即把STEM涉及到的科学、技术、工程和数学等学科领域知识和方法用于解决具体的、富有挑战性的项目活动，学生在解决问题、理解学科知识的同时也可发展自身素养。

化学作为一门自然科学，有“中心科学”的美誉，有跨学科的天然优势。而STEM教育体现了实验探究的属性[3]，这也与化学学科的特点不谋而合。另外，教材之外的学科前沿知识对于课堂教学的设计和实施是可直接借鉴的资料[4]，也是落实立德树人的有效教学素材。在学校教育中，将化学学科前沿知识与工程、技术、数学等学科知识整合，依托项目，实施STEM教育，有助于发展学生的科学探究能力、合作能力及动手操作能力等跨学科素养。

1 教学模式的构建

本文所构建的STEM教学模式如图1所示。

即教师围绕一个真实项目展开教学，教学过程主要包括六大环节：（1）创设情境，聚焦问题;（2）头脑风暴，确定方案;（3）动手实践，制作产品;（4）测试性能，深入探究;（5）交流分享，总结评价;（6）迁移应用，巩固新知。多元性的

评价方式贯穿整个教学过程，过程性评价与结果性评价并重，教师评价、学生自评、学生互评相结合。教学目标是通过理解、应用和整合科学、技术、工程和数学等领域的概念和知识，创造性地完成复杂的项目活动，提高科学探究、合作、动手操作等能力，培养STEM素养。

2 教学分析

2.1 情境素材分析

《普通高中化学课程标准（2017年版）》的“化学原理探究”主题中提到[5]，可以从当代化学科学研究成果中选择内容，简化安排成实验活动，例如，纳米材料的制备与性质研究。纳米材料是纳米科学技术的基石，而纳米科学技术是指在纳米尺寸认识和改造自然，通过直接操作原子、分子创造新的物质，是现代科学和先进工程技术结合的产物。纳米材料因特殊的结构特征而具有很多独特的功能，用途广泛，例如，可以用于处理废水。

纺织印染工业是我国传统的支柱行业之一，历史悠久。我国目前每年废水排放总量高达6.36Gt，染料废水占据我国工业废水中的首要位置，其排放量占我国废水总排放量的11%左右[6]。染料废水水量大、水质变化大、色度和有机污染物浓度高、碱度大，由于合成染料通常是复杂的有机物，难被自然降解，是极难处理的工业废水之一。如果將染料废水直接排放到水体中，会严重污染水资源，威胁水生生物的生存，危害环境和人类健康，人类的美好生活的愿景也就难以实现，所以染料废水必须予以处理。

2.2 学情分析

本案例是以综合实践活动课程的形式实施，试教对象是南京市某中学高二年级学生，共15人。依据组内异质、组间同质的原则，学生自行分组，确定组名：第一组——“快乐大本营”，第二组——“环保大宅院”，第三组——“高科小分队”。

学生通过生活经验和先前化学课程的学习，能够认识到水资源的紧缺，并且知道沉淀、过滤、吸附、絮凝等净化水的方式。污水处理新技术、污染物的降解新技术、纳米材料等都属于化学学科前沿内容，部分学生通过期刊杂志、网络资讯、科技报道、化学课堂等渠道已经有所接触，这对学生来说并不是完全陌生的知识，但仍基本处于一知半解的状态，没有深入研究过。

高二学生的年龄在17岁左右，对事物有着强烈的好奇心和探究欲，对化学的认识已逐渐由浅显转为深入，且能做到有意注意生活中的化学知识。另外，高二学生也具有一定的实验操作基础和逻辑思考能力，热衷于自己动手实验，如若能将自己的研究成果加以应用，那么势必会大大提高对化学和研究性学习的兴趣。

2.3 教学目标

依据学生实际和教学内容，确定如下教学目标：

（1）知道水处理的一般方法，能从染料废水处理工程中提取出工程活动的一般流程和要点，体会科学、技术、工程、数学之间的联系，发展STEM素养。

（2）能合成纳米Cu2O，并进行降解性能测试。了解纳米材料的特点、性质和价值，发展“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

（3）熟练进行基础实验和计算机操作，掌握数码成像比色法，能使用pH计、Color Grab和Orign软件等技术解决问题，发展“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

（4）树立爱护水资源、保护水环境的意识，发展“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

3 教学过程

3.1 环节一：创设情境，聚焦问题

教师播放微视频。

学生观看视频，讨论染料废水的危害。

[教师]我国水资源本就紧张，大量染料废水直接排放又会引起严重的水污染，染料废水的处理已刻不容缓。本次项目的主题就是“染料废水处理”。

3.2 环节二：头脑风暴，确定方案

发放评价表，明确评价标准。

[教师]目前水污染的处理方法有哪些？

学生回忆初中内容，结合生活经验，借助网络，查阅文献，交流讨论，完成头脑风暴。

教师总结水污染的处理方法，包括物理法、化学法、生物法等。

[教师]这些方法有什么优缺点？

[学生]生物法的处理成本不高，但是该法对染料的降解效果不好;化学法较能有效处理污水，但是不够划算。絮凝法容易产生污泥并且处理费用较高;微孔膜、超滤膜的稳定性和选择性均不高，容易造成膜污染。

[教师]染料废水有什么特点？它和普通污水有什么不同？

[学生]染料废水排放量较大、水质变化大、色度高，主要成分是有机物，很难被降解。

[教师]一般的水处理方法不适用于处理染料废水，而且处理染料废水最好是在温和的条件下，不造成二次污染，降解效果显著且价格低廉。

教师提供资料卡片。

资料卡片1：

纳米尺寸（10-9-10-7m）的微粒具有独特的化学特征：

（1）吸附。纳米微粒由于有大的比表面积和表面原子配位不足，与同质的大块材料相比较，有较强的吸附性。

（2）表面活性及敏感性。由于纳米微粒表面原子数比例高及其表面原子配位不饱和性导致存在大量的不饱和键，因此纳米微粒具有很高的表面活性及选择性。

（3）光催化性能。光催化是指催化剂将光能转变成化学能，引发或加速化学反应的过程。

资料卡片2：

1998年Hara等首次报道用纳米Cu2O作光催化剂在可见光照射下将H2O分解为H2和O2，而且纳米Cu2O持续使用1900h仍保持活性。这说明纳米Cu2O具有良好的催化降解功能。

资料卡片3：

纳米半导体光催化技术只需要光、催化剂和空气，处理成本相对较低。光催化氧化具有很强的氧化能力，可使有机染料分子氧化完全、降解彻底，是一种较有前途的废水处理方法。

学生阅读资料卡片后提议：可以把自然界中丰富的太阳光作为光源，以纳米Cu2O作为光催化剂，对染料废水进行催化降解。

教师肯定学生的提议，并指导学生以“纳米Cu2O的制备”为主题进行文献搜索整理。

学生查阅文献后对比发现，有些方案较为繁琐、产率较低，而且缺少相应的仪器设备和原料，难以实施。最后决定用硫酸羟胺还原氯化铜[7]制备纳米Cu2O，此方案简单易控、成本较低、易于推广，便于实现工业化生产。各组完善设计方案书。

3.3 环节三：动手实践，制作产品

各组根据设计方案书中整理的实验步骤，计算用量，准备仪器药品，动手制备纳米Cu2O：

（1）配制50mmol/L CuCl2正丁醇溶液;

（2）配制150mmol/L硫酸羟胺水溶液，调节pH为10;

（3）于50mL比色管中加入20mL的硫酸羟胺水溶液，再缓慢加入20mL的CuCl2正丁醇溶液，保证分层明显，静置反应;

（4）待溶液反应至无色时，取出界面处产物，用蒸馏水洗涤3遍，置于60℃烘箱中干燥。

3.4 环节四：测试性能，深入探究

[教师]如何证明所合成的纳米Cu2O能降解染料废水？

[学生A]根据文献，我们可以将一定量的产品加入模拟的染料废水，例如甲酚红溶液，搅拌，每隔一定时间进行取样离心，利用紫外可见分光光度计测量吸光度进而计算浓度。

[学生B]可是我们现在并没有紫外可见分光光度计可供使用。

[学生C]甲酚红溶液降解程度不同，含量不同，颜色会有差异，可以使用比色法。

[教师]比色法是可行的。

鉴于产品的吸附性能受其自身性质、温度以及溶液pH等条件影响，故决定利用控制变量法研究pH、纳米Cu2O的投加量以及温度对脱色率的影响，通过对比吸附前后甲酚红溶液的颜色来判断纳米Cu2O是否具有吸附性能。

“快乐大本营”组研究pH对脱色率的影响：调节3份50mL 30mg/L甲酚红溶液的pH分别为1、2、6。分别加入0.02g纳米Cu2O，室温下吸附相同时间。

[学生]pH为6、2、1时，甲酚红溶液的颜色分别为没有明显变化、明顯变浅、没有明显变化。讨论原因未果。

[教师]溶液的pH会影响到Cu2O表面所带电荷，而样品表面的电荷性质又会影响吸附效果。因而溶液的pH越低，表面所带的正电荷越多，吸附效果越好。

但是，pH过低，溶液中H+含量高，Cu2O会与H+反应，Cu2O质量降低，并且此时溶液的pH也有所上升，导致脱色率又有所下降。

“环保大宅院”组研究纳米Cu2O的投加量对脱色率的影响：调节50mL 30mg/L甲酚红溶液的pH=2，控制纳米Cu2O的投加量分别为0g、0.02g、0.04g。室温下吸附相同时间。利用延时摄影技术，将长达3h的吸附降解过程压缩为1min，更直观地呈现甲酚红溶液颜色的变化过程。

[教师]根据不同降解时间甲酚红溶液的颜色，能得出什么结论？

[学生]吸附时间相同，甲酚红溶液脱色率不尽相同。吸附剂投加量为0g、0.02g、0.04g时，甲酚红溶液的颜色分别为没有明显变化、逐渐变浅、变浅后变深。讨论原因未果。

[教师]吸附剂投加量越高，脱色率也越高。在其他条件不变时，吸附位点与吸附剂量成正比。加入的吸附剂过多时，多余的Cu2O则会与溶液中的H+发生反应，溶液的pH增大，脱色率降低。

“高科小分队”组研究温度对脱色率的影响：调节3份50mL 30mg/L甲酚红溶液的pH均为2，纳米Cu2O的投加量为0.02g，控制纳米Cu2O吸附甲酚红的温度分别为25℃、40℃、60℃。

[学生]不同温度下，吸附时间相同的甲酚红溶液的颜色没有明显的区别，所以吸附可在常温下进行，也可节约能耗。

[教师]同学们能据此总结出纳米Cu2O处理染料废水的最佳条件吗？

[学生]纳米Cu2O处理染料废水的最佳条件是，pH=2、常温，投加量视染料废水浓度而定。

[教师]纳米Cu2O可以产业化处理染料废水吗？

[学生]纳米Cu2O成本低，合成简便，可利用自然界中充足的太阳光作为光源来活化催化剂，光催化效果明显，具有用于实际印染废水处理的潜力。所以可以产业化应用于环境污染物治理。

[教师]通过肉眼观察颜色定性分析灵敏度较低，目前比色法应用较多的是基于智能手机的数码成像比色法，智能手机的摄像头具有拍摄效果良好、操作简单等优点，可以与App结合，例如Color Grab，用它读出图片的颜色参数值，并利用Origin软件将数据处理成标准曲线，可以计算出降解率。

学生倾听整理比色法步骤，合理分工，进行实验，计算结果：

（1）配制甲酚红的标准溶液（浓度分别为30mg/L、25mg/L、20mg/L、15mg/L、10mg/L、5mg/L）;

（2）通过智能手机，结合取色软件Color Grab获取标准溶液的R、G、B值，利用浮点公式Gray=0.3R+0.59G+0.11B，得到Gray值;

（3）利用Origin软件，建立浓度-Gray值的标准曲线，得到标准曲线方程y=-1.801x+146.955;

（4）取0.02g的Cu2O加入50mL 30mg/L的甲酚红溶液中，调节pH=2，室温下吸附180min，通过取色软件Color Grab取色得： R=163， G=136， B=19，即Gray=131.23。将y=131.23代入标准曲线方程y=-1.801x+146.955，得x=8.73，即吸附后甲酚红溶液的浓度为8.73mg/L，将Ce=8.73mg/L， Co=30mg/L代入降解率公式，求得降解率为70.9%。

Co-CeCo×100%

[Co（mg/L）—甲酚红初始浓度，Ce（mg/L）—甲酚红吸附平衡浓度]

[教师]大家知道纳米材料为什么如此不同寻常吗？

[学生]结构决定性质，应该和结构有关系吧！

[教师]没错！纳米材料由于其独特的尺寸结构，所以性质不同于传统材料。

教师提供资料卡片展示纳米材料的四大物理效应：

（1）量子尺寸效应。纳米材料由于特殊尺寸呈现出一系列与宏观物体截然不同的磁、光、声、热、电效应。例如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体。

（2）小尺寸效应。尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质，例如，金属纳米颗粒对光的反射率很低，导致所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色。固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，纳米颗粒的熔点却会显著降低;再例如，金的常规熔点是1064℃，2nm的金颗粒熔点仅为327℃。同时，材料的强度、韧性和超塑性也会大为提高，如纳米相铜的强度比普通铜高5倍、纳米陶瓷是摔不碎的。

（3）表面效应。纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化，当粒子直径处于纳米范畴时，位于表面的原子占了相当大的比例，导致比表面积急剧增大，表面能增高，这些原子易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性，例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧。

（4）宏观量子隧道效应。除了微观粒子，一些宏观量例如微粒的磁化强度、电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，例如超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。

3.5 环节五：交流分享，总结评价

学生总结了一些实验操作的注意事项，并提出了一些问题，例如：

（1）如何证明所得产品Cu2O确实是纳米尺寸？

（2）纳米Cu2O对实际染料废水的处理效果也会这么好吗？

（3）吸附过染料的Cu2O可以回收重复利用吗？

（4）有没有其他的新型材料也能用于染料废水的降解？

教师结合全程表现，对优秀个人和小组提出表扬。学生进行自评与互评，完成评价表。

3.6 环节六：迁移应用，巩固新知

[教师]课后调查纳米材料以及纳米Cu2O的其他用途。

[學生]纳米Cu2O还可应用在石油化工催化及船舶防污涂料、甲醇燃料电池、太阳能电池等方面。

4 教学总结与反思

本文巧妙地利用“染料废水污染”的真实问题，实施STEM教学，成功地在化学教学中渗透纳米科学、环境科学、信息技术、数学和工程等知识，给予学生真实的体验，让学生在小组合作、动手操作、交流讨论的课堂过程中知道了水处理的常用方法及利弊，了解了纳米材料的性质、用途及价值，强化了“结构决定性质，性质决定用途”的思想，发展了“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养，提高了创新意识、合作意识和动手操作能力，形成了跨学科的思想。学科知识地图总结如表1所示。

在整个教学过程中，学生能够积极地思考，预设的问题得以解决。但是由于教学时间的限制，对于教学中生成的新问题，教师未能带领学生深入探究。科学探究无止境，生成性问题应该得到重视。

对于上述问题（1）：如何证明所得产品Cu2O确实是纳米尺寸？教师可以向学生介绍扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）的用途，展示所得产品Cu2O的SEM和TEM照片，分析产品的尺寸和形貌。对于问题（2）：纳米Cu2O对实际染料废水的处理效果也会这么好吗？教师可设法收集一些实际染料废水进行吸附实验。对于问题（3）：吸附过染料的Cu2O可以回收重复利用吗？教师可组织学生补充实验：对吸附过染料的Cu2O进行水洗和醇洗，并再次进行吸附实验，测试其吸附降解性能。对于问题（4）：有没有其他的新型材料也能用于染料废水的降解？教师可以引导学生进行相关文献资料的查找和阅读。

5 结语

融入STEM教育的化学教学能有效提高学生对化学的学习兴趣，学生在获得化学、数学、技术、工程等知识的同时，会形成跨学科意识，知道将多种学科知识用于同一问题的解决。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》强调教师教学时要创设真实且富有价值的问题情境，并且所选的化学课程内容要体现时代性。所以一线教师在开展STEM教育时需考虑：

第一，经常关注生活中出现的真实问题，从中提炼出学科知识，设计成STEM教学活动，帮助学生感悟科技、化学、社会和环境的相互影响，进而深刻体会化学的實用性。

第二，充分挖掘化学学科前沿内容，使其与高中化学课程内容相融合，让学生尝试参与研究前沿科学，帮助学生了解化学学科的发展，鼓励学生关注化学事业，拓宽学生视野，培养学生的创新性思维。

第三，仔细研读课标和教材，选取合适的方向和素材，深入研究，设计成系列综合实验，让学生在做中学、在谋中思、在论中悟。

参考文献：

[1]余胜泉，胡翔. STEM教育理念与跨学科整合模式[J]. 开放教育研究， 2015， 21（4）： 13～22.

[2]刘景福，钟志贤. 基于项目的学习（PBL）模式研究[J]. 外国教育研究， 2002，（11）： 18～22.

[3]赵扬. 基于STEM教育理念的初中化学教学实践——以“自制灭火器”为例[J]. 中国现代教育装备， 2019，（24）： 48～50.

[4]陈凯. 促进化学教师专业发展的化学前沿资源例析[J]. 化学教育（中英文）， 2018， 39（3）： 25～32.

[5]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.