基于“深度学习”的STSE项目设计与实施

华丽芬

摘    要：基于“深度學习”的STSE项目教学，将学生之前所学的碎片化知识进一步整合成有逻辑、有体系的知识结构并进行学习的迁移，建构从“资源”到“产品”的转化思路，发展学生工业化思维，实现资源最大化利用，树立“绿色化学”的观念。

关键词：深度学习;STSE;项目教学;海水淡化

一、研究背景

（一）深度学习的必要性

深度学习是一种理解性学习模式，相对于通过习题强化训练获得知识的传统学习模式，它更注重通过学习主题的引领，使学习者全身心参与学习活动，实现知识的结构化。深度学习改变了以往教学中教师只关注知识的数量和教学的进度，而更注重知识的结构和教学的深度。深度学习使学生获得的不再是浅层化的知识和表层化的思维，而更注重对知识的深层加工和对学科思想的理解。

（二）STSE教育的重要性

融合Science（科学）、Technology（技术）、Society（社会）、Environment（环境）的STSE教育旨在提高公民科学素养，促进社会可持续发展。新课标中明确指出：能较深刻地理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，认识化学对社会发展的重要贡献，能运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响，权衡利弊，强化社会意识，积极参与有关化学问题的社会决策[1]。

（三）情境创设的真实性

创设情境既能体现学科价值，又提高了学生积极性，容易产生情感共鸣，真实的情境也为学生的素养发展提供真实的表现机会。因此，教师首先要考虑学生的认知水平，在此基础上选择契合教学目标并能够驱动学生进行高阶思维的情境素材。另外，素材的价值观导向应是正面的，不应哗众取宠甚至引起恐慌。

二、教学设计

（一）教材与学情分析

依据新课标，高中化学课程分为必修、选择性必修、选修三类课程。必修课程适合全体高一学生，选择性必修课程适合高二化学班的学生，选修课程主要面向对化学学科有兴趣，想要继续在这一领域深入研究、拓展视野、提升素养的学生。选修课程具有兼容性和灵活性，“燃煤脱硫”“海水蒸馏”“海水提溴”“氯碱工业”等知识先后在苏教版《化学1》中出现，教师可以结合真实情境，整合教学资源进行二度开发。本案例适合已经修习完《化学1》的高一或高二学生，这个阶段的学生已经具有一定的知识储备和探究能力，便于教师开展教学。

（二）教学设计思路

1.明确学习主题和学习目标

要引导学生深度学习，教师的视野要开阔，要能跳出传统教学的思维，打通学科各章节之间的壁垒，选择的主题既要能凸显学科核心概念和知识，又要有利于探究实验和实践活动的开展，还能关注社会生活，实现科学与人文的融合。

水是生命之源，而我国淡水资源匮乏，水资源短缺制约着国民经济的发展。海水中的水资源和化学资源极其丰富，海水淡化与化工生产、能源开发等相结合已经成为海水综合利用的重要方向。选择“设计海水综合利用产业园”这一主题，既符合社会发展的需要，还可以帮助学生从化学的角度建构“资源”到“产品”的工业化思维，树立绿色化学的学科理念。

深度学习的目标制订要符合课程标准和学生已有认知水平，以核心知识为载体，促进学生核心素养发展。本案例以海水资源的开发利用过程的化学问题为素材，将生产和技术问题线索、技术知识线索、化学知识线索相融合，使学生掌握资源到产品的转化思路与常用方法，培养学生运用所学知识对与化学有关的技术问题做出分析和解释，依据“绿色化学”思想分析化工生产过程的特点和存在问题，深化对化学、技术、社会和环境的相互作用关系的理解，树立可持续发展观念。

2.创设真实情境开展教学活动

深度学习能帮助学生将单一化、碎片化的知识进行整合，建立有逻辑、有系统的知识结构框架。为了让深度学习真正发生，教师可以创设真实情境为学生搭建思维平台，通过学习任务的设置拓宽学生的认识角度和解决问题的思路，发展高阶思维。

位于渤海之滨的天津市干旱少雨，淡水资源匮乏，天津北疆电厂联合本地区盐场采用“资源—产品—废弃物—再生资源”的模式进行联合生产[2]，是我国实施循环经济项目的示范企业。本文以“设计海水综合利用产业园”为学习主题，以北疆电厂循环经济项目为背景组织教学，教师是“产业园”项目的发起人，学生扮演项目“工程师”的角色，设计的方案既要解决沿海城市缺水问题，又要解决工业生产中的废热、废气、废水等问题，实现海水资源的最大化利用。本案例分两课时进行，第1课时为方案的研究与设计过程，第2课时为成果的汇报与项目总结，具体流程见图1。

三、教学实施

环节1：从海水中获取物质的理论知识

[问题1]“南水北调”是我国一项战略性工程，其中东线工程是通过我省扬州市的江都水利枢纽将长江水逐级北送至威海、天津等沿海城市。沿海城市海水资源丰富，为什么还要“调水”？

[学生]缺少淡水资源。

[任务]为了满足沿海某城市发展的需要，现要在该地区原有盐场和发电厂附近规划建造一座“海水综合利用产业园”，建成后的产业园不仅可以生产食盐、纯碱、烧碱、液溴等产品来带动该地区经济发展，也能解决该地区居民用水、用地以及发电厂废热等问题。请各小组分工合作，设计方案完成产业园的布局图。

[指导]结合已有认知，思考从海水中分别获得淡水、食盐、纯碱、烧碱、液溴的原理或方法。

[学生表现]学生已经具备本节课所需的氧化还原反应原理、物质分离与提纯方法、侯氏制碱、氯碱工业等知识基础，所以在教师引导下归纳出单一物质的获取方法（见表1）。

环节2：从实验室制备到工业化生产

[问题2]南水北调工程建设周期长，建设成本高。沿海城市可以充分利用本地区资源和技术手段缓解用水问题，现有哪些资源可以利用？技术上有无困难？

[学生]沿海城市的海水资源丰富，通过蒸馏方法可以获取淡水，但是运用实验室蒸馏装置只能获取少量淡水，不适合工业化生产。

[指导]实验室运用蒸馏原理获得淡水的方法称为热法，还有一种膜法也可以获得淡水。工业上海水淡化技术主要有反渗透法和低温多效蒸馏法[3]，比较两种方法（见表2）选择最适合该地区的海水淡化技术。

[学生]发电厂有大量余热可作为热源，通过低温多效蒸馏技术可以生产大量淡水。

[问题3]溴被称为“海洋元素”，地球上有99%的溴元素在海水中。实验室如何从溴化钠溶液中获取溴单质？

[指导]学生每6人分为一个项目组，利用教师给的实验试剂和器材完成从溴化钠中提取溴单质的分组实验。每个小组提供的实验用品有：0.5mol/L的溴化钠溶液、新制氯水、四氯化碳、分液漏斗、试管、烧杯、量筒、胶头滴管和铁架台。

[学生表现]各小组主要采用以下两种方法：（1）在试管中加入一定体积的溴化钠溶液，滴加足量新制氯水后充分振荡;在上述混合溶液中加入一定体积的四氯化碳后充分振荡;将混合溶液倒入分液漏斗静置分液。（2）在试管中加入一定体积的溴化钠溶液，滴加足量新制氯水后充分振荡;将混合溶液倒入分液漏斗再加入一定体积的四氯化碳，充分振荡后静置分液。两种方法都选择了新制氯水作为氧化剂，通过氧化还原反应原理将溴离子转化为溴单质，再用四氯化碳进行溴单质的提纯。

[问题4]这种提取溴单质的方法在工业生产中是否也适用？技术上有无困难？海水中部分元素的浓度与溶存量见表3。

[学生]海水中溴离子虽然总量大，但是浓度低，直接提取会浪费原料，工业上可以利用海水晒盐后的卤水。但是萃取法需要用到大量的四氯化碳，不仅成本高，对环境也会产生污染。

[指导]工业上一般采用在酸化后的卤水中先通入氯气将溴离子氧化为溴单质，然后利用溴单质易挥发的性质，用热空气把溴单质吹出来，再用二氧化硫吸收溴蒸气将其还原为溴化氢，最后再通入氯气置换出高纯度溴单质[4]。这种提溴方法在工业上称为热空气吹出法。

[问题5]海水晒盐技术历史悠久，但由于海水中离子浓度低，所以需要占用大量的临海土地并且花费较长时间才能获得原盐;海水淡化技术可以缓解沿海居民用水问题，但是淡化后产生的大量浓盐水如果直接向大海排放，不仅造成资源浪费，也会影响海洋生态环境。工业上能否进行联合生产，类似于发电厂的余热用于海水淡化一样？

[学生]海水淡化后的浓盐水相当于把原海水浓缩了，如果將浓盐水引入盐场晒盐，不仅可以提高出盐率，也节省了土地资源。晒盐后的卤水又被浓缩了，可以再从卤水中提取有价值的元素例如K、Mg、Li等。

[指导]各小组充分利用课余时间，通过网络或图书馆资源进一步完善产业园布局图（产业联合、物能循环、可持续发展），并在下一节课上进行展示和汇报，各小组之间将通过互评方式投票选出“最佳人气奖”。如果要查询相关产品的市场价格，可以登录：http：//www.100ppi.com。

环节3：从设计图纸到生产实际

[学生表现]各小组成员通过课后查找所需资料进一步完善了方案，并在第2课时进行小组展示与互评。产业园方案的设计是没有标准答案的，有的小组在海水淡化后选择将浓海水先晒盐，有的小组选择先提取溴单质，因为查阅资料发现溴单质成品每吨三万元左右，而原盐每吨只有三百元左右，先提溴后晒盐可以获得更高的经济效益。各小组都能考虑到生产过程中要充分考虑物质的循环利用，尽可能降低生产成本，减少对环境的污染，如氯碱厂产生的氯气既可以用于淡化厂原海水的预处理消毒，也可以用作制溴的氧化剂。各小组畅所欲言，热烈讨论方案的可行性，最后通过小组互评的方式投票选出“最佳人气奖”的方案（图2）。

[总结]海水晒盐是学生比较熟悉的人类最早对海水利用的实例，从中体现出人类运用能量转化获取生存所需用品的智慧。随着社会的发展，用水、用地等矛盾日益突出，通过这两节课的学习，学生充分发挥主观能动性，思维的火花在交流碰撞中激发，不仅建立了从“资源”到“产品”的转化思路，提升了工艺设计的成就感，还从化学视角找到了缓解社会矛盾的方法，真正做到了“学以致用”。学生设计的方案很有价值，在天津滨海新区就有一座海水综合利用产业园，接下来就让我们一起观看“天津北疆发电厂循环经济项目”宣传片[5]，进一步了解生产实际，体会化学工业在国民生产中的重要地位。

四、教学感悟

（一）深度学习模式能够促进学生学科素养的发展

物质的转化是化学核心知识，基于物质转化关系的化工生产在推动人类社会发展的进程中发挥着越来越重要的作用，但人类社会的快速发展也带来了能源、资源、环境等问题，人类对海水的开发利用过程就是其中的一个缩影。基于“深度学习”的STSE项目教学，将学生之前所学的碎片化知识进一步整合成有逻辑、有体系的知识结构并进行学习的迁移，让学生获得了较大的成就感;通过创设产业联合的真实情境，培养学生运用工业化思维进行资源开发利用的方案设计与评价，让学生体会化学工业在综合利用资源、节约资源等方面的技术措施，了解化学研究对化学工业发展的促进作用，建立工业生产与环境及资源综合利用的社会责任感。

（二）教师在项目教学中要关注学科素养的落实情况

项目教学能充分发挥学生的主观能动性，引导学生运用化学概念、原理、知识完成一项作品（产业园布局图）来实现知识的建构，发展化学学科素养。教师在教学过程中可以通过对课堂回答、交流讨论、实验操作等进行评价，及时掌握学科素养的落实情况，适当调整教学活动和教学进度。教师也可以结合教学实际，编制符合学生认知水平、有利于发展学科素养的问题进行课堂测试。

综上所述，“科学·技术·社会·环境”四位一体的STSE教育，传递给学生的不仅仅是化学知识，更要培养学生积极参与社会决策以及运用化学知识解决实际问题的能力，在问题解决中发展学科素养，感悟化学学科的价值与魅力。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：65-67.

[2]于海淼，李长如，赵鹏.海洋主要产业循环经济模式应用与推广研究——以天津北疆电厂循环经济项目为例[J].海洋经济，2011（4）： 46-51.

[3]冯厚军，谢春刚.中国海水淡化技术研究现状与展望[J].化学工业与工程，2010（3）：103-109.

[4]魏钊，张嗣红，崔拥军.利用空气吹出法从海水中提溴工艺简介[J].化学教育，2011（7）：1-2.

[5]https：//v.youku.com/v_show/id_XNTA2MjQxMTEy.html？spm=a2h0k.11417342.soresults.dposter