“科—工整合”的STEM教學(xué)設(shè)計

竇賞　閆春更　周青　張暉英

摘 要：文章以“水泥的工業(yè)生產(chǎn)”為基本素材，以增強(qiáng)學(xué)生從化學(xué)視角看世界的意識，擴(kuò)展學(xué)生化學(xué)工程視野以及提升興趣、學(xué)生分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神為基本目標(biāo)，針對化工生產(chǎn)及化工流程，進(jìn)行了以科學(xué)、工程為基礎(chǔ)的STEM課程設(shè)計，以期為高中學(xué)段的STEM課程設(shè)計提供借鑒，最后對已有的“科—工整合”的STEM活動設(shè)計模式進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：STEM;科工整合;化學(xué)課程;水泥的制備

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）10-0041-05

一、背景介紹

當(dāng)前我國創(chuàng)新型、復(fù)合型、技術(shù)型人才欠缺[1]，而STEM教育旨在加強(qiáng)STEM領(lǐng)域（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）人才的培養(yǎng)與儲備[2]，著重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力[3]、復(fù)合思維和創(chuàng)新思維[4]以及倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動的跨學(xué)科教育模式[5]等，為我國的人才培養(yǎng)提供了契機(jī)。

STEM整合類型眾多，有以科學(xué)、工程為基礎(chǔ)的“科—工整合”;以科學(xué)、數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的“科—數(shù)整合”以及“科—技整合”等，唐小為、王唯真分析后認(rèn)為“科—工整合”的STEM教育最符合我國的基礎(chǔ)科學(xué)教育[6]。

相關(guān)研究表明，我國基礎(chǔ)教育中工程教育長期缺失，國家對工程類人才需求巨大[7]，但我國工程科技人才的戰(zhàn)略儲備明顯不足[8]。K-12階段融入工程設(shè)計項目可以提升學(xué)生興趣并吸引其進(jìn)入工程職業(yè)[9]。此外，工程培養(yǎng)注重問題導(dǎo)向、解決實際問題[10]，科學(xué)培養(yǎng)注重知識建構(gòu)和探究學(xué)習(xí)，工程和科學(xué)中蘊(yùn)含著數(shù)學(xué)和技術(shù)知識，這與STEM教育目標(biāo)相吻合，故發(fā)展“科—工整合”的STEM教育有其重要性和必要性。

國內(nèi)關(guān)于工程的STEM教育研究已有“科—工整合”的教學(xué)模式[11-13]、STEM中工程思維的培養(yǎng)[14][15]、基于STEM理念的工藝設(shè)計[13]等，但并未發(fā)現(xiàn)化學(xué)工程設(shè)計與STEM教育融合的實例研究。這表明“科—工整合”的STEM教育盡管受到了重視，但仍存在一些不足。

水泥是重要的無機(jī)非金屬材料，是高中硅酸鹽材料學(xué)習(xí)中的重要組成部分，在軍事、橋隧、房產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，其主要成分CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等在高中金屬、非金屬及其化合物的學(xué)習(xí)中占據(jù)著重要位置。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在必修和選修教材中都對水泥予以了學(xué)習(xí)要求[16]。此外，水泥生產(chǎn)是傳統(tǒng)且典型的化學(xué)工業(yè)，不可替代。因此以水泥的制備為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)具有多角度的意義?；谏鲜龇治觯疚囊曰瘜W(xué)工業(yè)水泥的制備為背景素材，進(jìn)行了STEM的教學(xué)設(shè)計。

二、“科—工整合”的STEM教學(xué)案例——《水泥的制備》

1.教學(xué)分析

（1）學(xué)情分析

本課程在《無機(jī)非金屬材料——硅酸鹽》的學(xué)習(xí)之后進(jìn)行，此時學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過硅酸鹽，了解了水泥的簡單制備過程，具備有一定的團(tuán)隊合作意識，對實驗室的基本儀器有了解并具備實驗基礎(chǔ)，能進(jìn)行一定的邏輯推理及對比分析。但學(xué)生較為缺乏綜合分析的能力，自學(xué)能力較為薄弱，處理和分析陌生情景較為困難。

（2）跨學(xué)科知識分析（見表1）

（3）教學(xué)目標(biāo)

①科學(xué)：能說出水泥的主要成分，能從化學(xué)角度解釋其凝結(jié)原因，能理解實驗過程中涉及的科學(xué)原理。

②工程：能基本分析工程流程圖，能在合作中得出基本活動方案。

③數(shù)學(xué)和技術(shù)：能理解活動中涉及的技術(shù)及數(shù)學(xué)原理，能進(jìn)行相關(guān)的數(shù)學(xué)計算以及實驗操作。

④能加強(qiáng)自身信息搜集及學(xué)習(xí)能力，能在水泥的制備活動中感受工程學(xué)科，能增強(qiáng)對科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的積極態(tài)度。

2.教學(xué)過程

（1）資料搜集

教師提前一周向?qū)W生發(fā)布《水泥的制備》任務(wù)，要求學(xué)生課下分組分工搜集相關(guān)資料。

教師提供提綱支持學(xué)生：①認(rèn)識水泥：水泥的重要性、水泥的發(fā)展歷史、水泥的種類。②理解科學(xué)原理：制備硅酸鹽水泥的原料是什么？硅酸鹽水泥的有效成分是什么？為什么能夠遇水凝結(jié)？③尋找工業(yè)制作方法：清楚工業(yè)實施——硅酸鹽水泥在工業(yè)上的制備方法有哪些？工業(yè)制備水泥的流程是什么？如何檢驗水泥制備成功？理解工業(yè)名詞——生料、熟料、基料、輔料、校正原料、回轉(zhuǎn)窯、立式窯、干法燒制、濕法燒制。學(xué)會工業(yè)知識——基本工業(yè)裝置圖形繪制規(guī)范。④資料如何查詢：圖書館查閱紙質(zhì)書籍;圖書館計算機(jī)查詢網(wǎng)絡(luò)論文數(shù)據(jù)庫;網(wǎng)絡(luò)資料搜索，如百度、知乎、國家專利局網(wǎng)站;向父母、長輩、圖書館管理員、網(wǎng)絡(luò)論壇等尋求幫助等。

設(shè)計意圖：以認(rèn)識水泥、讓學(xué)生知道水泥的重要作用為目的，從實際角度出發(fā)驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)。從理解科學(xué)原理角度認(rèn)識水泥的作用與性質(zhì)，促進(jìn)化學(xué)專業(yè)知識學(xué)習(xí)。以尋找工業(yè)制作方法，從工程角度深入探討解決問題。資料搜集是課程實施的奠基性工作，學(xué)生搜集能力有限，故教師應(yīng)設(shè)計支架以循序漸進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生。

（2）資料匯報與指導(dǎo)

每個小組匯報搜集得到的資料。

設(shè)計意圖：匯報資料的目的有三個：一是學(xué)生匯總交流相互補(bǔ)充完善，二是教師對學(xué)生資料搜集進(jìn)行評價與指導(dǎo)，三是教師對學(xué)生搜集資料的情況進(jìn)行掌握，以便補(bǔ)充學(xué)生所缺資料。

（3）工程分析與活動設(shè)計

①工程流程分析

學(xué)生按小組結(jié)合已有資料，如簡化版且已有相應(yīng)標(biāo)記的工業(yè)流程圖（見圖1），基本得出工業(yè)上硅酸鹽水泥制備的五個步驟：原料輸入（原料）、生料粉磨（磨）、熟料燒制（燒）、熟料粉磨（磨）、水泥檢驗運輸（檢驗）。

設(shè)計意圖：工業(yè)生產(chǎn)流程分析可讓學(xué)生先理解工業(yè)生產(chǎn)水泥的每個步驟及其作用，清楚整體框架及流程，即實驗幾個大步驟的先后順序，以此為基礎(chǔ)再分析每個實驗步驟的細(xì)節(jié)，即工程過程分析。

②工程過程分析

原料開采：學(xué)生需由硅酸鹽水泥熟料（主要物質(zhì)的含量為：CaO：62～67%，SiO2：20～24%，Al2O3：4～7%，F(xiàn)e2O3：2.5～6%）推導(dǎo)原料的成分及比例。推導(dǎo)原料成分時，需知道石灰石經(jīng)過分解先變?yōu)镃aO之后，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等經(jīng)過反應(yīng)生成普通水泥的主要成分：硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）。知道水泥制備還需要校正原料，如鐵質(zhì)校正原料氧化鐵、硅質(zhì)校正原料二氧化硅、鋁質(zhì)校正原料氧化鋁等。掌握計算方法，如水泥制備原料的配比計算，如需制備n克CaO含量占比為65%的水泥，則所需原料CaCO3的質(zhì)量m，計算公式為：m=■公式1

生料粉磨：學(xué)生需知道原料經(jīng)過加工變成粉狀，即反應(yīng)物的接觸面積對反應(yīng)的影響。

熟料燒制：學(xué)生需知道工業(yè)燒制水泥技術(shù)（濕法燒制、干法燒制）的區(qū)別及選擇、實驗室制備水泥該如何燒制、用什么儀器、水泥燒制的科學(xué)原理以及水泥燒制的不同階段。干燥帶主要蒸發(fā)生料中的自由水;預(yù)熱帶對生料進(jìn)行分解脫水;分解帶分解生料中的碳酸鈣，即CaCO3==CaO+CO2↑。隨著溫度的逐漸升高，分解產(chǎn)生的CaO和SiO2、Al2O3、Fe2O3發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)：800℃左右：CaO+Al2O3==CaO·Al2O3、CaO+ SiO2==CaO·SiO2。900～1000℃：2CaO·Al2O3·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3。1100～1200℃：生成大量3CaO·Al2O3，同時2CaO·SiO2的含量達(dá)到最大。燒成帶1300～1500℃，物料燒成：2CaO·SiO2（液）+CaO==3CaO·SiO2（固）[17][18]。

熟料粉磨：依據(jù)資料知道CaSO4用以調(diào)節(jié)水泥遇水凝結(jié)時間，粉煤灰等改善水泥活性，水泥熟料為塊狀需研磨至粉狀。

水泥檢驗：依據(jù)資料，結(jié)合生活經(jīng)驗知道如何檢驗水泥的基本檢驗方法。

教師支架：此過程中涉及到較多的知識，教師在必要時可設(shè)計支架以引導(dǎo)協(xié)助學(xué)生完成任務(wù)，如在熟料燒制階段推導(dǎo)高溫環(huán)境時可把同是硅酸鹽成分的陶瓷燒制引入;在理解水泥燒制的不同階段時，可類比米飯蒸煮過程，分為加熱、快速升溫、保沸、燜飯等幾個階段，不同階段的作用不同，溫度不同[19]。

設(shè)計意圖：工業(yè)生產(chǎn)過程分析是生產(chǎn)過程中涉及的數(shù)學(xué)計算、科學(xué)原理、技術(shù)選擇等問題的解決分析，在各個工程步驟的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析每個步驟的具體內(nèi)容，補(bǔ)充工業(yè)生產(chǎn)流程分析的缺陷，使學(xué)生更深入地進(jìn)行工程分析，以方便后續(xù)活動過程設(shè)計。

③學(xué)生方案形成及示例

學(xué)生在小組合作的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究，并結(jié)合實驗室儀器及教師指導(dǎo)設(shè)計實驗方案。

教師提供實驗室儀器及藥品：石灰石、二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、無水硫酸鈣、粉煤灰、研缽、燒杯、洗瓶、鑰匙、濾紙、天平、玻璃棒、烘箱、瓷舟、高溫爐、厚手套、計算器等。

學(xué)生方案示例如下：

原料開采：計算生料比例，進(jìn)行生料配置。

生料粉磨：混合原料，在研缽中研磨至粉狀。

熟料燒制：將研磨得到的粉末狀物加水濕化，制成糊狀（餅狀、泥狀、丸狀）等，置于容器放入高溫爐[20]（馬弗爐）中逐漸升溫至1300～1380℃度燒制，實驗過程中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

熟料粉磨：研磨熟料，并加入適量CaSO4、粉煤灰等活性物質(zhì)。

水泥檢驗：將制備的水泥加入水或沙石以檢驗其是否可以凝結(jié)。

此過程中高溫爐、研缽等學(xué)生可能未接觸過，教師可讓學(xué)生先了解儀器，在了解儀器的基礎(chǔ)上促進(jìn)活動的設(shè)計。

設(shè)計意圖：經(jīng)過上述分析，學(xué)生以總—分—總（即工業(yè)步驟的獲得、每個步驟的具體操作、實驗室活動的形成）循序漸進(jìn)的設(shè)計方式，逐步完成實驗室活動方案的設(shè)計任務(wù)，以方便后續(xù)實驗實施及教學(xué)評價。

（4）實驗實施與迭代設(shè)計

學(xué)生依據(jù)各自小組形成的活動方案進(jìn)行實驗操作，待第二天到實驗室取實驗結(jié)果。如果實驗失敗，失敗的小組更改活動方案進(jìn)行迭代設(shè)計。成功的小組則可更改活動方案，進(jìn)行水泥的最佳原料比例、最佳燒制溫度、最佳原料狀態(tài)等探究性實驗，具體模式見圖2。

教師支架：教師需幫助學(xué)生解決小組合作困難、高溫爐等儀器不會使用等各類問題。

設(shè)計意圖：實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，實驗實施可以檢驗學(xué)生活動方案設(shè)計的效果，也是教學(xué)評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。迭代設(shè)計及探究活動則為了預(yù)防學(xué)生因各種情況導(dǎo)致實驗失敗及加深學(xué)生對活動設(shè)計過程的理解，讓學(xué)生體會到科學(xué)研究中的失敗或成功。

（5）工程設(shè)計探究

教師向?qū)W生提出系列問題進(jìn)行思考探究：

①工廠放大過程涉及到一些工程、數(shù)學(xué)等問題，實驗室以克為單位制備水泥，但工廠以噸為單位，這種由小到大的過程會發(fā)生很多變化，如計算：那么首先請同學(xué)們計算一下年產(chǎn)7000噸的水泥廠，平均每天需要各類原料分別為多少？又如操作：實驗室制備水泥，我們用手和玻璃棒就可以攪拌混勻原料，那么工廠也用手和玻璃棒嗎？工廠應(yīng)該怎么辦？請同學(xué)們考慮整個實驗室活動中涉及到的操作在工廠會發(fā)生哪些變化？再如放大過程涉及的其他問題：工程師們是直接將實驗室生產(chǎn)的方法一下子放大到工廠級別嗎？還是要一點一點地試驗放大？為什么？大量的原料及成品如何運輸與儲存呢？其與物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系？工業(yè)生產(chǎn)中用哪種物質(zhì)提供能量進(jìn)行燒制呢？

②工廠放大過程也會涉及技術(shù)、科學(xué)等更復(fù)雜的問題，如工廠生產(chǎn)步驟和實驗室是完全相同嗎？圖1中我們可以發(fā)現(xiàn)有預(yù)熱器，實驗室制備水泥我們預(yù)熱了原料嗎？為什么？圖1中預(yù)熱器頂部連接著增濕塔，而增濕塔又連向了原料磨，在實驗室制備中我們需要考慮這個問題嗎？為什么？再如，工廠的原料必定沒有實驗室的純凈，雜質(zhì)問題應(yīng)該如何考慮？雜質(zhì)會影響水泥制備的化學(xué)反應(yīng)原理嗎？

③工廠制備過程還涉及到其他問題，比如工廠的水電如何節(jié)約、是否對周圍環(huán)境造成了污染，那么還有沒有其他要考慮的問題？請列舉并說明理由。

教師支架：教師提供工程設(shè)計的資料書，以便學(xué)生進(jìn)行查閱。

設(shè)計意圖：由實驗室轉(zhuǎn)向工程設(shè)計探究，主要探究工廠放大過程中該發(fā)生怎樣的變化、變化過程涉及的技術(shù)及科學(xué)問題以及工程設(shè)計需要考慮的其他問題。讓學(xué)生更深一步地接觸到工程學(xué)科知識內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生初步打開視野，認(rèn)識到工程的復(fù)雜性、實用性及其蘊(yùn)含的科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、技術(shù)等知識以及工程與社會、環(huán)境等的關(guān)系，以提升學(xué)生的興趣，增強(qiáng)其能力，實現(xiàn)STEM教育的目的。

（6）指導(dǎo)及教學(xué)評價

對學(xué)生的工程設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生回顧整個活動，理清其中涉及的知識體系，了解其中的設(shè)計方法以及解決問題的思路，培養(yǎng)學(xué)生將知識進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化、整合的能力，幫助學(xué)生形成和完善知識結(jié)構(gòu)。

教學(xué)評價包括三部分內(nèi)容：一是過程性評價，即學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)活動的積極性、是否提出疑問、小組協(xié)作是否順暢、制備水泥的實驗操作是否規(guī)范等。二是終結(jié)性評價，即制備水泥的實驗次數(shù)、水泥的品質(zhì)（顏色、凝結(jié)時間）、活動報告情況（科學(xué)性、準(zhǔn)確性、完整性等）。三是鑒賞性評價[21]，即依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄和學(xué)習(xí)體會、自我總結(jié)以及教師的觀察，判斷學(xué)生是否自主學(xué)習(xí)更多知識，提升了查閱資料、分析處理信息等多方面的能力;是否增進(jìn)了對工程的理解，增加了對社會的了解等。例如，在終結(jié)性評價過程中，對水泥的制備過程規(guī)范性：將24g分析純CaCO3、4.8g分析純SiO2、1.2g分析純Al2O3、1.0g分析純Fe2O3加水混合至泥狀，置于剛玉瓷舟中于1450℃燒制2.5小時，將所得產(chǎn)品于研缽中破碎研磨至面狀，加入適量分析純CaSO4混合均勻，即可得到水泥。實驗數(shù)據(jù)見圖3。

（7）課時設(shè)計（見表2）

三、科學(xué)整合化學(xué)工程STEM活動的教學(xué)模式

基于以上教學(xué)設(shè)計及已有的“科—工整合”的STEM教學(xué)模式[11-13]，總結(jié)得出科學(xué)整合化學(xué)工程STEM活動的教學(xué)模式，見圖4。

四、結(jié)語

科學(xué)是工程的基礎(chǔ)，工程中又涉及諸多的技術(shù)及數(shù)學(xué)問題，因此將工程問題轉(zhuǎn)化為STEM活動項目設(shè)計，可以很好地突出各學(xué)科知識，并增強(qiáng)學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)其興趣。

但基于化學(xué)工程學(xué)科的STEM活動項目設(shè)計也存在一定的挑戰(zhàn)：一是如何讓學(xué)生快速熟悉、接受并整合大量工程專業(yè)術(shù)語及多學(xué)科交叉知識。二是如何使工程工藝流程圖的設(shè)計既能突出工程學(xué)科的專業(yè)性，又能將其簡化，使學(xué)生從中更易推導(dǎo)出活動步驟。三是如何把握工程過程分析的難度，使學(xué)生由此推導(dǎo)的實驗探究過程更易實施、更易成功。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉惠穎.新時期我國人才特點研究[D].舟山：浙江海洋學(xué)院，2014.

[2]王志強(qiáng)，李菲，卓澤林.美國高校創(chuàng)客教育與STEM教育的融合：理念、路徑、啟示[J].復(fù)旦教育論壇，2016，14（4）：101-107.

[3]徐冉冉，占小紅.科學(xué)課程中的工程實踐目標(biāo)和過程[J].化學(xué)教學(xué)，2017（2）：16-21.

[4]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情景的跨學(xué)科式教育[J].中國電化教育，2017（4）：67-74.

[5]許亮亮，鄒正，陳懿，等.基于STEM教育的高中化學(xué)創(chuàng)新實驗研究——以“負(fù)載二氧化錳海藻酸鈉微膠囊催化過氧化氫分解”為例[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（21）：60-63.

[6]唐小為，王唯真.整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014，35（9）：61-68.

[7]宋蕊，占小紅.科學(xué)整合工程實踐的教學(xué)設(shè)計——以“模擬酒精測試器”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2018（2）：29-33.

[8]李拓宇，李飛，陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養(yǎng)質(zhì)量提升路徑探析[J].高等工程教育研究，2015（6）：17-23.

[9]Apedoe X S，Reynolds B，Ellefson M R，et al. Bringing Engineering Design into High School Science Classrooms： The Heating/Cooling Unit[J].Journal of Science Education and Technology，2008，17（5）：454-465.

[10]中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會.工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2017年11月修訂）[EB/OL]. http：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/599711/index.html.

[11]時慧，李鋒.新工程教育： STEM課程的視角[J].開放教育研究，2019，25（3）：36-43.

[12]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[13]盧苗苗，鄭雅君，占小紅.STEM教育理念在高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的滲透——以“檸檬精油的提取工藝”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2018（7）：45-50.

[14]丁婧. STEM教育中的工程思維培養(yǎng)[J].物理之友，2018，34（9）：4-6.

[15]吳永發(fā).基于STEM教育的工程思維培養(yǎng)[J].教育探索，2019（2）：36-39.

[16]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（ 2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[17]初林峰.水泥回轉(zhuǎn)窯熱效在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)的研究[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2017.

[18]夏永豐.水泥回轉(zhuǎn)窯溫度控制方法的研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2018.

[19]唐偉強(qiáng)，周宇英.微波狀態(tài)下大米蒸煮過程及優(yōu)化的研究[J].食品工業(yè)科技，2006（6）：82-83.

[20]張冠軍，李濤.石墨尾礦配料燒制硅酸鹽水泥熟料[J].水泥，2015（10）：13-16.

[21]羅祖兵.突出個性：普通高中綜合素質(zhì)評價的應(yīng)然價值取向[J].中國教育學(xué)刊，2015（9）：16-20.

（編輯：李曉萍）