STEM教學理念下中學化學教學設計與實踐

謝大林

◆摘? 要：2019年，教育部明確提出要立足全面發(fā)展育人目標，構建包括“核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力、必備知識”在內的高考考查內容體系，培養(yǎng)具有創(chuàng)新素養(yǎng)的復合型人才。在目前的中學化學教學中，以知識傳授為主的課堂教學比較普遍，學生在靈活運用所學知識解決實際問題的能力還有很大的發(fā)展空間。STEM教學理念中的知識與生活相結合，多學科之間的交叉，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，在化學這門核心科學的教學中的滲透越來越重要。本文以“海帶中碘的提取以及含量的測定”為例，對STEM教學視野下的化學教與學開展研究

◆關鍵詞：STEM;教學設計;中學化學

一、STEM教育

STEM教育是科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數(shù)學（Mathematics）教育的簡稱，是美國為了提升國家競爭力和創(chuàng)新力提出的一項國家戰(zhàn)略。STEM教育的核心是打破學科之間的領域邊界，對多個學科進行融合，培養(yǎng)學生對知識的運用能力，運用多學科知識進行學習，提高自身的科學素養(yǎng)。

2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》中明確指出有效利用信息技術推進“眾創(chuàng)空間”建設，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識，促進學生全面發(fā)展。

二、STEM教育在化學教學中的滲透

近年來，在國家培養(yǎng)人才目標的變化、化學新課標的指導和高考試題的變化指引下，中學化學課堂教學發(fā)生了很大的變化，但存在的問題依然不少，比如教學模式單一、學生的主動性不能很好的發(fā)揮、只注重知識和解題、忽略解決實際問題能力的培養(yǎng)等等。而STEM教育理念很好地解決了這些問題，多學科之間的融合與交流、學生動手能力的培養(yǎng)、學生探究意識的培養(yǎng)無疑為化學教學提供了完美的思路，在激發(fā)學生的思維和培養(yǎng)學生的深層理解力上面更是令人稱贊。STEM教育理念在中學化學教學中滲透的不夠充分，一個是行動起來的教師和學生比較少，另外也是因為教師自身能力的限制，對于STEM理念的理解和具體實施還是有不少的差距。

三、教學設計流程

STEM教育的根本目標是要做到以生為本，全面提升學生核心素養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力。

STEM教育改變了學生的學習方式，促進了師生之間身份的轉化，學生是課堂的主宰，教師是學生學習的引領者和輔導者，重視學生在課堂上的學習過程，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。STEM教育思想應用于化學課堂，教學的設計不能再以老師為主體，學生的思維活動和主體地位如何體現(xiàn)顯得尤為重要;不能只是建立在傳授知識的前提下，還要追求開放性、實踐性、多樣性的融合。在具體的教學設計中，我也是受“問題導引”教學的啟發(fā)，把問題建立在真實的環(huán)境之下，在學生已有化學知識積累的基礎之上，通過解決問題過程中發(fā)現(xiàn)的新問題來完成整個課堂教學，大致流程如下：

四、案例設計與實施

選取人教版高中化學必修‖《海水資源的開發(fā)利用》“從海水中提取碘”

1.案例簡介

海水的綜合利用不僅有著非常重要的經濟價值，而且對于掌握化學方法在實現(xiàn)物質之間轉化中的作用，認識化學科學發(fā)展對自然資源的利用都有重要的意義。在優(yōu)化海帶中提取碘以及含量檢測的實驗方案交流活動中，培養(yǎng)學生證據(jù)推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)，提升學生科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng);從化學核心知識的考察來看，注重灼燒、溶解、過濾、萃取等物質分離提純的實驗原理和實驗方法，強化氧化還原滴定的應用，領會定量分析的要點，關注環(huán)境污染等問題

2.教學環(huán)節(jié)實施

【情景創(chuàng)設】海水中的碘

材料一：海水約占地球表面積的71%，其中的水資源和其他化學資源具有十分巨大的開發(fā)潛力。由于與巖石、大氣和生物的相互作用，海水中溶解和懸浮著大量的無機物和有機物。海水中含量最多的O、H兩種元素，加上Cl、Mg、Na、S、Ca、K、Br、C、I、B、F等元素，其總含量超過99%，部分元素的含量圖下圖所示。海水中含有豐富的碘元素，但由于海水中碘的濃度很低，工業(yè)上并不采用海水直接提取碘，而是從海洋中許多具有富集電能力的海藻植物中進行提取。海帶就是著名的“采碘能手”，一般干海帶中含碘量可以達到0.3%-0.5%，有的甚至高達1%，約為海水中碘的濃度的10萬倍。

材料二：海帶中99.2%的碘為水溶性碘。上圖右邊是海帶浸出液中碘的主要存在形式

材料三：海帶中的有機碘（主要是3，5-二碘酪氨酸），分子式為（C9H9I2NO3），燃燒時碘元素首先轉化為HI：

4C9H9I2NO3+37O2==36CO2+14H2O+2N2+8HI，而后2HI==H2+I2，2HI+K2O==2KI+H2O

材料四：苯的沸點80.1°C，碘在184.4°C升華，CCl4的沸點76.8℃

【任務設計1】海帶中碘的提取

探究1：根據(jù)海帶中碘的存在形式，要把海帶中的碘轉化為I2，核心反應是什么？

探究2：如何對海帶進行初步處理，便于得到水溶性的碘？

探究3：如何將IO3-和有機碘中的轉化為I2？

探究4：如何將I2從水溶液里提取出來？

探究5：如何分離I2和萃取劑？

【自主研討1】問題解決的相關方案

探究1：關鍵是將I-轉化為I2，需要選擇合適的氧化劑（用H2O2，不用Cl2）

探究2：剪碎、灼燒、浸泡

探究3：①將KIO3受熱分解轉化為KI ②有機碘燃燒后轉化為HI

探究4：加入萃取劑（苯或CCl4）

探究5：因為I2能升華，不宜用蒸餾，可以采取反萃取的方法

難點解析：

通過萃取得到的有機層中的CCl4和I2的混合液無法通過蒸餾得到I2，加入NaOH溶液，將I2轉化為NaI、 NaIO3，在酸化的條件下可以轉化為I2，萃取劑獲得再生，可以重復使用

【自主研討2】最優(yōu)化方案

【情景創(chuàng)設】

材料五：碘量法是一種氧化還原滴定法，即以碘為氧化劑，或者以碘化物（KI）作為還原劑進行滴定，用于測定物質的含量。極微量的I2與多羥基化合物淀粉相遇，立即形成深藍色的配合物

材料六：在酸性條件下H2O2的氧化性雖然增強，但容易過量，生成IO3-;I2易吸附在淀粉表面

【任務設計2】海帶中碘的含量的測定

探究1：選擇H2O2作氧化劑，如何防止H2O2過量？

探究2：對于指示劑，選擇淀粉需要考慮什么問題？

探究3：如何確定滴定終點？

【自主研討3】問題解決的相關方案

探究1：1、可以選擇測定氧化還原反應中的電位值來控制用量（科學技術）

2、可以選擇加入少量MnO2，加速H2O2分解

探究2：淀粉容易吸附I2，為了更準確的滴定，可以在臨近終點的時候加入淀粉指示劑

探究3：藍色恰好消失為止

難點解析：調節(jié)溶液的PH比較難控制;抽濾的操作學生不熟悉

【自主研討4】最優(yōu)化方案

【實驗過程】

（1）樣品處理：準確稱取10.0g左右洗凈、烘干的海帶粉，置于燒杯中。往燒杯中加入50.0mL蒸餾水浸泡、煮沸15分鐘，抽濾，用少量蒸餾水洗滌海帶殘渣，收集濾液，濃縮至20.0mL

（2）碘含量的測定：

向20.0mL溶液中加入3mol/L稀H2SO4溶液，調節(jié)溶液的PH=2，再加入10mL 3%的H2O2溶液，充分混合后加入4.0g MnO2，過濾;將濾液轉移至錐形瓶，用0.004mol/L的Na2S2O3標準溶液滴定，當溶液至淺黃色時，再加入1mL0.5%的淀粉指示劑，繼續(xù)滴定至藍色恰好消失為止

（3）根據(jù)反應方程式進行計算

計算反應公式：A=C x V x 126.9

A：碘的含量（mg/g）? ? ? C：Na2S2O3標準溶液的濃度（mol/L）

V：Na2S2O3標準溶液的體積（mL）

五、反思與提升

1.在案例設計與實施的過程中，充分利用“問題導引”的模式引領學生思考和解決問題，給學生足夠的研究時間和空間，學生的能動性的發(fā)揮比較充分，這一點也是本案例對于STEM理念的充分挖掘。

2.考慮到學生已有的知識儲備以及高中學段的能力要求，本案例中對于學科之間的交流和融合涉及的比較少，尤其是工程技術這塊還比較薄弱。

3.本案例是必修2的內容，主要是針對高一年級的學生，深度的挖掘必然有局限，包括方法的選擇上還是有缺陷。