基于STEM理念的研究性學(xué)習(xí)

曹文倩

摘要：本研究性學(xué)習(xí)探究了如何利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣以實(shí)現(xiàn)資源的再利用。通過三次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題不斷改進(jìn)裝置，同時(shí)借助數(shù)字化設(shè)備，最終得到了一個(gè)集制取、凈化、收集于一體的具有定量測量功能的利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣的裝置。在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境和資源再利用的意識，使學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)對社會發(fā)展的重大意義。用形成性評價(jià)，通過教、學(xué)、評一體化實(shí)施促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的逐步形成與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM教育；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；研究性學(xué)習(xí)；教學(xué)評一體化

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0072-04

中圖分類號：C632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.017

初中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出化學(xué)教學(xué)注重從學(xué)生已有的生活知識和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，從學(xué)生熟悉的生活情境和社會實(shí)踐中體會化學(xué)與技術(shù)、社會、環(huán)境的緊密關(guān)系。[1]STEM教育的學(xué)習(xí)特點(diǎn)是以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題，促使學(xué)生對真實(shí)的問題進(jìn)行自主探究，從而全方位提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。在基于初中化學(xué)學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)中，教師結(jié)合課本知識與工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境問題、時(shí)事政策等熱點(diǎn)話題，創(chuàng)設(shè)出學(xué)生認(rèn)知范圍內(nèi)的具有化學(xué)特色的研究課題，讓學(xué)生從已有的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，進(jìn)行知識和問題的探究與學(xué)習(xí)，[2]從而為學(xué)生的深度學(xué)習(xí)打開另一扇窗?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)過趣味化、安全化、微型化發(fā)展階段后，轉(zhuǎn)向信息技術(shù)時(shí)代背景下數(shù)字化教學(xué)形態(tài)。[3，4]數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的傳感器技術(shù)將抽象的概念以圖像與數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生進(jìn)行資源整合，培養(yǎng)多方位多角度解決問題的能力。

本研究性學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)基于STEM理念，設(shè)計(jì)裝置利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)使整個(gè)發(fā)酵凈化過程實(shí)時(shí)可見，實(shí)現(xiàn)了資源的再利用。[5，6]在活動(dòng)過程中培養(yǎng)了學(xué)生環(huán)保意識、生態(tài)意識、可持續(xù)發(fā)展意識，倡導(dǎo)學(xué)生形成簡約適度，綠色低碳的生活方式，將建設(shè)美麗中國落實(shí)于行動(dòng)之中。

一、教學(xué)分析

本研究性學(xué)習(xí)以氣體制取裝置的探究為核心，學(xué)生運(yùn)用氧氣及二氧化碳制取的知識解決產(chǎn)生沼氣的問題，在實(shí)驗(yàn)過程中依據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題不斷改進(jìn)裝置并使用數(shù)字化技術(shù)完善裝置，親身經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，最終完成利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣的任務(wù)。

1．教材分析

人教版九年級《化學(xué)》上冊第七單元課題2中通過圖7-29“沼氣的制取和利用”展示了我國農(nóng)村生產(chǎn)并利用沼氣的過程，旨在讓學(xué)生理解沼氣是一種可再生能源，可以通過發(fā)酵產(chǎn)生并應(yīng)用于生產(chǎn)生活。

2．學(xué)情分析

①學(xué)生學(xué)習(xí)了氧氣及二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法，初步掌握了制取氣體的一般思路和方法，可以應(yīng)用于利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣。

②學(xué)生能夠根據(jù)質(zhì)量守恒定律分析出沼氣中各成分的來源并利用酸堿鹽的相關(guān)知識找到凈化沼氣的方法。

3．教學(xué)目標(biāo)

①學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)氣體制備模型設(shè)計(jì)裝置制取沼氣。

②學(xué)生能在生活中發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題，應(yīng)用所學(xué)氣體制備知識設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和流程，完成實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在探究過程中針對出現(xiàn)的問題不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

③學(xué)生能初步形成保護(hù)環(huán)境和資源再利用的意識，體驗(yàn)化學(xué)對社會發(fā)展的重大意義。

二、項(xiàng)目實(shí)施流程及實(shí)錄

本研究性學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施流程如圖1所示。

項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生先設(shè)計(jì)出了一個(gè)簡單的制取沼氣的裝置（裝置1.0），發(fā)現(xiàn)三個(gè)問題，一是產(chǎn)生的沼氣有異味，二是出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，三是沼氣點(diǎn)燃存在安全隱患。對裝置進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，在其中加入除雜裝置和安全裝置（裝置2.0）。同時(shí)，也可以借助各種傳感器來實(shí)時(shí)表征沼氣中甲烷的含量以及凈化效果（裝置3.0），見圖2。

[提出問題]

生活中每天都會產(chǎn)生大量廚余垃圾，怎樣利用廚余垃圾制取沼氣以實(shí)現(xiàn)資源的再利用？

[查閱資料]

1．沼氣的主要成分是甲烷，甲烷是無色無味氣體，密度比空氣小，難溶于水。

2．厭氧發(fā)酵須在密閉環(huán)境中進(jìn)行，適宜溫度為40℃-50℃。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]實(shí)驗(yàn)過程見表1、表3、表4。

小組成員利用評價(jià)表進(jìn)行第一次自評與互評。

在檢驗(yàn)沼氣的過程中，發(fā)現(xiàn)沼氣有臭味，且點(diǎn)燃后有刺激性氣味，查閱資料結(jié)合硫元素守恒與轉(zhuǎn)化，分析得到臭味主要來自于硫化氫，得到沼氣凈化的必要性。在發(fā)酵過程中，由于晝夜溫差大，出現(xiàn)了倒吸現(xiàn)象。同時(shí)，沼氣作為可燃性氣體，直接點(diǎn)燃容易發(fā)生爆炸。為使裝置兼具防倒吸功能和安全性能，需要加入安全裝置。

小組成員利用類似表2的評價(jià)表就“能否收集各種證據(jù)，判斷雜質(zhì)的主要成分，能找到合理的方法判斷凈化效果”“能否依據(jù)探究目的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)操作”“能否和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)探究的成果，提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的假設(shè)”進(jìn)行第二次自評與互評。

實(shí)驗(yàn)至此，只能通過沼氣的可燃性判斷有甲烷產(chǎn)生，通過對比凈化前后液體pH判斷凈化效果，可否通過加入傳感器，實(shí)現(xiàn)定量監(jiān)測發(fā)酵凈化過程中的氣體含量呢？同學(xué)們又設(shè)計(jì)運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)裝置的3.0版。

本次研究性學(xué)習(xí)最終得到了一個(gè)集制取、凈化和收集于一體的具有定量測量功能的利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣的裝置。

小組成員利用評價(jià)表就“能否將各種傳感器加入實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，正確使用傳感器，完成實(shí)驗(yàn)操作”“能否對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理作圖，得到量化指標(biāo)判斷甲烷產(chǎn)率及凈化效果”進(jìn)行第三次自評與互評。

[收獲交流]

在探究實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各小組進(jìn)行了交流與討論。從反饋情況看，大多數(shù)小組都能基本完成研究計(jì)劃，設(shè)計(jì)出沼氣的制取裝置并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄與分析。有的小組還查閱了文獻(xiàn)，了解到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中沼氣的生產(chǎn)流程確實(shí)與本次最終得到的裝置的處理流程類似，體驗(yàn)了化學(xué)研究在生產(chǎn)中的真實(shí)應(yīng)用，獲得了成就感。有的小組由此次探究活動(dòng)聯(lián)想到了能否利用本次得到的裝置解決小區(qū)內(nèi)的能源問題。有的小組提到可以基于本次學(xué)習(xí)得到的裝置拓展探究范圍，例如探究影響產(chǎn)氣速率的因素等，將本次學(xué)習(xí)繼續(xù)。亦有小組提到可以在后續(xù)的活動(dòng)中進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)將發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣、沼液、沼渣分別利用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源再利用。本次研究性學(xué)習(xí)使學(xué)生獲得了區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有了更多展示和實(shí)現(xiàn)自我想法的機(jī)會，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

四、教學(xué)反思

本次研究性學(xué)習(xí)利用制取沼氣的真實(shí)情境，設(shè)計(jì)了問題鏈驅(qū)動(dòng)學(xué)生的活動(dòng)，使學(xué)生解決真實(shí)問題的能力在裝置改進(jìn)和優(yōu)化的過程中得以螺旋式提升。 研究性學(xué)習(xí)區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，充分以學(xué)生自主探究為主體。教師作為引導(dǎo)者與“研究伙伴”，在研究性學(xué)習(xí)進(jìn)行的過程中，何時(shí)應(yīng)該給予引導(dǎo)、何時(shí)又應(yīng)放手讓學(xué)生自主，仍需在后續(xù)教學(xué)中不斷摸索。

參考文獻(xiàn)

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