基于STEM素養(yǎng)的項(xiàng)目化教學(xué)案例分析——以“含銅酸性廢水的處理”為例

李南方 解子洋

摘要：通過(guò)真實(shí)的工程問(wèn)題“含銅酸性廢水的處理”，創(chuàng)設(shè)工業(yè)情境，以化學(xué)知識(shí)為核心，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)技能、數(shù)學(xué)計(jì)算融入，展示了項(xiàng)目的開發(fā)和活動(dòng)的實(shí)施過(guò)程。在基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)中，學(xué)生圍繞主題進(jìn)行活動(dòng)參與、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、問(wèn)題解決，有利于培養(yǎng)信息時(shí)代高中生的化學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM素養(yǎng);基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí);廢水處理

文章編號(hào)：1008-0546（2019）02-0015-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、STEM素養(yǎng)及基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)概述

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）及數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱。STEM教育是一種整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容指引學(xué)習(xí)和教學(xué)的途徑[1]。工程設(shè)計(jì)思想的融入，提高了課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的實(shí)用性?，F(xiàn)實(shí)的工程問(wèn)題往往無(wú)法憑一門學(xué)科知識(shí)解決，必須依靠多學(xué)科的協(xié)同。STEM素養(yǎng)是一種個(gè)體在工程、技術(shù)、科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域及其交叉領(lǐng)域中運(yùn)用個(gè)人知識(shí)的能力，是在掌握科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等理工科知識(shí)的基礎(chǔ)上具有的獨(dú)立提問(wèn)、設(shè)計(jì)、分析、推斷和運(yùn)算的能力，是一種獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合素養(yǎng)，由科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)四個(gè)方面構(gòu)成。

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL），指學(xué)習(xí)過(guò)程圍繞某個(gè)具體的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，充分選擇和利用學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生提供融入真實(shí)情境的體驗(yàn)。PBL是“以學(xué)生為主體、以問(wèn)題為起點(diǎn)、以項(xiàng)目工作”為重要環(huán)節(jié)，將知識(shí)獲得與知識(shí)應(yīng)用相結(jié)合的探究型學(xué)習(xí)模式[2]。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、跨學(xué)科整合、情景與合作等，核心是將分散的學(xué)科領(lǐng)域整合于問(wèn)題的項(xiàng)目活動(dòng)，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域知識(shí)與技能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，理解學(xué)科的核心概念。

二、STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)分析

1.學(xué)習(xí)者分析

本項(xiàng)目適用于《化學(xué)反應(yīng)原理》學(xué)習(xí)之后，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)沉淀溶解平衡、平衡移動(dòng)以及反應(yīng)速率的影響因素等相關(guān)知識(shí)，具備分析研究物質(zhì)性質(zhì)的一般方法，有一定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)和探究能力。但在陌生工藝情境中的信息加工能力有待提高，理論應(yīng)用于實(shí)際意識(shí)比較淡薄。酸性含銅廢水的處理原理難度適中，具有一定的學(xué)科跨度，涉及到STEM教學(xué)的維度較多，學(xué)生可以通過(guò)所學(xué)習(xí)的原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、解決實(shí)際問(wèn)題，故而選取“酸性含銅廢水的處理”這一貼合實(shí)際的工業(yè)情境為一個(gè)完整的STEM項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。

2.跨學(xué)科知識(shí)分析

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以沉淀溶解平衡知識(shí)為主要知識(shí)點(diǎn)，兼顧其他學(xué)科知識(shí)的跨學(xué)科整合。跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)如表1。

三、項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程及STEM素養(yǎng)體現(xiàn)

傳統(tǒng)的PBL教學(xué)模式實(shí)施流程包括：設(shè)計(jì)與選擇項(xiàng)目、制定計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品設(shè)計(jì)、成果交流和效果評(píng)價(jià)六個(gè)環(huán)節(jié)[3]，本項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程兼顧探究性學(xué)習(xí)及工程設(shè)計(jì)，結(jié)合化學(xué)學(xué)習(xí)的特性，以創(chuàng)設(shè)情境、構(gòu)思與確立方案、實(shí)驗(yàn)與構(gòu)建、重構(gòu)與優(yōu)化方案、活動(dòng)與探究、評(píng)價(jià)與反思六個(gè)過(guò)程構(gòu)成。本項(xiàng)目知識(shí)融合性強(qiáng)，實(shí)用性廣，項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)思路及STEM素養(yǎng)體現(xiàn)如圖1。

四、以項(xiàng)目為中心的教學(xué)活動(dòng)實(shí)施

1.創(chuàng)設(shè)工程情境：觀看視頻引發(fā)工程問(wèn)題。

【情境】播放含銅酸性廢水排人江中造成魚類死亡、水體污染的危害。

【問(wèn)題】如何將含銅酸性廢水加以處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)？展示含銅酸性廢水和達(dá)標(biāo)水中Cue'和H'濃度（見表2）[5]。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)工程問(wèn)題情境，幫助學(xué)生識(shí)別工程問(wèn)題，引入相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)學(xué)計(jì)算做鋪墊，同時(shí)引發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，正確理解科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。

2.構(gòu)思與確立方案：初步選取解決方案——中和沉淀法。

【問(wèn)題】選擇哪種堿進(jìn)行中和？為什么？展示相關(guān)堿的價(jià)格。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識(shí)到控制成本在解決工程問(wèn)題中的重要性。

【問(wèn)題鏈】25℃時(shí)，K_sp[Cu（OH）₂]為2.2×10^-20，若將水處理為中性水，Cu²⁺排放可否達(dá)標(biāo)？能否通過(guò)其它辦法使Cu²⁺排放達(dá)標(biāo)？展示25℃時(shí)Cu（OH）₂和CuS溶解度。

【學(xué)生】經(jīng)計(jì)算，加堿處理則Cu²⁺排放不達(dá)標(biāo)?？梢詫u²⁺轉(zhuǎn)化為硫化物沉淀。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)行STEM項(xiàng)目中數(shù)學(xué)知識(shí)的教學(xué)，強(qiáng)化定量計(jì)算的核心素養(yǎng)，通過(guò)問(wèn)題鏈刺激學(xué)生思考和探究，為工程設(shè)計(jì)過(guò)程中方案的確立做鋪墊。

3.實(shí)驗(yàn)與構(gòu)建：通過(guò)實(shí)驗(yàn)打破之前解決方案的局限性，構(gòu)建新方案——硫化物沉淀法。

[演示實(shí)驗(yàn)]將模擬廢水（0.05mol/L H₂SO₄和0.05mol/L CUSO₄混合溶液，下同）中加入過(guò)量熟石灰粉末，可觀察到有藍(lán)色絮狀沉淀。滴加硫化鈉溶液，觀察現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)行STEM項(xiàng)目中數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)的教學(xué)，為工程設(shè)計(jì)過(guò)程中方案的確立做鋪墊。

【問(wèn)題】選擇什么物質(zhì)作為沉淀劑？原因？展示Na2S、FeS、ZnS的價(jià)格。已知25℃時(shí)，K_sp（FeS）=6.3×10^-18、K_sp（CuS）=1.3×10^-36。

【學(xué)生】選擇FeS，因?yàn)閮r(jià)格便宜。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】取FeS、Na₂S分別與模擬廢水反應(yīng)，觀察現(xiàn)象并對(duì)比。

設(shè)計(jì)意圖：將工程問(wèn)題中數(shù)學(xué)計(jì)算與科學(xué)知識(shí)結(jié)合，使用對(duì)比、預(yù)測(cè)的科學(xué)方法，通過(guò)宏觀現(xiàn)象觀察，思考微觀變化和符號(hào)表征。

【問(wèn)題鏈】通過(guò)哪些現(xiàn)象證明反應(yīng)發(fā)生？哪種硫化物反應(yīng)速率較快？為什么？如果你是環(huán)境工程師，會(huì)選擇哪種硫化物進(jìn)行污水處理？

【展示】FeS與模擬廢水反應(yīng)兩小時(shí)前后的溶液顏色對(duì)比，用pH計(jì)測(cè)量反應(yīng)中pH的變化。證明FeS與模擬廢水確實(shí)可以反應(yīng)。

【學(xué)生】選擇Na₂S做沉淀劑。FeS速率過(guò)慢。

設(shè)計(jì)意圖：強(qiáng)化科學(xué)核心知識(shí)，通過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行證據(jù)推理，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)使微觀現(xiàn)象變化“可視化”，強(qiáng)調(diào)STEM項(xiàng)目中的技術(shù)學(xué)習(xí)。認(rèn)識(shí)工程問(wèn)題中的“成本”問(wèn)題不僅僅是價(jià)格，還需要考慮反應(yīng)速率，為工程設(shè)計(jì)中方案的確立做出鋪墊。

4.方案重構(gòu)與優(yōu)化：將兩種方案進(jìn)行整合，并進(jìn)行綜合處理。

【教師】告知學(xué)生工業(yè)上常用Na₂S、NaHS作沉淀劑。

【問(wèn)題鏈】用硫化物處理含銅酸性廢水，有沒(méi)有二次污染？產(chǎn)生的氣體是什么物質(zhì)？硫化氫氣體有毒，如何處理？

【討論】師生共同討論怎樣將含銅酸性廢水綜合處理，結(jié)論如圖2所示。

設(shè)計(jì)意圖：意識(shí)到硫化物的二次污染，認(rèn)識(shí)工程問(wèn)題中循環(huán)利用的重要性。引導(dǎo)學(xué)生初步形成綜合利用的思想。

5.活動(dòng)與探究：介紹吸附沉淀法、比色法，認(rèn)識(shí)數(shù)字化技術(shù)。

【活動(dòng)】展示活性炭吸附模擬廢水前后顏色對(duì)比圖。計(jì)算活性炭吸附廢水中Cu²⁺去除率。

設(shè)計(jì)意圖：由定性分析上升至定量計(jì)算。

【活動(dòng)】知識(shí)延伸：介紹比色法和朗伯一比爾定律，給出教師事先做好的1g（1/T）-c曲線及線性回歸方程，如圖3所示。

【活動(dòng)】將久置5小時(shí)的活性炭與模擬廢水混合物過(guò)濾，取濾液加入氨水，測(cè)量其透光率[6]。

【學(xué)生】根據(jù)透光率的數(shù)值計(jì)算此時(shí)銅離子濃度，計(jì)算去除率。

設(shè)計(jì)意圖：引入比色法和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化工程問(wèn)題中的技術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方法和技術(shù)的聯(lián)用，培養(yǎng)學(xué)生讀圖、分析和處理數(shù)據(jù)的能力。

6.評(píng)價(jià)與溝通：總結(jié)與提升。

【討論】工業(yè)上常用的幾種含銅酸性廢水的處理方式的利與弊。得出小結(jié)見表3。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)討論強(qiáng)化合作意識(shí)，對(duì)廢水處理方案進(jìn)行對(duì)比、評(píng)估。引導(dǎo)學(xué)生以全局觀念角度，意識(shí)到真實(shí)工程情境問(wèn)題中的制約因素，在討論中進(jìn)行反思與闡述，實(shí)現(xiàn)工程素養(yǎng)的強(qiáng)化。

五、結(jié)論與啟示

“含銅酸性廢水的處理”項(xiàng)目基于沉淀溶解平衡，綜合跨學(xué)科知識(shí)，涵蓋了定量計(jì)算思想、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)、操作Excel軟件、建立函數(shù)模型等，具有高度的融合性，落實(shí)了現(xiàn)代工業(yè)情境下中學(xué)生STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)?；谂囵B(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)的項(xiàng)目化課程，是解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)過(guò)程，提供了一種新穎的課堂體驗(yàn)。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)中工程設(shè)計(jì)的融入，提高了理論知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)用性，在教學(xué)中融合STEM理念是未來(lái)化學(xué)教學(xué)的方向。

參考文獻(xiàn)

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