滕　佼

基于STEM理念的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“自制肥皂”為例

滕佼

（哈爾濱師范大學(xué)教師教育學(xué)院,黑龍江哈爾濱150025）

STEM教育模式是綜合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)多個(gè)學(xué)科于一體的綜合教育模式，是一種能夠培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的教育模式。STEM的概念在美國(guó)誕生，后來逐漸發(fā)展為被多個(gè)國(guó)家所認(rèn)可和接受的跨學(xué)科教育模式。近幾年來，STEM教育模式逐漸地進(jìn)入了中國(guó)的課堂，許多教師開始在STEM理念指導(dǎo)下進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)探索。該文以“自制肥皂”為例，基于STEM的教育理念對(duì)其進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。文章簡(jiǎn)要介紹了STEM教育理念，然后對(duì)教材內(nèi)容、課程標(biāo)準(zhǔn)以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)特征進(jìn)行剖析，之后給出符合STEM理念的教學(xué)目標(biāo)，最后呈現(xiàn)出完整的教學(xué)過程設(shè)計(jì)，以期為一線教師設(shè)計(jì)STEM教學(xué)案例提供思路。

STEM理念；高中化學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

新課程改革之后，化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)被重新修訂，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》于2018年1月正式出版，依據(jù)新課標(biāo)編寫的《普通高中教科書（化學(xué)）》也在2019年陸續(xù)出版并正式投入中學(xué)使用。隨著社會(huì)向前發(fā)展，知識(shí)也在不斷進(jìn)步和更新，對(duì)教科書的內(nèi)容和質(zhì)量也提出了更高要求。新課標(biāo)中也融入了新的教育理念，依據(jù)新課標(biāo)編制的教科書在內(nèi)容選取和內(nèi)容組織上均做出了相應(yīng)改變，教師使用在新教育理念的指引下編制的新教科書進(jìn)行教學(xué)，能夠順應(yīng)教育教學(xué)改革的趨勢(shì)，更加貼近學(xué)生思想和生活實(shí)際，以適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展需要。新版課程標(biāo)準(zhǔn)頒布后，之前的三維目標(biāo)變成了五維核心素養(yǎng)，因此化學(xué)學(xué)科的五維核心素養(yǎng)就成為化學(xué)教學(xué)培養(yǎng)的重點(diǎn)，在化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中融入STEM理念，在課堂上實(shí)施STEM教育，可以從多方面更好地培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，從而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。本文以人教版高中化學(xué)選擇性必修3中“自制肥皂”的內(nèi)容為例，制定了基于STEM理念的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，希望能夠?qū)處熢O(shè)計(jì)STEM教學(xué)時(shí)提供一點(diǎn)幫助。

一、STEM教育理念

STEM教育理念最初從美國(guó)發(fā)源，它是由四個(gè)英文單詞的首字母縮寫而成的，這四個(gè)英文單詞分別是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）。所以STEM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四個(gè)領(lǐng)域于一體的多學(xué)科融合的綜合教育，它的重點(diǎn)在于打破學(xué)科領(lǐng)域的邊界。需要注意的一點(diǎn)是，STEM教育并不是將四門學(xué)科簡(jiǎn)單、機(jī)械地疊加在一起，而是將原本零散而又分散的學(xué)科重新地進(jìn)行有機(jī)整合，整合成一個(gè)有效的整體，整合完后在整個(gè)教育過程中具有多種學(xué)科素養(yǎng)，它們之間相互促進(jìn)、相輔相成。在教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生開展STEM教育，可以同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)，在最大程度上拓展學(xué)生的知識(shí)范圍，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新能力以及解決問題的能力等等，這足以為國(guó)家科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供穩(wěn)定的人才支撐。

二、“自制手工皂”的教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)分析

1.教材內(nèi)容分析

本文以“自制肥皂”這個(gè)課題作為研究對(duì)象，“自制肥皂”的內(nèi)容位于新版人教版高中化學(xué)選擇性必修3的第三章（第80頁）的“研究與實(shí)踐”欄目當(dāng)中，書上給出了研究目的、研究任務(wù)和結(jié)果與討論三方面內(nèi)容，其中提到通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法制取肥皂，體驗(yàn)化學(xué)知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)是教材編寫、教學(xué)評(píng)價(jià)和考試命題的依據(jù)，是國(guó)家管理和評(píng)價(jià)課程的基礎(chǔ)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在選擇性必修課程模塊3“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”的主題2中，在學(xué)習(xí)活動(dòng)建議里提到了“油脂的皂化反應(yīng)與肥皂的洗滌作用”，在情景素材建議里提到“制皂原理”。本文基于STEM理念對(duì)“自制肥皂”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)是在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)完了羧酸衍生物的知識(shí)并掌握了油脂的重要化學(xué)性質(zhì)——皂化反應(yīng)之后。學(xué)生們有了前期學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)作為理論支撐，然后進(jìn)行STEM理念的教學(xué)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行STEM教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)“制皂原理”理解得更加深刻，對(duì)“皂化反應(yīng)”掌握得更加牢固，同時(shí)了解肥皂的去污原理，從而達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)給出的教學(xué)要求。

2.學(xué)習(xí)者特征分析

處于高二階段的學(xué)生經(jīng)過高一的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，這個(gè)階段他們已經(jīng)熟練掌握了化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，并且在進(jìn)行本節(jié)STEM實(shí)踐課之前學(xué)生們已經(jīng)學(xué)習(xí)和掌握了油脂的堿性水解，也就是皂化反應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)，但是學(xué)生們對(duì)制作手工皂的基本流程、具體的制皂原理以及制皂過程中涉及的其他物理、數(shù)學(xué)以及工程等知識(shí)還有所欠缺。

高中生正處于好奇心過勝的階段，讓高中階段的學(xué)生親自動(dòng)手制作生活中常用的肥皂，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，增加學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的熱愛。

（二）基于STEM理念的教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)選擇的課題，以《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)，基于STEM理念為“自制肥皂”課題制定的教學(xué)目標(biāo)如下：

S（科學(xué)）：學(xué)習(xí)油脂的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，能夠熟練寫出制作手工皂的化學(xué)方程式以及掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，從微觀層面理解表面活性劑和肥皂的去污原理。

T（技術(shù)）：了解目前工業(yè)上制作肥皂的工藝流程，以已有知識(shí)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)本次教學(xué)實(shí)踐的工藝流程圖，理解知識(shí)和技術(shù)之間的關(guān)系。

E（工程）：依據(jù)設(shè)計(jì)好的制作手工皂的工藝流程圖，按照流程圖制作手工皂，并在展示交流過程中不斷進(jìn)行改進(jìn)。

M（數(shù)學(xué)）：數(shù)學(xué)學(xué)科是這次教學(xué)實(shí)踐的一個(gè)重要輔助工具，利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中藥品的用量的計(jì)算、稱量以及對(duì)溫度的把控，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

（三）教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1.創(chuàng)設(shè)情境，鞏固舊知

【情景導(dǎo)入】教師在多媒體上播放有關(guān)肥皂的電視廣告，然后展示手工皂的圖片，再向同學(xué)們實(shí)物展示各色各樣的手工皂。

【教師活動(dòng)】同學(xué)們，大家平時(shí)是不是都用肥皂洗手??？肥皂是我們衛(wèi)生間里面常見的一種清潔用品，古人在很早之前就發(fā)現(xiàn)了皂莢，用它洗頭發(fā)、洗衣服。后來人們又發(fā)現(xiàn)了一種與它性能十分相似的果實(shí)，因其比皂莢更加肥厚飽滿，所以古人就給這種果實(shí)取名為肥皂子。直到后來人造去污劑的出現(xiàn)，也就沿用了之前的名字，依舊取名為肥皂。那大家知道肥皂是怎么制造出來的嗎？大家想自己動(dòng)手制造手工皂嗎？

【教師活動(dòng)】在制作手工皂之前，先回顧一下上節(jié)課學(xué)習(xí)的有關(guān)油脂的相關(guān)知識(shí)。

【多媒體展示】在多媒體上播放上節(jié)課學(xué)習(xí)的油脂的相關(guān)知識(shí)。相關(guān)知識(shí)都包括油脂的主要成分、組成油脂的高級(jí)脂肪酸的種類和固態(tài)油脂和液態(tài)油脂的分類。還有油脂的化學(xué)性質(zhì)，與堿發(fā)生皂化反應(yīng)的反應(yīng)原理等知識(shí)。

【學(xué)生活動(dòng)】在教師的帶領(lǐng)下深度鞏固有關(guān)油脂的基礎(chǔ)知識(shí)，將皂化反應(yīng)的反應(yīng)原理熟記于心。

設(shè)計(jì)意圖：通過播放肥皂廣告、展示肥皂圖片以及展示肥皂實(shí)物作為本節(jié)課的導(dǎo)入，從多個(gè)感官吸引了學(xué)生的注意，引出課程主題，抓住學(xué)生眼球，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生對(duì)制作手工皂的探究欲望。通過復(fù)習(xí)之前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，為后續(xù)制作手工皂提供知識(shí)基礎(chǔ)，體現(xiàn)科學(xué)思想。

2.知識(shí)鏈接，交流討論

【教師活動(dòng)】教師向同學(xué)們講述油脂的皂化反應(yīng)就是制造手工皂最重要的反應(yīng)原理。然后請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)閱讀桌子上教師課前發(fā)給大家的紙質(zhì)資料，資料上印的是一些古書中記載的有關(guān)古人制作肥皂的配方，請(qǐng)大家仔細(xì)閱讀然后小組討論?；卮鸾處煹南铝袉栴}：（1）古人的配方中，都有哪些共同的成分呢？（2）你們認(rèn)為制作手工皂的關(guān)鍵成分是什么？（3）能否用日常生活中或者實(shí)驗(yàn)室里面的物品代替這些關(guān)鍵成分呢？

【學(xué)生活動(dòng)和小組討論】學(xué)生仔細(xì)閱讀教師課前發(fā)放的資料，然后四人為一個(gè)小組交流討論，得出古人制皂中用到的共同物品是豬胰或豬油，還有皂角。認(rèn)為古人制皂共同用到的東西就是制造手工皂的關(guān)鍵成分。

【教師引導(dǎo)】豬胰和豬油中的主要成分就是屬于上節(jié)課所學(xué)的油脂，那可以用橄欖油、花生油等代替。那么皂角呢？它其實(shí)是一種堿性的物質(zhì)，大家覺得用實(shí)驗(yàn)室的什么藥品代替呢？

【學(xué)生回答】用NaOH來代替。

【教師總結(jié)】制作手工皂最關(guān)鍵的成分是油脂+堿液，用到的反應(yīng)主要是油脂的皂化反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過讓學(xué)生獨(dú)自閱讀資料并總結(jié)出制作手工皂需要的重要原料，體現(xiàn)知識(shí)和技術(shù)相結(jié)合的思想。讓學(xué)生獨(dú)自閱讀能夠培養(yǎng)學(xué)生閱讀資料并提取關(guān)鍵信息的能力，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，同時(shí)教師提出問題引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，還能培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

3.探究設(shè)計(jì)，展示交流

教師提前準(zhǔn)備材料：酒精燈、玻璃棒、三腳架、石棉網(wǎng)、燒杯、橄欖油（豬油或者其他動(dòng)植物脂）、氫氧化鈉、人工色素、酒精、蒸餾水、飽和食鹽水、模具等。

【教師活動(dòng)】用PPT展示幾種常見的制皂方法：冷制法、熱制法、再生制皂法和融化再制皂法。然后向?qū)W生呈現(xiàn)目前工業(yè)上制取肥皂的工藝流程。下面請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)上節(jié)課學(xué)習(xí)的皂化反應(yīng)的原理和剛剛講到的幾種制作手工皂的方法，四人為一個(gè)小組，從桌子上教師已經(jīng)準(zhǔn)備好的材料中選取認(rèn)為合適的儀器及藥品，討論其制作方案并畫出制作流程圖。

【小組討論】小組自由討論，合作探究，自主選擇相應(yīng)藥品和儀器，設(shè)計(jì)制作肥皂的方案，將流程圖畫出。

【展示交流】請(qǐng)每一小組派出一個(gè)同學(xué)作為代表，將組內(nèi)成員一起討論出的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行交流展示，介紹設(shè)計(jì)原理及提出過程中遇到的問題。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)常見的制皂方法以及工業(yè)上生產(chǎn)肥皂的工藝流程圖，結(jié)合教師提供的實(shí)驗(yàn)藥品和儀器，學(xué)生們小組合作得出他們制作手工皂的流程圖，體現(xiàn)工程思想。培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，同時(shí)采用小組合作的形式，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)。

4.確定方案，工程制作

【教師活動(dòng)】對(duì)每一個(gè)小組匯報(bào)的流程圖進(jìn)行評(píng)價(jià)，指出它們的優(yōu)點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方，最終確定手工皂制作方案。然后向?qū)W生講授皂化價(jià)和INS值的專業(yè)知識(shí)，教給學(xué)生制作手工皂時(shí)各原料用料的計(jì)算方法，包括油脂的用量、所需堿的質(zhì)量、加入水的質(zhì)量以及所選配方的硬度。

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)教師的講解，修改自己小組設(shè)計(jì)的手工皂制作流程圖，同時(shí)計(jì)算出制作過程中需要的各原料的用量。

【工程制作】制作方案：（1）首先用天平準(zhǔn)確稱量油脂的質(zhì)量，用量筒量取95%的酒精和氫氧化鈉溶液；（2）取一個(gè)潔凈的燒杯，先后加入剛剛稱量和量取的油脂、酒精和氫氧化鈉溶液，用玻璃棒持續(xù)攪拌使其溶解，待其溶解后按照同學(xué)們的個(gè)人喜好加入少許人工色素；（3）取三腳架置于桌上，石棉網(wǎng)置于三腳架上，將上一步準(zhǔn)備好的燒杯放在上面之后點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)燒杯小火加熱，或者將燒杯置于水浴中采取水浴加熱，在加熱期間拿玻璃棒不斷攪拌；（4）皂化反應(yīng)進(jìn)行完全后，在燒杯中緩慢加入熱的蒸餾水，然后持續(xù)攪拌，待攪拌到燒杯中的液體變得十分黏稠之后，將其緩慢地倒入熱的飽和食鹽水中，加入過程中不停地?cái)嚢瑁唬?）同學(xué)們自行選擇喜歡的圖案模具，然后將攪拌好的溶液倒入選好的模具中靜置，等待完全凝固、成型。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)并修改的方案，以及計(jì)算出的各原料用量，自己動(dòng)手按照流程圖和操作步驟制作手工皂。

【教師活動(dòng)】等到同學(xué)們制作的手工皂完全凝固成型后，教師組織進(jìn)行手工皂的展示交流會(huì)。

【學(xué)生活動(dòng)】各小組展示自己的手工皂作品，說出自己在制作手工皂的過程中遇到的問題。對(duì)于沒有成功做出手工皂的小組，大家一起交流分析找出原因。最后大家投票選出最喜歡的一組手工皂。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)教師的講授，學(xué)生們自行計(jì)算自己制作手工皂需要的實(shí)驗(yàn)用品用量，在工程中滲透了數(shù)學(xué)思想，培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力和計(jì)算能力；在學(xué)生動(dòng)手制作手工皂的過程中，進(jìn)一步鞏固了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)操作能力；各小組展示自己的手工皂成品，分析成敗關(guān)鍵，能夠提升學(xué)生的語言表達(dá)能力和分析解決實(shí)際問題的能力。

5.知識(shí)深化，思考延伸

【教師活動(dòng)】制作完肥皂后，引導(dǎo)學(xué)生思考肥皂去污的原理以及講解表面活性劑相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行知識(shí)深化與提升。多媒體展示表面活性劑的概念和作用機(jī)理，放出肥皂去污原理圖，讓同學(xué)討論總結(jié)，嘗試自己說出肥皂去污原理。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師指引，仔細(xì)觀察原理圖，解釋肥皂去污原理。

【教師活動(dòng)】請(qǐng)同學(xué)們思考，工廠制作肥皂過程中怎么設(shè)計(jì)才能達(dá)到綠色化學(xué)的要求。

【學(xué)生回答】在本節(jié)制作肥皂的基礎(chǔ)上，學(xué)生討論總結(jié)回答，要達(dá)到綠色化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，原料必須便宜簡(jiǎn)單易得，中間產(chǎn)物達(dá)到回收再利用等。

【課堂小結(jié)】對(duì)整節(jié)課的知識(shí)進(jìn)行全面的總結(jié)，向?qū)W生發(fā)放《表面活性劑——制作手工皂》的課后測(cè)試題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：完成手工皂的制作與展示后，再次聚焦知識(shí)層面，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)肥皂的去污原理，了解表面活性劑相關(guān)知識(shí)。并且通過讓學(xué)生思考工業(yè)制皂怎樣達(dá)到綠色化學(xué)的要求，體現(xiàn)“綠色化學(xué)”的工程思想，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展觀念，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、總結(jié)與啟示

本節(jié)課筆者以“自制肥皂”的內(nèi)容為主題，對(duì)其進(jìn)行基于STEM理念的教學(xué)設(shè)計(jì)，將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)這四個(gè)學(xué)科素養(yǎng)滲透在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中。貼近生活的主題可以讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)與日常生活緊密聯(lián)系，完成理論知識(shí)到生活實(shí)踐的轉(zhuǎn)化。整個(gè)過程中，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了學(xué)科理論知識(shí)，動(dòng)手操作的能力得到提高，同時(shí)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)也得到培養(yǎng)。

[1] 馬騁.基于STEM教育的高中化學(xué)教學(xué)目標(biāo)與評(píng)價(jià)研究[D].開封:河南大學(xué),2019.

[2] 葉躍芬.融合STEM理念的初中科學(xué)教學(xué)實(shí)踐探索[A];2019全國(guó)教育教學(xué)創(chuàng)新與發(fā)展高端論壇論文集(卷七).[C],2019.

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