曹文倩

摘要：本研究性學習探究了如何利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣以實現(xiàn)資源的再利用。通過三次實驗，根據(jù)實驗中發(fā)現(xiàn)的問題不斷改進裝置，同時借助數(shù)字化設(shè)備，最終得到了一個集制取、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。在教學過程中培養(yǎng)學生保護環(huán)境和資源再利用的意識，使學生體驗化學對社會發(fā)展的重大意義。用形成性評價，通過教、學、評一體化實施促進學生學科核心素養(yǎng)的逐步形成與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM教育；數(shù)字化實驗；研究性學習；教學評一體化

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0072-04

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

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

初中化學課程標準指出化學教學注重從學生已有的生活知識和經(jīng)驗出發(fā)，從學生熟悉的生活情境和社會實踐中體會化學與技術(shù)、社會、環(huán)境的緊密關(guān)系。[1]STEM教育的學習特點是以學生為中心，設(shè)計驅(qū)動性問題，促使學生對真實的問題進行自主探究，從而全方位提升學生的綜合素質(zhì)。在基于初中化學學科的研究性學習中，教師結(jié)合課本知識與工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境問題、時事政策等熱點話題，創(chuàng)設(shè)出學生認知范圍內(nèi)的具有化學特色的研究課題，讓學生從已有的生活經(jīng)驗出發(fā)，進行知識和問題的探究與學習，[2]從而為學生的深度學習打開另一扇窗。化學實驗教學經(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)時代背景下數(shù)字化教學形態(tài)。[3，4]數(shù)字化實驗中的傳感器技術(shù)將抽象的概念以圖像與數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來，幫助學生進行資源整合，培養(yǎng)多方位多角度解決問題的能力。

本研究性學習的設(shè)計基于STEM理念，設(shè)計裝置利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣，利用數(shù)字化實驗技術(shù)使整個發(fā)酵凈化過程實時可見，實現(xiàn)了資源的再利用。[5，6]在活動過程中培養(yǎng)了學生環(huán)保意識、生態(tài)意識、可持續(xù)發(fā)展意識，倡導學生形成簡約適度，綠色低碳的生活方式，將建設(shè)美麗中國落實于行動之中。

一、教學分析

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

1．教材分析

人教版九年級《化學》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)生并應用于生產(chǎn)生活。

2．學情分析

①學生學習了氧氣及二氧化碳的實驗室制法，初步掌握了制取氣體的一般思路和方法，可以應用于利用廚余垃圾產(chǎn)生沼氣。

②學生能夠根據(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．教學目標

①學生能運用所學氣體制備模型設(shè)計裝置制取沼氣。

②學生能在生活中發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學問題，應用所學氣體制備知識設(shè)計實驗裝置和流程，完成實驗，記錄實驗現(xiàn)象，在探究過程中針對出現(xiàn)的問題不斷改進實驗裝置。

③學生能初步形成保護環(huán)境和資源再利用的意識，體驗化學對社會發(fā)展的重大意義。

二、項目實施流程及實錄

本研究性學習的設(shè)計思路和實施流程如圖1所示。

項目實施過程中，學生先設(shè)計出了一個簡單的制取沼氣的裝置（裝置1.0），發(fā)現(xiàn)三個問題，一是產(chǎn)生的沼氣有異味，二是出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，三是沼氣點燃存在安全隱患。對裝置進行進一步改進，在其中加入除雜裝置和安全裝置（裝置2.0）。同時，也可以借助各種傳感器來實時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)境中進行，適宜溫度為40℃-50℃。

[進行實驗]實驗過程見表1、表3、表4。

小組成員利用評價表進行第一次自評與互評。

在檢驗沼氣的過程中，發(fā)現(xiàn)沼氣有臭味，且點燃后有刺激性氣味，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，沼氣作為可燃性氣體，直接點燃容易發(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)化實驗方案，完成實驗操作”“能否和同學交流實驗探究的成果，提出進一步探究或改進實驗的假設(shè)”進行第二次自評與互評。

實驗至此，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，實現(xiàn)定量監(jiān)測發(fā)酵凈化過程中的氣體含量呢？同學們又設(shè)計運用了實驗裝置的3.0版。

本次研究性學習最終得到了一個集制取、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。

小組成員利用評價表就“能否將各種傳感器加入實驗方案，設(shè)計實驗裝置，正確使用傳感器，完成實驗操作”“能否對數(shù)據(jù)進行處理作圖，得到量化指標判斷甲烷產(chǎn)率及凈化效果”進行第三次自評與互評。

[收獲交流]

在探究實驗結(jié)束后，各小組進行了交流與討論。從反饋情況看，大多數(shù)小組都能基本完成研究計劃，設(shè)計出沼氣的制取裝置并對實驗結(jié)果進行記錄與分析。有的小組還查閱了文獻，了解到實際工業(yè)生產(chǎn)中沼氣的生產(chǎn)流程確實與本次最終得到的裝置的處理流程類似，體驗了化學研究在生產(chǎn)中的真實應用，獲得了成就感。有的小組由此次探究活動聯(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習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，將本次學習繼續(xù)。亦有小組提到可以在后續(xù)的活動中進一步優(yōu)化改進裝置，實現(xiàn)將發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣、沼液、沼渣分別利用，進一步實現(xiàn)資源再利用。本次研究性學習使學生獲得了區(qū)別于傳統(tǒng)教學的學習體驗，有了更多展示和實現(xiàn)自我想法的機會，極大地激發(fā)了學生學習化學的興趣。

四、教學反思

本次研究性學習利用制取沼氣的真實情境，設(shè)計了問題鏈驅(qū)動學生的活動，使學生解決真實問題的能力在裝置改進和優(yōu)化的過程中得以螺旋式提升。 研究性學習區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教學，充分以學生自主探究為主體。教師作為引導者與“研究伙伴”，在研究性學習進行的過程中，何時應該給予引導、何時又應放手讓學生自主，仍需在后續(xù)教學中不斷摸索。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2011年版）[S]．北京：北京師范大學出版社，2012．

[2] 馬宏佳．化學數(shù)字化實驗的理論與實踐[M]．北京：人民教育出版社，2016：10．

[3] 鄭葳，中國STEAM教育發(fā)展報告[M].北京：科學出版社，2017：131.

[4]戴靜雅．STEAM和數(shù)字化實驗在高中化學教學中的實踐研究[D]．合肥：合肥師范學院，2021．

[5] 蘇西·博斯，簡·克勞斯．PBL項目制學習[M]．北京：中國紡織出版社．2020．

[6] 王玨，鄧嫦圓．基于小組合作探究模式研制STEM課堂教學評價量表[J]．生物學通報，2017，52（12）：12-15.