基于STEM理念的研究性學習

曹文倩

摘要：本研究性學習探究了如何利用廚余垃圾產生沼氣以實現資源的再利用。通過三次實驗，根據實驗中發現的問題不斷改進裝置，同時借助數字化設備，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生沼氣的裝置。在教學過程中培養學生保護環境和資源再利用的意識，使學生體驗化學對社會發展的重大意義。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的逐步形成與發展。

關鍵詞：STEM教育；數字化實驗；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驗出發，從學生熟悉的生活情境和社會實踐中體會化學與技術、社會、環境的緊密關系。[1]STEM教育的學習特點是以學生為中心，設計驅動性問題，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。在基于初中化學學科的研究性學習中，教師結合課本知識與工業生產、環境問題、時事政策等熱點話題，創設出學生認知范圍內的具有化學特色的研究課題，讓學生從已有的生活經驗出發，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?；瘜W實驗教學經過趣味化、安全化、微型化發展階段后，轉向信息技術時代背景下數字化教學形態。[3，4]數字化實驗中的傳感器技術將抽象的概念以圖像與數據的形式呈現出來，幫助學生進行資源整合，培養多方位多角度解決問題的能力。

本研究性學習的設計基于STEM理念，設計裝置利用廚余垃圾產生沼氣，利用數字化實驗技術使整個發酵凈化過程實時可見，實現了資源的再利用。[5，6]在活動過程中培養了學生環保意識、生態意識、可持續發展意識，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生沼氣的問題，在實驗過程中依據發現的問題不斷改進裝置并使用數字化技術完善裝置，親身經歷科學探究的過程，最終完成利用廚余垃圾產生沼氣的任務。

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”展示了我國農村生產并利用沼氣的過程，旨在讓學生理解沼氣是一種可再生能源，可以通過發酵產生并應用于生產生活。

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生沼氣。

②學生能夠根據質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計裝置制取沼氣。

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

③學生能初步形成保護環境和資源再利用的意識，體驗化學對社會發展的重大意義。

二、項目實施流程及實錄

本研究性學習的設計思路和實施流程如圖1所示。

項目實施過程中，學生先設計出了一個簡單的制取沼氣的裝置（裝置1.0），發現三個問題，一是產生的沼氣有異味，二是出現倒吸現象，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]

生活中每天都會產生大量廚余垃圾，怎樣利用廚余垃圾制取沼氣以實現資源的再利用？

[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．厭氧發酵須在密閉環境中進行，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，發現沼氣有臭味，且點燃后有刺激性氣味，查閱資料結合硫元素守恒與轉化，分析得到臭味主要來自于硫化氫，得到沼氣凈化的必要性。在發酵過程中，由于晝夜溫差大，出現了倒吸現象。同時，沼氣作為可燃性氣體，直接點燃容易發生爆炸。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，判斷雜質的主要成分，能找到合理的方法判斷凈化效果”“能否依據探究目的優化實驗方案，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”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，實現定量監測發酵凈化過程中的氣體含量呢？同學們又設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，設計實驗裝置，正確使用傳感器，完成實驗操作”“能否對數據進行處理作圖，得到量化指標判斷甲烷產率及凈化效果”進行第三次自評與互評。

[收獲交流]

在探究實驗結束后，各小組進行了交流與討論。從反饋情況看，大多數小組都能基本完成研究計劃，設計出沼氣的制取裝置并對實驗結果進行記錄與分析。有的小組還查閱了文獻，了解到實際工業生產中沼氣的生產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中的真實應用，獲得了成就感。有的小組由此次探究活動聯想到了能否利用本次得到的裝置解決小區內的能源問題。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，例如探究影響產氣速率的因素等，將本次學習繼續。亦有小組提到可以在后續的活動中進一步優化改進裝置，實現將發酵產生的沼氣、沼液、沼渣分別利用，進一步實現資源再利用。本次研究性學習使學生獲得了區別于傳統教學的學習體驗，有了更多展示和實現自我想法的機會，極大地激發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，設計了問題鏈驅動學生的活動，使學生解決真實問題的能力在裝置改進和優化的過程中得以螺旋式提升。 研究性學習區別于傳統課堂教學，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教育發展報告[M].北京：科學出版社，2017：131.

[4]戴靜雅．STEAM和數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.