融合STSE理念的高中化學教學設計研究

呂芳芳 遲少輝 王祖浩

【摘 要】STSE理念符合我國基礎教育改革的背景和科技人才培養的需要，對化學教學內容的結構化和教學設計意義重大。本文從教學主題選擇、教學情境設置、教學環節設計等方面探索融合STSE理念進行教學設計的模式。本文呈現的教學設計創設了真實情境，以核心問題為引領，以問題鏈為線索，從科學、技術、社會、環境多個維度整合教學內容，為學生提供多元認識視角，讓學生在解決實際問題的過程中對學科內容形成整體認知，體會化學學科價值，從而發展學生的學科思維及學科核心素養，提高學生解決綜合問題的能力。

【關鍵詞】高中化學；STSE；電解池；微酸性次氯酸水

學習科學不僅要掌握基礎的知識，更應形成良好的科學思維及正確看待科學議題的視角。當代的科學教育強調學生要認識科學（Science）、技術（Technology）、社會（Society）、環境（Environment）之間的關聯，以系統的眼光看待問題并解決問題，讓科學知識真正服務于社會生活［1］，避免就知識學知識的弊端?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）指出：“在教學中，教師應重視STSE內容主題的選擇和組織，緊密聯系生產、生活實際，使學生認識到化學能夠創造更多物質財富滿足人民日益增長的美好生活需要；使學生能綜合運用所學知識解釋和解決有關的STSE問題?！保?］71顯然，與化學知識相關的科學性議題可較好地體現STSE理念。

本文結合人教版高中化學選擇性必修1《化學反應原理》的課程內容，從STSE理念出發建構了“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”課例，并從教學主題選擇、教學情境設置、教學環節設計等方面探索融合STSE理念的教學設計思路，以進一步認識STSE教育的實質。

一、“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”的教學設計思路

融合STSE理念的教學設計，應遵循一定的設計原則。首先，教學內容的主題應與STSE理念相匹配；其次，合理選擇與STSE相關的教學情境素材，并進行適當處理使之符合學生的發展水平，產生待解決的核心問題，并保證所選核心問題在教學過程中的引領性；最后，合理設計教學環節，在整合學科內容的基礎上設置問題鏈，引導學生從科學、技術、社會、環境的多元視角出發解決問題，培養學生的學科核心素養。在此基礎上，本文提出融合STSE理念的化學教學設計模式（圖1），并結合“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”課例進行分析。

（一）合理選擇教學主題，明確融入STSE理念的切合性

融入STSE理念進行教學設計，須保證所選教學主題與STSE教育理念的適切性。教學主題應與社會生產、生活實際緊密相關，便于學生從中提取真實的化學議題，并從科學、技術、社會、環境的多元視角出發解決實際問題。新課標中對“電解池”一節的內容要求表述為“了解電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用”［2］28，“電解池”內容在人教版教科書中位于選擇性必修第一冊第四章第二節，是“化學反應與電能”主題的重要內容之一。電解可以實現物質轉化和能量轉化，在生產生活、科學研究中都具有非常重要的應用價值。人們在利用電解原理進行工業生產及享受電解為生活帶來便利的同時，也需考慮電解過程中可能產生的環境問題?？梢?，“電解池”教學主題能夠將科學、技術、社會、環境有機關聯在一起，結構化的內容有助于學生從多個角度認識電解原理及其應用，感受化學學科對社會的貢獻。

（二）選取真實情境，提取核心問題并合理設置教學目標

融合STSE理念進行教學設計時，教學情境的選擇以及處理好情境與知識的關系是關鍵環節。一般而言，情境素材的選擇應符合以下原則：一是真實性，需從實際生產生活事件、科技發展前沿、化學史等角度出發，選用與主題內容相關的真實素材，體現科學、技術、社會、環境的整合；二是貫通性，應能從所選情境素材中提取出課堂有待解決的核心問題，情境要貫穿問題解決的整個過程；三是適切性，需對情境素材進行適當的處理，使之合乎教學要求，尤其必須符合學生的認知發展水平。

1.“微酸性次氯酸水”情境素材的教學價值

本節課所選情境素材為“微酸性次氯酸水”。微酸性次氯酸水是一種新型消毒劑，有效成分為次氯酸，主要由電解法制備。微酸性次氯酸水抗菌高效快速，具有無污染、無殘留等優點，近年來已在生產、生活中較為廣泛地應用。此情境素材內容新穎，能體現當今社會生活中電解法的應用價值。目前，市面上已有多種家用便攜式微酸性次氯酸水生成器，這些生成器利用電解裝置，實現微酸性次氯酸水的現制現用。

因此，本節課以微酸性次氯酸水為真實情境，以解決次氯酸的不穩定性帶來的消毒劑效用降低問題為指引，以實現微酸性次氯酸水的現制現用為導向，形成本節課的核心問題——“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”，并以此為線索開展教學。該情境能夠從電解原理、電解裝置設計、新型消毒劑的制備與使用、解決電解過程中產生的環境問題等方面將科學、技術、社會、環境四個領域有機關聯起來，有助于培養學生的系統性思維。

2.“微酸性次氯酸水的應用與制備”教學目標設計

選定教學情境及待解決的核心問題后，依據化學課程標準中的內容要求和學業要求，從學生發展現狀出發，結合核心問題合理設置教學目標。新課標中要求學生“能分析、解釋原電池和電解池的工作原理，能設計簡單的原電池和電解池”［2］30。本節課在學生學習電解原理之后進行，并為深入學習電解原理的應用做鋪墊。學生此時對電解池的構成要素、電解過程中的化學反應本質及微粒的放電順序已有基本認識，但尚未學習離子交換膜的應用，且對所學的電解原理也缺乏整合，對工業生產中可能產生的實際問題缺乏思考。因此，結合真實情境進行電解裝置設計的教學，能考查學生整合所學知識解決實際問題的能力，發展學生的高階思維，對學生提出了較高要求。

通過上述分析，確定教學目標如下：

（1）認識電解法在新型消毒劑制備中的重要價值，能提取相關的化學反應原理，形成設計電解池的一般思路。

（2）對微酸性次氯酸水這一真實情境引發的問題進行深入分析，能整合已有知識，基于證據提出微酸性次氯酸水電解裝置的設計方案。

（3）能結合安全、環保、綠色化學等理念，從多個角度對方案進行評價，改進和優化方案，發展批判性思維，提高解決實際問題的能力。

（三）整合學科內容，基于問題設計任務和關注能力要素

確定教學情境及教學目標后，須根據一定線索設計教學環節。在融合STSE理念的教學設計中，從教學情境中提取的核心問題往往是綜合性問題，此時需按照學科邏輯、STSE理念對綜合問題進行解構，形成問題鏈。利用問題鏈將教學內容進行重整，形成解決問題的思路，將各個教學環節串聯起來，形成新的內容結構（如圖2所示）。

1.整合化學知識，幫助學生系統認知“電解池”內容

本節課以核心問題為引領，將“電解池”一節的重點知識內容進行系統整合，包含次氯酸的性質、電解池化學反應原理、電解池的構成要素、電極反應和總反應等內容。此外，從更高層面出發，結合STSE理念將化學知識與真實生活聯系起來，提高學生從科學、技術、社會、環境視角綜合看待問題的思維能力，從而對“電解池”內容形成較為全面的認識。此過程能拉近化學原理與實際生活的距離，豐富學生對學科價值的體驗，發展學生的科學態度與社會責任學科核心素養。

2.設計問題鏈，驅動學生進行多角度分析和思考

針對“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”這一核心問題，從學科邏輯出發，選擇化學原理和電解裝置兩個角度解構問題，從制備原理、反應原料選擇、電極選擇、離子交換膜選用等多方面形成問題鏈，引導學生形成電解裝置設計的一般思路。

從STSE理念出發，教師幫助學生對相關的一系列問題做出比較明確的判斷：對微粒放電順序和相關化學原理進行分析，宜選用惰性電極設計電解裝置；在選擇反應物時，以安全、經濟的氯化鈉作為反應原料；在分析是否采用離子交換膜時，結合理論分析與文獻資料，明確不采用離子交換膜會造成原料利用率低和消毒效用低的結果，因此宜選用陽離子交換膜設計電解池。接著又會發現新的問題，即在制得的消毒劑中有氯化鈉殘留，會對金屬造成腐蝕，因此需引導學生基于綠色環保原則對裝置進行改進，形成最終的設計方案。

3.關注能力要素，呈現學生的思維發展過程

結合STSE理念設計電解裝置，可從多個方面對學生進行指導，發展學生的思維與能力。在情境導入時，面對高效環保的微酸性次氯酸水，引導學生對次氯酸的不穩定性提出質疑，發展學生的批判性思維；在設計家用電解裝置的過程中，需從化學原理、實際生活、環境保護等多個角度綜合考慮，形成系統性思維；從文獻中尋找依據以改進設計方案，可培養學生的證據意識和嚴謹的科學態度；從學科邏輯和STSE理念出發分析問題，引導學生總結出設計和優化電解裝置的一般思路，提高學生運用化學知識解決綜合問題的能力。

二、“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”的教學過程

依據圖2所示內容結構和教學流程，本文分三個階段對“設計家用電解裝置制備微酸性次氯酸水”進行教學設計，并實施教學過程。

（一）創設真實情境，提出核心問題

【教師】創設情境，引導學生回憶日常生活中的常用消毒劑。引入微酸性次氯酸水，以資料卡片（圖3）的形式介紹這一新型消毒劑的功能及優勢。結合次氯酸的強氧化性解釋其消毒機理，引導學生將微酸性次氯酸水與傳統的醫用酒精及84消毒液進行對比。

【學生】閱讀資料卡片，了解新型消毒劑，并從抗菌性能、使用便捷性、安全性、環保性等方面對不同消毒劑進行對比，體會新型消毒劑的優勢。

【教師】引發學生思考：從有效成分來看，聯系已有的化學知識，對于微酸性次氯酸水是否有疑問。

【學生】次氯酸具有不穩定性，易分解。新型消毒劑中次氯酸的濃度較低，分解后消毒效用會降低，保存期限可能較短。

【教師】應如何解決這個問題？

【學生】思考并討論，提出將微酸性次氯酸水避光保存，放置于陰涼處等。

【教師】還需采用額外方法避免次氯酸的分解帶來的消毒效用降低的影響。由資料卡片可知，微酸性次氯酸水主要由電解法制備，因此，可設計一種家用電解裝置，實現微酸性次氯酸水的現制現用。

【設計意圖】微酸性次氯酸水能夠在增強消毒效用的同時降低對環境的不利影響，選用這一具有新穎性、時代性的情境素材，能讓學生在不同消毒劑的對比中體會科學技術的發展為生活帶來的便利。利用學生對次氯酸性質的認識引發學生的質疑與思考，發展學生的批判性思維，引出核心問題。

（二）核心問題解構，提煉電解裝置的設計思路

【教師】請結合設計家用電解裝置的課堂任務，從化學原理、電解裝置的構成要素、生活實際等方面進行綜合分析，理清設計電解裝置的思路。

【學生】深入思考，小組討論。在對化學原理的分析中，思考選用哪種化學反應來實現次氯酸的制備，采用哪種反應物質進行電解等。在設計電解裝置時，從電解質溶液、電極等方面思考，同時考慮在家庭中使用的可行性。

1.化學原理分析

【教師】使用逆推法（圖4）引導學生分析化學原理，利用Cl2與水的反應制備HClO，采用電解法制備Cl2。接著，引導學生思考應如何選擇反應原料。

【學生】小組交流與討論。結合離子放電順序及安全性、經濟性原則，在NaCl、KCl、HCl中選擇NaCl作為原料，即通過電解NaCl溶液制備微酸性次氯酸水。

2.電解裝置分析

【教師】引導學生思考如何選擇電極，嘗試畫出電解NaCl溶液的裝置，分析其中發生的化學反應。

【學生】小組交流與討論，畫出電解裝置圖（圖5）。為避免電極參與反應，選用惰性電極。分析電解池中的化學反應（圖6），由副反應可知，生成的HClO能夠與NaOH繼續反應，無法有效得到微酸性次氯酸水，但可以得到以NaClO為有效成分的消毒劑。

【教師】分析副反應對新型消毒劑的制備造成的負面影響。從原子利用率的角度來看，副反應產物中有NaCl，原料利用率低。從消毒效用而言，查閱文獻可知，次氯酸分子（HClO）的殺菌能力約為次氯酸根（C1O-）的80倍［3］，因此，生成NaClO降低了消毒劑的效用。接著，介紹離子交換膜的作用，引導學生合理選用離子交換膜，將OH-與HClO、HCl隔絕，并據此進行電解裝置的設計。

【設計意圖】引導學生聯系已有認知拆解核心問題，結合經濟、環保、綠色化學等生產原則，從多個角度進行綜合思考，形成設計電解裝置的一般思路，發展學生的系統性思維。通過查閱文獻，增加信息的可信度，培養學生的證據意識。

（三）綜合分析，設計并優化電解裝置

1.電解裝置設計初探

【學生】小組合作，設計電解裝置。選用陽離子交換膜，綜合考慮微酸性次氯酸水中的低濃度HClO，以稀NaCl溶液為陽極室電解質溶液，設計出如圖7所示電解裝置，并對電解池中的產物進行分析。

【教師】對學生設計的電解裝置進行評價，并進行補充說明。在陽極室，能夠成功得到HClO，且用陽離子交換膜阻止了OH-向陽極室的遷移，避免了酸堿中和的副反應。在陰極室，電解產生少量的H2和OH-，Na+透過陽離子交換膜進入陰極室，得到稀NaOH溶液。這種在陰極室得到的呈弱堿性的溶液叫作堿性電解水。查閱文獻可知，堿性電解水可除去水果表面的農藥殘留［4］，也具有去除油污的作用［5］。因此，這種電解裝置能夠同時得到微酸性次氯酸水和堿性電解水。然而，這個裝置依然有值得改進的地方。向學生提問：電解后陽極室中的溶質有哪些？提示學生聯系微酸性次氯酸水的優勢進行思考。

【學生】陽極室中的溶質有Cl2、HClO、HCl、NaCl。

【教師】陽極室中還有少量殘留的NaCl，將陽極室中的溶液噴灑至物體表面進行消毒時，其余溶質均能以發生化學反應或揮發的形式脫離物體表面，只有NaCl殘留在物體表面。查閱文獻發現Cl-能穿透金屬表面的氧化層和防護層，與內部金屬發生電化學反應，造成金屬的腐蝕［6］。因此，從環境保護的角度來看，需對裝置進行改進，使得陽極室中無NaCl殘留。提示學生思考如何避免Na+出現在陽極室中。

2.電解裝置優化

【學生】小組合作，優化電解裝置。如圖8所示，增加陰離子交換膜，將電解池隔為三室，向中間室中加入稀NaCl溶液，在陰極室和陽極室中均加入水。由于離子交換膜的存在，陽極室中得到微酸性次氯酸水且無NaCl殘留，陰極室得到堿性電解水，同樣避免了NaCl的殘留。

【教師】評價學生改進后的設計方案并總結。此方案能夠同時得到微酸性次氯酸水和堿性電解水，原料利用率高，符合綠色化學原則。此外，避免了微酸性次氯酸水中NaCl的殘留，符合綠色環保的原則。學生能夠靈活應用離子交換膜，發揮了創造力。

師生共同成功解決了本節課的核心問題，提高了學生解決實際問題的能力。最后，教師還需要向學生呈現，調研發現目前市面上已存在以此裝置為核心部件的家用微酸性次氯酸水生成器，加入水和NaCl后，通電十分鐘即可完成電解，使用方便，殺菌高效。

【設計意圖】引導學生靈活應用離子交換膜解決問題，使學生對電解池的構成要素形成全面認知。結合STSE理念及化學本質，引領學生多角度思考，優化設計方案。通過查閱文獻，培養學生嚴謹求實的科學態度。通過呈現實際生活中家用電解裝置與學生設計方案的一致性，拉近學生與科學技術的距離，豐富學生對化學學科應用價值的真實體驗，發展學生的科學態度與社會責任學科核心素養。

三、教學實踐的啟示

（一）關聯科技發展現狀，挖掘科學性議題

化學學科內容本身具有基礎性、系統性的特點，而生產、生活中的化學具有綜合性、新穎性、時代性的特征，在教學過程中關聯科技發展現狀，挖掘生產、生活中真實的科學性議題，能夠豐富教學內容，為教學提供新線索。此外，將科學性議題引入課堂，引導學生利用化學知識從多角度綜合分析、解決問題，能夠拓寬學生的視野，拓展學生的思維，提高學生的問題解決能力，培養正確的科學態度，豐富學生對化學學科價值的真實體驗，加深學生對化學學科的系統認知。

（二）融入STSE教育理念，須把握情境設置的原則

融合STSE理念進行教學時，所選教學情境應具備真實性、貫通性、適切性等特征。教學情境應關聯科學、技術、社會、環境等多個領域，與教學內容緊密關聯，能產生待解決的關鍵問題，且隨著問題解決過程貫穿導入、遞進、總結等教學環節，應避免情境僅在課堂導入階段出現而脫離其余教學環節的情況。合理的教學情境能夠帶給學生真實的體驗，加深學生對學科的理解，促進學生學科思維、能力的發展。

（三）多視角整合學科內容，使教學內容結構化

將STSE理念引入化學教學過程，能夠為教師整合學科內容提供新思路，為教學內容的結構化提供新方法?；诨瘜W學科與科學、技術、社會、環境之間的有機關聯，確定教學主題及待解決的關鍵問題后，可從多個視角將教學內容進行分解、重構，形成新的內容結構。如在本節課中，將學科知識與電解池設計理念、綠色化學原則、經濟環保原則等進行有機整合，為學生提供多元認識視角，避免了學生學習化學知識的孤立性與零散性，加深了學生對化學學科本質理解的系統性、整體性。

參考文獻：

［1］朱霄，馮媛媛，齊偉. STSE理念在物理化學課堂及實驗教學中的滲透與應用［J］. 化學教育，2017（14）：23-27.

［2］中華人民共和國教育部. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］. 北京：人民教育出版社，2020.

［3］張建中，王芳，彭云，等. 微酸性電解水性能及其在消毒領域的應用價值［J］. 廣州化工，2021（7）：130-133，163.

［4］劉李嵐，邱欽勤，樊文容，等. 堿性電解水去除水果表面有機磷農殘的工藝研究［J］. 中國農學通報，2022（2）：133-140.

［5］李新武，張青，王志，等. 堿性電解水用于醫療器械清洗效果的研究［J］. 中國感染控制雜志，2014（11）：677-680.

［6］閆凱，宋慶軍，李秀娟，等. 鹽霧腐蝕及其試驗中需要注意的幾個問題分析［J］.環境技術，2013（4）：18-20.

（責任編輯：潘安）

【作者簡介】呂芳芳，華東師范大學教師教育學院碩士研究生，主要研究方向為化學課程與教學研究；遲少輝，華東師范大學教師教育學院副教授，主要研究方向為化學教學測評；王祖浩，華東師范大學教師教育學院教授、博士生導師，主要研究方向為化學課程與教學研究。