基于STEM素养的项目化教学案例分析——以“含铜酸性废水的处理”为例

李南方 解子洋

摘要：通过真实的工程问题“含铜酸性废水的处理”，创设工业情境，以化学知识为核心，将数字化实验、定量实验技能、数学计算融入，展示了项目的开发和活动的实施过程。在基于项目的STEM学习中，学生围绕主题进行活动参与、项目设计、问题解决，有利于培养信息时代高中生的化学素养。

关键词：STEM素养;基于项目的学习;废水处理

文章编号：1008-0546（2019）02-0015-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、STEM素养及基于项目的学习概述

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）及数学（Mathematics）四门学科的简称。STEM教育是一种整合科学、技术、工程和数学领域内容指引学习和教学的途径[1]。工程设计思想的融入，提高了课堂学习内容的实用性。现实的工程问题往往无法凭一门学科知识解决，必须依靠多学科的协同。STEM素养是一种个体在工程、技术、科学和数学领域及其交叉领域中运用个人知识的能力，是在掌握科学、技术、工程和数学等理工科知识的基础上具有的独立提问、设计、分析、推断和运算的能力，是一种独立分析问题、解决问题的综合素养，由科学素养、技术素养、工程素养和数学素养四个方面构成。

基于项目的学习（Project-Based Learning，简称PBL），指学习过程围绕某个具体的学习项目，充分选择和利用学习资源，为学生提供融入真实情境的体验。PBL是“以学生为主体、以问题为起点、以项目工作”为重要环节，将知识获得与知识应用相结合的探究型学习模式[2]。STEM项目学习强调问题驱动、跨学科整合、情景与合作等，核心是将分散的学科领域整合于问题的项目活动，通过问题驱动，运用科学、技术、工程和数学等领域知识与技能解决现实问题，理解学科的核心概念。

二、STEM项目学习分析

1.学习者分析

本项目适用于《化学反应原理》学习之后，学生已经学习过沉淀溶解平衡、平衡移动以及反应速率的影响因素等相关知识，具备分析研究物质性质的一般方法，有一定的化学实验和探究能力。但在陌生工艺情境中的信息加工能力有待提高，理论应用于实际意识比较淡薄。酸性含铜废水的处理原理难度适中，具有一定的学科跨度，涉及到STEM教学的维度较多，学生可以通过所学习的原理设计实验、解决实际问题，故而选取“酸性含铜废水的处理”这一贴合实际的工业情境为一个完整的STEM项目进行教学实践。

2.跨学科知识分析

本项目的设计以沉淀溶解平衡知识为主要知识点，兼顾其他学科知识的跨学科整合。跨学科知识点如表1。

三、项目学习流程及STEM素养体现

传统的PBL教学模式实施流程包括：设计与选择项目、制定计划、活动探究、作品设计、成果交流和效果评价六个环节[3]，本项目学习流程兼顾探究性学习及工程设计，结合化学学习的特性，以创设情境、构思与确立方案、实验与构建、重构与优化方案、活动与探究、评价与反思六个过程构成。本项目知识融合性强，实用性广，项目流程设计思路及STEM素养体现如图1。

四、以项目为中心的教学活动实施

1.创设工程情境：观看视频引发工程问题。

【情境】播放含铜酸性废水排人江中造成鱼类死亡、水体污染的危害。

【问题】如何将含铜酸性废水加以处理，达到排放标准？展示含铜酸性废水和达标水中Cue'和H'浓度（见表2）[5]。

设计意图：创设工程问题情境，帮助学生识别工程问题，引入相关数据，为后续数学计算做铺垫，同时引发学生的社会责任感，正确理解科学、技术与社会的关系。

2.构思与确立方案：初步选取解决方案——中和沉淀法。

【问题】选择哪种碱进行中和？为什么？展示相关碱的价格。

设计意图：认识到控制成本在解决工程问题中的重要性。

【问题链】25℃时，K_sp[Cu（OH）₂]为2.2×10^-20，若将水处理为中性水，Cu²⁺排放可否达标？能否通过其它办法使Cu²⁺排放达标？展示25℃时Cu（OH）₂和CuS溶解度。

【学生】经计算，加碱处理则Cu²⁺排放不达标。可以将Cu²⁺转化为硫化物沉淀。

设计意图：进行STEM项目中数学知识的教学，强化定量计算的核心素养，通过问题链刺激学生思考和探究，为工程设计过程中方案的确立做铺垫。

3.实验与构建：通过实验打破之前解决方案的局限性，构建新方案——硫化物沉淀法。

[演示实验]将模拟废水（0.05mol/L H₂SO₄和0.05mol/L CUSO₄混合溶液，下同）中加入過量熟石灰粉末，可观察到有蓝色絮状沉淀。滴加硫化钠溶液，观察现象。

设计意图：进行STEM项目中数学和科学知识的教学，为工程设计过程中方案的确立做铺垫。

【问题】选择什么物质作为沉淀剂？原因？展示Na2S、FeS、ZnS的价格。已知25℃时，K_sp（FeS）=6.3×10^-18、K_sp（CuS）=1.3×10^-36。

【学生】选择FeS，因为价格便宜。

【学生实验】取FeS、Na₂S分别与模拟废水反应，观察现象并对比。

设计意图：将工程问题中数学计算与科学知识结合，使用对比、预测的科学方法，通过宏观现象观察，思考微观变化和符号表征。

【問题链】通过哪些现象证明反应发生？哪种硫化物反应速率较快？为什么？如果你是环境工程师，会选择哪种硫化物进行污水处理？

【展示】FeS与模拟废水反应两小时前后的溶液颜色对比，用pH计测量反应中pH的变化。证明FeS与模拟废水确实可以反应。

【学生】选择Na₂S做沉淀剂。FeS速率过慢。

设计意图：强化科学核心知识，通过反应现象进行证据推理，数字化实验使微观现象变化“可视化”，强调STEM项目中的技术学习。认识工程问题中的“成本”问题不仅仅是价格，还需要考虑反应速率，为工程设计中方案的确立做出铺垫。

4.方案重构与优化：将两种方案进行整合，并进行综合处理。

【教师】告知学生工业上常用Na₂S、NaHS作沉淀剂。

【问题链】用硫化物处理含铜酸性废水，有没有二次污染？产生的气体是什么物质？硫化氢气体有毒，如何处理？

【讨论】师生共同讨论怎样将含铜酸性废水综合处理，结论如图2所示。

设计意图：意识到硫化物的二次污染，认识工程问题中循环利用的重要性。引导学生初步形成综合利用的思想。

5.活动与探究：介绍吸附沉淀法、比色法，认识数字化技术。

【活动】展示活性炭吸附模拟废水前后颜色对比图。计算活性炭吸附废水中Cu²⁺去除率。

设计意图：由定性分析上升至定量计算。

【活动】知识延伸：介绍比色法和朗伯一比尔定律，给出教师事先做好的1g（1/T）-c曲线及线性回归方程，如图3所示。

【活动】将久置5小时的活性炭与模拟废水混合物过滤，取滤液加入氨水，测量其透光率[6]。

【学生】根据透光率的数值计算此时铜离子浓度，计算去除率。

设计意图：引入比色法和数字化实验，强化工程问题中的技术素养和数学素养，引导学生进行方法和技术的联用，培养学生读图、分析和处理数据的能力。

6.评价与沟通：总结与提升。

【讨论】工业上常用的几种含铜酸性废水的处理方式的利与弊。得出小结见表3。

设计意图：通过讨论强化合作意识，对废水处理方案进行对比、评估。引导学生以全局观念角度，意识到真实工程情境问题中的制约因素，在讨论中进行反思与阐述，实现工程素养的强化。

五、结论与启示

“含铜酸性废水的处理”项目基于沉淀溶解平衡，综合跨学科知识，涵盖了定量计算思想、数字化实验技术、操作Excel软件、建立函数模型等，具有高度的融合性，落实了现代工业情境下中学生STEM素养的培养。基于培养学生STEM素养的项目化课程，是解决实际问题的科学探究和工程设计过程，提供了一种新颖的课堂体验。STEM项目学习中工程设计的融入，提高了理论知识在现实生活中的实用性，在教学中融合STEM理念是未来化学教学的方向。

参考文献

[1]陆庭銮.促进化学深度学习的STEM项目设计[J].化学教与学，2018（7）：2-5

[2]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）：13-22

[3]罗伯特·卡普拉罗.基于项目的STEM学习（2版）[M].上海：上海科技教育出版社，2016：7

[4]田润，丁伟.基于化学实验的STEM项目[J].化学教学，2016（11）：43-47

[5]GB3838-2002，地表水环境质量标准[S].

[6]李嘉.利用手持技术探究CaCO₃吸附水中的重金属离子[J].化学教学，2014（11）：50-53