基于STEM理念的高中化学教学设计——以“自制肥皂”为例

滕　佼

基于STEM理念的高中化学教学设计
——以“自制肥皂”为例

滕佼

（哈尔滨师范大学教师教育学院,黑龙江哈尔滨150025）

STEM教育模式是综合科学、技术、工程和数学多个学科于一体的综合教育模式，是一种能够培养学生多学科素养和创新能力的教育模式。STEM的概念在美国诞生，后来逐渐发展为被多个国家所认可和接受的跨学科教育模式。近几年来，STEM教育模式逐渐地进入了中国的课堂，许多教师开始在STEM理念指导下进行教学设计探索。该文以“自制肥皂”为例，基于STEM的教育理念对其进行教学设计。文章简要介绍了STEM教育理念，然后对教材内容、课程标准以及学习者学习特征进行剖析，之后给出符合STEM理念的教学目标，最后呈现出完整的教学过程设计，以期为一线教师设计STEM教学案例提供思路。

STEM理念；高中化学；教学设计

新课程改革之后，化学课程标准被重新修订，《普通高中化学课程标准（2017年版）》于2018年1月正式出版，依据新课标编写的《普通高中教科书（化学）》也在2019年陆续出版并正式投入中学使用。随着社会向前发展，知识也在不断进步和更新，对教科书的内容和质量也提出了更高要求。新课标中也融入了新的教育理念，依据新课标编制的教科书在内容选取和内容组织上均做出了相应改变，教师使用在新教育理念的指引下编制的新教科书进行教学，能够顺应教育教学改革的趋势，更加贴近学生思想和生活实际，以适应未来社会发展需要。新版课程标准颁布后，之前的三维目标变成了五维核心素养，因此化学学科的五维核心素养就成为化学教学培养的重点，在化学教学设计中融入STEM理念，在课堂上实施STEM教育，可以从多方面更好地培养学生的化学学科核心素养，从而提升学生的综合素质。本文以人教版高中化学选择性必修3中“自制肥皂”的内容为例，制定了基于STEM理念的教学设计方案，希望能够对教师设计STEM教学时提供一点帮助。

一、STEM教育理念

STEM教育理念最初从美国发源，它是由四个英文单词的首字母缩写而成的，这四个英文单词分别是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）。所以STEM教育就是集科学、技术、工程和数学这四个领域于一体的多学科融合的综合教育，它的重点在于打破学科领域的边界。需要注意的一点是，STEM教育并不是将四门学科简单、机械地叠加在一起，而是将原本零散而又分散的学科重新地进行有机整合，整合成一个有效的整体，整合完后在整个教育过程中具有多种学科素养，它们之间相互促进、相辅相成。在教学过程中对学生开展STEM教育，可以同时培养学生的科学素养、技术素养、工程素养以及数学素养，在最大程度上拓展学生的知识范围，增强学生的动手能力、实践操作能力、创新能力以及解决问题的能力等等，这足以为国家科学技术的持续发展提供稳定的人才支撑。

二、“自制手工皂”的教学设计

（一）教学分析

1.教材内容分析

本文以“自制肥皂”这个课题作为研究对象，“自制肥皂”的内容位于新版人教版高中化学选择性必修3的第三章（第80页）的“研究与实践”栏目当中，书上给出了研究目的、研究任务和结果与讨论三方面内容，其中提到通过化学实验的方法制取肥皂，体验化学知识在实际中的应用。国家课程标准是教材编写、教学评价和考试命题的依据，是国家管理和评价课程的基础。《普通高中化学课程标准》在选择性必修课程模块3“有机化学基础”的主题2中，在学习活动建议里提到了“油脂的皂化反应与肥皂的洗涤作用”，在情景素材建议里提到“制皂原理”。本文基于STEM理念对“自制肥皂”进行教学设计是在学生已经学习完了羧酸衍生物的知识并掌握了油脂的重要化学性质——皂化反应之后。学生们有了前期学习的基础知识作为理论支撑，然后进行STEM理念的教学，对学生进行STEM教学实践，使学生对“制皂原理”理解得更加深刻，对“皂化反应”掌握得更加牢固，同时了解肥皂的去污原理，从而达到课程标准给出的教学要求。

2.学习者特征分析

处于高二阶段的学生经过高一的学习和训练，这个阶段他们已经熟练掌握了化学实验操作的基础知识和基本技能，并且在进行本节STEM实践课之前学生们已经学习和掌握了油脂的碱性水解，也就是皂化反应的基础知识，但是学生们对制作手工皂的基本流程、具体的制皂原理以及制皂过程中涉及的其他物理、数学以及工程等知识还有所欠缺。

高中生正处于好奇心过胜的阶段，让高中阶段的学生亲自动手制作生活中常用的肥皂，可以激发学生学习化学的兴趣，增加学生对于化学学科的热爱。

（二）基于STEM理念的教学目标

根据选择的课题，以《普通高中化学课程标准》为基础，基于STEM理念为“自制肥皂”课题制定的教学目标如下：

S（科学）：学习油脂的相关基础知识，能够熟练写出制作手工皂的化学方程式以及掌握基础实验的注意事项，从微观层面理解表面活性剂和肥皂的去污原理。

T（技术）：了解目前工业上制作肥皂的工艺流程，以已有知识为基础设计本次教学实践的工艺流程图，理解知识和技术之间的关系。

E（工程）：依据设计好的制作手工皂的工艺流程图，按照流程图制作手工皂，并在展示交流过程中不断进行改进。

M（数学）：数学学科是这次教学实践的一个重要辅助工具，利用数学知识进行实验过程中药品的用量的计算、称量以及对温度的把控，培养学生的数学素养。

（三）教学过程设计

1.创设情境，巩固旧知

【情景导入】教师在多媒体上播放有关肥皂的电视广告，然后展示手工皂的图片，再向同学们实物展示各色各样的手工皂。

【教师活动】同学们，大家平时是不是都用肥皂洗手啊？肥皂是我们卫生间里面常见的一种清洁用品，古人在很早之前就发现了皂荚，用它洗头发、洗衣服。后来人们又发现了一种与它性能十分相似的果实，因其比皂荚更加肥厚饱满，所以古人就给这种果实取名为肥皂子。直到后来人造去污剂的出现，也就沿用了之前的名字，依旧取名为肥皂。那大家知道肥皂是怎么制造出来的吗？大家想自己动手制造手工皂吗？

【教师活动】在制作手工皂之前，先回顾一下上节课学习的有关油脂的相关知识。

【多媒体展示】在多媒体上播放上节课学习的油脂的相关知识。相关知识都包括油脂的主要成分、组成油脂的高级脂肪酸的种类和固态油脂和液态油脂的分类。还有油脂的化学性质，与碱发生皂化反应的反应原理等知识。

【学生活动】在教师的带领下深度巩固有关油脂的基础知识，将皂化反应的反应原理熟记于心。

设计意图：通过播放肥皂广告、展示肥皂图片以及展示肥皂实物作为本节课的导入，从多个感官吸引了学生的注意，引出课程主题，抓住学生眼球，调动学生的学习积极性，提高学生学习兴趣，激发了学生对制作手工皂的探究欲望。通过复习之前学习的理论知识，为后续制作手工皂提供知识基础，体现科学思想。

2.知识链接，交流讨论

【教师活动】教师向同学们讲述油脂的皂化反应就是制造手工皂最重要的反应原理。然后请同学们仔细阅读桌子上教师课前发给大家的纸质资料，资料上印的是一些古书中记载的有关古人制作肥皂的配方，请大家仔细阅读然后小组讨论。回答教师的下列问题：（1）古人的配方中，都有哪些共同的成分呢？（2）你们认为制作手工皂的关键成分是什么？（3）能否用日常生活中或者实验室里面的物品代替这些关键成分呢？

【学生活动和小组讨论】学生仔细阅读教师课前发放的资料，然后四人为一个小组交流讨论，得出古人制皂中用到的共同物品是猪胰或猪油，还有皂角。认为古人制皂共同用到的东西就是制造手工皂的关键成分。

【教师引导】猪胰和猪油中的主要成分就是属于上节课所学的油脂，那可以用橄榄油、花生油等代替。那么皂角呢？它其实是一种碱性的物质，大家觉得用实验室的什么药品代替呢？

【学生回答】用NaOH来代替。

【教师总结】制作手工皂最关键的成分是油脂+碱液，用到的反应主要是油脂的皂化反应。

设计意图：通过让学生独自阅读资料并总结出制作手工皂需要的重要原料，体现知识和技术相结合的思想。让学生独自阅读能够培养学生阅读资料并提取关键信息的能力，提升学生的信息素养，同时教师提出问题引导学生主动思考，还能培养学生分析和解决问题的能力。

3.探究设计，展示交流

教师提前准备材料：酒精灯、玻璃棒、三脚架、石棉网、烧杯、橄榄油（猪油或者其他动植物脂）、氢氧化钠、人工色素、酒精、蒸馏水、饱和食盐水、模具等。

【教师活动】用PPT展示几种常见的制皂方法：冷制法、热制法、再生制皂法和融化再制皂法。然后向学生呈现目前工业上制取肥皂的工艺流程。下面请同学们根据上节课学习的皂化反应的原理和刚刚讲到的几种制作手工皂的方法，四人为一个小组，从桌子上教师已经准备好的材料中选取认为合适的仪器及药品，讨论其制作方案并画出制作流程图。

【小组讨论】小组自由讨论，合作探究，自主选择相应药品和仪器，设计制作肥皂的方案，将流程图画出。

【展示交流】请每一小组派出一个同学作为代表，将组内成员一起讨论出的设计流程进行交流展示，介绍设计原理及提出过程中遇到的问题。

设计意图：根据常见的制皂方法以及工业上生产肥皂的工艺流程图，结合教师提供的实验药品和仪器，学生们小组合作得出他们制作手工皂的流程图，体现工程思想。培养了学生科学探究与创新意识的化学学科核心素养，同时采用小组合作的形式，培养学生的合作意识。

4.确定方案，工程制作

【教师活动】对每一个小组汇报的流程图进行评价，指出它们的优点和需要改进的地方，最终确定手工皂制作方案。然后向学生讲授皂化价和INS值的专业知识，教给学生制作手工皂时各原料用料的计算方法，包括油脂的用量、所需碱的质量、加入水的质量以及所选配方的硬度。

【学生活动】根据教师的讲解，修改自己小组设计的手工皂制作流程图，同时计算出制作过程中需要的各原料的用量。

【工程制作】制作方案：（1）首先用天平准确称量油脂的质量，用量筒量取95%的酒精和氢氧化钠溶液；（2）取一个洁净的烧杯，先后加入刚刚称量和量取的油脂、酒精和氢氧化钠溶液，用玻璃棒持续搅拌使其溶解，待其溶解后按照同学们的个人喜好加入少许人工色素；（3）取三脚架置于桌上，石棉网置于三脚架上，将上一步准备好的烧杯放在上面之后点燃酒精灯，对烧杯小火加热，或者将烧杯置于水浴中采取水浴加热，在加热期间拿玻璃棒不断搅拌；（4）皂化反应进行完全后，在烧杯中缓慢加入热的蒸馏水，然后持续搅拌，待搅拌到烧杯中的液体变得十分黏稠之后，将其缓慢地倒入热的饱和食盐水中，加入过程中不停地搅拌；（5）同学们自行选择喜欢的图案模具，然后将搅拌好的溶液倒入选好的模具中静置，等待完全凝固、成型。

【学生活动】学生根据自己设计并修改的方案，以及计算出的各原料用量，自己动手按照流程图和操作步骤制作手工皂。

【教师活动】等到同学们制作的手工皂完全凝固成型后，教师组织进行手工皂的展示交流会。

【学生活动】各小组展示自己的手工皂作品，说出自己在制作手工皂的过程中遇到的问题。对于没有成功做出手工皂的小组，大家一起交流分析找出原因。最后大家投票选出最喜欢的一组手工皂。

设计意图：根据教师的讲授，学生们自行计算自己制作手工皂需要的实验用品用量，在工程中渗透了数学思想，培养了学生的数学思维能力和计算能力；在学生动手制作手工皂的过程中，进一步巩固了化学实验的基本操作，提升了学生的动手能力和实验操作能力；各小组展示自己的手工皂成品，分析成败关键，能够提升学生的语言表达能力和分析解决实际问题的能力。

5.知识深化，思考延伸

【教师活动】制作完肥皂后，引导学生思考肥皂去污的原理以及讲解表面活性剂相关知识，进行知识深化与提升。多媒体展示表面活性剂的概念和作用机理，放出肥皂去污原理图，让同学讨论总结，尝试自己说出肥皂去污原理。

【学生活动】学生根据教师指引，仔细观察原理图，解释肥皂去污原理。

【教师活动】请同学们思考，工厂制作肥皂过程中怎么设计才能达到绿色化学的要求。

【学生回答】在本节制作肥皂的基础上，学生讨论总结回答，要达到绿色化学标准，原料必须便宜简单易得，中间产物达到回收再利用等。

【课堂小结】对整节课的知识进行全面的总结，向学生发放《表面活性剂——制作手工皂》的课后测试题，对学生进行学习评价。

设计意图：完成手工皂的制作与展示后，再次聚焦知识层面，引导学生学习肥皂的去污原理，了解表面活性剂相关知识。并且通过让学生思考工业制皂怎样达到绿色化学的要求，体现“绿色化学”的工程思想，培养学生可持续发展观念，培养学生科学态度与社会责任的学科核心素养。

三、总结与启示

本节课笔者以“自制肥皂”的内容为主题，对其进行基于STEM理念的教学设计，将科学、技术、工程以及数学这四个学科素养渗透在整个教学设计中。贴近生活的主题可以让学生体会到化学与日常生活紧密联系，完成理论知识到生活实践的转化。整个过程中，学生不仅学习了学科理论知识，动手操作的能力得到提高，同时科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等化学学科核心素养也得到培养。

[1] 马骋.基于STEM教育的高中化学教学目标与评价研究[D].开封:河南大学,2019.

[2] 叶跃芬.融合STEM理念的初中科学教学实践探索[A];2019全国教育教学创新与发展高端论坛论文集(卷七).[C],2019.

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1002-7661(2022)03-0177-03