STEM理念下“过氧化钠与二氧化碳反应”实验的教学设计

赵露 许应华

关键词：STEM教育;教学设计;综合性

STEM教育以解决真实情境中的问题为出发点，以跨学科整合为核心，以协作学习为途径，可以培養学生的跨学科素养，也是综合性人才培养的重要路径[1]。在化学教学中运用STEM 教育理念，可以将化学学科知识与其他学科知识综合起来，加深学生对化学学科知识的理解，体现知识的综合应用。

本文以人教版高一化学必修一中“过氧化钠与二氧化碳的反应实验”为例，展示如何将化学教学与STEM教育理念更好地融合。

一、背景分析

1.学情分析

学生在学习过氧化钠与二氧化碳反应之前已经学习了过氧化钠与水的反应，对过氧化钠的性质有了初步的了解，在进一步学习过氧化钠与二氧化碳反应时，可从过氧化钠与水的反应进行类推和迁移。并且在学生已有的知识储备中，二氧化碳不具有助燃性，但在过氧化钠与二氧化碳的反应中却能生成具有助燃性的氧气，这将引起学生学习兴趣和探究的欲望，并通过此反应原理在实际生产、生活中的应用，进一步增强理论联系实际的意识。

2.教材分析

“过氧化钠与二氧化碳的反应”内容位于人教版高一化学必修一第二章第一节“钠及其化合物”。本节课的内容是在学习了过氧化钠与水反应之后，对过氧化钠性质的进一步学习。在以往的教学中，教师在课堂上只对过氧化钠与水的反应进行探究，对过氧化钠与二氧化碳的反应一带而过，实际上此反应具有较强的应用价值和社会意义，运用于实践中能和其他学科知识综合，适合用STEM教育理念教学设计，应当给予足够的重视。

二、教学目标

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，要“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解钠及其化合物的主要性质，了解这些物质在生产、生活中的应用”[2]。这与STEM 教育理念极为相符，结合教材内容和学生的实际情况，制定以下四维教学目标：

（1）S（科学）：了解过氧化钠与二氧化碳反应的实验现象;认识利用过氧化钠与二氧化碳反应制备氧气的实际应用价值;体会化学学科在生产生活中的重要性。

（2）T（技术）：尝试设计过氧化钠与二氧化碳反应的实验方案;加强实验操作技能;了解信息技术在化学实验中的重要性。

（3）E（工程）：了解氧气面罩的工艺制备;尝试制作氧气面罩。

（4）M（数学）：能根据所需氧气量计算得出理论上所需过氧化钠的质量。

三、教学设计

在本节课的教学中，旨在将STEM教育理念与过氧化钠和二氧化碳反应的实验有机结合。因此，在本节课开始时，创设真实的社会情境问题以吸引学生注意力;通过实验演示，激发学生学习兴趣和探究欲望。在教师引导下设计实验方案并探究;通过讲解过氧化钠与二氧化碳反应的原理，探索该原理在氧气面罩制作过程中的应用，展示氧气面罩的制作工艺，体会化学学科对社会的作用;模拟真实情境，计算一定耗氧量所需的过氧化钠的质量，以加强数学计算能力和学以致用的意识;最后，通过交流、反思，锻炼语言表达能力，养成总结、反思的习惯。

四、教学过程

1. 立足实际，发现问题

[教师活动]播放2019年“3.30木里县森林火灾”有关新闻视频。

[学生活动]观看，思考。

[教师活动]面对火灾，应当如何自我防护？ 在火灾中遇到缺氧的情况，有什么方法可以供氧？可以利用化学知识解决氧气供应的问题吗？

[学生活动]思考。

设计意图：凉山火灾是近年来发生的较大型的火灾，造成了较大的经济损失和人员伤亡。通过此情境，既可激发学生爱护自然，敬畏生命的情感，又可培养理论联系实际的意识。在这一过程中，也体现了化学核心素养中的科学态度与社会责任，有助于学生素质的提高。

2. 结合已知，设计方案

[教师活动]演示“吹气生火”的实验，提问“吹气生火”的原理可能是什么？[学生活动]根据已有知识并通过分析人体呼出气体的主要成分，推测可能是呼出气体中的水蒸气、二氧化碳与棉花上的过氧化钠发生了反应。

[教师活动]过氧化钠可与水反应，但过氧化钠可以和二氧化碳反应吗？ 产物有氧气生成吗？ 应该如何设计实验证明？[学生活动]分组讨论，设计实验方案。

[教师活动]考虑到学生已有的知识和经验，提示学生过氧化钠可与盐酸发生反应生成氧气;饱和碳酸氢钠可与盐酸反应。

[学生活动]学生可能的实验方案如下：方案一：如图1所示。

设计意图：根据实验目的，学生在结合已有知识的基础上，通过小组讨论、教师指导，设计实验方案。在这个过程中，教师所提供的新知识与学生认知结构中已有的知识建立实质性、非人为的联系，促进学生进行有意义的学习，并在小组合作设计实验方案过程中，激发学生的创新意识、培养交流协作的能力。

3.小组合作，探究发现

[学生活动]根据实验方案，分组进行实验探究。

[教师活动]来回进行指导。

[学生活动]交流讨论实验现象。

方案一现象：过氧化钠逐渐由淡黄色变为白色;有气体生成，且生成的气体可使带火星的木条复燃。

方案二现象：实验过程中未观察到明显实验现象。

[教师活动]两种实验方案有何区别？不同的实验现象说明什么？[学生活动]分析、交流讨论，得出结论：过氧化钠可与湿润的二氧化碳气体反应，产物有氧气生成。

[教师活动]在人为的实验操作过程中，有可能因为操作的原因造成实验结果的不准确。为检验大家的实验结果，下面为大家介绍一种新的实验技术——虚拟仿真实验。

[学生活动]听讲、思考。

[教师活动]简要介绍虚拟仿真实验，讲解并演示如何在电脑上设置实验参数，进行相应实验。

[学生活动]听讲、观察、思考。

[教师活动]通过在电脑上模拟同样的实验，大家观察到了什么？ 实验现象说明了什么？ 对“虚拟仿真实验”有何感想？

[学生活动]交流、讨论，再次得出结论：过氧化钠可与湿润的二氧化碳气体反应，产物有氧气生成。

信息技术与化学实验的结合有很多优势，例如：实验现象更加明显、结果更加准确、效率也更高。

[教师活动]分析、讲解过氧化钠与湿润的二氧化碳反应的原理，讲述信息技术与化学实验结合的重要性。

设计意图：以实验为基础，是化学学科的重要特征。让学生根据自己设计的实验方案，对实验进行验证。在实验探究过程中，体现以学生为主体的人本主義思想，教师起到辅助、支持作用。学生通过做实验，既可锻炼实验操作能力，又可以发现自身存在的不足，充分体现“做中学”这一思想。新课标强调培养学生的“科学探究与创新意识”素养，而实验正是实现这一目标的重要途径。在此基础上，引入学生在日常学习生活中接触不多的“虚拟仿真技术”，开阔学生的眼界并期望打开学生的思维，不再局限于亲自动手做实验，体会信息技术在生产、生活中的重要性，并激励学生积极思考、勇于创新。

4. 做学结合，应用实践

[教师活动]实践证明，过氧化钠可与湿润的二氧化碳反应生成氧气，这一原理在生活中的哪些方面可以发挥作用呢？[学生活动]思考，讨论。

[教师活动]提示学生上课之初所播放的有关火灾的视频，思考过氧化钠与二氧化碳反应制氧气的实验原理是否可运用在火灾的个人防护中？

[学生活动]联系已有生活经验和知识储备，想到身处火灾中时可能会发生缺氧、窒息的情况，可以利用人体呼出的二氧化碳，通过化学反应将其转化为氧气，供应人体所需的氧气。

[教师活动]播放、展示呼吸面罩制作的原理、工艺。

[学生活动]观看，思考。

[教师活动]提供制备氧气面罩的物理材料。

[学生活动]以小组为单位，动手制作氧气面罩。

[学生活动]展示小组成果。

设计意图：将所学知识应用于实践，让学生明白学习的价值和意义。在了解氧气面罩制作工艺并参与制作的过程中，体会化学在社会生产、生活中的重要性。

5.模拟实际，定量运算

[教师活动]成人每天约需0.75 kg氧气。某人现遇火灾，离成功逃生至少还需5分钟，若要保证这段时间内被救人员的正常供氧，问氧气面罩中所需储备的过氧化钠至少为多少？[学生活动]根据化学反应方程式及数学知识，计算得出至少需要12.7 g过氧化钠。

设计意图：通过亲自动手进行计算，加强学生对知识点的理解及数学运算能力。

6. 反思总结，交流评价

[教师活动]在本节课的学习中，有何体会和收获？[学生活动]交流讨论，派代表发言。

[教师活动]根据学生的发言，进行补充和总结。

设计意图：无论对于教师还是学生而言，反思与总结是取得进步的重要方式，及时进行反思则更为重要。通过在课堂上生生之间、师生之间的交流，在锻炼语言表达能力的同时也有助于学生发现自己的不足、学习他人的经验。

六、小结

本研究将STEM 教育理念融入过氧化钠与二氧化碳的反应教学过程之中，在新时代培养综合性人才思想的指导下，将科学、技术、工程、数学融为一体，以培养全面发展的高素质人才。在整个教学过程中，力图发挥学生的主观能动性，始终坚持以学生为主体，教师起引导、支持作用。除此之外，创设真实的社会情境，使得知识不是孤立的，从而有助于学生知识的建构，并让学生明白学以致用的重要性。利用创设的情境，培养社会责任与担当精神;在设计实验、探究实验的过程中，增强科学探究与创新意识。