基于STEM教育理念的“乙醇”项目式学习

张志妍 王秀艳

摘   要：以STEM教育为基础，建构基于STEM教育理念的项目式学习模式。以“探究生活中的乙醇”为项目任务，从“结构-性质-应用”三个层面设置驱动问题，以“推断乙醇的结构”“探究乙醇的转化”“揭秘酒驾的原理”为驱动任务，针对乙醇催化氧化的实验不足之处进行改进，创造性地使用“项目通行证”作为评价学生各阶段学习情况的工具，从S、T、E、M四个层面评价学生核心素养的发展水平，对中学化学教学有一定借鉴意义。

关键词：项目式学习；STEM教育理念；乙醇实验改进；项目通行证

1  问题的提出

新课程改革提出在普通高中探索开展科学创新与技术实践的跨学科探究活动，提升学生的综合素质，这正是STEM教育的核心理念。STEM教育是科学、技术、工程、数学的跨学科融合，旨在培养学生的综合素养[ 1 ]。同时，《普通高中化学课程标准（2017年版 2020年修订）》中指出：依据社会情境中与化学相关的真实问题，探索基于学科的课程综合化教学，开展研究型、项目化、合作式学习[ 2 ]。项目式学习注重知识的综合应用，让学生在收获知识和技能的同时获得核心素养的提升。

普通高中化学课程是落实立德树人根本任务、提升学生核心素养的重要载体，对科学文化的传承和高素质人才的培养具有不可替代的作用。STEM教育理念本身的情境性、关联性、驱动性、主体性、多元性和发展性等特点与项目式学习具有高度契合性，因此在化学课堂中进行STEM教育与项目式学习的深度融合，在项目式学习过程中落实立德树人任务、提升学生核心素养是切实可行的。

在化学教学中，实验占有至关重要的地位，对培养学生实验操作能力、逻辑思维能力及综合素质的发展具有不可替代的作用。乙醇作为醇类代表物质，与选择性必修有机化学基础模块有着密切联系。以典型代表物乙醇的具体反应为载体，通过乙醇不同条件下的氧化反应，分析乙醇中官能团和化学键，预测可能的断键部位与相应的反应，使学生通过实验探究学习醇类物质的性质。然而，教材中的乙醇催化氧化实验存在两点不足之处：仅凭气味判断乙醇氧化的产物乙醛；有毒的乙醛直接排放到空气中。本文以化学实验科学性、安全性、绿色化的原则为出发点，学生采用希夫试剂与酸性高锰酸钾等药品对乙醇催化氧化的实验进行改进，在掌握知识与实验技能的同时，兼顾创新意识与科学探究能力的培养。

2  教学范例

2.1  教学模式建构

本文建构了基于STEM教育理念的项目式学习模式，如图1所示，以“探究生活中的乙醇”为项目任务，以中国的酒文化入项，从“结构-性质-应用”三个层面设置驱动问题，以“推断乙醇的结构”“探究乙醇的转化”“揭秘酒驾的原理”为驱动任务，以学生为主体，开展以化学实验为主的探究活动，以“项目通行证”的形式评价学生各阶段的学习情况，最后以多种成果展示学生的学习效果，使学生充分领会化学学科的价值，同时培养学生的创新精神和实践能力。

2.2  教学过程

环节一：以酒文化入项

酒在中国的传统文化中有其独特的地位。教师提问学生能想到哪些关于酒的诗句，以及酒在日常生活中的用途。教师设置问题版通行证，如图2所示。学生能够从颜色、状态、气味等方面归纳出乙醇的物理性质。

【设计意图】 教师介绍中国酒文化，激发学生兴趣与体验感，学生根据生活经验进行自主学习，提高学生的课堂参与广度，培养学生归纳总结的能力。教师依据问题版通行证评估学生对乙醇知识的熟悉情况。

环节二：推断乙醇的结构

教师引导学生根据乙醇的分子式推测可能的结构式，遵循C、H、O元素的成键规则，搭建符合的球棍模型；通过Na与水反应生成氢气，并且Na要保存在煤油（烷烃混合物）中的事实，引导学生从化学键的断裂或活泼性角度考虑，并设计实验验证猜想，得到乙醇的结构式；同时引导学生写出乙醇与钠反应的化学方程式，分析乙醇与乙烷二者的结构区别，明确结构与物质的化学性质之间的关系，进而讲解乙醇中的官能团羟基，它的存在决定乙醇具有区别于乙烷的化学性质，即帮助学生形成“结构决定性质”的观念。

【设计意图】 科学（S）、数学（M）：从假设乙醇结构出发，通过推理、演示、实验证明等科学探究过程，定量分析乙醇与产生氢气的关系，启发学生关注物质结构，从分类角度认识有机物官能团，在进行科学探究的同时提高学生“证据推理与模型认知”的素养。

环节三：探究乙醇的转化

根据生活常识，学生知道乙醇具有可燃性、能够发生氧化反应，请同学书写乙醇燃烧的化学方程式，根据性质思考乙醇的用途和优势。学生查阅资料交流乙醇在人体内的代谢过程（图3），分析饮酒后出现不良反应的原因。

由于时间有限，师生观看乙醇的催化氧化试验的视频，思考实验不足之处。学生查阅文献，了解若干种改进方法，综合分析后得到表1实验方案[ 3 ]。

教师提供实验所需仪器和药品，组织学生进行实验改进，并以化学方程式表征乙醇的氧化反应。实验过程中发现一些问题，经过讨论交流后，再次进行改进，得到实验改进方案2（表2）。

【设计意图】 科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）：通过模拟乙醇在人体中的代谢过程，学生分组进行改进乙醇的催化氧化实验，认识不同条件下乙醇的氧化反应及有机物转化的规律，能够从宏观、微观及化学方程式三重表征乙醇的催化氧化反应，构建有机物的认知模型，发展“科学探究与创新意识”素养。

环节四：揭秘酒驾的原理

通过实验学生知道乙醇在不同条件下能发生氧化反应，教师展示早期交警检查酒后驾车的图片，提出疑问：乙醇的氧化反应与酒精检测有什么关系？教师设置简易版通行证（图6），学生写出自己的问题或收获，具有较大的个人发挥空间。

【设计意图】 通过了解酒后驾车的危害、酒驾检测原理和处理办法等途径，学生加深对“结构决定性质、性质决定用途”核心观念的理解，同时培养学生的法制意识和社会责任感。通过了解乙醇的应用，学生理解乙醇的正反作用，培养辩证思维。

环节五：出项

教师设置反思版通行证（图7），学生根据个人能力及兴趣，完成分层项目成果：

（1） 形成完整的乙醇催化氧化实验改进方案；

（2） 利用酵母、糖气球等常见物质制作简易的酒精检测装置，在家庭、社区中进行应用。

【设计意图】 科学（S）、工程（E）：通过对乙醇结构、性质和应用之间关系的分析，学生能够准确运用所学知识解释酒驾的检测原理，形成实验改进方案、自制酒精检测仪等项目成果，建立“结构决定性质、性质决定用途”的化学观念，并在生活中应用这种观念，发展“科学态度与社会责任”素养。

3  教学反思

3.1  全程评价学习过程

在项目式学习的每个节点都应该伴随学习过程的评价与反思。教师以“项目通行证”作为评价工具：在“酒文化入项”时，教师设置问题版通行证，把握学生对乙醇前概念的掌握情况。在“探究乙醇的转化”环节，教师设置问题版通行证，评价小组内成员的分工合作表现，发现问题并及时进行干预指导。在“揭秘酒驾的原理”时设置简易版通行证，学生从不同维度写出自己的观点，以辩证的思维看待乙醇。在“出项”环节设置反思版通行证，学生反思项目中的收获与不足，为今后的项目总结经验。在各节点上交“通行证”，学生才能进入下一步学习。“项目通行证”作为教师了解学情、过程评价以及调整教学的工具，不仅能够即时反馈学生的学习状态，而且对于评估学生思维和素养发展具有重要意义。

3.2  完成素养发展任务

本项目以“探究生活中的乙醇”为主题，逐步开展“推断乙醇的结构”“探究乙醇的转化”“揭秘酒驾的原理”等活动过程，激发了学生学习醇类知识的兴趣，使学生能够根据官能团的结构特点，解释和预测有机化合物的性质，在解决项目问题的同时，实现了知识到素养的转化。学生在实验过程中发现问题，并根据现象做出判断，采取合理的解决方法。在这个过程中，不仅提高了学生的实验操作技能，也培养了学生实事求是、科学探究的精神，实现不同层面的素养全面发展，起到了事半功倍的效果。

参考文献：

［1］ 赵国华. 融合STEM理念优化基于学习共同体的初中化学课堂教学：美国杰森课堂STEM教育的启示[J]. 化学教学， 2020 （6） ： 43-47.

［2］ 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版 2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020 ： 6-7.

［3］ 张婧， 牛晨，韩秋霞，等. 乙醇催化氧化实验的改进[J]. 化学教学， 2019， 391（10） ： 58-61.