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融入STEAM理念的高中綜合實(shí)踐活動課程開發(fā)

2023-04-13 02:34王柯厶
化學(xué)教與學(xué) 2023年7期
關(guān)鍵詞:合作學(xué)習(xí)高中

王柯厶

摘要:近年來,用于制備生物柴油的創(chuàng)新原料引起了科學(xué)家們的廣泛興趣,與此同時(shí),高中生物柴油制備綜合實(shí)踐活動課程的教學(xué)方法也需要與時(shí)俱進(jìn)。本研究旨在為高中學(xué)生開展一項(xiàng)利用廢棄植物食用油(WVCO)為原料制備生物柴油的STEAM活動。通過簡單、低成本的實(shí)驗(yàn),評估南京市第九中學(xué)48名學(xué)生的基本過程技能(BSPS)。研究結(jié)果表明,STEAM活動能夠讓BSPS水平較低的學(xué)生進(jìn)行有效的科學(xué)思想交流、鼓勵學(xué)生在練習(xí)BSPS的同時(shí)發(fā)展創(chuàng)造性思維等。此研究為高中教師進(jìn)一步在學(xué)校實(shí)施STEAM活動提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:高中;跨學(xué)科概念;綠色能源;合作學(xué)習(xí)

文章編號:1008-0546(2023)07-0032-05 中圖分類號:G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.006

一、教學(xué)主題內(nèi)容和教學(xué)現(xiàn)狀分析

生物柴油是一種可生物降解的綠色能源,它能夠作為石油、汽油的替代燃料而減少環(huán)境污染。生物柴油的制備涉及酯交換反應(yīng),能夠?qū)⒅参镉?、藻油、產(chǎn)油微生物或動物脂肪等原料與醇相結(jié)合生成脂肪酸甲酯(FAME)或生物柴油和甘油。因此,高中“生物柴油制備”綜合實(shí)踐活動課程的開發(fā)不僅可以發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng),還能夠整合生活資源,培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

廢棄植物食用油(WVCO)是一種制備生物柴油的低成本生物資源。WVCO與甲醇的酯交換反應(yīng)流程,見圖1。WVCO與甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)能夠生成FAME或生物柴油和甘油,產(chǎn)物需要用紅外光譜、[1] 氣相色譜、[2] 核磁共振光譜、 [3] 和高效液相色譜 [4] 等手段進(jìn)行檢測。昂貴的儀器和耗時(shí)的定性分析手段對高中化學(xué)教學(xué)造成了一定程度的限制。因此,需要為高中學(xué)生設(shè)計(jì)簡單、低成本的“生物柴油制備”綜合實(shí)踐活動課程來拓展學(xué)生的視野,進(jìn)一步促進(jìn)化學(xué)知識與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

高中“生物柴油制備”綜合實(shí)踐活動課程應(yīng)該采用一種有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)、提升批判性思維和創(chuàng)造性思維的教學(xué)方法,幫助學(xué)生整合學(xué)科之間的知識,更好地將理論知識與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合。STEAM教育是一種主動學(xué)習(xí)模式,傳統(tǒng)的STEM教育融合了四個(gè)學(xué)科:科學(xué)(S)、技術(shù)(T)、工程(E)和數(shù)學(xué)(M)。[5,6]除學(xué)科融合外,STEM活動結(jié)合了現(xiàn)實(shí)問題,使課程變得更加真實(shí)和有趣。[7,8] 若將藝術(shù)(A)融合在STEAM教育中將有助于提高學(xué)生的創(chuàng)造力,同時(shí)減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力。現(xiàn)將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)融入到教學(xué)中,以“生物柴油制備”綜合實(shí)踐活動課程的開發(fā)為主題內(nèi)容,以WVCO為原料談?wù)勅绾芜M(jìn)行STEAM教育教學(xué)。

三、教學(xué)目標(biāo)

(1)學(xué)生通過對環(huán)保材料的選擇與使用,做出有科學(xué)依據(jù)的判斷、評價(jià)和決策。知道反應(yīng)物的選擇對化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的品質(zhì)具有重要的影響,能夠考慮化學(xué)變化中的物質(zhì)變化來分析解決實(shí)際問題,發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識” “科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(2)學(xué)生關(guān)聯(lián)化學(xué)反應(yīng)類型基本知識,從多維度、多樣態(tài)加深對知識模塊的理解,基于猜想提出合理的實(shí)驗(yàn)方案,從多學(xué)科視角解決問題,激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)、提升批判性思維和創(chuàng)造性思維。

(3)通過對比產(chǎn)物性質(zhì)的差異和產(chǎn)品包裝的投票率,學(xué)生能夠理解方案設(shè)計(jì)的原因,提高獲取并處理信息、解決實(shí)際問題的能力。從問題出發(fā)設(shè)計(jì)方案,整合學(xué)科之間的知識,更好地將理論知識與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合。

四、教學(xué)流程

本節(jié)綜合實(shí)踐活動課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)活動和設(shè)計(jì)意圖,如圖2所示。

五、教學(xué)實(shí)錄

1. 定義問題/確定需求

(1)什么是生物柴油?

【師】目前,迅速工業(yè)化導(dǎo)致的極端惡劣氣候?qū)θ藗兊纳a(chǎn)生活造成了極大的影響。而采用石油和普通柴油作為主要燃料是導(dǎo)致全球氣候變化的主要原因之一,因此環(huán)保型柴油的開發(fā)和利用成為造福社會的一種途徑。

【師】大家思考一下怎樣找到解決問題的方法?學(xué)生分組交流、討論,教師發(fā)現(xiàn)有小組課前搜集了有關(guān)生物柴油的資料,于是請這組學(xué)生代表來介紹解決問題的整體思路。

【生】生物柴油與普通柴油的性質(zhì)相近,無需改動柴油機(jī)便可以直接添加使用,并且可以能夠有效減少有毒物質(zhì)的排放。因此,可以通過制備生物柴油減少環(huán)境污染。

(2)怎樣制備生物柴油?

【師】廢棄植物食用油(WVCO)和生物柴油的結(jié)構(gòu)簡式如圖3所示,我們該如何利用身邊的低成本生物資源制備生物柴油呢?

【生】可以使用WVCO和甲醇為原料,利用酯交換的化學(xué)反應(yīng)原理制備生物柴油。

【師】總結(jié)制備的方法,見圖1。

2. 收集信息/探索想法

(1)什么是WVCO?

【師】植物油在烹飪的過程中會發(fā)生水解、熱降解、氧化和聚合等化學(xué)反應(yīng),其物理和化學(xué)性質(zhì)均會發(fā)生變化。因此,長時(shí)間食用重復(fù)使用的油烹制的食物會增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn),WVCO回收不當(dāng)也會導(dǎo)致環(huán)境污染。[9,10]

【師】每組學(xué)生領(lǐng)取四種植物油,包括新植物油、煮過一次、兩次和兩次以上的WVCO,見圖4。請各組學(xué)生研究不同種類植物油的物理性質(zhì),總結(jié)辨別新植物油和已經(jīng)烹飪過的植物油的方法。

學(xué)生分組研究四種植物油的物理特性,教師請小組學(xué)生代表交流研究成果。

【生】烹飪兩次以上的WVCO會呈現(xiàn)深棕色,并具有高粘度的物理特性。

【師】看來同學(xué)們已經(jīng)能夠從物理性質(zhì)角度區(qū)分新植物油、煮過一次、兩次和兩次以上的WVCO。

(2)研究市場上出售的生物柴油

【師】這里為每組學(xué)生提供了樣品,包括石油柴油燃料、標(biāo)準(zhǔn)生物柴油和一套化學(xué)儀器(移液管、棉球、滴管和火柴),請同學(xué)們研究市場上出售的石油柴油燃料和標(biāo)準(zhǔn)生物柴油的特性。

學(xué)生討論、交流,教師關(guān)注學(xué)生的討論過程,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

【師】這一組同學(xué)利用移液管進(jìn)行了測試,請這組學(xué)生代表介紹一下你們探究的過程,以及分析了石油柴油燃料和標(biāo)準(zhǔn)生物柴油的哪些特性?

【生】首先,我們將25 mL被測燃料吸入帶有刻度的移液管中,取下洗耳球,用手指快速蓋住移液管的頂部。然后,緩慢松開手指以允許少量空氣進(jìn)入移液管,同時(shí)立即啟動秒表。當(dāng)最后一滴燃油流出,停止計(jì)時(shí)。重復(fù)測量3次,分析燃料的粘度大小。

【師】通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)得到怎樣的結(jié)論?

【生】我們觀察到生物柴油的粘度與石油柴油燃料的粘度相似。

【師】非常好,有沒有其他同學(xué)研究了石油柴油燃料和標(biāo)準(zhǔn)生物柴油的其他方面的特性?

【生】我們組進(jìn)行了石油柴油燃料和標(biāo)準(zhǔn)生物柴油的可燃性測試。實(shí)驗(yàn)方法是使用滴管將10滴待測燃料滴在棉球上,用火柴點(diǎn)燃棉球,記錄可燃性和產(chǎn)生煙霧的情況。

【師】你們從石油柴油燃料和標(biāo)準(zhǔn)生物柴油的可燃性實(shí)驗(yàn)得到了什么樣的結(jié)論?

【生】生物柴油的可燃性試驗(yàn)造成的污染比石油柴油燃料少。

(3)使用烹飪過兩次以上的WVCO 制備生物柴油

【師】老師已經(jīng)提前在每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)桌上準(zhǔn)備好了烹飪過兩次以上的WVCO,請各組同學(xué)按照屏幕上顯示的實(shí)驗(yàn)步驟制備生物柴油:首先,將100 mL的WVCO在燒杯中以65 °C的溫度加熱5 min。然后,將加熱后的WVCO裝在塑料瓶中,向塑料瓶中加入25mL 甲醇(CH 3 OH)。接著,再加入 0.3 g 氫氧化鈉(NaOH)作為催化劑加速酯交換反應(yīng)。擰緊瓶蓋并搖動3 min,搖動時(shí),每隔30 s松開瓶蓋一次,以降低瓶內(nèi)壓力。最后,將瓶子靜置30 min,溶液分層。下層是甘油,上層即為密度較低的生物柴油。

學(xué)生分組使用相同的原料制備生物柴油。

【師】將生物柴油和甘油分離后,請各組同學(xué)按照屏幕展示的薄層色譜(TLC)法確定酯交換反應(yīng)是否完成:TLC是一種快速、便捷的檢驗(yàn)方法,是對生物柴油進(jìn)行定性分析的最佳選擇。為了進(jìn)行TLC分離,將微量制備好的生物柴油置于硅膠板上,以體積比為85∶15∶1的石油醚、乙醚和冰醋酸的混合物作為展開劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后,用碘蒸汽染色以識別樣品點(diǎn)。

學(xué)生們記錄制備的生物柴油的物理和化學(xué)性質(zhì),包括顏色、粘度、可燃性結(jié)果和TLC結(jié)果。

3. 測試、評估和改進(jìn)

(1)用WVCO制備最好的生物柴油

教師在活動室設(shè)立了一個(gè)中心市場,出售制備生物柴油的原材料。每100 mL的WVCO的售價(jià)不同,烹飪過一次、兩次和兩次以上WVCO的售價(jià)分別為0.6元、0.4元、0.2元。

【師】請各組同學(xué)充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性思維,通過小組成員之間的協(xié)作制備出質(zhì)量最好、成本最低的生物柴油,然后為制備好的生物柴油設(shè)計(jì)最具吸引力的包裝。

【師】在實(shí)踐過程中,每個(gè)小組需要將制備生物柴油的過程繪制為流程圖,并在A4紙上設(shè)計(jì)所制備的生物柴油的彩色包裝。

小組成員們集思廣益,選擇一種合適的原材料,用最低的成本制備質(zhì)量最好的生物柴油。

【師】老師觀察到雖然各組成員選擇的原材料有所不同,但是大家都能夠發(fā)揮自己的藝術(shù)和創(chuàng)造力,順利完成生物柴油的制備活動。

教師收集各組學(xué)生的薄層色譜板和他們的生產(chǎn)記錄表,并總結(jié)了每組學(xué)生生產(chǎn)的生物柴油的物理和化學(xué)特性。

(2)作品展示和大眾投票

【師】每組學(xué)生用5 min的時(shí)間向全班展示他們的生物柴油包裝設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)的生物柴油特性。

教師為每組學(xué)生發(fā)放若干張心形貼紙,學(xué)生們通過貼紙進(jìn)行投票選出(除自己小組以外)最喜歡的生物柴油包裝設(shè)計(jì)。

【師】最終的投票和分?jǐn)?shù)(見表1)顯示,第8組以最高票數(shù)7分贏得全體小組學(xué)生的投票,而第4組學(xué)生獲得最低1分的投票。此外,還有一組學(xué)生(第3組)沒有獲得任何投票。

【師】同學(xué)們的創(chuàng)造性思維不僅體現(xiàn)在生物柴油包裝設(shè)計(jì)上,而且在原材料的選擇過程中也有所體現(xiàn)。只有三組(第1、4、5組)使用售價(jià)最低的WVCO,對比最終的TLC 結(jié)果發(fā)現(xiàn),第1組和第5組制備的生物柴油質(zhì)量最佳。

六、教學(xué)效果與反思

1. 學(xué)生訪談

本節(jié)課在南京市第九中學(xué)2021級高一年級8班完成,課后對幾位同學(xué)進(jìn)行了訪談,圍繞“本節(jié)課的收獲有哪些” “小組成員的參與度如何”等問題,讓學(xué)生發(fā)表看法,現(xiàn)將訪談結(jié)果摘錄如下:

學(xué)生1:我覺得此次生物柴油制備活動課程能夠充分培養(yǎng)我們的創(chuàng)造性思維,這種能力的全面提升不僅體現(xiàn)在生物柴油的包裝設(shè)計(jì)上,還體現(xiàn)在最初原材料的選擇過程中。我發(fā)現(xiàn)一些小組在生物柴油制備活動中的得分比較低,但是在生物柴油包裝設(shè)計(jì)方面贏得了其他組同學(xué)的普遍歡迎。因此,此次融入了藝術(shù)維度的綜合實(shí)踐課程不僅鼓勵我們充分展現(xiàn)自己的創(chuàng)造性思維,而且有利于基本過程技能水平較低的學(xué)生與其他學(xué)生之間進(jìn)行有效的科學(xué)思想交流。

學(xué)生2:我認(rèn)為生物柴油制備活動課程的幾項(xiàng)活動都比較簡單易行,并且不需要昂貴的設(shè)備就能夠讓我們沉浸式地體驗(yàn)工業(yè)生產(chǎn)的樂趣。此外,我們還能夠使用TLC方法立即直觀地評估制備的生物柴油的質(zhì)量,藝術(shù)融合的方式也鼓勵了我們?nèi)w同學(xué)有效地向大家傳達(dá)自己的科學(xué)理念。在實(shí)驗(yàn)操作中,我們也通過老師的指導(dǎo)和小組成員之間的交流學(xué)會了許多危險(xiǎn)化學(xué)品的使用注意事項(xiàng)。例如,氫氧化鈉具有腐蝕性,應(yīng)避免與皮膚接觸。冰醋酸對皮膚和眼睛有腐蝕性,必須小心處理。甲醇、石油醚和乙醚都是揮發(fā)性有機(jī)溶劑,應(yīng)使用手套進(jìn)行處理等。

2. 教師反思

本次生物柴油制備 STEAM 活動是通過將科學(xué)(S)與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合而開發(fā)的(酯交換反應(yīng)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能)。技術(shù)(T)用于搜索有關(guān)生產(chǎn)生物柴油和設(shè)計(jì)生物柴油包裝的信息。工程(E)以規(guī)劃制備最佳生物柴油的過程。此外,學(xué)生們采用藝術(shù)(A)手段來展現(xiàn)他們的生物柴油包裝設(shè)計(jì)理念。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析生產(chǎn)的生物柴油的質(zhì)量、設(shè)計(jì)生物柴油包裝和計(jì)算生產(chǎn)的生物柴油的成本時(shí),還需要進(jìn)行數(shù)學(xué)(M)統(tǒng)計(jì)。

正如學(xué)生在訪談中所說,生物柴油制備的STEAM活動課程提升了全體學(xué)生的創(chuàng)造性思維,使BSPS水平低的學(xué)生也能夠進(jìn)行有效的科學(xué)交流。由于設(shè)計(jì)的生物柴油制備實(shí)驗(yàn)簡便易行,教師可以將類似的設(shè)計(jì)理念廣泛應(yīng)用于高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動。

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