融入STEAM理念的高中綜合實踐活動課程開發

王柯厶

摘要：近年來，用于制備生物柴油的創新原料引起了科學家們的廣泛興趣，與此同時，高中生物柴油制備綜合實踐活動課程的教學方法也需要與時俱進。本研究旨在為高中學生開展一項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、低成本的實驗，評估南京市第九中學48名學生的基本過程技能（BSPS）。研究結果表明，STEAM活動能夠讓BSPS水平較低的學生進行有效的科學思想交流、鼓勵學生在練習BSPS的同時發展創造性思維等。此研究為高中教師進一步在學校實施STEAM活動提供指導。

關鍵詞：高中；跨學科概念；綠色能源；合作學習

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.006

一、教學主題內容和教學現狀分析

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境污染。生物柴油的制備涉及酯交換反應，能夠將植物油、藻油、產油微生物或動物脂肪等原料與醇相結合生成脂肪酸甲酯（FAME）或生物柴油和甘油。因此，高中“生物柴油制備”綜合實踐活動課程的開發不僅可以發展學生的核心素養，還能夠整合生活資源，培養學生的化學學科素養。

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流程，見圖1。WVCO與甲醇進行酯交換反應能夠生成FAME或生物柴油和甘油，產物需要用紅外光譜、[1] 氣相色譜、[2] 核磁共振光譜、 [3] 和高效液相色譜 [4] 等手段進行檢測。昂貴的儀器和耗時的定性分析手段對高中化學教學造成了一定程度的限制。因此，需要為高中學生設計簡單、低成本的“生物柴油制備”綜合實踐活動課程來拓展學生的視野，進一步促進化學知識與實際生產實踐相結合。

二、教學思想與創新點

高中“生物柴油制備”綜合實踐活動課程應該采用一種有助于激發學生學習動機、提升批判性思維和創造性思維的教學方法，幫助學生整合學科之間的知識，更好地將理論知識與實際生產相結合。STEAM教育是一種主動學習模式，傳統的STEM教育融合了四個學科：科學（S）、技術（T）、工程（E）和數學（M）。[5，6]除學科融合外，STEM活動結合了現實問題，使課程變得更加真實和有趣。[7，8] 若將藝術（A）融合在STEAM教育中將有助于提高學生的創造力，同時減輕學生的學習壓力。現將化學學科核心素養融入到教學中，以“生物柴油制備”綜合實踐活動課程的開發為主題內容，以WVCO為原料談談如何進行STEAM教育教學。

三、教學目標

（1）學生通過對環保材料的選擇與使用，做出有科學依據的判斷、評價和決策。知道反應物的選擇對化學反應產物的品質具有重要的影響，能夠考慮化學變化中的物質變化來分析解決實際問題，發展“科學探究與創新意識” “科學態度與社會責任”等化學學科核心素養。

（2）學生關聯化學反應類型基本知識，從多維度、多樣態加深對知識模塊的理解，基于猜想提出合理的實驗方案，從多學科視角解決問題，激發學習動機、提升批判性思維和創造性思維。

（3）通過對比產物性質的差異和產品包裝的投票率，學生能夠理解方案設計的原因，提高獲取并處理信息、解決實際問題的能力。從問題出發設計方案，整合學科之間的知識，更好地將理論知識與實際生產相結合。

四、教學流程

本節綜合實踐活動課程的教學環節、教學活動和設計意圖，如圖2所示。

五、教學實錄

1. 定義問題/確定需求

（1）什么是生物柴油？

【師】目前，迅速工業化導致的極端惡劣氣候對人們的生產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致全球氣候變化的主要原因之一，因此環保型柴油的開發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？學生分組交流、討論，教師發現有小組課前搜集了有關生物柴油的資料，于是請這組學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相近，無需改動柴油機便可以直接添加使用，并且可以能夠有效減少有毒物質的排放。因此，可以通過制備生物柴油減少環境污染。

（2）怎樣制備生物柴油？

【師】廢棄植物食用油（WVCO）和生物柴油的結構簡式如圖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，利用酯交換的化學反應原理制備生物柴油。

【師】總結制備的方法，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生水解、熱降解、氧化和聚合等化學反應，其物理和化學性質均會發生變化。因此，長時間食用重復使用的油烹制的食物會增加患癌癥的風險，WVCO回收不當也會導致環境污染。[9，10]

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

學生分組研究四種植物油的物理特性，教師請小組學生代表交流研究成果。

【生】烹飪兩次以上的WVCO會呈現深棕色，并具有高粘度的物理特性。

【師】看來同學們已經能夠從物理性質角度區分新植物油、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】這里為每組學生提供了樣品，包括石油柴油燃料、標準生物柴油和一套化學儀器（移液管、棉球、滴管和火柴），請同學們研究市場上出售的石油柴油燃料和標準生物柴油的特性。

學生討論、交流，教師關注學生的討論過程，指導學生進行分組實驗。

【師】這一組同學利用移液管進行了測試，請這組學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準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入移液管，同時立即啟動秒表。當最后一滴燃油流出，停止計時。重復測量3次，分析燃料的粘度大小。

【師】通過這個實驗得到怎樣的結論？

【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，有沒有其他同學研究了石油柴油燃料和標準生物柴油的其他方面的特性？

【生】我們組進行了石油柴油燃料和標準生物柴油的可燃性測試。實驗方法是使用滴管將10滴待測燃料滴在棉球上，用火柴點燃棉球，記錄可燃性和產生煙霧的情況。

【師】你們從石油柴油燃料和標準生物柴油的可燃性實驗得到了什么樣的結論？

【生】生物柴油的可燃性試驗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】老師已經提前在每個小組的實驗桌上準備好了烹飪過兩次以上的WVCO，請各組同學按照屏幕上顯示的實驗步驟制備生物柴油：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。擰緊瓶蓋并搖動3 min，搖動時，每隔30 s松開瓶蓋一次，以降低瓶內壓力。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，請各組同學按照屏幕展示的薄層色譜（TLC）法確定酯交換反應是否完成：TLC是一種快速、便捷的檢驗方法，是對生物柴油進行定性分析的最佳選擇。為了進行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行實驗。最后，用碘蒸汽染色以識別樣品點。

學生們記錄制備的生物柴油的物理和化學性質，包括顏色、粘度、可燃性結果和TLC結果。

3. 測試、評估和改進

（1）用WVCO制備最好的生物柴油

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

【師】請各組同學充分發揮自己的創造性思維，通過小組成員之間的協作制備出質量最好、成本最低的生物柴油，然后為制備好的生物柴油設計最具吸引力的包裝。

【師】在實踐過程中，每個小組需要將制備生物柴油的過程繪制為流程圖，并在A4紙上設計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，但是大家都能夠發揮自己的藝術和創造力，順利完成生物柴油的制備活動。

教師收集各組學生的薄層色譜板和他們的生產記錄表，并總結了每組學生生產的生物柴油的物理和化學特性。

（2）作品展示和大眾投票

【師】每組學生用5 min的時間向全班展示他們的生物柴油包裝設計理念和生產的生物柴油特性。

教師為每組學生發放若干張心形貼紙，學生們通過貼紙進行投票選出（除自己小組以外）最喜歡的生物柴油包裝設計。

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

【師】同學們的創造性思維不僅體現在生物柴油包裝設計上，而且在原材料的選擇過程中也有所體現。只有三組（第1、4、5組）使用售價最低的WVCO，對比最終的TLC 結果發現，第1組和第5組制備的生物柴油質量最佳。

六、教學效果與反思

1. 學生訪談

本節課在南京市第九中學2021級高一年級8班完成，課后對幾位同學進行了訪談，圍繞“本節課的收獲有哪些” “小組成員的參與度如何”等問題，讓學生發表看法，現將訪談結果摘錄如下：

學生1：我覺得此次生物柴油制備活動課程能夠充分培養我們的創造性思維，這種能力的全面提升不僅體現在生物柴油的包裝設計上，還體現在最初原材料的選擇過程中。我發現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計方面贏得了其他組同學的普遍歡迎。因此，此次融入了藝術維度的綜合實踐課程不僅鼓勵我們充分展現自己的創造性思維，而且有利于基本過程技能水平較低的學生與其他學生之間進行有效的科學思想交流。

學生2：我認為生物柴油制備活動課程的幾項活動都比較簡單易行，并且不需要昂貴的設備就能夠讓我們沉浸式地體驗工業生產的樂趣。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量，藝術融合的方式也鼓勵了我們全體同學有效地向大家傳達自己的科學理念。在實驗操作中，我們也通過老師的指導和小組成員之間的交流學會了許多危險化學品的使用注意事項。例如，氫氧化鈉具有腐蝕性，應避免與皮膚接觸。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性有機溶劑，應使用手套進行處理等。

2. 教師反思

本次生物柴油制備 STEAM 活動是通過將科學（S）與化學反應相結合而開發的（酯交換反應和化學實驗技能）。技術（T）用于搜索有關生產生物柴油和設計生物柴油包裝的信息。工程（E）以規劃制備最佳生物柴油的過程。此外，學生們采用藝術（A）手段來展現他們的生物柴油包裝設計理念。學生在進行實驗和分析生產的生物柴油的質量、設計生物柴油包裝和計算生產的生物柴油的成本時，還需要進行數學（M）統計。

正如學生在訪談中所說，生物柴油制備的STEAM活動課程提升了全體學生的創造性思維，使BSPS水平低的學生也能夠進行有效的科學交流。由于設計的生物柴油制備實驗簡便易行，教師可以將類似的設計理念廣泛應用于高中實驗教學活動。

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