基于STEM理念的研究性学习--利用厨余垃圾产生沼气的探究.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）初中化学课程标准指出化学教学注重从学生已有的生活知识和经验出发，从学生熟悉的生活情境和社会实践中体会化学与技术、社会、环境的紧密关系。1STEM教育的学习特点是以学生为中心，设计驱动性问题，促使学生对真实的问题进行自主探究，从而全方位提升学生的综合素质。在基于初中化学学科的研究性学习中，教师结合课本知识与工业生产、环境问题、时事政策等热点话题，创设出学生认知范围内的具有化学特色的研究课题，让学生从已有的生活经验出发，进行知识和问题的探究与学习，2从而为学生的深度学习打开另一扇窗。化学实验教学经过趣味化、安全化、微型化发展阶段后，转向信息技术时代背景下数字化教学形态。3，4数字化实验中的传感器技术将抽象的概念以图像与数据的形式呈现出来，帮助学生进行资源整合，培养多方位多角度解决问题的能力。本研究性学习的设计基于STEM理念，设计装置利用厨余垃圾产生沼气，利用数字化实验技术使整个发酵净化过程实时可见，实现了资源的再利用。5，6在活动过程中培养了学生环保意识、生态意识、可持续发展意识，倡导学生形成简约适度，绿色低碳的生活方式，将建设美丽中国落实于行动之中。一、教学分析本研究性学习以气体制取装置的探究为核心，学生运用氧气及二氧化碳制取的知识解决产生沼气的问题，在实验过程中依据发现的问题不断改进装置并使用数字化技术完善装置，亲身经历科学探究的过程，最终完成利用厨余垃圾产生沼气的任务。1.教材分析人教版九年级 化学 上册第七单元课题2中通过图7-29“沼气的制取和利用”展示了我国农村生产并利用沼气的过程，旨在让学生理解沼气是一种可再生能源，可以通过发酵产生并应用于生产生活。2.学情分析学生学习了氧气及二氧化碳的实验室制法，初步掌握了制取气体的一般思路和方法，可以应用于利用厨余垃圾产生沼气。学生能够根据质量守恒定律分析出沼气中各成分的来源并利用酸碱盐的相关知识找到净化沼气的方法。3.教学目标学生能运用所学气体制备模型设计装置制取沼气。学生能在生活中发现和提出有探究价值的化学问题，应用所学气体制备知识设计实验装置和流程，完成实验，记录实验现象，在探究过程中针对出现的问题不断改进实验装置。学生能初步形成保护环境和资源再利用的意识，体验化学对社会发展的重大意义。二、项目实施流程及实录本研究性学习的设计思路和实施流程如图1所示。项目实施过程中，学生先设计出了一个简单的制取沼气的装置（装置1.0），发现三个问题，一是产生的基于STEM理念的研究性学习利用厨余垃圾产生沼气的探究曹文倩（武汉市南湖中学湖北 武汉430064）摘要：本研究性学习探究了如何利用厨余垃圾产生沼气以实现资源的再利用。通过三次实验，根据实验中发现的问题不断改进装置，同时借助数字化设备，最终得到了一个集制取、净化、收集于一体的具有定量测量功能的利用厨余垃圾产生沼气的装置。在教学过程中培养学生保护环境和资源再利用的意识，使学生体验化学对社会发展的重大意义。用形成性评价，通过教、学、评一体化实施促进学生学科核心素养的逐步形成与发展。关键词：STEM教育；数字化实验；研究性学习；教学评一体化文章编号：1008-0546（2022）12x-0072-04中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.017研究性学习 研究性学习 72化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）传感器安全装置除杂装置传感器安全装置除杂装置发生装置收集装置装置2.0装置1.0装置3.0图2装置设计变化图示沼气有异味，二是出现倒吸现象，三是沼气点燃存在安全隐患。对装置进行进一步改进，在其中加入除杂装置和安全装置（装置2.0）。同时，也可以借助各种传感器来实时表征沼气中甲烷的含量以及净化效果（装置3.0），见图2。S（科学）E（环境）课本展示沼气的产生气体的制备怎样利用厨余垃圾产生沼气T（技术）E（环境）进行第一次实验分析异味来源及处理方法装置改进1.沼气有异味2.出现倒吸3.点燃有隐患S（科学）E（环境）进行第二次实验探究除杂效果气体的除杂pH的测定T（技术）M（数学）进行第三次实验传感器的使用数据的分析与处理实时监控甲烷产量及净化效果S（科学）T（技术）E（环境）交流反思自评互评化学在工业上的应用STEM相关知识对此装置应用的展望学习收获图1项目设计思路和实施流程STEM线情境线问题线知识线提出问题生活中每天都会产生大量厨余垃圾，怎样利用厨余垃圾制取沼气以实现资源的再利用？查阅资料1.沼气的主要成分是甲烷，甲烷是无色无味气体，密度比空气小，难溶于水。2.厌氧发酵须在密闭环境中进行，适宜温度为40-50。进行实验 实验过程见表1、表3、表4。小组成员利用评价表进行第一次自评与互评。在检验沼气的过程中，发现沼气有臭味，且点燃后有刺激性气味，查阅资料结合硫元素守恒与转化，分析得到臭味主要来自于硫化氢，得到沼气净化的必要性。在发酵过程中，由于昼夜温差大，出现了倒吸现象。同时，沼气作为可燃性气体，直接点燃容易发生爆炸。为使装置兼具防倒吸功能和安全性能，需要加入安全装置。发酵原料发酵条件实验装置实验现象实验结论与改进建议实验1.0 利用厨余垃圾制取沼气厨余垃圾、沼气发酵剂密闭无氧（用水灌满发酵瓶）实验室的南边窗户旁边（温度较高）发生装置收集装置第二天开始有气体产生，第三天早上观察到倒吸现象，经过四天发酵时间大约产生半瓶（约500 mL）气体。点燃气体，气体燃烧，发出黄色火焰。点燃过程中观察到气体有异味。沼气有可燃性，且产生的甲烷中含有杂质。加入除杂装置和安全装置。表1实验1.0研究性学习 研究性学习 73化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）实验1.0评价表核心素养形成化学观念 解决实际问题发展科学思维 强化创新意识养成科学态度 具有责任担当谈谈在本阶段你的收获与不足：能收集各种证据，利用元素守恒分析出异味的来源能结合实验环境，分析倒吸现象出现的原因并证实假设能根据可燃性气体的安全问题预测到可能的危险能由课本图片联想到使用厨余垃圾产生沼气能利用所学气体制备知识设计出产生沼气的实验方案，完成实验操作能和同学交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进实验的假设能关注到垃圾分类，资源再利用等社会热点问题自评互评1互评2互评3表2实验表现评价表发酵原料发酵条件实验装置实验3.0 利用数字化装置制取沼气食堂的厨余垃圾、沼气发酵剂密闭无氧（用水灌满发酵瓶）实验室的南边窗户旁边（温度较高）发生装置安全装置除杂装置收集装置表4实验3.0发酵原料发酵条件实验装置实验现象实验结论与改进建议实验2.0 利用改进装置制取沼气厨余垃圾、沼气发酵剂密闭无氧（用水灌满发酵瓶）实验室的南边窗户（温度较高）发生装置安全装置除杂装置收集装置除杂装置中装的是饱和碳酸钠溶液。利用pH试纸分别测定净化前后收集装置中液体pH,净化前液体pH为5，净化后为6。净化过程是有效的表3实验2.0小组成员利用类似表2的评价表就“能否收集各种证据，判断杂质的主要成分，能找到合理的方法判断净化效果”“能否依据探究目的优化实验方案，完成实验操作”“能否和同学交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进实验的假设”进行第二次自评与互评。实验至此，只能通过沼气的可燃性判断有甲烷产生，通过对比净化前后液体pH判断净化效果，可否通过加入传感器，实现定量监测发酵净化过程中的气体含量呢？同学们又设计运用了实验装置的3.0版。研究性学习 研究性学习 74化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）实验数据实验结论与改进建议实验过程中每一小时采集一次数据，实验持续三天，共采集有效数据72组，如表格所示：对数据进行分析处理，得到如下图像：6000050000400003000020000100000二氧化碳含量/ppm0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72净化前后二氧化碳含量对比图发酵时间/h净化前二氧化碳净化后二氧化碳800006000040000200000甲烷含量/ppm0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72发酵过程中甲烷含量变化发酵时间/h7.57.06.56.05.55.04.54.0pH0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72净化前后pH对比图像发酵时间/h净化前pH净化后pH6000050000400003000020000100000二氧化碳含量/ppm0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72发酵时间/h净化前后二氧化碳含量对比图净化前二氧化碳净化后二氧化碳发酵过程中有甲烷产生，且净化过程是有效的。本次研究性学习最终得到了一个集制取、净化和收集于一体的具有定量测量功能的利用厨余垃圾产生沼气的装置。小组成员利用评价表就“能否将各种传感器加入实验方案，设计实验装置，正确使用传感器，完成实验操作”“能否对数据进行处理作图，得到量化指标判断甲烷产率及净化效果”进行第三次自评与互评。收获交流在探究实验结束后，各小组进行了交流与讨论。从反馈情况看，大多数小组都能基本完成研究计划，设计出沼气的制取装置并对实验结果进行记录与分析。有的小组还查阅了文献，了解到实际工业生产中沼气的生产流程确实与本次最终得到的装置的处理流程类似，体验了化学研究在生产中的真实应用，获得了成就感。有的小组由此次探究活动联想到了能（下转第91页）（续表4）研究性学习 研究性学习 75化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）四、实验反思能否利用其他传感器，多角度衡量乙酸乙酯在不同酸碱环境中的水解速率？实验初期，本小组计划利用 pH 传感器、电导率传感器依次对乙酸乙酯在不同环境的水解速率进行探究。3实践过程发现，在酸性和中性条件下，乙酸乙酯水解10 min，pH变化不明显，而电导率受干扰因素较多导致数据不稳定等。究其原因，本实验条件采用75 水浴加热，此条件下，无法忽略温度对水的电离的影响，导致数据不具有说服力。并且该实验为有机相与无机相混合的实验，也对溶液的pH和电导率测定造成较大影响。查阅文献发现，有研究者使用色度传感器探究酯的水解过程，4这是本小组后期可以继续尝试的方向，争取从多角度同时测定酯的水解速率。参考文献1 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）S.北京：人民教育出版社，2018.2 麦裕华，钱扬义.“中学化学手持技术数字化实验案例”的多维分析 J.化学教育，2020，41（19）：83-89.3 陈秋伶，钱扬义，麦裕华，等.利用手持技术数字化实验促进学生原电池概念认知 J.化学教育，2020，41（01）：67-73.4 唐增富.用乙醇传感器感受酯的水解 J.中学化学教学参考，2020（23）：28-3010080604020050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600时间（s）乙醇DCB注：蒸馏水、1 mol/L H2SO4、2 mol/L NaOH图7乙酸乙酯在中性、酸性、碱性条件下水解生成乙醇浓度-时间曲线对比图否利用本次得到的装置解决小区内的能源问题。有的小组提到可以基于本次学习得到的装置拓展探究范围，例如探究影响产气速率的因素等，将本次学习继续。亦有小组提到可以在后续的活动中进一步优化改进装置，实现将发酵产生的沼气、沼液、沼渣分别利用，进一步实现资源再利用。本次研究性学习使学生获得了区别于传统教学的学习体验，有了更多展示和实现自我想法的机会，极大地激发了学生学习化学的兴趣。四、教学反思本次研究性学习利用制取沼气的真实情境，设计了问题链驱动学生的活动，使学生解决真实问题的能力在装置改进和优化的过程中得以螺旋式提升。研究性学习区别于传统课堂教学，充分以学生自主探究为主体。教师作为引导者与“研究伙伴”，在研究性学习进行的过程中，何时应该给予引导、何时又应放手让学生自主，仍需在后续教学中不断摸索。参考文献1 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）S.北京：北京师范大学出版社，2012.2 马宏佳.化学数字化实验的理论与实践 M.北京：人民教育出版社，2016：10.3 郑葳.中国 STEAM 教育发展报告 M.北京：科学出版社，2017：131.4 戴静雅.STEAM和数字化实验在高中化学教学中的实践研究 D.合肥：合肥师范学院，2021.5 苏西 博斯，简 克劳斯.PBL项目制学习 M.北京：中国纺织出版社，2020.6 王珏，邓嫦圆.基于小组合作探究模式研制STEM课堂教学评价量表 J.生物学通报，2017，52（12）：12-15.（上接第75页）实验教学研究 实验教学研究 91