基于“深度學習”的STSE項目設計與實施

華麗芬

摘 ? ?要：基于“深度學習”的STSE項目教學，將學生之前所學的碎片化知識進一步整合成有邏輯、有體系的知識結構并進行學習的遷移，建構從“資源”到“產品”的轉化思路，發展學生工業化思維，實現資源最大化利用，樹立“綠色化學”的觀念。

關鍵詞：深度學習;STSE;項目教學;海水淡化

一、研究背景

（一）深度學習的必要性

深度學習是一種理解性學習模式，相對于通過習題強化訓練獲得知識的傳統學習模式，它更注重通過學習主題的引領，使學習者全身心參與學習活動，實現知識的結構化。深度學習改變了以往教學中教師只關注知識的數量和教學的進度，而更注重知識的結構和教學的深度。深度學習使學生獲得的不再是淺層化的知識和表層化的思維，而更注重對知識的深層加工和對學科思想的理解。

（二）STSE教育的重要性

融合Science（科學）、Technology（技術）、Society（社會）、Environment（環境）的STSE教育旨在提高公民科學素養，促進社會可持續發展。新課標中明確指出：能較深刻地理解化學、技術、社會和環境之間的相互關系，認識化學對社會發展的重要貢獻，能運用已有知識和方法綜合分析化學過程對自然可能帶來的各種影響，權衡利弊，強化社會意識，積極參與有關化學問題的社會決策[1]。

（三）情境創設的真實性

創設情境既能體現學科價值，又提高了學生積極性，容易產生情感共鳴，真實的情境也為學生的素養發展提供真實的表現機會。因此，教師首先要考慮學生的認知水平，在此基礎上選擇契合教學目標并能夠驅動學生進行高階思維的情境素材。另外，素材的價值觀導向應是正面的，不應嘩眾取寵甚至引起恐慌。

二、教學設計

（一）教材與學情分析

依據新課標，高中化學課程分為必修、選擇性必修、選修三類課程。必修課程適合全體高一學生，選擇性必修課程適合高二化學班的學生，選修課程主要面向對化學學科有興趣，想要繼續在這一領域深入研究、拓展視野、提升素養的學生。選修課程具有兼容性和靈活性，“燃煤脫硫”“海水蒸餾”“海水提溴”“氯堿工業”等知識先后在蘇教版《化學1》中出現，教師可以結合真實情境，整合教學資源進行二度開發。本案例適合已經修習完《化學1》的高一或高二學生，這個階段的學生已經具有一定的知識儲備和探究能力，便于教師開展教學。

（二）教學設計思路

1.明確學習主題和學習目標

要引導學生深度學習，教師的視野要開闊，要能跳出傳統教學的思維，打通學科各章節之間的壁壘，選擇的主題既要能凸顯學科核心概念和知識，又要有利于探究實驗和實踐活動的開展，還能關注社會生活，實現科學與人文的融合。

水是生命之源，而我國淡水資源匱乏，水資源短缺制約著國民經濟的發展。海水中的水資源和化學資源極其豐富，海水淡化與化工生產、能源開發等相結合已經成為海水綜合利用的重要方向。選擇“設計海水綜合利用產業園”這一主題，既符合社會發展的需要，還可以幫助學生從化學的角度建構“資源”到“產品”的工業化思維，樹立綠色化學的學科理念。

深度學習的目標制訂要符合課程標準和學生已有認知水平，以核心知識為載體，促進學生核心素養發展。本案例以海水資源的開發利用過程的化學問題為素材，將生產和技術問題線索、技術知識線索、化學知識線索相融合，使學生掌握資源到產品的轉化思路與常用方法，培養學生運用所學知識對與化學有關的技術問題做出分析和解釋，依據“綠色化學”思想分析化工生產過程的特點和存在問題，深化對化學、技術、社會和環境的相互作用關系的理解，樹立可持續發展觀念。

2.創設真實情境開展教學活動

深度學習能幫助學生將單一化、碎片化的知識進行整合，建立有邏輯、有系統的知識結構框架。為了讓深度學習真正發生，教師可以創設真實情境為學生搭建思維平臺，通過學習任務的設置拓寬學生的認識角度和解決問題的思路，發展高階思維。

位于渤海之濱的天津市干旱少雨，淡水資源匱乏，天津北疆電廠聯合本地區鹽場采用“資源—產品—廢棄物—再生資源”的模式進行聯合生產[2]，是我國實施循環經濟項目的示范企業。本文以“設計海水綜合利用產業園”為學習主題，以北疆電廠循環經濟項目為背景組織教學，教師是“產業園”項目的發起人，學生扮演項目“工程師”的角色，設計的方案既要解決沿海城市缺水問題，又要解決工業生產中的廢熱、廢氣、廢水等問題，實現海水資源的最大化利用。本案例分兩課時進行，第1課時為方案的研究與設計過程，第2課時為成果的匯報與項目總結，具體流程見圖1。

三、教學實施

環節1：從海水中獲取物質的理論知識

[問題1]“南水北調”是我國一項戰略性工程，其中東線工程是通過我省揚州市的江都水利樞紐將長江水逐級北送至威海、天津等沿海城市。沿海城市海水資源豐富，為什么還要“調水”？

[學生]缺少淡水資源。

[任務]為了滿足沿海某城市發展的需要，現要在該地區原有鹽場和發電廠附近規劃建造一座“海水綜合利用產業園”，建成后的產業園不僅可以生產食鹽、純堿、燒堿、液溴等產品來帶動該地區經濟發展，也能解決該地區居民用水、用地以及發電廠廢熱等問題。請各小組分工合作，設計方案完成產業園的布局圖。

[指導]結合已有認知，思考從海水中分別獲得淡水、食鹽、純堿、燒堿、液溴的原理或方法。

[學生表現]學生已經具備本節課所需的氧化還原反應原理、物質分離與提純方法、侯氏制堿、氯堿工業等知識基礎，所以在教師引導下歸納出單一物質的獲取方法（見表1）。

環節2：從實驗室制備到工業化生產

[問題2]南水北調工程建設周期長，建設成本高。沿海城市可以充分利用本地區資源和技術手段緩解用水問題，現有哪些資源可以利用？技術上有無困難？

[學生]沿海城市的海水資源豐富，通過蒸餾方法可以獲取淡水，但是運用實驗室蒸餾裝置只能獲取少量淡水，不適合工業化生產。

[指導]實驗室運用蒸餾原理獲得淡水的方法稱為熱法，還有一種膜法也可以獲得淡水。工業上海水淡化技術主要有反滲透法和低溫多效蒸餾法[3]，比較兩種方法（見表2）選擇最適合該地區的海水淡化技術。

[學生]發電廠有大量余熱可作為熱源，通過低溫多效蒸餾技術可以生產大量淡水。

[問題3]溴被稱為“海洋元素”，地球上有99%的溴元素在海水中。實驗室如何從溴化鈉溶液中獲取溴單質？

[指導]學生每6人分為一個項目組，利用教師給的實驗試劑和器材完成從溴化鈉中提取溴單質的分組實驗。每個小組提供的實驗用品有：0.5mol/L的溴化鈉溶液、新制氯水、四氯化碳、分液漏斗、試管、燒杯、量筒、膠頭滴管和鐵架臺。

[學生表現]各小組主要采用以下兩種方法：（1）在試管中加入一定體積的溴化鈉溶液，滴加足量新制氯水后充分振蕩;在上述混合溶液中加入一定體積的四氯化碳后充分振蕩;將混合溶液倒入分液漏斗靜置分液。（2）在試管中加入一定體積的溴化鈉溶液，滴加足量新制氯水后充分振蕩;將混合溶液倒入分液漏斗再加入一定體積的四氯化碳，充分振蕩后靜置分液。兩種方法都選擇了新制氯水作為氧化劑，通過氧化還原反應原理將溴離子轉化為溴單質，再用四氯化碳進行溴單質的提純。

[問題4]這種提取溴單質的方法在工業生產中是否也適用？技術上有無困難？海水中部分元素的濃度與溶存量見表3。

[學生]海水中溴離子雖然總量大，但是濃度低，直接提取會浪費原料，工業上可以利用海水曬鹽后的鹵水。但是萃取法需要用到大量的四氯化碳，不僅成本高，對環境也會產生污染。

[指導]工業上一般采用在酸化后的鹵水中先通入氯氣將溴離子氧化為溴單質，然后利用溴單質易揮發的性質，用熱空氣把溴單質吹出來，再用二氧化硫吸收溴蒸氣將其還原為溴化氫，最后再通入氯氣置換出高純度溴單質[4]。這種提溴方法在工業上稱為熱空氣吹出法。

[問題5]海水曬鹽技術歷史悠久，但由于海水中離子濃度低，所以需要占用大量的臨海土地并且花費較長時間才能獲得原鹽;海水淡化技術可以緩解沿海居民用水問題，但是淡化后產生的大量濃鹽水如果直接向大海排放，不僅造成資源浪費，也會影響海洋生態環境。工業上能否進行聯合生產，類似于發電廠的余熱用于海水淡化一樣？

[學生]海水淡化后的濃鹽水相當于把原海水濃縮了，如果將濃鹽水引入鹽場曬鹽，不僅可以提高出鹽率，也節省了土地資源。曬鹽后的鹵水又被濃縮了，可以再從鹵水中提取有價值的元素例如K、Mg、Li等。

[指導]各小組充分利用課余時間，通過網絡或圖書館資源進一步完善產業園布局圖（產業聯合、物能循環、可持續發展），并在下一節課上進行展示和匯報，各小組之間將通過互評方式投票選出“最佳人氣獎”。如果要查詢相關產品的市場價格，可以登錄：http：//www.100ppi.com。

環節3：從設計圖紙到生產實際

[學生表現]各小組成員通過課后查找所需資料進一步完善了方案，并在第2課時進行小組展示與互評。產業園方案的設計是沒有標準答案的，有的小組在海水淡化后選擇將濃海水先曬鹽，有的小組選擇先提取溴單質，因為查閱資料發現溴單質成品每噸三萬元左右，而原鹽每噸只有三百元左右，先提溴后曬鹽可以獲得更高的經濟效益。各小組都能考慮到生產過程中要充分考慮物質的循環利用，盡可能降低生產成本，減少對環境的污染，如氯堿廠產生的氯氣既可以用于淡化廠原海水的預處理消毒，也可以用作制溴的氧化劑。各小組暢所欲言，熱烈討論方案的可行性，最后通過小組互評的方式投票選出“最佳人氣獎”的方案（圖2）。

[總結]海水曬鹽是學生比較熟悉的人類最早對海水利用的實例，從中體現出人類運用能量轉化獲取生存所需用品的智慧。隨著社會的發展，用水、用地等矛盾日益突出，通過這兩節課的學習，學生充分發揮主觀能動性，思維的火花在交流碰撞中激發，不僅建立了從“資源”到“產品”的轉化思路，提升了工藝設計的成就感，還從化學視角找到了緩解社會矛盾的方法，真正做到了“學以致用”。學生設計的方案很有價值，在天津濱海新區就有一座海水綜合利用產業園，接下來就讓我們一起觀看“天津北疆發電廠循環經濟項目”宣傳片[5]，進一步了解生產實際，體會化學工業在國民生產中的重要地位。

四、教學感悟

（一）深度學習模式能夠促進學生學科素養的發展

物質的轉化是化學核心知識，基于物質轉化關系的化工生產在推動人類社會發展的進程中發揮著越來越重要的作用，但人類社會的快速發展也帶來了能源、資源、環境等問題，人類對海水的開發利用過程就是其中的一個縮影?；凇吧疃葘W習”的STSE項目教學，將學生之前所學的碎片化知識進一步整合成有邏輯、有體系的知識結構并進行學習的遷移，讓學生獲得了較大的成就感;通過創設產業聯合的真實情境，培養學生運用工業化思維進行資源開發利用的方案設計與評價，讓學生體會化學工業在綜合利用資源、節約資源等方面的技術措施，了解化學研究對化學工業發展的促進作用，建立工業生產與環境及資源綜合利用的社會責任感。

（二）教師在項目教學中要關注學科素養的落實情況

項目教學能充分發揮學生的主觀能動性，引導學生運用化學概念、原理、知識完成一項作品（產業園布局圖）來實現知識的建構，發展化學學科素養。教師在教學過程中可以通過對課堂回答、交流討論、實驗操作等進行評價，及時掌握學科素養的落實情況，適當調整教學活動和教學進度。教師也可以結合教學實際，編制符合學生認知水平、有利于發展學科素養的問題進行課堂測試。

綜上所述，“科學·技術·社會·環境”四位一體的STSE教育，傳遞給學生的不僅僅是化學知識，更要培養學生積極參與社會決策以及運用化學知識解決實際問題的能力，在問題解決中發展學科素養，感悟化學學科的價值與魅力。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：65-67.

[2]于海淼，李長如，趙鵬.海洋主要產業循環經濟模式應用與推廣研究——以天津北疆電廠循環經濟項目為例[J].海洋經濟，2011（4）： 46-51.

[3]馮厚軍，謝春剛.中國海水淡化技術研究現狀與展望[J].化學工業與工程，2010（3）：103-109.

[4]魏釗，張嗣紅，崔擁軍.利用空氣吹出法從海水中提溴工藝簡介[J].化學教育，2011（7）：1-2.

[5]https：//v.youku.com/v_show/id_XNTA2MjQxMTEy.html？spm=a2h0k.11417342.soresults.dposter