STEM教育理念下學生食品安全意識的培養

劉苗苗 羅杏 陳強

摘 要：自STEM教育提出以來，越來越受到各界人士的重視。食品安全也是我們日常生活中大眾關注的焦點問題。以“自熱火鍋”中發熱原理的探索展開，以任務驅動和小組活動的形式，將STEM教育理念和學生的食品安全意識融入到化學教學過程中，以期為高中化學課堂中STEM理念的滲透提供教學參考。

關鍵詞：STEM教育;食品安全意識;原電池;化學教學

一、STEM教育與食品安全

STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的簡寫，作為教育研究中的一個熱點議題，備受國內外教育研究者的關注[1]。STEM教育是幫助學習者整合知識，培養學生素質綜合發展的有效途徑。

近年來，人們對食品的追求越來越高，特別是食品安全問題已成為我國政府和百姓的關注熱點。盡管近年來，國內多位學者在食品安全事件案例編撰及案例教學在食品安全相關課程中的應用做了大量探索，但能夠適用于實踐教學的相關教學案例仍然嚴重不足，案例庫建設依然處于起步階段[2]，將學生的教育與食品安全意識聯合起來培養，是一個值得研討的問題。

二、STEM教育活動

（一）STEM教育的活動目標

S（科學）：通過對自熱產品的分析，明確能量轉換過程，掌握原電池的構成條件和工作原理，對學生進行食品安全意識教育，感悟化學知識在生產和使用的意義，體會化學科學在社會發展中的作用。

T（技術）：鍛煉自身查找和處理資料的能力并進行了合作學習。具有化學基本實驗操作的素養，設計并進行原電池工作原理的探究實驗，明確原電池的構造、原電池電極的判斷以及電極反應式和總反應式方程式的書寫。

E（工程）：工程設計活動貫穿整個STEM活動，提出問題，解決問題，設計原電池工作原理的實驗，進行實驗，自主設計更安全的“自熱火鍋”都是把鍛煉學生的工程素養作為出發點。

M（數學）：實驗設計、實驗用品用量、實驗記錄及實驗數據分析，分析陌生情境下的電池。

（二）STEM教育的活動設計思路

本次STEM教育活動設計思路如下（見表1）。

（三）STEM教育的活動過程

任務一：了解生活中自熱火鍋的構成和加熱原理。

[教師]在中國，自加熱食品始于軍需，自加熱技術進入民用以后，在消費升級的帶動下，以自熱火鍋為代表的自加熱系列產品得到快速發展，滿足了消費者在更多消費場景下對熱食的迫切需求，但目前自加熱技術仍有待提升，急需加大對自加熱包安全性的研究和建立嚴謹的標準確保自加熱食品行業的健康發展[3]。鑒于以上，布置任務：讓學生查閱自熱火鍋相關資料，回答問題：1.自熱火鍋的組成部分？是怎么“自熱”的？2.發熱包內的物質是什么？

[學生]查閱資料，小組合作討論，得出結論。1.自熱火鍋主要是由食材、食材鍋、鍋蓋、外鍋和發熱包組成，其加熱原理是利用發熱包內的物質與水接觸，釋放出熱量，上層食材鍋內的食物吸收熱量后溫度升高而變熟。2.發熱包主要成分是焙燒硅藻土、鐵粉、鋁粉、焦炭粉、活性炭、鹽、生石灰、碳酸鈉等，加入冷水后會產生反應。

[教師]我們可以看出“水”在這里起到了關鍵作用，那么水是怎么起作用的呢？（結合資料，啟發學生從物質組成、性質和變化角度思考自熱火鍋的工作原理。）

[學生]1.生石灰（CaO）遇水發熱，這是發熱包最主要的反應原理，即CaO + H2O = Ca（OH）2，反應放出大量熱，加入水之后迅速沸騰升溫，控制不當會造成危險，也有將堿性物質氫氧化鈣吞食下去的危險。2.生石灰和水反應的氫氧化鈣，再和鋁粉反應，生成偏鋁酸鈣，生成具有可燃性的氣體氫氣，放出大量熱。純凈的氫氣可以在空氣中安靜的燃燒，如果發熱包加熱時產生的氫氣成分不純，反應后釋放出的氫氣量正好處于氫氣的燃燒極限（空氣中氫氣的占比達到4%-75.6%之間時），就有可能引發燃爆的風險，專家強調，自熱食品在密閉空間和在一些公共場合密集大量地使用時，有可能導致氫氣累積，如果達到爆炸下限濃度，碰到一點火源，如身上的靜電或是電路火花，就足以引發爆燃事故。此外，使用完丟棄的發熱包也有安全隱患，如將發熱包丟在垃圾桶，遇到下雨天，由于發熱包和水反應是不需要借助其他任何物質的，因此只要發熱包沒有反應完全，遇水就有隱患。垃圾桶也是一個半封閉環境，若有煙頭之類的火源丟入，就會有爆炸或者燃燒的風險。3.發熱包中含有硅藻土、活性炭等成分，它們是典型的吸附劑，其疏松多孔的結構有利于各種有效成分附著，充分接觸并發生化學反應。發熱包通常還有碳酸鈉、氯化鈣、硫酸鎂等鹽分，主要是用來吸收滲入包裝內的微量水分，防止氧化鈣逐漸失效，同時在化學反應中起到輔助作用。4.通過查閱資料，知道還有原電池的形成起放熱作用，升溫可達150℃，蒸汽溫度可達200℃，但是具體怎么工作的不是很清楚。

任務二：分析自熱火鍋中原電池的工作原理。

[教師]肯定學生的回答，以水果電池為原型，啟發學生思考自熱火鍋里電池的構成要素。提出問題：1.水果電池的構成材料有哪些？2.為什么選擇這些物質作為構成水果電池的材料，其作用是什么？3.對比自熱火鍋里的物質組成，說說你的發現。

[學生]閱讀文獻，小組討論，得出結論：1.水果電池的構成材料有水果（酸性）、導線、活動性強弱相差較大的金屬片;2.水果電池的構成材料均具有導電性，其中水果電池中更活潑的那邊的金屬片能置換出水果中的酸性物質的氫離子，作負極，整個過程發生了氧化還原反應，而且從理論上來說電流大小直接和果酸濃度相關，水果起著電解質溶液的作用;3.自熱火鍋里鐵、鋁、鎂、炭粉和鹽遇水后發生原電池反應，鐵、鋁、鎂粉作為電池負極，炭粉作為電池正極，鹽（氯化鈉）溶于水后充當電解質溶液，空氣參與反應，釋放出大量熱量加熱物體。

任務三：模擬自熱火鍋里的原電池，進行實驗探究。

[教師]總結原電池的構造：有兩種活潑性不同的金屬（或一種是非金屬導體）作電極;電極材料插入電解質溶液中;兩極相連形成閉合回路;能自發的發生氧化還原反應;能把化學能轉化為電能的裝置叫做原電池。下面請同學們，自主選擇實驗材料，設計并進行自熱火鍋電池模擬實驗。

[學生]根據提供的實驗材料，確立實驗方案，繪制原電池草圖，在教師指導下完成原電池工作原理的實驗探究。

[教師]進一步總結原電池的工作原理，讓學生通過分析和解釋實驗探究中出現的問題，掌握正負極的判斷方法，以及原電池電極反應式和總反應式的書寫。

[教師]給學生復雜情境下的陌生電池，如讓學生進行奧運會綠色能源LiFePO4鋰離子動力電池的分析，可設置以下問題：電池是由哪幾部分組成的？正負極分別是什么？分析出正負極反應物、反應產物，說出判斷依據，寫出電極反應式和總反應式。

任務四：貫徹食品安全意識，任務升級。

[教師]近年來，多地發生了多起由于操作不當而導致的自熱食品“闖禍”事件，有的甚至還傷了人。我們的化學和生產生活息息相關，通過今天的學習，請你明確自熱產品的使用注意事項，爭取將來能設計出更安全、更環保的發熱包。

[學生]從以下角度明確注意事項：1.選購時：看有無QS標志、PP5材質;2.拿到后：檢查是否破損;3.加水時：加冷水不加熱水;4.使用時：不直接放在玻璃茶幾、桌面上;5.高溫注意：不放入微波、烤箱等加熱，揭蓋要當心;6.攜帶時：不能帶上飛機或托運;7.丟棄時：反應完全后丟棄，自熱包屬于其他垃圾，注意一下自熱火鍋盒身底部是否有PP5標識，一般來說會是聚丙烯，有的話就屬于可回收垃圾。給學生灌輸食品安全意識和激發繼續探究信念。

STEM 教育強調的是學生在具體學習情境中綜合能力的培養，基于 STEM 理念進行教學設計與分析對我國教育發展有重大意義，本案例以“自熱火鍋”的發熱原理展開了探究，融合多學科知識，貫徹食品安全意識，將科學素養、技術素養、工程素養和數學素養融入化學教學中，綜合地培養了學生獨立思考，分析、解決問題，整合資料，合作學習的素養。后期還是希望可以從生活實踐出發，結合學生的學習興趣，呈現出更多、更好的教學案例，進而提升教學效果。

參考文獻：

[1]顧小清，蔡慧英，王華文.促進實踐與政策創新的教育研究力量——美國 2014AERA年會述評[J].遠程教育雜志，2014，38（5）：3-16.

[2]王健，劉媛，蘭鳳英，曲麗潔，楊立亭，孫豐梅.食品安全事件案例的編寫及其在教學中的應用[J].農產品加工，2020，19（1）：118-120.

[3]中國食品科學技術學會秘書處供稿.十大熱詞解讀彰顯科學共識——2019年食品安全與健康熱點科學解讀媒體溝通會在京召開[J].食品與機械，2020，36（1）：8-9.