STEM教育理念下学生食品安全意识的培养

刘苗苗 罗杏 陈强

摘 要：自STEM教育提出以来，越来越受到各界人士的重视。食品安全也是我们日常生活中大众关注的焦点问题。以“自热火锅”中发热原理的探索展开，以任务驱动和小组活动的形式，将STEM教育理念和学生的食品安全意识融入到化学教学过程中，以期为高中化学课堂中STEM理念的渗透提供教学参考。

关键词：STEM教育;食品安全意识;原电池;化学教学

一、STEM教育与食品安全

STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的简写，作为教育研究中的一个热点议题，备受国内外教育研究者的关注[1]。STEM教育是帮助学习者整合知识，培养学生素质综合发展的有效途径。

近年来，人们对食品的追求越来越高，特别是食品安全问题已成为我国政府和百姓的关注热点。尽管近年来，国内多位学者在食品安全事件案例编撰及案例教学在食品安全相关课程中的应用做了大量探索，但能够适用于实践教学的相关教学案例仍然严重不足，案例库建设依然处于起步阶段[2]，将学生的教育与食品安全意识联合起来培养，是一个值得研讨的问题。

二、STEM教育活动

（一）STEM教育的活动目标

S（科学）：通过对自热产品的分析，明确能量转换过程，掌握原电池的构成条件和工作原理，对学生进行食品安全意识教育，感悟化学知识在生产和使用的意义，体会化学科学在社会发展中的作用。

T（技术）：锻炼自身查找和处理资料的能力并进行了合作学习。具有化学基本实验操作的素养，设计并进行原电池工作原理的探究实验，明确原电池的构造、原电池电极的判断以及电极反应式和总反应式方程式的书写。

E（工程）：工程设计活动贯穿整个STEM活动，提出问题，解决问题，设计原电池工作原理的实验，进行实验，自主设计更安全的“自热火锅”都是把锻炼学生的工程素养作为出发点。

M（数学）：实验设计、实验用品用量、实验记录及实验数据分析，分析陌生情境下的电池。

（二）STEM教育的活动设计思路

本次STEM教育活动设计思路如下（见表1）。

（三）STEM教育的活动过程

任务一：了解生活中自热火锅的构成和加热原理。

[教师]在中国，自加热食品始于军需，自加热技术进入民用以后，在消费升级的带动下，以自热火锅为代表的自加热系列产品得到快速发展，满足了消费者在更多消费场景下对热食的迫切需求，但目前自加热技术仍有待提升，急需加大对自加热包安全性的研究和建立严谨的标准确保自加热食品行业的健康发展[3]。鉴于以上，布置任务：让学生查阅自热火锅相关资料，回答问题：1.自热火锅的组成部分？是怎么“自热”的？2.发热包内的物质是什么？

[学生]查阅资料，小组合作讨论，得出结论。1.自热火锅主要是由食材、食材锅、锅盖、外锅和发热包组成，其加热原理是利用发热包内的物质与水接触，释放出热量，上层食材锅内的食物吸收热量后温度升高而变熟。2.发热包主要成分是焙烧硅藻土、铁粉、铝粉、焦炭粉、活性炭、盐、生石灰、碳酸钠等，加入冷水后会产生反应。

[教师]我们可以看出“水”在这里起到了关键作用，那么水是怎么起作用的呢？（结合资料，启发学生从物质组成、性质和变化角度思考自热火锅的工作原理。）

[学生]1.生石灰（CaO）遇水发热，这是发热包最主要的反应原理，即CaO + H2O = Ca（OH）2，反应放出大量热，加入水之后迅速沸腾升温，控制不当会造成危险，也有将碱性物质氢氧化钙吞食下去的危险。2.生石灰和水反应的氢氧化钙，再和铝粉反应，生成偏铝酸钙，生成具有可燃性的气体氢气，放出大量热。纯净的氢气可以在空气中安静的燃烧，如果发热包加热时产生的氢气成分不纯，反应后释放出的氢气量正好处于氢气的燃烧极限（空气中氢气的占比达到4%-75.6%之间时），就有可能引发燃爆的风险，专家强调，自热食品在密闭空间和在一些公共场合密集大量地使用时，有可能导致氢气累积，如果达到爆炸下限浓度，碰到一点火源，如身上的静电或是电路火花，就足以引发爆燃事故。此外，使用完丢弃的发热包也有安全隐患，如将发热包丢在垃圾桶，遇到下雨天，由于发热包和水反应是不需要借助其他任何物质的，因此只要发热包没有反应完全，遇水就有隐患。垃圾桶也是一个半封闭环境，若有烟头之类的火源丢入，就会有爆炸或者燃烧的风险。3.发热包中含有硅藻土、活性炭等成分，它们是典型的吸附剂，其疏松多孔的结构有利于各种有效成分附着，充分接触并发生化学反应。发热包通常还有碳酸钠、氯化钙、硫酸镁等盐分，主要是用来吸收渗入包装内的微量水分，防止氧化钙逐渐失效，同时在化學反应中起到辅助作用。4.通过查阅资料，知道还有原电池的形成起放热作用，升温可达150℃，蒸汽温度可达200℃，但是具体怎么工作的不是很清楚。

任务二：分析自热火锅中原电池的工作原理。

[教师]肯定学生的回答，以水果电池为原型，启发学生思考自热火锅里电池的构成要素。提出问题：1.水果电池的构成材料有哪些？2.为什么选择这些物质作为构成水果电池的材料，其作用是什么？3.对比自热火锅里的物质组成，说说你的发现。

[学生]阅读文献，小组讨论，得出结论：1.水果电池的构成材料有水果（酸性）、导线、活动性强弱相差较大的金属片;2.水果电池的构成材料均具有导电性，其中水果电池中更活泼的那边的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子，作负极，整个过程发生了氧化还原反应，而且从理论上来说电流大小直接和果酸浓度相关，水果起着电解质溶液的作用;3.自热火锅里铁、铝、镁、炭粉和盐遇水后发生原电池反应，铁、铝、镁粉作为电池负极，炭粉作为电池正极，盐（氯化钠）溶于水后充当电解质溶液，空气参与反应，释放出大量热量加热物体。

任务三：模拟自热火锅里的原电池，进行实验探究。

[教师]总结原电池的构造：有两种活泼性不同的金属（或一种是非金属导体）作电极;电极材料插入电解质溶液中;两极相连形成闭合回路;能自发的发生氧化还原反应;能把化学能转化为电能的装置叫做原电池。下面请同学们，自主选择实验材料，设计并进行自热火锅电池模拟实验。

[学生]根据提供的实验材料，确立实验方案，绘制原电池草图，在教师指导下完成原电池工作原理的实验探究。

[教师]进一步总结原电池的工作原理，让学生通过分析和解释实验探究中出现的问题，掌握正负极的判断方法，以及原电池电极反应式和总反应式的书写。

[教师]给学生复杂情境下的陌生电池，如让学生进行奥运会绿色能源LiFePO4锂离子动力电池的分析，可设置以下问题：电池是由哪几部分组成的？正负极分别是什么？分析出正负极反应物、反应产物，说出判断依据，写出电极反应式和总反应式。

任务四：贯彻食品安全意识，任务升级。

[教师]近年来，多地发生了多起由于操作不当而导致的自热食品“闯祸”事件，有的甚至还伤了人。我们的化学和生产生活息息相关，通过今天的学习，请你明确自热产品的使用注意事项，争取将来能设计出更安全、更环保的发热包。

[学生]从以下角度明确注意事项：1.选购时：看有无QS标志、PP5材质;2.拿到后：检查是否破损;3.加水时：加冷水不加热水;4.使用时：不直接放在玻璃茶几、桌面上;5.高温注意：不放入微波、烤箱等加热，揭盖要当心;6.携带时：不能带上飞机或托运;7.丢弃时：反应完全后丢弃，自热包属于其他垃圾，注意一下自热火锅盒身底部是否有PP5标识，一般来说会是聚丙烯，有的话就属于可回收垃圾。给学生灌输食品安全意识和激发继续探究信念。

STEM 教育强调的是学生在具体学习情境中综合能力的培养，基于 STEM 理念进行教学设计与分析对我国教育发展有重大意义，本案例以“自热火锅”的发热原理展开了探究，融合多学科知识，贯彻食品安全意识，将科学素养、技术素养、工程素养和数学素养融入化学教学中，综合地培养了学生独立思考，分析、解决问题，整合资料，合作学习的素养。后期还是希望可以从生活实践出发，结合学生的学习兴趣，呈现出更多、更好的教学案例，进而提升教学效果。

参考文献：

[1]顾小清，蔡慧英，王華文.促进实践与政策创新的教育研究力量——美国 2014AERA年会述评[J].远程教育杂志，2014，38（5）：3-16.

[2]王健，刘媛，兰凤英，曲丽洁，杨立亭，孙丰梅.食品安全事件案例的编写及其在教学中的应用[J].农产品加工，2020，19（1）：118-120.

[3]中国食品科学技术学会秘书处供稿.十大热词解读彰显科学共识——2019年食品安全与健康热点科学解读媒体沟通会在京召开[J].食品与机械，2020，36（1）：8-9.